2020年8月3-6日，国际电子电气工程师协会电力与能源学会年会（IEEE Power & Energy Society General Meeting）在线上举行。会上，清华大学电机系夏清、康重庆教授课题组的论文“Exploiting Integrated Flexibility from a Local Smart Energy Hub”获最佳论文奖（Best-of-the-Best）。论文第一作者为清华大学电机系博士生谭振飞，通讯作者为电机系钟海旺副教授。

最佳论文奖经2轮评审选出。首先从800余篇录用论文中分四个技术领域评选出66篇最佳论文（Best Paper）；再根据口头报告展示效果从每一个技术领域选出一篇论文授予最佳论文奖（Best-of-the-Best）。2020年共4篇论文获该荣誉，本文是国内唯一获奖论文。

该论文聚焦终端多能源微网同时为电网/气网/热网提供灵活性的模式与方法，首次提出了综合灵活性的概念，提出了描述综合灵活性可行域的数学模型及求解方法。智能能量枢纽（Smart Energy Hub, SEH）是指配备热电联产（CHP）、电制热、燃气锅炉等能量转化设备以及智能通信控制装置的局域多能源系统。SEH靠近负荷需求终端，从集中式的电网/气网/供热系统输入能量，经由各类能量转化设备供给终端负荷。典型的SEH包括：智能楼宇、工业园区、能源社区等。利用能量转换设备，SEH可在不改变终端负荷需求的前提下灵活调节从集中式供能网络中吸收的功率，从而为系统运行提供灵活性。以下图所示的SEH为例，其电力需求由本地热电联产机组和电网提供，热负荷由热电联产机组、电锅炉和热网提供。当电网阻塞或紧急故障时，该SEH可增加本地CHP的电力供应、减少本地电制热，由此在满足终端电力需求的同时减少从电网吸收的功率；而当新能源出力较多时，该SEH直接使用网供电供给本地电、热负荷，由此增加消纳新能源发电、减少化石能源消耗。这种能力被称为综合灵活性（Integrated Flexibility）。综合灵活性可在不影响用户用能需求的同时将集中式电网/气网/供热的负荷需求由刚性转变为弹性、扩大集中式系统的优化空间、进而提升系统运行的经济性。

图 1 智能能量枢纽结构示意

激发和利用综合灵活性需要解决2个关键技术问题：

其一，如何刻画SEH可提供的综合灵活性范围？

其二，如何将SEH提供的综合灵活性嵌入集中式多能源系统的优化运行？

针对第一个问题，论文定义了SEH的综合灵活性可行域（Integrated Flexible Region, IFR），即SEH在不违反内部设备运行约束条件下可满足终端负荷的能量输入可行域。为了计算IFR，论文首先基于能量枢纽标准矩阵模型建立SEH的运行可行域模型，建模过程中考虑了输入输出方程、能量转换方程和各类能量转换设备的运行约束。其次，将SEH的运行可行域从状态空间投影到输入空间，得到IFR模型。计算IFR是一个多面体投影问题，可以用傅立叶消元、块消元或顶点枚举法等算法求解。在电网/气网/热网协调优化运行中考虑需求侧能量枢纽的IFR约束，可以确保优化决策结果和调度指令对各本地能量枢纽是可执行的。图2展示了一个能量枢纽的IFR。可以看出，IFR是三维坐标系第一象限中的封闭区域，且随着能量枢纽终端负荷的变化而变化。

针对如何将综合灵活性嵌入集中式多能源系统优化运行的问题，论文提出了一种两阶段的运行模式，如图3所示。在第一阶段，每个SEH评估可提供的综合灵活性的IFR，并提交给上层系统运行机构；在第二阶段，上层系统运行机构以IFR为约束条件优化决策各SEH的能量输入。运行机构的优化决策问题被建模为一个线性规划问题，目标函数为运行总成本最小，约束条件包括：各SEH的IFR约束，系统的电/气/热供需平衡约束、集中式系统的设备运行约束。

论文构造了包含10个相同SEH的区域多能源系统进行数值模拟和测试。比较了两种运行模式：S1，不考虑综合灵活性，即区域多能源系统的终端负荷需求刚性；S2，考虑SEH提供的综合灵活性。图4展示了两种运行模式下SEH的能量输入。可看到，在考虑灵活性的模式中，SEH在大多数时段内输入较少的热能和天然气；相反，它从外部系统输入了更多的电力。这一策略促进了可再生能源的消纳、减少了化石能源的消耗。图5对比了不同运行模式下系统运行成本和弃风弃光电量。引入综合灵活性后，系统运行成本每日降低约7%，弃风弃光电量减少约85%。此外值得注意的是，综合灵活性利用了不同能源载体之间的互补替代特性，不会影响终端负荷需求和用户满意度。

图4 不同运行模式下智能能量枢纽各时段能量输入

IEEE电力与能源学会年会是电力与能源领域的顶级国际会议，每年举办一次。会议提供了全球最大的电力行业论坛，分享电力领域最新的技术发展，制定标准以指导设备和系统开发，并为业内人士及大众提供专业培训。本次会议原定在加拿大蒙特利尔举办，但受新冠疫情影响，会议转为线上举行。

该研究得到了国家自然科学基金和国家电网科技项目《综合能源系统多能转换模拟与综合能效评估技术研究》的资助。

引文格式：

Z. Tan, H. Zhong, Q. Xia, C. Kang and H. Dai, “Exploiting Integrated Flexibility from a Local Smart Energy Hub,”

2020 IEEE Power & Energy Society General Meeting (PESGM), Montréal, Québec, Canada, 2020, pp. 1-5