《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》介紹了一種對(duì)含嵌入式技術(shù)的能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的建�？蚣�。書中開發(fā)的新模型稱為時(shí)間協(xié)調(diào)優(yōu)化潮流（TCOPF）模型，此模型可通過一系列必要步驟計(jì)算天然氣和電力網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化能流，同時(shí)計(jì)算插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）和熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）裝置的優(yōu)化調(diào)度。因此，TCOPF工具可以管理及協(xié)調(diào)配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商和分布式能源之間的相互關(guān)系。
《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》中對(duì)分布式能源系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)遵循的優(yōu)化調(diào)度模式進(jìn)行了描述，這種模式有望改善城市能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的性能。集成建模為希望有效協(xié)調(diào)分布式能源運(yùn)行與能源公用事業(yè)運(yùn)營(yíng)策略的利益相關(guān)方提供了一個(gè)新的視角。結(jié)尾，本書結(jié)合用于模擬PHEV行駛狀況的基于agent的模型對(duì)TCOPF模型框架進(jìn)行了擴(kuò)展，以便更好地評(píng)估PHEV所代表的負(fù)載靈活性。
綜上，為開發(fā)由多種能源基礎(chǔ)設(shè)施與嵌入式分布式能源集成的綜合模型，《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》涵蓋了電力系統(tǒng)工程師所需要關(guān)注的各類關(guān)鍵元素。
原書前言
我們生存的這個(gè)世界，資源有限且整個(gè)能源供應(yīng)鏈效率低下。從獲得一次燃料到為數(shù)百萬消費(fèi)者提供電力，提高復(fù)雜能源系統(tǒng)的性能是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。對(duì)于有意進(jìn)入這一研究領(lǐng)域的能源研究人員而言，常常缺乏用來模擬此類多層面問題的軟件工具，因此需要開發(fā)整體的模擬框架來捕捉復(fù)雜能源系統(tǒng)所表現(xiàn)出的關(guān)鍵特性。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院近期開展的一系列跨學(xué)科研究，正是試圖解決多能源網(wǎng)絡(luò)與有助于
提升城市區(qū)域內(nèi)能源基礎(chǔ)設(shè)施性能的先進(jìn)技術(shù)相互影響所產(chǎn)生的問題。
電力系統(tǒng)工程師通常聲稱建設(shè)智能電網(wǎng)系統(tǒng)是為了改革電力輸送方式，然而他們忽略了一點(diǎn)，那就是相互依存的基礎(chǔ)設(shè)施可以使智能電網(wǎng)更加智能。
《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》的撰寫正是基于這樣一種假設(shè)，即隨著新技術(shù)的引進(jìn)，公用設(shè)施現(xiàn)行的管理方法可能會(huì)導(dǎo)致其效率更加低下。這是因?yàn)榧磳⒉渴鸬姆植际侥茉矗―ER）必將使公用設(shè)施的資本運(yùn)行更具成本效益，所以必須對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行多重分析以確保其關(guān)鍵服務(wù)不被中斷。這一特性引發(fā)我們的思考，例如，燃?xì)怛?qū)動(dòng)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的高度普及是否會(huì)對(duì)燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)帶來不利的影響？此類問題便是本書討論的核心。
顯而易見，為了確保所需的系統(tǒng)性能得以全部實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行整體性的分析。因此，填補(bǔ)基礎(chǔ)設(shè)施相互依存關(guān)系領(lǐng)域現(xiàn)有的研究空白是一項(xiàng)值得嘗試的工作，可為未來能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供有價(jià)值的指導(dǎo)意見。
《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》介紹了一種在嵌入式技術(shù)存在的情況下對(duì)能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成穩(wěn)態(tài)優(yōu)化的建模框架。文中開發(fā)的新模型稱為時(shí)間協(xié)調(diào)最優(yōu)潮流（TCOPF）模型，此模型可通過一系列必要步驟計(jì)算天然氣和電力網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)能流，同時(shí)計(jì)算插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）和熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）裝置的最優(yōu)調(diào)度。因此，TCOPF工具可以管理配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商和分布式能源之間的相互關(guān)系。
《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》中對(duì)分布式能源系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)遵循的優(yōu)化調(diào)度模式進(jìn)行了描述，這種模式有望改善城市能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的性能。集成建模為希望有效協(xié)調(diào)分布式能源運(yùn)行與能源公用事業(yè)運(yùn)營(yíng)策略的利益相關(guān)方提供了一個(gè)新的視角。最終，本書結(jié)合用于模擬PHEV行駛狀況的基于agent的模型對(duì)TCOPF模型框架進(jìn)行了擴(kuò)展，以便更好地評(píng)估PHEV所代表的負(fù)載靈活性。
綜上，為開發(fā)由多種能源基礎(chǔ)設(shè)施與嵌入式分布式能源集成的綜合模型，《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》涵蓋了電力系統(tǒng)工程師所需要關(guān)注的各類關(guān)鍵元素。《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》的架構(gòu)如下：
第1章：簡(jiǎn)述進(jìn)行這項(xiàng)工作的背景和動(dòng)機(jī)。重點(diǎn)闡述全世界范圍內(nèi)不斷增長(zhǎng)的能源需求，以及為什么城市中心是能源消耗的聚集地，強(qiáng)調(diào)以最優(yōu)方式使用資源對(duì)于城市的重要性。
第2章：對(duì)涉及本研究主題的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述，包括有關(guān)能源基礎(chǔ)設(shè)施與嵌入式技術(shù)集成分析的建模方法等。此外，概述前人針對(duì)天然氣和電力聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)所進(jìn)行的分析工作。
第3章：從電力和天然氣網(wǎng)絡(luò)建模的數(shù)學(xué)原理出發(fā)，圍繞針對(duì)這兩類基礎(chǔ)設(shè)施的建模，詳細(xì)介紹采用牛頓－拉夫遜法的穩(wěn)態(tài)潮流分析，并比較兩類系統(tǒng)的相似性。
第4章：擴(kuò)展第3章所搭建的模型框架，引入控制裝置和嵌入式技術(shù)，控制機(jī)理包含天然氣系統(tǒng)中的壓縮機(jī)以及電力系統(tǒng)中的有載分接開關(guān)（OLTC）。介紹能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)技術(shù)涉及的概念和公式，并對(duì)含熱存儲(chǔ)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組以及含電化學(xué)存儲(chǔ)的PHEV裝置進(jìn)行分析。
第5章：以第3章和第4章中建立的模型框架為基礎(chǔ)，使用TCOPF進(jìn)行能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的集成優(yōu)化能流分析。提出多周期TCOPF問題的普適數(shù)學(xué)表述，由此對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束條件的基本特性進(jìn)行討論。
第6章：通過TCOPF程序?qū)Σ煌\(yùn)行策略下的案例情景進(jìn)行分析，說明分布式能源如何影響天然氣和電力網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)－經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)仿真所得數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析。特別關(guān)注控制、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)裝置之間的協(xié)調(diào)，探索適合未來能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行模式。由此為利益相關(guān)者提供關(guān)于分布式能源理想化管理的指導(dǎo)意見。
第7章：說明如何通過基于agent的模型，將其輸出數(shù)據(jù)連接到TCOPF建�？蚣芤酝瓿绍囕v行駛的分析。這種方式下，PHEV負(fù)載的時(shí)間和空間特征可用于潮流問題分析。通過案例研究展示了結(jié)果的粒度。
第8章：討論本文的貢獻(xiàn)，得出結(jié)論，同時(shí)探討該領(lǐng)域未來的不同研究方向。
以上章節(jié)綱要涵蓋了能源模擬的核心基本原理，可供能源研究者參考以制定自己的模擬框架�？梢悦鞔_的是，在這一研究領(lǐng)域，靈活性是至關(guān)重要的，而若每個(gè)系統(tǒng)的原理都能得到適當(dāng)?shù)乇硎�，綜合分析也是可以實(shí)現(xiàn)的。不過，我認(rèn)為一些模型假設(shè)似乎有些寬泛，盡管如此，我相信本書已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了它的價(jià)值，也希望能源領(lǐng)域的研究人員能在此基礎(chǔ)上做出更多的貢獻(xiàn)。
任何一本書都不可以憑一己之力完成，《能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源模擬》也不例外。因此，特別感謝IET出版社對(duì)本書原稿所做的貢獻(xiàn)。此外，還要感謝所有同事、家人和過去幾年對(duì)我的研究有積極影響的朋友們，是你們?cè)炀土诉@本書。
Salvador Acha
Salvador Acha，是英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的研究員，也是帝國(guó)理工-森寶利集團(tuán)合作研究團(tuán)隊(duì)的帶頭人。該合作旨在達(dá)成兩個(gè)目標(biāo)：在超市實(shí)施智能控制以提高能效，同時(shí)通過整體的能源投資決策可持續(xù)地減少森寶利的碳足跡。團(tuán)隊(duì)主要圍繞能效策略、能源模擬及預(yù)測(cè)、低碳路線圖進(jìn)行研究。Acha博士的研究領(lǐng)域包括智能電網(wǎng)架構(gòu)、插電式混合動(dòng)力汽車推廣、分布式能源資源優(yōu)化管理、能源預(yù)測(cè)和環(huán)境報(bào)告。
目 錄
譯者序
原書序
原書前言
縮略語表
符號(hào)表
第1章能源資源、基礎(chǔ)設(shè)施和轉(zhuǎn)換技術(shù)有效管理所面臨的挑戰(zhàn)1
1.1全球城市化和能源系統(tǒng)效率1
1.2城市能源系統(tǒng)的演變5
1.3能源系統(tǒng)的綜合管理8
第2章集成建模綜述12
2.1關(guān)于分布式能源的建模問題12
2.1.1分布式發(fā)電面臨的挑戰(zhàn)12
2.1.2熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)對(duì)電網(wǎng)的影響14
2.1.3PHEV技術(shù)對(duì)電網(wǎng)的影響17
2.2模擬多能源網(wǎng)絡(luò)的方法22
2.2.1多聯(lián)產(chǎn)分析22
2.2.2綜合能源運(yùn)輸系統(tǒng)22
2.2.3能源樞紐建模23
2.2.4天然氣和電力的一體化研究24
第3章能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建模26
3.1電網(wǎng)建模26
3.1.1電力系統(tǒng)的基本原理26
3.1.2定義電力潮流問題27
3.1.3節(jié)點(diǎn)公式和導(dǎo)納矩陣28
3.2天然氣網(wǎng)絡(luò)建模31
3.2.1天然氣系統(tǒng)的基本原理31
3.2.2定義天然氣潮流問題32
3.2.3節(jié)點(diǎn)公式和關(guān)聯(lián)矩陣33
3.3能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)類比36
3.3.1部件和變量的建模36
3.3.2牛頓-拉夫遜算法37
3.3.2.1電力系統(tǒng)的雅可比矩陣38
3.3.2.2天然氣系統(tǒng)的雅可比矩陣39
3.3.2.3潮流總結(jié)41
第4章能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中嵌入式技術(shù)的建模43
4.1有載分接開關(guān)（OLTC）變壓器的建模43
4.1.1OLTC變壓器的基本原理43
4.1.2OLTC模型方程45
4.2壓縮機(jī)站建模47
4.2.1壓縮機(jī)站的基本原理47
4.2.2壓縮機(jī)模型方程48
4.3熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)建模49
4.3.1熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的基本原理49
4.3.2含熱電聯(lián)產(chǎn)天然氣網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)公式56
4.3.3儲(chǔ)熱管理方程58
4.4PHEV技術(shù)建模60
4.4.1PHEV的基本原理60
4.4.2含PHEV電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)公式68
4.4.3電化學(xué)儲(chǔ)能管理方程70
第5章能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)序最優(yōu)潮流73
5.1TCOPF問題概述73
5.1.1問題描述73
5.1.2優(yōu)化求解75
5.1.3TCOPF工具的輸入數(shù)據(jù)和假設(shè)77
5.2TCOPF的目標(biāo)函數(shù)78
5.2.1即插即忘78
5.2.2燃料成本78
5.2.3能量損失78
5.2.4能源成本79
5.2.5綜合目標(biāo)79
5.3TCOPF的數(shù)學(xué)公式79
5.3.1目標(biāo)函數(shù)的公式79
5.3.1.1即插即忘情景80
5.3.1.2燃料成本最小化情景80
5.3.1.3能量損失最小化情景80
5.3.1.4能源成本最小化情景80
5.3.1.5多目標(biāo)最小化情景（如現(xiàn)貨價(jià)格成本與排放成本）81
5.3.2約束條件82
5.3.2.1關(guān)于電網(wǎng)82
5.3.2.2關(guān)于天然氣網(wǎng)82
5.3.2.3關(guān)于嵌入電網(wǎng)的PHEV83
5.3.2.4關(guān)于嵌入天然氣網(wǎng)絡(luò)的熱電聯(lián)產(chǎn)裝置83
5.3.3TCOPF問題和求解的特性84
第6章能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的分布式能源優(yōu)化：案例分析86
6.1TCOPF能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)案例研究86
6.1.1輸入數(shù)據(jù)和假設(shè)86
6.1.2案例研究和能源系統(tǒng)參數(shù)的說明89
6.2技術(shù)-經(jīng)濟(jì)性結(jié)果93
6.2.1概述93
6.2.2集成與非集成系統(tǒng)94
6.2.3天然氣網(wǎng)絡(luò)96
6.2.4熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)100
6.2.5電網(wǎng)107
6.2.6PHEV技術(shù)110
6.3結(jié)果綜述116
第7章能源服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中電動(dòng)汽車流動(dòng)性的建模119
7.1PHEV流動(dòng)性的建模119
7.1.1建模方法119
7.2基于agent的模型與潮流模型的綜合120
7.2.1車輛基于agent的模型121
7.2.2PHEV的優(yōu)化潮流公式122
7.2.2.1PHEV充電成本最小化情景123
7.3PHEV充電的ABM-TCOPF案例研究124
7.3.1輸入數(shù)據(jù)和假設(shè)124
7.3.1.1駕駛員資料124
7.3.1.2PHEV特性124
7.3.1.3城市布局124
7.3.1.4電力負(fù)載資料和網(wǎng)絡(luò)特性125
7.3.2案例研究和能源系統(tǒng)參數(shù)126
7.4技術(shù)-經(jīng)濟(jì)性結(jié)果127
7.4.1基于agent的模型結(jié)果127
7.4.2優(yōu)化潮流模型結(jié)果130
第8章結(jié)束語134
8.1總結(jié)和貢獻(xiàn)134
8.2研究的受益者136
8.3未來的研究方向137
附錄139
附錄A城市群數(shù)據(jù)139
附錄B英國(guó)的能流分析140
附錄C電力負(fù)載潮流代碼142
附錄D天然氣負(fù)載潮流代碼145
附錄E有載分接開關(guān)偏導(dǎo)數(shù)147
附錄F標(biāo)幺值148
附錄GKKT最優(yōu)化條件149
附錄H牛頓迭代法149
參考文獻(xiàn)151
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