基于系統(tǒng)動力學(xué)的能源局域網(wǎng)建模研究

郭連海

摘要：能源局域網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組分，更是實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+能源”的有效途徑。首先，介紹系統(tǒng)動力學(xué)建模的基本概念、關(guān)鍵步驟；其次，建立能源局域網(wǎng)的系統(tǒng)動力學(xué)模型，為相關(guān)管理部門和建設(shè)單位提供決策參考。

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.

關(guān)鍵詞：能源局域網(wǎng)；可再生能源；系統(tǒng)動力學(xué)；能源管理

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

中圖分類號：F259.27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0118-03

0 引言

非可再生化石能源因長期大量使用而日趨枯竭，由此導(dǎo)致的環(huán)境污染問題也日益突出。此外，可再生能源地理分散、隨機(jī)性、波動性等特點(diǎn)，難以大規(guī)模集中利用，呈現(xiàn)出“源端并網(wǎng)難、網(wǎng)端利用率低、荷端服務(wù)形式單一”的新特點(diǎn)，也給傳統(tǒng)電網(wǎng)的可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來安全隱患。如何利用可再生能源解決化石能源因大量使用而導(dǎo)致的自身緊缺和環(huán)境污染問題，盡可能多的實(shí)現(xiàn)新能源電力可靠并網(wǎng)，滿足可靠系統(tǒng)可靠性條件下“源-網(wǎng)-荷”功率匹配和經(jīng)濟(jì)調(diào)度，成為傳統(tǒng)電力能源變革和新能源應(yīng)用探索面臨的最大挑戰(zhàn)。

近年來，能源網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛、深度融合下的“能源互聯(lián)網(wǎng)”成為學(xué)術(shù)界和經(jīng)濟(jì)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)，被認(rèn)為是未來解決全球化石能源日趨緊缺、化石能源使用導(dǎo)致環(huán)境日益惡化問題的有效途徑。能源互聯(lián)網(wǎng)是通過先進(jìn)的電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和智能管理技術(shù)，將大量由分布式能量采集裝置、分布式能量儲存裝置和各種負(fù)載構(gòu)成的新型電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動的能量對等交換與共享網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，能源互聯(lián)網(wǎng)具有可再生、分布式、互聯(lián)性、開放性和智能化的特征。能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使得電網(wǎng)結(jié)構(gòu)由集中發(fā)電、集中供應(yīng)模式過渡到集中式發(fā)電和用戶側(cè)分布式可再生能源發(fā)電共存的模式。

作為能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組分，能源局域網(wǎng)是通過新能源發(fā)電、微能源的采集、匯聚與分享以及儲能或用電消納形成的能源互聯(lián)網(wǎng)中的一個“節(jié)點(diǎn)”，即能源局域網(wǎng)以節(jié)點(diǎn)的形式通過互聯(lián)形成能源互聯(lián)網(wǎng)的“骨架”，基于該“骨架”實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電信息共享、信息流與能量流的雙向流動、信息流控制能量流，進(jìn)而實(shí)“現(xiàn)源-網(wǎng)-荷”的匹配調(diào)度。此外，系統(tǒng)動力學(xué)方法被形象的比喻為“政策實(shí)驗(yàn)室”，相比于其他方法在大系統(tǒng)模擬仿真、探究擾動下相關(guān)要素的關(guān)聯(lián)關(guān)系和多方案比較中具有諸多優(yōu)勢，該方法已被廣泛應(yīng)用于軍事、旅游、區(qū)域規(guī)劃等領(lǐng)域，然而在能源互聯(lián)網(wǎng)、能源局域網(wǎng)等相關(guān)研究中還比較少見。本文擬從系統(tǒng)動力學(xué)的角度，構(gòu)建能源局域網(wǎng)的SD模型，通過仿真分析研究不同策略下的運(yùn)行結(jié)果，探索其導(dǎo)致的動因，并試圖將“向系統(tǒng)購電量”與“產(chǎn)能側(cè)綜合產(chǎn)能成本”降到最低和“系統(tǒng)總收益”增至最大，結(jié)合動因分析提出對應(yīng)建議以實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。

1 明確建模目的

隨著傳統(tǒng)非可再生能源可使用量日益減少、環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，以及能源網(wǎng)絡(luò)+互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，大規(guī)?？稍偕茉磸V泛應(yīng)用的發(fā)展趨勢愈加明顯，“能源互聯(lián)網(wǎng)”、“互聯(lián)網(wǎng)+可再生能源”、“第三次工業(yè)革命”等概念為越來越多的人所熟知。本研究基于未來可再生能源規(guī)模迅速擴(kuò)張、產(chǎn)能單元數(shù)量龐大且關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜化、產(chǎn)/用能過程隨機(jī)波動的綜合考慮，提出構(gòu)建能源局域網(wǎng)的系統(tǒng)動力學(xué)模型，借助Vensim PLE軟件進(jìn)行計算機(jī)仿真模擬，分析確定影響能源局域網(wǎng)構(gòu)建、能量管理過程中涉及的功率平衡、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)及環(huán)保等因素，為政府相關(guān)部門找到政策切入點(diǎn)、確定區(qū)域可再生能源規(guī)劃的最佳發(fā)展方案提供參考。

2 確定系統(tǒng)邊界

系統(tǒng)動力學(xué)通過確定被研究對象的系統(tǒng)邊界能夠?qū)⑾嚓P(guān)關(guān)鍵要素劃歸到擬研究問題的模型，以便進(jìn)行隨后的因果關(guān)系分析、模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)仿真、政策分析及建議等工作。根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)“基于問題建模”的原則，本研究所建立的能源局域網(wǎng)系統(tǒng)動力學(xué)模型將可再生能源產(chǎn)、儲能要素，典型負(fù)荷用能要素、系統(tǒng)調(diào)控要素，以及與此相關(guān)的經(jīng)濟(jì)要素、環(huán)保要素劃入系統(tǒng)邊界之內(nèi)，邊界之外與系統(tǒng)有關(guān)聯(lián)的風(fēng)速、光照、系統(tǒng)電網(wǎng)、天然氣價格等因素劃歸為系統(tǒng)環(huán)境。其中，處于“樞紐”位置的總量指標(biāo)將多條不同閉合回路聯(lián)系起來構(gòu)成了被研究對象近似現(xiàn)實(shí)的動態(tài)行為模式。在此基礎(chǔ)上，將研究對象劃分為可再生能源產(chǎn)能子系統(tǒng)、典型負(fù)荷用能子系統(tǒng)、產(chǎn)需平衡調(diào)度子系統(tǒng)和環(huán)保約束子系統(tǒng)，四大子系統(tǒng)及其之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系便構(gòu)成了能源局域網(wǎng)系統(tǒng)模型的邊界。

3 分析核心要素

能源局域網(wǎng)系統(tǒng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的子節(jié)點(diǎn)，匯集了系統(tǒng)電網(wǎng)、風(fēng)機(jī)、光伏、天然氣產(chǎn)能單元，系統(tǒng)儲能、風(fēng)-光儲能單元和倒班制企業(yè)、政府與學(xué)校、電動汽車、居民小區(qū)等典型用能單元，各單元間不僅能夠?qū)崿F(xiàn)功率的實(shí)時平衡，而且能夠通過系統(tǒng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行。由此可見，能源局域網(wǎng)是受到多因素相互影響的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)。因此，需要確定并分析影響系統(tǒng)行為的核心要素，并根據(jù)能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行規(guī)律探究要素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。結(jié)合以上分析，并考慮到后續(xù)研究會構(gòu)建因果關(guān)系圖以定性分析和系統(tǒng)流圖以定量分析，現(xiàn)將涉及的核心要素整理、總結(jié)如表1所示。

4 能源局域網(wǎng)的SD模型構(gòu)建

通過以上分析，建立能源局域網(wǎng)的因果關(guān)系圖，如圖1所示。

5 結(jié)束語

因果關(guān)系圖系統(tǒng)地描述了能源局域網(wǎng)各要素之間的因果關(guān)系和反饋過程。但是，它并沒有區(qū)分出系統(tǒng)中變量的性質(zhì)及系統(tǒng)的管理、控制過程，不便于對系統(tǒng)有一個清楚、全面的認(rèn)識。系統(tǒng)流圖是在因果關(guān)系圖的基礎(chǔ)上通過更加直觀的符號進(jìn)一步區(qū)分變量的性質(zhì)、明確系統(tǒng)要素之間的邏輯關(guān)系及反饋過程的圖形表示法。因此，能源局域網(wǎng)系統(tǒng)流圖比因果關(guān)系圖承載了更完備的信息，所要表達(dá)的邏輯關(guān)系也更為直觀、準(zhǔn)確。

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