基于系统动力学的能源局域网建模研究

2018-09-20郭连海

价值工程 2018年29期

郭连海

摘要：能源局域网是能源互联网的重要组分，更是实现“互联网+能源”的有效途径。首先，介绍系统动力学建模的基本概念、关键步骤；其次，建立能源局域网的系统动力学模型，为相关管理部门和建设单位提供决策参考。

Abstract： Energy LAN is an important component of the energy Internet， and it is an effective way to achieve "Internet+energy". Firstly， the basic concepts and key steps of system dynamics modeling are introduced. Secondly， the system dynamics model of energy LAN is established to provide decision-making reference for relevant management departments and construction units.

关键词：能源局域网；可再生能源；系统动力学；能源管理

Key words： energy LAN；renewable energy；system dynamics；energy management

中图分类号：F259.27 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）29-0118-03

0 引言

非可再生化石能源因长期大量使用而日趋枯竭，由此导致的环境污染问题也日益突出。此外，可再生能源地理分散、随机性、波动性等特点，难以大规模集中利用，呈现出“源端并网难、网端利用率低、荷端服务形式单一”的新特点，也给传统电网的可靠经济运行带来安全隐患。如何利用可再生能源解决化石能源因大量使用而导致的自身紧缺和环境污染问题，尽可能多的实现新能源电力可靠并网，满足可靠系统可靠性条件下“源-网-荷”功率匹配和经济调度，成为传统电力能源变革和新能源应用探索面临的最大挑战。

近年来，能源网络和互联网技术广泛、深度融合下的“能源互联网”成为学术界和经济界共同关注的热点，被认为是未来解决全球化石能源日趋紧缺、化石能源使用导致环境日益恶化问题的有效途径。能源互联网是通过先进的电力电子技术、信息技术和智能管理技术，将大量由分布式能量采集装置、分布式能量储存装置和各种负载构成的新型电力网络节点互联起来，实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。与传统电网相比，能源互联网具有可再生、分布式、互联性、开放性和智能化的特征。能源互联网的发展使得电网结构由集中发电、集中供应模式过渡到集中式发电和用户侧分布式可再生能源发电共存的模式。

作为能源互联网的关键组分，能源局域网是通过新能源发电、微能源的采集、汇聚与分享以及储能或用电消纳形成的能源互联网中的一个“节点”，即能源局域网以节点的形式通过互联形成能源互联网的“骨架”，基于该“骨架”实现可再生能源发电信息共享、信息流与能量流的双向流动、信息流控制能量流，进而实“现源-网-荷”的匹配调度。此外，系统动力学方法被形象的比喻为“政策实验室”，相比于其他方法在大系统模拟仿真、探究扰动下相关要素的关联关系和多方案比较中具有诸多优势，该方法已被广泛应用于军事、旅游、区域规划等领域，然而在能源互联网、能源局域网等相关研究中还比较少见。本文拟从系统动力学的角度，构建能源局域网的SD模型，通过仿真分析研究不同策略下的运行结果，探索其导致的动因，并试图将“向系统购电量”与“产能侧综合产能成本”降到最低和“系统总收益”增至最大，结合动因分析提出对应建议以实现该目标。

1 明确建模目的

随着传统非可再生能源可使用量日益减少、环境污染问题日趋严重，以及能源网络+互联网技术的兴起，大规模可再生能源广泛应用的发展趋势愈加明显，“能源互联网”、“互联网+可再生能源”、“第三次工业革命”等概念为越来越多的人所熟知。本研究基于未来可再生能源规模迅速扩张、产能单元数量庞大且关联关系复杂化、产/用能过程随机波动的综合考虑，提出构建能源局域网的系统动力学模型，借助Vensim PLE软件进行计算机仿真模拟，分析确定影响能源局域网构建、能量管理过程中涉及的功率平衡、经济最优及环保等因素，为政府相关部门找到政策切入点、确定区域可再生能源规划的最佳发展方案提供参考。

2 确定系统边界

系统动力学通过确定被研究对象的系统边界能够将相关关键要素划归到拟研究问题的模型，以便进行随后的因果关系分析、模型构建、数据仿真、政策分析及建议等工作。根据系统动力学“基于问题建模”的原则，本研究所建立的能源局域网系统动力学模型将可再生能源产、储能要素，典型负荷用能要素、系统调控要素，以及与此相关的经济要素、环保要素划入系统边界之内，边界之外与系统有关联的风速、光照、系统电网、天然气价格等因素划归为系统环境。其中，处于“枢纽”位置的总量指标将多条不同闭合回路联系起来构成了被研究对象近似现实的动态行为模式。在此基础上，将研究对象划分为可再生能源产能子系统、典型负荷用能子系统、产需平衡调度子系统和环保约束子系统，四大子系统及其之间的关联关系便构成了能源局域网系统模型的边界。

3 分析核心要素

能源局域网系统作为能源互联网的子节点，汇集了系统电网、风机、光伏、天然气产能单元，系统储能、风-光储能单元和倒班制企业、政府与学校、电动汽车、居民小区等典型用能单元，各单元间不仅能够实现功率的实时平衡，而且能够通过系统调度实现经济、可靠运行。由此可见，能源局域网是受到多因素相互影响的复杂动态系统。因此，需要确定并分析影响系统行为的核心要素，并根据能源互联网系统结构和运行规律探究要素间的关联关系。结合以上分析，并考虑到后续研究会构建因果关系图以定性分析和系统流图以定量分析，现将涉及的核心要素整理、总结如表1所示。

4 能源局域网的SD模型构建

通过以上分析，建立能源局域网的因果关系图，如图1所示。

5 结束语

因果关系图系统地描述了能源局域网各要素之间的因果关系和反馈过程。但是，它并没有区分出系统中变量的性质及系统的管理、控制过程，不便于对系统有一个清楚、全面的认识。系统流图是在因果关系图的基础上通过更加直观的符号进一步区分变量的性质、明确系统要素之间的逻辑关系及反馈过程的图形表示法。因此，能源局域网系统流图比因果关系图承载了更完备的信息，所要表达的逻辑关系也更为直观、准确。