《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》介紹了一種對含嵌入式技術(shù)的能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的建模框架。書中開發(fā)的新模型稱為時間協(xié)調(diào)優(yōu)化潮流（TCOPF）模型，此模型可通過一系列必要步驟計算天然氣和電力網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化能流，同時計算插電式混合動力汽車（PHEV）和熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）裝置的優(yōu)化調(diào)度。因此，TCOPF工具可以管理及協(xié)調(diào)配電網(wǎng)運(yùn)營商和分布式能源之間的相互關(guān)系。
《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》中對分布式能源系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)遵循的優(yōu)化調(diào)度模式進(jìn)行了描述，這種模式有望改善城市能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的性能。集成建模為希望有效協(xié)調(diào)分布式能源運(yùn)行與能源公用事業(yè)運(yùn)營策略的利益相關(guān)方提供了一個新的視角。結(jié)尾，本書結(jié)合用于模擬PHEV行駛狀況的基于agent的模型對TCOPF模型框架進(jìn)行了擴(kuò)展，以便更好地評估PHEV所代表的負(fù)載靈活性。
綜上，為開發(fā)由多種能源基礎(chǔ)設(shè)施與嵌入式分布式能源集成的綜合模型，《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》涵蓋了電力系統(tǒng)工程師所需要關(guān)注的各類關(guān)鍵元素。
原書前言
我們生存的這個世界，資源有限且整個能源供應(yīng)鏈效率低下。從獲得一次燃料到為數(shù)百萬消費(fèi)者提供電力，提高復(fù)雜能源系統(tǒng)的性能是一項艱巨任務(wù)。對于有意進(jìn)入這一研究領(lǐng)域的能源研究人員而言，常常缺乏用來模擬此類多層面問題的軟件工具，因此需要開發(fā)整體的模擬框架來捕捉復(fù)雜能源系統(tǒng)所表現(xiàn)出的關(guān)鍵特性。倫敦帝國理工學(xué)院近期開展的一系列跨學(xué)科研究，正是試圖解決多能源網(wǎng)絡(luò)與有助于
提升城市區(qū)域內(nèi)能源基礎(chǔ)設(shè)施性能的先進(jìn)技術(shù)相互影響所產(chǎn)生的問題。
電力系統(tǒng)工程師通常聲稱建設(shè)智能電網(wǎng)系統(tǒng)是為了改革電力輸送方式，然而他們忽略了一點，那就是相互依存的基礎(chǔ)設(shè)施可以使智能電網(wǎng)更加智能。
《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》的撰寫正是基于這樣一種假設(shè)，即隨著新技術(shù)的引進(jìn)，公用設(shè)施現(xiàn)行的管理方法可能會導(dǎo)致其效率更加低下。這是因為即將部署的分布式能源（DER）必將使公用設(shè)施的資本運(yùn)行更具成本效益，所以必須對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行多重分析以確保其關(guān)鍵服務(wù)不被中斷。這一特性引發(fā)我們的思考，例如，燃?xì)怛?qū)動熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的高度普及是否會對燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)帶來不利的影響？此類問題便是本書討論的核心。
顯而易見，為了確保所需的系統(tǒng)性能得以全部實現(xiàn)，需要進(jìn)行整體性的分析。因此，填補(bǔ)基礎(chǔ)設(shè)施相互依存關(guān)系領(lǐng)域現(xiàn)有的研究空白是一項值得嘗試的工作，可為未來能源系統(tǒng)的設(shè)計和運(yùn)行提供有價值的指導(dǎo)意見。
《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》介紹了一種在嵌入式技術(shù)存在的情況下對能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的建模框架。文中開發(fā)的新模型稱為時間協(xié)調(diào)最優(yōu)潮流（TCOPF）模型，此模型可通過一系列必要步驟計算天然氣和電力網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)能流，同時計算插電式混合動力汽車（PHEV）和熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）裝置的最優(yōu)調(diào)度。因此，TCOPF工具可以管理配電網(wǎng)運(yùn)營商和分布式能源之間的相互關(guān)系。
《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》中對分布式能源系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)遵循的優(yōu)化調(diào)度模式進(jìn)行了描述，這種模式有望改善城市能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的性能。集成建模為希望有效協(xié)調(diào)分布式能源運(yùn)行與能源公用事業(yè)運(yùn)營策略的利益相關(guān)方提供了一個新的視角。最終，本書結(jié)合用于模擬PHEV行駛狀況的基于agent的模型對TCOPF模型框架進(jìn)行了擴(kuò)展，以便更好地評估PHEV所代表的負(fù)載靈活性。
綜上，為開發(fā)由多種能源基礎(chǔ)設(shè)施與嵌入式分布式能源集成的綜合模型，《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》涵蓋了電力系統(tǒng)工程師所需要關(guān)注的各類關(guān)鍵元素�！赌茉捶⻊�(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》的架構(gòu)如下：
第1章：簡述進(jìn)行這項工作的背景和動機(jī)。重點闡述全世界范圍內(nèi)不斷增長的能源需求，以及為什么城市中心是能源消耗的聚集地，強(qiáng)調(diào)以最優(yōu)方式使用資源對于城市的重要性。
第2章：對涉及本研究主題的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述，包括有關(guān)能源基礎(chǔ)設(shè)施與嵌入式技術(shù)集成分析的建模方法等。此外，概述前人針對天然氣和電力聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)所進(jìn)行的分析工作。
第3章：從電力和天然氣網(wǎng)絡(luò)建模的數(shù)學(xué)原理出發(fā)，圍繞針對這兩類基礎(chǔ)設(shè)施的建模，詳細(xì)介紹采用牛頓－拉夫遜法的穩(wěn)態(tài)潮流分析，并比較兩類系統(tǒng)的相似性。
第4章：擴(kuò)展第3章所搭建的模型框架，引入控制裝置和嵌入式技術(shù)，控制機(jī)理包含天然氣系統(tǒng)中的壓縮機(jī)以及電力系統(tǒng)中的有載分接開關(guān)（OLTC）。介紹能量轉(zhuǎn)換與存儲技術(shù)涉及的概念和公式，并對含熱存儲的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組以及含電化學(xué)存儲的PHEV裝置進(jìn)行分析。
第5章：以第3章和第4章中建立的模型框架為基礎(chǔ)，使用TCOPF進(jìn)行能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的集成優(yōu)化能流分析。提出多周期TCOPF問題的普適數(shù)學(xué)表述，由此對目標(biāo)函數(shù)和約束條件的基本特性進(jìn)行討論。
第6章：通過TCOPF程序?qū)Σ煌\(yùn)行策略下的案例情景進(jìn)行分析，說明分布式能源如何影響天然氣和電力網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)－經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行參數(shù)，并對仿真所得數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析。特別關(guān)注控制、轉(zhuǎn)換和存儲裝置之間的協(xié)調(diào)，探索適合未來能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行模式。由此為利益相關(guān)者提供關(guān)于分布式能源理想化管理的指導(dǎo)意見。
第7章：說明如何通過基于agent的模型，將其輸出數(shù)據(jù)連接到TCOPF建�？蚣芤酝瓿绍囕v行駛的分析。這種方式下，PHEV負(fù)載的時間和空間特征可用于潮流問題分析。通過案例研究展示了結(jié)果的粒度。
第8章：討論本文的貢獻(xiàn)，得出結(jié)論，同時探討該領(lǐng)域未來的不同研究方向。
以上章節(jié)綱要涵蓋了能源模擬的核心基本原理，可供能源研究者參考以制定自己的模擬框架�？梢悦鞔_的是，在這一研究領(lǐng)域，靈活性是至關(guān)重要的，而若每個系統(tǒng)的原理都能得到適當(dāng)?shù)乇硎�，綜合分析也是可以實現(xiàn)的。不過，我認(rèn)為一些模型假設(shè)似乎有些寬泛，盡管如此，我相信本書已經(jīng)實現(xiàn)了它的價值，也希望能源領(lǐng)域的研究人員能在此基礎(chǔ)上做出更多的貢獻(xiàn)。
任何一本書都不可以憑一己之力完成，《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》也不例外。因此，特別感謝IET出版社對本書原稿所做的貢獻(xiàn)。此外，還要感謝所有同事、家人和過去幾年對我的研究有積極影響的朋友們，是你們造就了這本書。
Salvador Acha
Salvador Acha，是英國帝國理工學(xué)院的研究員，也是帝國理工-森寶利集團(tuán)合作研究團(tuán)隊的帶頭人。該合作旨在達(dá)成兩個目標(biāo)：在超市實施智能控制以提高能效，同時通過整體的能源投資決策可持續(xù)地減少森寶利的碳足跡。團(tuán)隊主要圍繞能效策略、能源模擬及預(yù)測、低碳路線圖進(jìn)行研究。Acha博士的研究領(lǐng)域包括智能電網(wǎng)架構(gòu)、插電式混合動力汽車推廣、分布式能源資源優(yōu)化管理、能源預(yù)測和環(huán)境報告。
目 錄
譯者序
原書序
原書前言
縮略語表
符號表
第1章能源資源、基礎(chǔ)設(shè)施和轉(zhuǎn)換技術(shù)有效管理所面臨的挑戰(zhàn)1
1.1全球城市化和能源系統(tǒng)效率1
1.2城市能源系統(tǒng)的演變5
1.3能源系統(tǒng)的綜合管理8
第2章集成建模綜述12
2.1關(guān)于分布式能源的建模問題12
2.1.1分布式發(fā)電面臨的挑戰(zhàn)12
2.1.2熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)對電網(wǎng)的影響14
2.1.3PHEV技術(shù)對電網(wǎng)的影響17
2.2模擬多能源網(wǎng)絡(luò)的方法22
2.2.1多聯(lián)產(chǎn)分析22
2.2.2綜合能源運(yùn)輸系統(tǒng)22
2.2.3能源樞紐建模23
2.2.4天然氣和電力的一體化研究24
第3章能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建模26
3.1電網(wǎng)建模26
3.1.1電力系統(tǒng)的基本原理26
3.1.2定義電力潮流問題27
3.1.3節(jié)點公式和導(dǎo)納矩陣28
3.2天然氣網(wǎng)絡(luò)建模31
3.2.1天然氣系統(tǒng)的基本原理31
3.2.2定義天然氣潮流問題32
3.2.3節(jié)點公式和關(guān)聯(lián)矩陣33
3.3能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)類比36
3.3.1部件和變量的建模36
3.3.2牛頓-拉夫遜算法37
3.3.2.1電力系統(tǒng)的雅可比矩陣38
3.3.2.2天然氣系統(tǒng)的雅可比矩陣39
3.3.2.3潮流總結(jié)41
第4章能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中嵌入式技術(shù)的建模43
4.1有載分接開關(guān)（OLTC）變壓器的建模43
4.1.1OLTC變壓器的基本原理43
4.1.2OLTC模型方程45
4.2壓縮機(jī)站建模47
4.2.1壓縮機(jī)站的基本原理47
4.2.2壓縮機(jī)模型方程48
4.3熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)建模49
4.3.1熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的基本原理49
4.3.2含熱電聯(lián)產(chǎn)天然氣網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點公式56
4.3.3儲熱管理方程58
4.4PHEV技術(shù)建模60
4.4.1PHEV的基本原理60
4.4.2含PHEV電網(wǎng)的節(jié)點公式68
4.4.3電化學(xué)儲能管理方程70
第5章能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的時序最優(yōu)潮流73
5.1TCOPF問題概述73
5.1.1問題描述73
5.1.2優(yōu)化求解75
5.1.3TCOPF工具的輸入數(shù)據(jù)和假設(shè)77
5.2TCOPF的目標(biāo)函數(shù)78
5.2.1即插即忘78
5.2.2燃料成本78
5.2.3能量損失78
5.2.4能源成本79
5.2.5綜合目標(biāo)79
5.3TCOPF的數(shù)學(xué)公式79
5.3.1目標(biāo)函數(shù)的公式79
5.3.1.1即插即忘情景80
5.3.1.2燃料成本最小化情景80
5.3.1.3能量損失最小化情景80
5.3.1.4能源成本最小化情景80
5.3.1.5多目標(biāo)最小化情景（如現(xiàn)貨價格成本與排放成本）81
5.3.2約束條件82
5.3.2.1關(guān)于電網(wǎng)82
5.3.2.2關(guān)于天然氣網(wǎng)82
5.3.2.3關(guān)于嵌入電網(wǎng)的PHEV83
5.3.2.4關(guān)于嵌入天然氣網(wǎng)絡(luò)的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置83
5.3.3TCOPF問題和求解的特性84
第6章能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源優(yōu)化：案例分析86
6.1TCOPF能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)案例研究86
6.1.1輸入數(shù)據(jù)和假設(shè)86
6.1.2案例研究和能源系統(tǒng)參數(shù)的說明89
6.2技術(shù)-經(jīng)濟(jì)性結(jié)果93
6.2.1概述93
6.2.2集成與非集成系統(tǒng)94
6.2.3天然氣網(wǎng)絡(luò)96
6.2.4熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)100
6.2.5電網(wǎng)107
6.2.6PHEV技術(shù)110
6.3結(jié)果綜述116
第7章能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中電動汽車流動性的建模119
7.1PHEV流動性的建模119
7.1.1建模方法119
7.2基于agent的模型與潮流模型的綜合120
7.2.1車輛基于agent的模型121
7.2.2PHEV的優(yōu)化潮流公式122
7.2.2.1PHEV充電成本最小化情景123
7.3PHEV充電的ABM-TCOPF案例研究124
7.3.1輸入數(shù)據(jù)和假設(shè)124
7.3.1.1駕駛員資料124
7.3.1.2PHEV特性124
7.3.1.3城市布局124
7.3.1.4電力負(fù)載資料和網(wǎng)絡(luò)特性125
7.3.2案例研究和能源系統(tǒng)參數(shù)126
7.4技術(shù)-經(jīng)濟(jì)性結(jié)果127
7.4.1基于agent的模型結(jié)果127
7.4.2優(yōu)化潮流模型結(jié)果130
第8章結(jié)束語134
8.1總結(jié)和貢獻(xiàn)134
8.2研究的受益者136
8.3未來的研究方向137
附錄139
附錄A城市群數(shù)據(jù)139
附錄B英國的能流分析140
附錄C電力負(fù)載潮流代碼142
附錄D天然氣負(fù)載潮流代碼145
附錄E有載分接開關(guān)偏導(dǎo)數(shù)147
附錄F標(biāo)幺值148
附錄GKKT最優(yōu)化條件149
附錄H牛頓迭代法149
參考文獻(xiàn)151
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