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摘要：能源互联网的快速发展使得传统的能源系统向多种能源高度耦合的综合能源系统转型, 综合能源系统有助于促进可再生能源消纳、提高能源利用效率、缓解环境污染. 能量枢纽作为综合能源系统规划和运行的重要建模工具与分析框架,自提出以来一直受到广泛的研究和关注. 针对以风能和光热为代表的可再生能源渗透综合能源系统, 本文构建由风力发电机组、热电联产设备、电转气设备和光热电站组成的能量枢纽结构, 提出源荷不确定性环境下基于分布鲁棒优化的能量枢纽两阶段负荷优化调度模型. 该模型考虑风电、光热、电负荷和热负荷的不确定性, 建立基于Wasserstein距离的不确定性分布模糊集. 模型分为日前和实时两个调度阶段, 第一阶段基于日前预测数据进行日前调度,第二阶段为抑制预测误差的影响对灵活设备进行实时调度, 以期获得最恶劣不确定性分布下的最小实时调度成本. 模型采用仿射策略实现设备出力调整, 通过强对偶理论转换为混合整数线性规划问题并求解. 仿真结果表明, 多能耦合设备可以提升系统灵活性并促进可再生能源消纳, 同时所提分布鲁棒优化算法能在系统经济性和鲁棒性中取得平衡.

关键词：综合能源系统；能源枢纽；光热电站；负荷优化调度；分布鲁棒优化

一、研究背景与意义

面对日益恶化的生态环境、化石燃料稀缺和全球气候变化的挑战, 同时为满足用户日益增长的多元化能源需求, 综合能源系统作为一种有前景的能源供应模式已得到广泛的青睐。相较于传统能源系统, 综合能源系统中多种能源载体的深度耦合提升了能源系统规划和运行问题的复杂性。对此, 苏黎世联邦理工学院在“未来能源网络愿景”项目中提出了能量枢纽概念, 为综合能源系统的规划和运行提供了合适的建模工具和分析框架。负荷优化调度是能源系统管理中的一类重要问题，其中风能和太阳能的联合调度可以显著提升综合能源系统的经济性。然而, 风光的随机性、间歇性和波动性对系统的稳定运行构成了极大的威胁, 通常需要安装大规模的电储能系统来抑制可再生能源波动，这降低了可再生能源的成本效益。作为一种有前景的可再生能源技术, 聚光太阳能发电技术通过集成低价高效的热储能系统，可以缓解可再生能源的不确定性，有助于发挥太阳能和光能的巨大发展潜力。对此，本文构建了含风机、热电联产设备、电转气设备和光热电站的能量枢纽负荷优化模型, 该模型综合考虑了供给侧可再生能源和需求侧多种负荷需求的不确定性, 并提出了一种数据驱动的两阶段分布鲁棒优化方法。同时，将碳排放成本纳入到模型中，这有利于能源系统的低碳运行。随着新一代信息技术如物联网、云计算和人工智能在能源系统中广泛应用，能源生产和消费过程产生了大量数据。采用数据驱动的分布鲁棒优化方法，将有助于提升源荷不确定性环境下能量枢纽的经济性和鲁棒性。

二、主要内容

本文首先提出了如图1所示的能量枢纽结构, 除了风力发电机组、热电联产单元和电转气设备, 还包含由光场、能量块和热储能单元组成光热电站。其次，文章提出了负荷优化调度模型的优化目标和约束条件，优化目标是能量枢纽的综合运行成本最小化, 其中综合运行成本包括分布式电源的启停成本, 电力交易成本、天然气购买成本、碳排放成本和可再生能源削减成本以及设备维护成本；约束条件包含光热电站约束、多能耦合设备约束、能量枢纽功率平衡约束、可再生能源削减限制和功率传输约束。然后，建立了源荷不确定性模糊集，并通过仿射策略来平抑不确定性带来的波动。接着，构建了包含日前和实时两个阶段的调度模型，其中第二阶段目标是获得最恶劣不确定性分布下的最小实时调度成本。最后，本文通过强对偶理论将所提模型转换为混合整数线性规划问题并由商业求解器有效求解。仿真结果证明了所提模型和方法的有效性并具有较低的计算复杂度。 

三、主要结论及政策建议

本文针对源荷不确定性环境下综合能源系统调度问题，提出了基于分布鲁棒优化的两阶段负荷优化调度模型，并得出以下主要结论：（1）多能源耦合设备（如电转气设备和热电联产单元）和光热电站的热储能系统在综合能源系统中扮演着灵活资源的角色。（2）本文方法在系统的经济性和鲁棒性之间取得了平衡。相较于随机优化，它通过考虑最恶劣不确定性概率分布下的调整成本提升了鲁棒性；相较于鲁棒优化，通过基于历史数据的经验分布避免过度强调极端情况，降低了过度保守所带来的经济损失。（3）本文方法的数据驱动特点使决策者能够通过更多数据的收集来提高系统运行的经济性，同时保持鲁棒性。基于这些结论，在政策上建议能源系统管理者建立数据收集机制，通过新一代信息技术获取更多的实时和历史数据，为系统运行提供更多决策依据。基于所收集数据，采用数据驱动的分布鲁棒优化方法以缓解源荷不确定性对能源系统调度的影响。这种方法可以平衡经济性和鲁棒性，以使能源系统更加灵活和可靠地应对不确定性挑战。

四、边际贡献与未来拓展

本文为了应对源荷不确定性对能量枢纽负荷优化调度的影响，提出了一种基于数据驱动的能量枢纽负荷优化调度模型，该模型充分考虑了风电、光热能源和负荷的不确定性特征。仿真实验表明，多能耦合设备可以提升系统的灵活性，同时所提方法有效平衡了系统经济性和鲁棒性。这项研究为应对能源系统中不确定性环境的挑战提供了思路，为推动能源互联网时代下的经济与稳定能源系统运行做出了重要贡献。包含可再生能源的综合能源系统负荷优化调度依然有很多问题值得研究，后续我们将重点研究电价不确定性和需求响应对负荷优化调度结果的影响。

本文摘编自《系统工程理论与实践》2024年,第44卷,第7期论文《考虑源荷不确定性的能量枢纽负荷优化调度》（点击题目链接全文）；
作者：李浩斌 ,  博士研究生,研究方向:能源系统建模与优化；（通信作者）陆信辉 ,  博士,讲师,研究方向:能源系统建模与优化；周开乐 ,  教授,博士生导师,研究方向:智慧能源管理,数据驱动的优化与决策等；杨善林，中国工程院院士,教授,博士生导师,研究方向:信息管理与信息系统,智能决策理论与方法,工程管理等
       1. 合肥工业大学 管理学院, 合肥 230009;
       2. 过程优化与智能决策教育部重点实验室, 合肥 230009;
       3. 能源环境智慧管理与绿色低碳发展安徽省哲学社会科学重点实验室, 合肥工业大学, 合肥 230009