综合能源系统的做功域和做功能力

IEEEEI?2025安全、可靠和灵活的能源互联网ThegthIEEEConferenceonDEC.5~8,20251JILIN,CHINAEnergyInternetandEnergySystemIntegration第九届IEEE能源互联网与能源系统集成国际会议ORGANIZERS主办单位PES中国电机工程学会东北电力大学清華大学综合能源系统的做功域和做功能力汇 报人：周天烁汇报单位：天津大学石河子大学汇报日期：2025年12月The 9th IEEEConference onEnergy Internet andEnergy System Integration, Dec.5-8,2025.Jilin, China石河子大学目录天津大学Tianjin UniversitySHIHEZIUNIVERSITY研究背景与意义2做功域与做功能力模型3算例验证结语石河子大学研究背景与意义天津大学Tianjin UniversitySHIHEZIUNIVERSITY能源与环境现状能源综合利用效率的提升需求能量“数量”节能一是开源：增加“风、光、地热”等可再生能源接入，减少化石能源消耗。二是节流：减少“跑、冒、滴、漏”的现象，降低损失。用能的本质是利用其做功能力能量品质节能用能的核心需求在于能量品质，而非单纯的能量数量。保障用户能量品质需求的前提下>优化用能策略>可在维持相同功效的同时减少能耗总量精准匹配用户需求与能量品质，从品质提升的维度进一步挖掘能源利用潜力。12001401080.1120(TWh)1000亿吨）100800二氧化碳当量（）g0费量629.4009562.5553.260电力总消501.840400342.620200世界中国年份■2012-2022年平均值■2023年■2024年2012-2024年中国及世界电力消费总量变化2000-2024年中国温室气体总排放量3石河子大学研究背景与意义天津大学Tianjin UniversitySHIHEZI UNIVERSITY能量、与做功能力能量由(exergy)和炳(anergy)构成是指当理论上可以全部转换为功的那部分能量，是真正被利用的那部分能量，烧是指能量中一切不能转换为功的那部分能量，相当于环境自身蕴含的那部分能量不同能量转换为功的能力存在差异电/气/热对物体所作的机械功为W,>W,>W>W4，如右图所示。各类能量的品质存在差异，量化了能量转换为功的能力（做功能力）。(a)(b)炕(无功功率)mYYAu(有功功率)>hz1炕Anergy品质衰减1kVA的交流电1kW的天然气ExergyWi=mghWz=mgh2（不可转换为(功率因数为0.95)（环境温度25℃）（可转换为功的能量）功的能量）(c)(d)般不可逆必umLha能量Energy1kW的100℃热水1kW的50℃热水W,=mghyW=mgh4（环境温度25℃)（环境温度25℃）能量、和无的关系图做功能力的差异4石河子大学研究背景与意义天津大学TianjinUniversitySHIHEZIUNIVERSITYIES供能能力和安全域/运行域的研究现状研究领域研究现状总结完成了对保证潮流安全的静态安全域、保证暂态稳定的动态安全域、保证小扰动输电系统稳定的安全域等一系列域理论研究，实现了基于安全域的电力系统安全性评估、成本优化与定价、安全控制、发电经济调度和电网扩展规划等应用研究。提出了智能配电系统安全域概念与模型，系统性地研究了其存在性、可观测性，配电系统几何性质、作用机理与实际应用等问题。提出了输气系统最大供气能力曲线，以天然气网络节点流量为状态变量，构建了天然气系统天然气网络N-0安全域模型，并进一步给出了输气系统安全域应用方法。提出了综合能源系统N-1安全域、N-0安全域的定义、建模和边界求解方法，初步综合能源系统探索了基于安全域模型对的综合能源系统预防控制与优化控制等应用方法。■现有研究不足：现有IES安全域/运行域均基于能流模型而建立，仅刻画了能量数量供应的范围和极限数量与品质的二元性表明，单纯增加能量的数量供给开不必然提升ES的做功能力。导致基于传统安全域/运行域开发的优化调度策略，并不一定能够兼顾最优做功能力。因此有必要借鉴域方法，从IES做功能力的角度讨论其最大范围和能力极限，5石河子大学目录天津大学Tianjin UniversitySHIHEZIUNIVERSITY研究背景与意义2故功域与做功能力模型3算例验证结语4石河子大学做功域与做功能力模型天津大学Tianjin UniversitySHIHEZIUNIVERSITY做功域的工作点状态变量源向IES注入流，该部分流为系统的输入，被称为源端负荷获得流，该部分流为系统的输出，被称为负荷拥是量化IES做功能力的物理量，负荷拥量化了用户获得的做功能力。工作点模型IES做功域的工作点：决定综合能源系统安全状态的最少状态变量集合，本研究以负荷作为状态变量。由电力子系统、天然气子系统、热力子系统负荷节点的负荷拥，构成做功域的工作点：Wwr -e..,e,.,e,e,.,e,,.,e.e,..,e,..eh若不加以区分能源的种类，做功域的工作点表示为：Wwr =e,...,e....,其中，e,表示第x个负荷，j=n+o+m石河子大学做功域与做功能力模型天津大学Tianjin UniversitySHIHEZIUNIVERSITY做功域的状态空间基本定义做功域的状态空间：在状态变量的上、下限范围内，所有可能出现的由负荷作为状态变量构成的工作点的集合。状态空间的维度：状态空间在数学中为多维向量空间，其空间维度由工作点中的变量个数决定。状态空间边界：状态空间中工作点向量在某一或多个状态变量上所能达到的最大或最小取值所构成的界限。状态空间模型安全点不安全点不考虑点IES做功域的状态空间：做功域的状态空间“>!>IA(mili0E'0>≥[Ag(min)g(maxIAh(maxh(min)h(min)n(ma电/气/热的负荷上限电/气/热的负荷下限做功域石河子大学做功域与做功能力模型天津大学Tianjin UniversitySHIHEZIUNIVERSITY做功域及其安全边界做功域模型做功域：系统运行时，所有安全工作点构成的集合，是状态空间中为封闭区域域具有通用性，针对不同系统的做功域，可对其数学模型可进行一般化表示2wR ={WwR I h(WwR) = 0, g(WwR)≤ 0)等式约束集合不等式约束集合做功域的安全边界状态空间状态空间边界IES做功域的安全边界：是安全工作点和不安全工作点在状态空间中的分界线，反映了在当前安全准则下IES做功能力做功域临界工作点的范围。其数学模型可进行一般化表示：安全工作点任意工作点做功域安全边界Wb状态变量变换范围2不安全工作点wbWb*±SE.,xE(1,2,..., y)WRWRWRME0<SA做功域、安全边界、状态空间任意状态变量变化后的新工作点！关系示意图9石河子大学做功域与做功能力模型天津大学Tianjin UniversitySHIHEZIUNIVERSITY做功域及其安全边界等式约束集不等式约束集g(Wwr ) = (GWR, GWR, GWR, GR)表示