耦合系统

《多能智慧耦合系统》报告于2022年09月发布。随着可再生能源（如光伏和风能）的发展，考虑到可再生能源自然是间歇性和随机的，大规模采用可再生能源将对能源供应安全带来技术挑战，而多能源耦合系统可能会缓解这一挑战。多能源耦合系统可以增加整个能源系统的灵活性，平衡可再生能源的波动。此外，多能量耦合系统还可以提高能量利用效率。 该报告阐述了多能源耦合系统和服务的概念、在碳中和背景下面临的机遇和挑战；介绍了多能源智能耦合能源系统的关键技术；分析了多能源智能耦合能源系统国际标准的发展现状、多能源智能耦联能源系统的标准化需求及发展前景。

为推进太阳能、氢能等清洁可再生能源的利用，并使之更好地与虚拟电厂技术融合，针对光伏电站与电解水制氢的耦合系统，进行了规模化聚合资源运行模式构建和计及资源初始投资的相关经济性分析。同时，结合对光伏电站实际工程项目年出力数据的分析，探讨了该类耦合资源作为虚拟电厂资源时，在实现支撑新型电力系统、促进新能源消纳的同时，可以维持并不断优化自身经济性，并指出了其中值得重点关注的运行模式优化要素、设备功能特点和市场条件，供相关研究参考。

针对气电综合能源系统低碳调度问题，气网混氢、碳捕集、电转气均是有效的技术手段，同时碳交易机制也是控制碳排放的有效经济手段。因此，本文构建了含富液罐和贫液罐的碳捕集电厂模型，结合电转甲烷技术模型，灵活回收利用系统中的CO2；同时，构建了气网混氢技术模型提高能效，并考虑气网混氢时节点热值变化约束，以奖励式碳交易成本和运行成本之和为目标函数；最后基于改进的比利时20节点天然气系统和IEEE 39节点电力系统模型开展算例测试，结果显示综合考虑碳捕集、气网混氢和奖励式碳交易机制能提高系统低碳经济调度水平，同时调节碳价和奖励系数能灵活调节系统碳排放水平。

电动汽车(electric vehicle, EV)的大规模发展，使得交通网转变为电动汽车和燃油车(gasoline vehicle, GV)随机混合出行的复杂网络；配电网也转变为供需双侧不确定、“源-网-站-储”高效互动的低碳型电网。在新型交通-配电网耦合系统下，亟需研究交通和配电网的联合规划方法，以满足EV时空充电需求，保障交通和配电网的安全可靠运行。为此，基于EV和GV的实时能耗特性差异，建立了混合交通流分配模型，以充分反映GV对EV出行和充电行为的影响，进而建立了混合交通流下的交通网多阶段规划模型。此外，考虑储能型柔性开关(energy storage integrated soft open points, E-SOP)的运行特性，协同“源-网-站-储”，建立了E-SOP影响的配电网多阶段规划模型。结合交通-配电网物理和“流量-功率”耦合约束，实现了交通-配电网的联合规划。根据Sioux Falls交通网和IEEE 69节点配电网组成的耦合系统算例测试，验证了所提联合规划模型比独立规划的总成本减少了7.21%，并且E-SOP的接入能减少系统无功出力和电压波动。

储能是平抑可再生能源波动的重要手段之一。考虑内部气体跨膜传输现象，基于质子交换膜电解槽的组件结构以及电化学和热平衡原理，构建了可描述质子交换膜电解槽物质传输以及能量转换的精细化仿真模型。在此基础上，建立了包含电化学储能、氢储能的电-氢耦合系统模型。提出了一种考虑电化学储能荷电状态与氢储能氢状态的双层协调控制策略。上层功率分配考虑了系统内电负荷和氢负荷需求变化，将电化学储能荷电状态、储氢罐氢状态作为重要约束因素，确定系统各设备的工作模式。底层控制根据设备的工作特性，采用PQ控制、VQ控制等方法实现功率追踪调整。通过多种不同运行场景的算例仿真验证了所提模型与控制方法的有效性。研究成果可为风光氢储系统控制策略优化提供支撑。

大型电站煤粉锅炉是一个多变量多目标的复杂耦合系统，其燃烧状态、解耦控制、协调优化是制约锅炉总体性能提升的技术瓶颈。但传统技术难以准确反映锅炉燃烧过程动态特性，炉整场温度分布无法连续实时获取，控制系统控制变量单一且时间带后，燃烧优化主要依赖试验结果与人员经验，锅炉不能连续稳定保持良好的运行状态，同时在锅炉效率提高与NOx生成量降低之间无法合理兼顾。项目提出了基于数据驱动与专家知识融合的锅炉燃烧整体优化方案，建立了锅炉智能控制模式和性能协调提升策略，开发了锅炉智能优化控制系统和炉膜三维温度场实时监测系统，搭建了可实现智能运算的DCS扩展控制平台，有效解决了锅炉多目标寻优、炉内三维温度测量、DCS扩展智能控制等一系列技术难题。

针对风光富集地区大型新能源发电厂的弃风弃光问题，利用可逆固体氧化物燃料电池（reversible solid oxide fuel cell，RSOC）结合氢储能的双向转换特性消纳多余风光资源，提出一种双向可逆的集中式RSOC电氢耦合系统容量优化配置方法。首先构建集中式RSOC电氢耦合系统架构，建立发电系统、电氢转换系统等模型；其次考虑燃料电池特性建立RSOC性能衰减模型，考虑特高压通道可用传输能力不确定性生成典型场景；进而建立集中式RSOC双层容量规划模型，上层以运营期收益最大为目标优化RSOC、储氢库容量配置，下层以综合成本最低为目标优化各设备出力，联合粒子群算法与Cplex求解器进行求解。最后通过算例分析，验证RSOC的加入提高了系统经济性及环境效益，同时投资灵敏度分析表明电池单位容量成本是制约系统经济运行的重要因素。

为改善PI控制下模块化多电平变换器(modular multilevel converter, MMC)的控制效果，提出了基于李雅普诺夫直接法的MMC控制策略。首先，建立MMC整流器的数学模型。其次，构造出MMC系统的李雅普诺夫能量函数。然后，在MMC数学模型和能量函数的基础上设计了控制系统。由奈奎斯特稳定判据分析了直流电压稳定性的影响因素，并在经典频域下通过伯德图对比分析了李雅普诺夫控制策略和PI控制策略的控制性能。最后，在负载阶跃、交流侧电压幅值阶跃和交流侧三相电压不平衡工况下对两种控制策略进行了仿真和半实物在环仿真研究。结果表明，李雅普诺夫控制策略较PI控制策略有着更好的控制效果，李雅普诺夫控制策略更适用于MMC此类非线性强耦合系统。

项目属于生物质能、节能减排领域，经中国电机工程学会组织鉴定，总体居国际领先水平。生物质秸秆在东北地区资源丰富，但利用率仅三分之二，近年来多次出现因秸秆露天焚烧导致的重度空气污染。发电是秸秆综合利用的重要途径之一。直燃发电均需新建机组，投资成本高，发电效率低，烟气排放指标偏高且受热面积灰腐蚀严重；而耦合发电可最大限度利用在役机组，投资少，高效环保。但耦合发电整体来说尚处于起步阶段，在系统安全、受热面腐蚀、耦合系统控制等方面需要开展技术攻关。本项目围绕生物质秸秆与大容量燃煤机组耦合发电的关键技术开展研究，打通整个工艺，并开展工程示范，力争为东北地区生物质秸秆消纳开辟新路线。 本项目依托660MW燃煤机组高效环保平台，实现了生物质秸秆循环流化床微正压气化耦合发电技术工程示范。提高了生物质秸秆发电效率，降低投资成本，实现了安全、环保、稳定运行。为燃煤机组CO2减排和生物质消纳开辟了新路线，引领了生物质发电行业科技进步，为生物质秸秆规模化开发利用提供了强有力的技术支撑。项目在大唐长山热电厂1号660MW机组进行工程示范应用。在机组30%-100%BMCR工况下，系统可实现20MW满出力耦合发电，燃烧状态稳定，系统简单，建设工期短（8个月），投资低（5000元/kW），为燃煤机组高效环保平台减少CO2排放及消纳生物质起到示范作用，本技术可广泛应用于燃煤机组，市场推广前景广阔。

富裕风电电解水制氢，耦合高污染的钢铁冶炼过程，既促进炼钢产业低碳转型，又可有效提升风电消纳能力。为了模拟绿氢钢铁冶炼对风电消纳能力的影响，综合考虑钢铁冶炼的可靠性、氢能发展的经济性以及风力发电的环境性，确定绿电-氢能-钢铁冶炼耦合系统内部交互关系和反馈机制；结合钢铁行业发展趋势和绿氢替代潜力，建立了提升风电消纳的绿氢钢铁冶炼系统动力学模型；同时考虑到政府支持力度与制氢技术的发展，构建差异化情景，分析不同条件下的氢能需求规模和风电消纳水平。基于新疆案例表明，加大氢冶金支持力度和提高制氢电解效率，能够有效提升钢铁行业的绿氢替代率并加速绿氢成本降低，进而实现风电的全额消纳，有效解决“弃风”难题。