數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行研究綜述

馬曉燕，穆云飛，李樹榮，姜欣陽，李華，陳長金

(1. 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室(天津大學(xué))，天津市300072；2. 國網(wǎng)河北省電力有限公司雄安新區(qū)供電公司，河北省雄安新區(qū) 071000；3. 國網(wǎng)河北省電力有限公司涉縣供電分公司，河北省邯鄲市 056400；4. 國網(wǎng)河北省電力有限公司電力培訓(xùn)中心，石家莊市 050000)

0 引 言

社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和化石能源的大規(guī)模開發(fā)利用導(dǎo)致資源枯竭、環(huán)境污染等問題的日益嚴(yán)重[1-2]，同時傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)優(yōu)化和運行局限于電/氣/冷/熱等單一能源系統(tǒng)內(nèi)部，且各種能源形式分開且相對獨立，這大大限制了能源的綜合協(xié)調(diào)利用，不利于用能能效的提升和節(jié)能減排等[3]。如何在確保人類社會能源可持續(xù)供應(yīng)的同時盡量減少環(huán)境污染，實現(xiàn)對各類能源的高效利用、清潔轉(zhuǎn)換和互補(bǔ)融合已成為近年來研究的熱點。為此，習(xí)近平總書記提出了推動能源生產(chǎn)和消費革命、加強(qiáng)國際合作等重要論述，明確要求建設(shè)清潔低碳、能源安全、科技創(chuàng)新、擴(kuò)大開放的現(xiàn)代能源體系。針對上述問題和背景，能源互聯(lián)網(wǎng)(energy internet，EI)和綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)[4-6]的概念應(yīng)運而生。

EI旨在將能源和互聯(lián)網(wǎng)深度融合，強(qiáng)調(diào)信息流和能量流之間的交互作用，注重多能源系統(tǒng)間的泛在互聯(lián)[7-8]。IES是EI的物理載體，特指在“規(guī)劃、建設(shè)和運行等過程中，通過對能源的產(chǎn)生、傳輸、分配、轉(zhuǎn)換、存儲、消費等環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)與優(yōu)化后，逐步形成以電力系統(tǒng)為核心，涵蓋供電/氣/冷/熱等能源產(chǎn)供銷一體化的復(fù)雜系統(tǒng)”[3,6]。IES集電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)等于一體，能夠滿足多種能量需求，通過多種能源間的科學(xué)調(diào)度實現(xiàn)對多種能源的綜合管理和經(jīng)濟(jì)調(diào)度，是多能互補(bǔ)、能源梯級利用等理念實現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵，同時它能夠提高能源的利用效率、促進(jìn)可再生能源消納、緩解環(huán)境污染、實現(xiàn)重要用戶的不間斷供能等[9]。

近年來IES已經(jīng)得到各國政府和工業(yè)界的支持，并已列入美國[10]、歐盟[11]、韓日[12]等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)能源發(fā)展領(lǐng)域的重點研究方向。國際上的專家學(xué)者于2014年成立能源系統(tǒng)集成國際聯(lián)合研究會以解決IES的協(xié)調(diào)與優(yōu)化問題；而中國近年來已從國家層面對IES進(jìn)行積極探索和研究，2015年7月國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》，并提出“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源行動的設(shè)想[13]。2016年7月，國家發(fā)展改革委聯(lián)合國家能源局發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實施意見》[14]，強(qiáng)調(diào)了創(chuàng)新管理體制和商業(yè)模式，以加快推進(jìn)示范工程建設(shè)，提高能源系統(tǒng)效率，帶動有效投資，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長。2017年10月，國家電網(wǎng)有限公司下發(fā)《關(guān)于在各省公司開展綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)的意見》，同時國家電網(wǎng)有限公司與南方電網(wǎng)公司陸續(xù)提出要做強(qiáng)、做優(yōu)、做大綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)，推動公司由電能供應(yīng)商向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)變。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和數(shù)量高速增加，截至2019年年底，我國數(shù)據(jù)中心機(jī)架總規(guī)模達(dá)到314.5萬架，其中大型及超大型數(shù)據(jù)中心占比達(dá)75%[15]。未來以數(shù)據(jù)中心為應(yīng)用典型的信息能源耦合IES的物質(zhì)流、能量流、信息流三流特性各異但高度耦合的特性[16-18]，為IES耦合建模與協(xié)同控制帶來新的困難與挑戰(zhàn)。同時數(shù)據(jù)中心的機(jī)房散熱密度高、空調(diào)設(shè)備不間斷運行、服務(wù)器等IT設(shè)備運行功耗和空調(diào)制冷功耗的時變特性[19]，導(dǎo)致機(jī)房內(nèi)部局部過熱成為一個比較突出的問題，影響著整個IES的安全穩(wěn)定運行及能源利用效率[20]。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對IES開展了詳細(xì)研究，包括IES的建模、運行、規(guī)劃設(shè)計、優(yōu)化、評估等。其中IES的優(yōu)化運行是通過協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化管理各類分布式可再生能源、分布式儲能、分布式冷/熱/電聯(lián)供系統(tǒng)與電網(wǎng)絡(luò)等的運行特性，以滿足用戶的用冷/熱/電等需求，確保以電網(wǎng)為骨干網(wǎng)的IES運行可靠性，以此有效解決系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和穩(wěn)定運行問題以及因電/氣/冷/熱等能源種類多樣和數(shù)量眾多造成的耦合管理等難題[21]，提高系統(tǒng)內(nèi)部的供電可靠性和電能質(zhì)量，減少能源在傳輸和分配過程中的損耗等。但已有研究大多針對某一特定的或假定的IES進(jìn)行研究，鮮有對基于數(shù)據(jù)中心的IES運行優(yōu)化進(jìn)行系統(tǒng)性的梳理和總結(jié)，同時鮮有研究采用IES降低數(shù)據(jù)中心制冷耗電量的策略。在保證數(shù)據(jù)中心正常運行前提下，研究基于數(shù)據(jù)中心的IES優(yōu)化運行，對于降低制冷設(shè)備能耗、提高能源利用效率具有重要意義。

為此，本文針對數(shù)據(jù)中心IES優(yōu)化運行這一問題對現(xiàn)有研究進(jìn)行綜述并給出相應(yīng)思考。在國內(nèi)外IES相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，本文首先引入IES的典型研究框架以及基于數(shù)據(jù)中心的IES傳統(tǒng)研究框架；其次，總結(jié)分析多能源系統(tǒng)中的通用系統(tǒng)建模和含能源集線器的通用建模及擴(kuò)展建模；然后，對IES及基于數(shù)據(jù)中心的IES優(yōu)化運行國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié)，并提出一種多能源輸入-多能源耦合-多能源輸出的運行方式；最后，梳理當(dāng)前研究的不足，并對未來基于數(shù)據(jù)中心的IES建模和運行優(yōu)化等問題進(jìn)行展望。

1 基于數(shù)據(jù)中心的IES研究框架

1.1 IES典型物理架構(gòu)與設(shè)備

IES根據(jù)地理因素與電/氣/冷/熱等各類能源的生產(chǎn)、傳輸、存儲和消費環(huán)節(jié)特性，分為跨區(qū)級、區(qū)域級和用戶級IES[22]。根據(jù)已有研究中各類IES的物理架構(gòu)[23-24]，現(xiàn)以區(qū)域級IES為例總結(jié)出圖1所示的IES典型物理架構(gòu)和設(shè)備示意。圖中將電力、天然氣、供冷、供熱等多種能源環(huán)節(jié)相互耦合，通過系統(tǒng)間的有機(jī)協(xié)調(diào)和運行調(diào)度，以此實現(xiàn)多種能源的高效利用，提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

圖1 IES典型物理架構(gòu)與設(shè)備示意Fig.1 Typical physical architecture and equipment diagram of IES

如圖1所示，根據(jù)電/氣/冷/熱系統(tǒng)間是否存在能流間的相互轉(zhuǎn)化將IES中的設(shè)備分為：獨立型運行設(shè)備(可再生能源和儲能設(shè)備等)和耦合型運行設(shè)備。其中電-氣耦合元件為電轉(zhuǎn)氣(power to gas，P2G)技術(shù)，電-熱耦合元件為電鍋爐、熱泵等，電-冷耦合元件為戶用空調(diào)、電制冷機(jī)、冰蓄冷空調(diào)等，電-氣-熱-冷耦合元件為冷/熱/電三聯(lián)供機(jī)組(主要由微型燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和吸收式制冷機(jī)組成)。通過各類轉(zhuǎn)換元件的相互耦合，各類能源之間可實現(xiàn)能量的相互轉(zhuǎn)換和協(xié)調(diào)運行。

圖2 數(shù)據(jù)中心用電量分布圖Fig.2 Power consumption distribution of data center

1.2 基于數(shù)據(jù)中心的IES研究框架

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部含有大量的計算機(jī)及電子設(shè)備進(jìn)行不間斷的運行，由此產(chǎn)生大量熱量。根據(jù)美國采暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會技術(shù)委員會9.9統(tǒng)計報告，數(shù)據(jù)中心用電量分布大致如圖2所示[25]，其中空調(diào)制冷耗電約占數(shù)據(jù)中心總耗電量的31%。隨著設(shè)備的增多，IT設(shè)備集成度不斷提高，機(jī)房內(nèi)部局部過熱問題嚴(yán)重，為保證數(shù)據(jù)中心的正常運行，需及時排熱。數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)如圖3所示，傳統(tǒng)電制冷數(shù)據(jù)中心

圖3 傳統(tǒng)電制冷數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of data center with traditional electric refrigeration

結(jié)構(gòu)采用可再生能源(風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電)、儲能設(shè)備及市電滿足數(shù)據(jù)中心的電負(fù)荷需求，采用電制冷設(shè)備(如空調(diào)制冷)滿足數(shù)據(jù)中心的冷負(fù)荷需求。

2 IES的穩(wěn)態(tài)建模及組件分析

IES中獨立型設(shè)備單元生產(chǎn)、傳輸、存儲電能、熱能或天然氣，相關(guān)設(shè)備主要包括光伏電池[26]、風(fēng)力發(fā)電機(jī)[27]、儲能電池[28]、熱力管網(wǎng)、天然氣管網(wǎng)等，目前對獨立型設(shè)備單元的建模研究較為成熟。隨著多能源供能設(shè)備的不斷組合，其耦合建模難度增加，連接關(guān)系更加復(fù)雜。為解決上述問題，有學(xué)者提出了能源集線器的概念，以研究IES的通用建模。本節(jié)將主要進(jìn)行IES耦合型設(shè)備元件建模和能源樞紐擴(kuò)展建模。

2.1 IES耦合型設(shè)備元件建模

2.1.1 電轉(zhuǎn)氣技術(shù)模型

P2G技術(shù)以一種環(huán)境友好的方式通過電-氣網(wǎng)絡(luò)的深度耦合將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，并以H2或天然氣的方式存儲。目前各國的研究機(jī)構(gòu)、學(xué)者對P2G建模、控制和應(yīng)用等方面做了很多研究[29-31]。其中文獻(xiàn)[31]對電轉(zhuǎn)氣進(jìn)行了精細(xì)化建模，模型結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括以下2個過程：

圖4 電轉(zhuǎn)氣精細(xì)化模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of refined model of P2G

1)電轉(zhuǎn)氫氣。

通過電解水產(chǎn)生H2和O2，生成的H2經(jīng)壓縮機(jī)加壓進(jìn)入儲氫罐儲存，再經(jīng)壓縮機(jī)加壓后用于燃料電池、工業(yè)設(shè)計或者交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。

2)電轉(zhuǎn)天然氣。

在電轉(zhuǎn)氫氣基礎(chǔ)上，高溫高壓下經(jīng)薩巴蒂催化反應(yīng)將H2和CO2在甲烷反應(yīng)器合成CH4和水，生成的CH4可直接注入天然氣管道供給天然氣負(fù)荷或參與到燃?xì)廨啓C(jī)的運行中。此處CO2可由碳捕捉技術(shù)從大氣、電廠尾氣或沼氣中獲取，同時產(chǎn)生的天然氣由電能轉(zhuǎn)換而來，因而可削弱可再生能源間歇性的影響[32]。

P2G技術(shù)主要包含電解槽、儲氫罐和甲烷反應(yīng)器三部分，相應(yīng)的通用模型可分別表示為[32-33]：

EEL,H2,t=uEL,e,tf(PEL,e,t/PEL,rated)πEL,rated

(1)

EHT,t=EHT,t-1+EHT,in,t-EHT,out,t

(2)

PM,g,t=ηmEM,H2,t×4HL×1/κ

(3)

式中：EEL,H2,t、PEL,e,t、PEL,rated分別為t時段電解槽產(chǎn)氫量、輸入電功率和其電功率額定值；πel,rated為電解槽的額定容量；f(PEL,e,t/PEL,rated)為電解槽效率函數(shù)；uEL,e,t為t時段電解槽啟動狀態(tài)二進(jìn)制變量，uEL,e,t為0或1分別表示電解槽的停機(jī)和啟動狀態(tài)；EHT,t、EHT,in,t、EHT,out,t分別為t時段的有效儲氫罐儲氫量、注入儲氫罐的有效氫量和儲氫罐的輸出氫量；PM,g,t、EM,H2,t分別為t時段甲烷反應(yīng)器生成的天然氣功率和輸入甲烷反應(yīng)器的有效氫量；ηm、HL分別為甲烷反應(yīng)器的運行效率和天然氣低熱值；κ為天然氣管道每立方米對應(yīng)的氣體質(zhì)量；4為H2生成天然氣的摩爾質(zhì)量折算系數(shù)。

2.1.2 氫燃料電池出力模型

氫燃料電池(fuel cell，F(xiàn)C)是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的分布式電源，它也是氣-電耦合設(shè)備的典型代表。FC結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、燃燒成本低、燃料利用率高、工作時無噪音、對環(huán)境影響小，其中經(jīng)由P2G技術(shù)產(chǎn)生的H2可供給FC進(jìn)行發(fā)電[34]。氫燃料電池的輸出功率可表示為：

PFC,t=PH2,FC,tηH2ηFC

(4)

式中：PFC,t、PH2,FC,t分別為t時刻FC輸出的有功功率和消耗的H2功率；ηH2和ηFC分別為FC的H2利用率和發(fā)電效率。

2.1.3 電制冷機(jī)出力模型

電制冷機(jī)(電-冷耦合設(shè)備)通過消耗電能來進(jìn)行制冷[35]，其制冷功率表達(dá)式為：

Qele,t=Pele,tηele

(5)

式中：Qele,t為電制冷機(jī)的制冷功率；Pele,t為電制冷機(jī)消耗的電功率；ηele為電制冷機(jī)的能效比。

2.1.4 冰蓄冷空調(diào)出力模型

冰蓄冷空調(diào)主要包括制冷機(jī)和蓄冰槽兩部分，有制冷和蓄冰2種運行方式[36]。冰蓄冷裝置可以利用夜間低谷電價進(jìn)行制冰存儲在蓄冰槽中，利用白天用電高峰時進(jìn)行的融冰制冷量滿足負(fù)荷側(cè)供冷需求。冰蓄冷結(jié)構(gòu)按照制冷機(jī)和蓄冰設(shè)備的連接情況分為并聯(lián)式和串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，其中并聯(lián)式冰蓄冷結(jié)構(gòu)可聯(lián)合供冷也可單獨供冷，制冷機(jī)可同時制冰和供冷；串聯(lián)式冰蓄冷結(jié)構(gòu)中制冷機(jī)和蓄冰槽的冷量分布則存在一定的比例關(guān)系。以并聯(lián)式冰蓄冷結(jié)構(gòu)為例，其典型的數(shù)學(xué)模型如下所示[37-38]：

1)制冷機(jī)。

Qref,i,t=Pref,i,tEref,t

(6)

式中：Qref,i,t、Pref,i,t和Eref,t分別為t時段第i個制冷機(jī)的制冷功率、電功率和制冷機(jī)的制冷能效比。

2)蓄冰槽。

(7)

式中：Stank,i,t為第i個蓄冰槽t時段的蓄冰容量；σtank為蓄冰槽的自損耗系數(shù)；Ptank,i,t和Qtank,i,t分別為t時段第i個蓄冰槽的電功率和制冷功率；Etank和ηtank分別為蓄冰槽的制冰能效比和融冰效率；Tref、Tmelt分別為冰蓄冷裝置運行在蓄冰和融冰時段。

3)其他。

Qref,i,t+Qtank,i,t=Qice,i,t

(8)

Pref,i,t+Ptank,i,t=Pice,i,t

(9)

(10)

式中：Qice,i,t、Pice,i,t分別為t時段第i個冰蓄冷裝置的總制冷功率和電功率。在實際運行中，制冷機(jī)和蓄冰槽的供冷量與通過制冷機(jī)和蓄冰槽乙二醇溶液的流量有關(guān)。

2.1.5 冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)模型

在IES中，電/氣/冷/熱耦合環(huán)節(jié)通常是通過冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)(combined cooling, heating and power, CCHP)實現(xiàn)的。CCHP主要以微型燃?xì)廨啓C(jī)(micro turbine, MT) (氣-電耦合設(shè)備)進(jìn)行發(fā)電，余熱鍋爐(氣-熱耦合設(shè)備)產(chǎn)生的余熱分別經(jīng)換熱器和吸收式制冷機(jī)(熱-冷耦合設(shè)備)來供熱和制冷。經(jīng)由P2G技術(shù)產(chǎn)生的CH4可供給CCHP系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電、制熱和制冷。CCHP的物理模型[24,39]為：

1)MT出力模型。

MT是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的小型分布式能源系統(tǒng)，通常以天然氣為燃料，具有體積小、污染少、可靠性高等性能。其輸出功率可表示為：

PMT,t=Pgas,MT,tηgasηMT

(11)

式中：PMT,t、Pgas,MT,t分別為t時刻MT輸出的有功功率和消耗的天然氣功率；ηgas和ηMT分別為MT的天然氣利用率和發(fā)電效率。

2)余熱鍋爐出力模型。

余熱鍋爐輸出的總熱功率表達(dá)式為：

(12)

余熱鍋爐供給熱負(fù)荷的制熱功率為：

Qheat,t=QHE,tηHEηhe

(13)

3)吸收式制冷機(jī)出力模型。

吸收式制冷機(jī)通過利用工業(yè)生產(chǎn)過程中MT的余熱補(bǔ)足冷負(fù)荷需求，所產(chǎn)生的制冷功率為：

Qcold,t=QHE,tηHEηAC

(14)

式中：Qcold,t、ηAC分別為t時刻吸收式制冷機(jī)制冷功率輸出和制冷能效比。

2.2 能源集線器及其在IES優(yōu)化運行中的擴(kuò)展建模

2.2.1 能源集線器

隨著電鍋爐、微型燃?xì)廨啓C(jī)等供能元件的增加和負(fù)荷形式的變化，如何分析IES中的能量轉(zhuǎn)化、分配和存儲性質(zhì)是建模中遇到的主要問題。為此，2007年瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Martin Geidl等人發(fā)起了名為“未來能源愿景”的項目，提出了能源集線器的概念，即一種描述多能源載體中能源、網(wǎng)絡(luò)、負(fù)荷間轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和存儲電、熱、冷等多種形式能量的單元[40]。

圖5為一個含EH的IES端口模型示意圖。無論系統(tǒng)多復(fù)雜，都可以表示成多種能源輸入-多種能源輸出的形式，而EH則用來分析能源轉(zhuǎn)化、傳輸和分配過程，即EH代表不同能源基礎(chǔ)設(shè)施與負(fù)荷之間的接口，其可通過一個能源耦合矩陣C來描述IES中的供能單元和終端需求的輸入輸出特性，以此實現(xiàn)對多種能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)互補(bǔ)，并使得IES的規(guī)劃、優(yōu)化等可直接進(jìn)行分析求解。EH數(shù)學(xué)表達(dá)式和簡化表達(dá)式分別為：

圖5 IES輸入-輸出端口示意圖Fig.5 Schematic of Input-output port for IES

(15)

Lout=CPin

(16)

式中：α,β, …,ω代表不同能源形式(電力、天然氣、熱能、可再生能源等)；Pin和Lout分別代表不同能源的輸入和輸出矩陣；Cαβ為第β種能源輸出與第α種能源的輸入比值。

2.2.2 能源集線器的擴(kuò)展模型

IES系統(tǒng)中輸入側(cè)能源種類多樣，耦合關(guān)系復(fù)雜，目前已有通過對輸入側(cè)加入儲能裝置以對EH模型進(jìn)行擴(kuò)展的方法[22]，同時文獻(xiàn)[41]對含多種元素的EH建模進(jìn)行了詳細(xì)的推廣，包括充分考慮儲能、需求響應(yīng)、電動汽車、新能源并網(wǎng)等元素。基于此，本文將在基于數(shù)據(jù)中心的IES優(yōu)化中考慮加入儲能，同時將耦合矩陣分解為能源分配和能源傳輸/轉(zhuǎn)化兩個步驟。

能源分配表示輸入側(cè)的多種能源以一定比例分配到能源傳輸/轉(zhuǎn)化設(shè)備；能源傳輸/轉(zhuǎn)化指通過不同的途徑將輸入該設(shè)備的能源以一定的轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最后傳輸給負(fù)荷側(cè)。相應(yīng)的表達(dá)式為：

(17)

(18)

L′out=ηυPin

(19)

式中：vαβ(0≤vαβ≤1)為輸入側(cè)能源α分配到轉(zhuǎn)化第β種能源的比例；ηαβ為能源α轉(zhuǎn)化為能源β的效率；v、η分別為分配矩陣和效率矩陣。

當(dāng)在IES中加入電儲能和熱儲能后，輸入側(cè)為多種供能設(shè)備P和風(fēng)、光等獨立型運行單元PR；輸出端包括數(shù)據(jù)中心電負(fù)荷Le和冷負(fù)荷Lc；電儲能和熱儲能能量分別用EEB、EHB表示；儲能耦合矩陣分別用SEB、SHB表示。通過耦合矩陣建立的EH擴(kuò)展模型可表示為：

(20)

綜上，EH的通用模型及其擴(kuò)展模型通過靜態(tài)轉(zhuǎn)換將多種能源需求和多種能源供給連接，并且可通過優(yōu)化方法得出滿足負(fù)荷需求條件下的能源供給方式，因而適用于基于數(shù)據(jù)中心的IES優(yōu)化運行。

3 數(shù)據(jù)中心IES優(yōu)化運行國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 IES優(yōu)化運行國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

IES優(yōu)化運行問題通?？沙橄鬄槿缦卤磉_(dá)式：

(21)

式中：Ht、Htrans,t分別為t時刻系統(tǒng)中各能源單元的直接供熱功率和轉(zhuǎn)換熱功率；Pt+PR,t=Le,t、Ht+Htrans,t=Lc,t分別為電力和熱力負(fù)荷的等式約束條件；g(Pt,Ht,Htrans,t)≤0為系統(tǒng)的不等式約束條件，通常優(yōu)化運行中目標(biāo)函數(shù)為經(jīng)濟(jì)成本最低、穩(wěn)定性最高或數(shù)據(jù)中心制冷降耗最大等。

為實現(xiàn)不同能源間的優(yōu)勢互補(bǔ)、可再生能源消納、節(jié)能減排以及實現(xiàn)IES的經(jīng)濟(jì)運行等，針對IES優(yōu)化調(diào)度的相關(guān)研究意義重大。按照系統(tǒng)研究對象來分，IES可分為：電-氣IES、電-熱IES和電-氣-熱IES。按照最優(yōu)化研究方法來說，目前研究熱點包括：單純的最優(yōu)化方法研究、考慮新能源及負(fù)荷隨機(jī)性的概率最優(yōu)能流和隨機(jī)最優(yōu)能流研究。

3.1.1 電-氣IES優(yōu)化運行研究現(xiàn)狀

天然氣作為一種重要的化石能源，在電力系統(tǒng)中的占比不斷增加。天然氣資源豐富、易于儲存、清潔高效[42]，相較于風(fēng)、光等可再生能源的間歇性和波動性，天然氣可同時為天然氣網(wǎng)和電力網(wǎng)持續(xù)供能。天然氣網(wǎng)絡(luò)與電力網(wǎng)絡(luò)有相似的能量流動形式，且與電力網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系最為緊密，目前對電-氣互聯(lián)IES的研究集中在協(xié)調(diào)運行層面。

文獻(xiàn)[43]研究了電-氣互聯(lián)IES經(jīng)濟(jì)調(diào)度和優(yōu)化運行問題。天然氣網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)性以及運行約束易導(dǎo)致系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果過于樂觀，同時新能源的大規(guī)模接入會增加電力系統(tǒng)的不確定性，進(jìn)而電-氣互聯(lián)系統(tǒng)間的相關(guān)性也會對優(yōu)化調(diào)度方案產(chǎn)生影響，因此考慮隨機(jī)因素影響的概率最優(yōu)潮流受到極大重視[44]。文獻(xiàn)[45]計及負(fù)荷和風(fēng)電的不確定性，考慮電力網(wǎng)與天然氣網(wǎng)的運行約束以及輸入變量間的相關(guān)性，采用基于Nataf變換的點估計法進(jìn)行了電-氣互聯(lián)系統(tǒng)的概率最優(yōu)潮流計算。文獻(xiàn)[46]則考慮風(fēng)電場出力及電力、天然氣負(fù)荷的隨機(jī)性，通過建立基于機(jī)會約束規(guī)劃的電-氣互聯(lián)IES最優(yōu)潮流模型，并采用基于半不變量法和內(nèi)點法的啟發(fā)式算法進(jìn)行求解，最終表明該模型有助于提高電-氣互聯(lián)IES運行的安全性。但上述研究未考慮風(fēng)電等可再生能源并網(wǎng)對電-氣IES的影響。

針對可再生能源并網(wǎng)問題，目前采用P2G技術(shù)將低谷時段難以消納的風(fēng)電轉(zhuǎn)化為易于大規(guī)模存儲的天然氣，以此實現(xiàn)電力-天然氣網(wǎng)絡(luò)的深度耦合，從而改善系統(tǒng)運行靈活性和存在的棄風(fēng)消納問題[47]。目前文獻(xiàn)[31]已對P2G技術(shù)進(jìn)行了精細(xì)化建模，但天然氣較高的運行成本嚴(yán)重影響了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性。針對上述問題，文獻(xiàn)[48-51]分別研究了電轉(zhuǎn)氣對電-氣互聯(lián)IES運行的影響、如何提升風(fēng)電調(diào)度的能力、如何解決系統(tǒng)凈負(fù)荷削峰填谷的問題以及如何兼顧系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性和風(fēng)電消納能力的問題，以此提高風(fēng)電利用率、降低系統(tǒng)運行成本等，但上述研究均未涉及需求側(cè)響應(yīng)。

需求響應(yīng)可引導(dǎo)用戶理性用能，合理轉(zhuǎn)移高峰用電以此平移負(fù)荷峰谷，從而有效提升電力系統(tǒng)運行效率。目前對電-氣IES中引入需求響應(yīng)正處于初步探索階段，文獻(xiàn)[52]提出了一種考慮需求側(cè)負(fù)荷響應(yīng)及動態(tài)天然氣潮流的電-氣IES優(yōu)化調(diào)度新模型，并通過仿真驗證了需求響應(yīng)所帶來的經(jīng)濟(jì)性。

同時考慮負(fù)荷和風(fēng)電的不確定性、風(fēng)電消納以及需求響應(yīng)的電-氣綜合能源系統(tǒng)目前鮮有研究，這是目前亟待解決的問題。

3.1.2 電-熱IES優(yōu)化運行研究現(xiàn)狀

除電-氣互聯(lián)外，電-熱互聯(lián)IES中電能和熱能是人類生產(chǎn)生活的基本需求，也是該系統(tǒng)的主要能源形式[53]，熱系統(tǒng)的傳輸較慢、慣性較大，其延時效應(yīng)可等效為系統(tǒng)的儲能，特別是當(dāng)傳輸規(guī)模較大時可為系統(tǒng)提供較大的儲能容量，從而提升系統(tǒng)運行的靈活性[32]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)已建立了有關(guān)熱網(wǎng)的通用模型[54]。

在電-熱IES中，傳統(tǒng)電熱聯(lián)合調(diào)度中“以熱定電”的運行模式限制了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致棄風(fēng)現(xiàn)象高發(fā)，除利用電-熱系統(tǒng)的互補(bǔ)特性提升系統(tǒng)消納可再生能源的能力外，常采用配置儲熱或電鍋爐的方式解耦“以熱定電”的運行方式[55-58]。文獻(xiàn)[55]對包含大容量儲熱的電-熱聯(lián)合系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、應(yīng)用前景和提高消納能力等關(guān)鍵技術(shù)方面做了綜述，但缺乏對具體實施方式和應(yīng)用效果的分析。文獻(xiàn)[56]構(gòu)建了包含儲熱的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和電供熱系統(tǒng)的調(diào)度模型，將儲熱納入包含風(fēng)電的電力系統(tǒng)有功調(diào)度模型，進(jìn)而以最大化風(fēng)電消納為目標(biāo)，通過算例仿真分析和驗證了儲熱提升風(fēng)電消納能力的有效性。文獻(xiàn)[57]提出了在熱電廠中配置大型電鍋爐來解耦熱電廠“以熱定電”約束以參與風(fēng)電調(diào)峰的運行方案，并對方案的國民經(jīng)濟(jì)性和潛在效益進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[58]則將電鍋爐和熱儲相結(jié)合進(jìn)行了風(fēng)電消納能力的分析。

文獻(xiàn)[59-60]分別考慮熱力系統(tǒng)中供熱管道傳輸時間延遲等熱動態(tài)特性以及用戶供熱需求的柔性、供熱管道動態(tài)特性約束和儲熱裝置的模型，建立了包含儲熱的源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型和熱電聯(lián)合調(diào)度模型，并分別驗證了相應(yīng)模型提高可再生能源消納能力的水平。除此之外，現(xiàn)有文獻(xiàn)[61]采用能量流法來統(tǒng)一電力和熱力系統(tǒng)，提出基于能量流的電熱IES棄風(fēng)消納優(yōu)化調(diào)度模型，并在考慮換熱約束的前提下，協(xié)調(diào)優(yōu)化電-熱IES以實現(xiàn)棄風(fēng)的大規(guī)模消納。文獻(xiàn)[62-63]則從需求側(cè)角度出發(fā)，分別考慮了用戶舒適性和多種負(fù)荷需求響應(yīng)，建立了電-熱分時間尺度平衡的IES運行優(yōu)化模型和考慮電熱多種復(fù)合綜合需求響應(yīng)的園區(qū)微網(wǎng)IES以提高系統(tǒng)的運行經(jīng)濟(jì)性。不僅如此，文獻(xiàn)[64]在考慮IES經(jīng)濟(jì)性的同時還考慮了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)碳排放對環(huán)境的影響問題。

目前綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行、環(huán)境效益和可再生能源消納的電-熱IES優(yōu)化調(diào)度問題少有研究，這將是未來值得深入研究的問題。

3.1.3 電-氣-熱IES優(yōu)化運行研究現(xiàn)狀

IES中各類能源轉(zhuǎn)換設(shè)備如電鍋爐、熱泵、冷熱電聯(lián)產(chǎn)裝置、天然氣等使得電力網(wǎng)-天然氣網(wǎng)-熱力網(wǎng)相互耦合，以此實現(xiàn)多能源的互動和轉(zhuǎn)換。

目前對于電-氣-熱IES建模問題集中在靜態(tài)建模研究。文獻(xiàn)[65]提出了集成電-氣-熱網(wǎng)的能源互聯(lián)網(wǎng)模型。文獻(xiàn)[66]形成了電-氣-熱系統(tǒng)的綜合能量流模型。文獻(xiàn)[67]通過不同能源網(wǎng)絡(luò)間的耦合機(jī)制建立了電-氣-熱綜合能源耦合系統(tǒng)模型，同時考慮階梯碳交易機(jī)制建立了經(jīng)濟(jì)成本最低的區(qū)域IES經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并提出了包含能源集線器、熱網(wǎng)和天然氣網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化調(diào)度策略，最后采用果蠅優(yōu)化算法對天津某IES“以電定熱”模式、“以熱定電”模式和“綜合最優(yōu)”3種模式下的電力、熱力和天然氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行算例分析，說明了在“綜合最優(yōu)”模式下的總運行成本更小，碳排放更低，同時也驗證了果蠅優(yōu)化算法的有效性。目前對于同時計及熱網(wǎng)與氣網(wǎng)動態(tài)特性的電-氣-熱互聯(lián)系統(tǒng)運行優(yōu)化的研究尚不多見，大部分側(cè)重于兩種能流的耦合。如文獻(xiàn)[68]提出了一種電-氣-熱互聯(lián)系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型，并將模型轉(zhuǎn)化為線性問題繼而利用GAMS軟件進(jìn)行求解，最后通過算例仿真分析證明了計及網(wǎng)絡(luò)動態(tài)特性在IES中的可行性與必要性。

針對風(fēng)電接入背景下的不確定因素及其相關(guān)性，文獻(xiàn)[69]建立了電-氣-熱IES概率最優(yōu)能量流模型，并采用基于Nataf變換的三點估計法求解模型，以此驗證了模型的可行性與有效性。文獻(xiàn)[70]則針對風(fēng)電不確定性提出了一種IES擴(kuò)展規(guī)劃方法，并建立以投資、運行、電能不足與棄風(fēng)成本之和最小為目標(biāo)的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，進(jìn)而采用基于場景法的兩階段規(guī)劃求解策略對模型進(jìn)行求解分析，再利用GAMS對所建電-氣-熱IES進(jìn)行優(yōu)化求解，所得最優(yōu)擴(kuò)展規(guī)劃結(jié)果驗證了所提方法的正確性。

綜合考慮風(fēng)電不確定性、不同能源網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性以及經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等效益的電-氣-熱IES優(yōu)化目前鮮有研究，這將是未來值得研究的方向。

3.2 數(shù)據(jù)中心IES優(yōu)化運行國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前一般采用水冷、風(fēng)冷、液冷、蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷聯(lián)合或冰蓄冷空調(diào)制冷等制冷方式來降低數(shù)據(jù)中心內(nèi)部過熱問題，但傳統(tǒng)的電制冷或空調(diào)制冷等方式嚴(yán)重依賴電網(wǎng)，導(dǎo)致制冷能耗增加，系統(tǒng)運行效率低下，同時當(dāng)發(fā)生大面積斷電事故時，將嚴(yán)重威脅數(shù)據(jù)中心的安全和可靠運行[71]。

目前鮮有對數(shù)據(jù)中心IES優(yōu)化運行的研究，但已有采用獨立的單分布式能源運用于數(shù)據(jù)中心，解決數(shù)據(jù)中心冷負(fù)荷和電負(fù)荷需求量大的問題。如文獻(xiàn)[72]從能源、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境3個方面評估了冷熱電聯(lián)供的性能，表明數(shù)據(jù)中心可充分發(fā)揮冷熱電聯(lián)供的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[73]采用分布式能源如冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心制冷，根據(jù)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中余熱回收制冷的方式擺脫對電網(wǎng)的依賴性并提高可靠性，同時分布式能源將綜合能源進(jìn)行梯級利用，減少了輸電線路的能源損耗。文獻(xiàn)[74]采用冰蓄冷空調(diào)為數(shù)據(jù)中心供冷，緩解了電網(wǎng)負(fù)荷負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[75]采用基于FC的冷熱電聯(lián)供機(jī)組以定功率方式為數(shù)據(jù)中心供能，以此降低系統(tǒng)運行成本和碳排放，但該數(shù)據(jù)中心采用的是定負(fù)荷運行，與工程應(yīng)用有一定差距。因目前大多是采用單種類型的分布式電源應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心或者是定負(fù)荷數(shù)據(jù)中心的運行，這就導(dǎo)致系統(tǒng)運行效率低下，制冷耗電量增加，運行靈活性差、偏差大。

若采用多能源系統(tǒng)作為輸入側(cè)，以協(xié)調(diào)各類分布式可再生能源、分布式冷/熱/電聯(lián)供系統(tǒng)與電網(wǎng)絡(luò)的運行特性，滿足數(shù)據(jù)中心用冷/熱/電的需求，降低系統(tǒng)制冷耗電量和運行成本，理論上可有效解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的局部過熱問題。

如圖6所示，本文提出采用多能源輸入-多能源耦合-多能源輸出的運行方式來滿足數(shù)據(jù)中心的冷、電負(fù)荷需求，其中電負(fù)荷需求由風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、儲能設(shè)備及外界電網(wǎng)來滿足，冷負(fù)荷需求由戶用空調(diào)、電制冷機(jī)、冰蓄冷裝置及熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)構(gòu)中的余熱吸收式制冷設(shè)備來滿足。其中電解槽電解反應(yīng)產(chǎn)生的H2一部分供給燃料電池，燃料電池可進(jìn)行發(fā)電，發(fā)電電量可繼續(xù)參與電解槽的電解；另一部分H2經(jīng)過甲烷反應(yīng)器與CO2反應(yīng)生成天然氣供微型燃?xì)廨啓C(jī)使用，微型燃?xì)廨啓C(jī)再進(jìn)行發(fā)電和制冷制熱，發(fā)電電量可繼續(xù)參與電解槽電解，從而形成“兩回環(huán)”結(jié)構(gòu)。采用上述研究框架原則上可提高電源利用率，因此對于數(shù)據(jù)中心IES調(diào)度優(yōu)化運行的研究顯得尤為重要，這將是未來需要進(jìn)一步研究的問題。

4 面向數(shù)據(jù)中心IES優(yōu)化運行的研究展望

4.1 數(shù)據(jù)中心的能源供給側(cè)不確定性及冷、電負(fù)荷預(yù)測研究

IES是由冷、熱、電、氣等多種能流相互耦合的復(fù)雜多變系統(tǒng)，能源供給側(cè)的可再生能源(如風(fēng)、光等)出力受天氣、區(qū)域位置等外界條件的影響有很大的間歇性和不確定性；數(shù)據(jù)中心中的冷、電負(fù)荷性質(zhì)受到機(jī)房布局結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)計性質(zhì)、機(jī)房溫度、濕度、照明、建筑材料、通風(fēng)條件、機(jī)器設(shè)備臺數(shù)、用戶行為等因素的影響，造成數(shù)據(jù)中心負(fù)荷建模及求解的困難。因此，可再生能源出力和負(fù)荷需求的預(yù)測精度差。不僅如此，數(shù)據(jù)中心負(fù)荷與供給側(cè)能源的出力具有一定相關(guān)性，因此未來在研究數(shù)據(jù)中心IES優(yōu)化運行過程中，有必要同時研究可再生能源出力和負(fù)荷需求的不確定性以及數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷動態(tài)變化特性，以提高數(shù)據(jù)預(yù)測精度。

目前對于風(fēng)電等可再生能源出力的不確定性問題研究通常采用概率潮流和概率最優(yōu)潮流方法及其改進(jìn)方法；同時通常采用的負(fù)荷預(yù)測建模方法為宏觀類預(yù)測方法(如統(tǒng)計學(xué)方法)或微觀類預(yù)測方法(如物理-統(tǒng)計混合模型)[76-77]，但此類方法因影響因素眾多而導(dǎo)致機(jī)理復(fù)雜，無法準(zhǔn)確建立負(fù)荷模型，因此有必要研究新興的深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能方法對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，以在不需要人為干預(yù)的情況下，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，從而進(jìn)行有效的負(fù)荷預(yù)測。

圖6 多能源輸入-多能源耦合-多能源輸出的數(shù)據(jù)中心IES結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of data center IES with multiple energy input, coupling and output

4.2 IES優(yōu)化運行中多能源動態(tài)模型的構(gòu)建研究

目前對于IES的建模大多針對特定元件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)研究，而對包含電、氣、冷、熱等元素的時間尺度等問題考慮較少，雖然部分學(xué)者已開始對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)建模，但大都是對有關(guān)CCHP的系統(tǒng)進(jìn)行研究，而對于冰蓄冷裝置、熱泵等一些多時間尺度的耦合型設(shè)備動態(tài)特性和優(yōu)化特性等缺乏深入研究，同時現(xiàn)有的物理模型無法考察含電、氣、冷、熱的多能源系統(tǒng)的動態(tài)特性和多時間尺度特性，導(dǎo)致在進(jìn)行有關(guān)IES的規(guī)劃運行等方面遇到眾多難題。因此為提高研究精度，有必要構(gòu)建有關(guān)熱泵、冰蓄冷裝置等耦合設(shè)備的動態(tài)模型，并開發(fā)相應(yīng)的仿真工具以推進(jìn)有關(guān)IES研究的發(fā)展。

4.3 采用人工智能方法的數(shù)據(jù)中心IES優(yōu)化調(diào)度策略研究

目前存在的IES優(yōu)化運行策略因受可再生能源波動、通信延時等擾動問題的影響難以實現(xiàn)實時的自動調(diào)度運行，因此需要研究如何根據(jù)IES中的多能源輸入側(cè)數(shù)據(jù)、多能源耦合模型、數(shù)據(jù)中心冷電負(fù)荷輸出側(cè)數(shù)據(jù)，并利用人工智能方法自動生成優(yōu)化運行方案，進(jìn)一步提取相應(yīng)知識和規(guī)則，形成IES優(yōu)化策略庫，以此實現(xiàn)IES在不同時段的實時自動調(diào)度策略，這將是未來的重要研究方向。

4.4 數(shù)據(jù)中心IES優(yōu)化運行效益評價方法研究

在運用多能源系統(tǒng)調(diào)配控制策略解決數(shù)據(jù)中心的制冷耗電問題時，如何評價系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會、投資、能耗效率等效益顯得極其重要，但目前對于IES的研究還未建立起適用于系統(tǒng)的綜合效益評估理論體系，同時一些效益評價方法如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、概率分析法、蒙特卡洛模擬法等僅限于理論方面的研究，適用于實際落地工程的評價指標(biāo)和方法均未完全成熟地建立。因此進(jìn)行適合中國IES發(fā)展的效益評價及其研究方法的探索將是值得研究的方向。

5 結(jié) 語

在能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益突出以及我國數(shù)據(jù)中心規(guī)模日益增大、制冷耗電問題日益嚴(yán)重的背景下，數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行的研究對于發(fā)展經(jīng)濟(jì)、保護(hù)環(huán)境、提高能源利用效率、降低數(shù)據(jù)中心的制冷耗電等意義重大。本文首先介紹了綜合能源系統(tǒng)以及基于數(shù)據(jù)中心的綜合能源系統(tǒng)典型物理框架；進(jìn)而，根據(jù)給定的物理框架，分析了系統(tǒng)中耦合型運行設(shè)備的物理建模以及含能源集線器的通用建模和擴(kuò)展建模；然后，對國內(nèi)外綜合能源系統(tǒng)及基于數(shù)據(jù)中心的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行進(jìn)行了綜述、總結(jié)和探討，提出了多能源輸入-多能源耦合-多能源輸出的數(shù)據(jù)中心運行方式；最后，本文對數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行研究的重點和難點進(jìn)行了分析，展望了該方向的幾個潛在可研究內(nèi)容，以期為未來相關(guān)的項目落地、仿真研發(fā)等研究提供參考。