다중 에너지 시스템 (MES)은 현대 에너지 시스템에서 전기, 열, 냉각 및 가스 서브 시스템의 생성, 전송, 보관 및 소비의 통합을 나타냅니다. 정보 통신 기술에 의해, 다양한 에너지 시스템의 커플 링이 증가함에 따라 각 종류의 에너지 시스템을 개별적으로 운영하는 것보다 에너지를 더 똑똑하게 관리 할 수 있습니다. 예를 들어, MES는 에너지의 합성 캐스케이드 활용을 통해 전체 에너지 효율을 향상시킬 수 있습니다. 또한 더 많은 재생 에너지 통합을 수용 할 수있는 유연성을 탐색 할 수 있습니다.
중국은 세계에서 가장 큰 에너지 소비 나라입니다. 도시 에너지 시스템은 중국에서 가장 중요한 에너지를 소비합니다. 도시 에너지 시스템은 에너지 수요 강도가 높기 때문에 에너지 효율성이 큰 관심을 끌고 있습니다. 에너지 인터넷의 전기 시장 개혁 및 행동 계획의 발전으로 통합 에너지 서비스는 공공 투자에 개방되어 있습니다. 민간 기업은 새로 지어진 도시 지역의 에너지 공급을 투자하고 담당 할 수 있습니다. 도시 에너지 시스템 계획의 통합 계획은 더 높은 효율성을 달성하고 더 많은 재생 에너지를 수용하기 위해 다양한 형태의 에너지를 조정하기 위해 필요합니다.
그러나 세 가지 과제로 인해 그러한 원 스톱 계획을 수행하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 1) 전기, 열, 감기 및 가스 시스템은 다른 유용성에 속하며 전체 에너지 시스템을 공동으로 설계하기 전에 경험이 없습니다. 2) 전기, 열, 감기 및 가스 시스템의 물리적 기본 모델은 뚜렷합니다. 3) 다른 에너지 시스템의 결합은 채택 할 성숙한 방법론이없는 구성을 계획하기위한 훨씬 더 큰 추가 최적화 공간을 산출합니다. 이러한 격차를 메우기 위해이 연구는 ME의 통합 계획을 용이하게하는 체계적이고 표준화 된 모델링 접근법을 제안합니다. 이 방법론은 나중에 중국 북부의 전형적인 도시 에너지 시스템 연구에 사용됩니다.
에너지 허브 (EH)의 개념은이 연구에서 사용됩니다. EH는 그림 1과 같이 다중 입력 및 출력 포트를 갖는 단위로 ME를 모델링합니다. MES의 에너지 변환, 저장 및 분포는 EH 내부를 모델링해야합니다. 표준화 된 매트릭스 모델링은 에너지 변환기/스토리지 및 토폴로지의 특성이 행렬 형태로 표현되는 그래프 이론에 기초하여 설명 될 수 있습니다. 그림 2는 간단한 예시 MES의 3 개의 에너지 변환기 ( #1, #2 및 #3) 사이의 연결을 보여줍니다.
EH의 각 에너지 변환기는 그래프의 노드로 취급 될 수 있습니다. 그런 다음 에너지 허브를 그래프 이론을 사용하여 분석 할 수 있습니다. 물리적 구성 요소를 다음과 같이 그래프 이론 개념에 매핑하면
- 컨버터로의 각 에너지 흐름은 branch 로 표시됩니다. . 따라서 가지는 모든 벡터에 에너지 흐름을 운반합니다. (예 :가스, 전기, 열, 냉각)
- a 노드 에너지 변환기의 추상화 및 분기 종점의 추상화입니다. 입력 및 출력은 특수 노드로 취급됩니다.
- 각 노드에는 하나 이상의 포트가 있습니다 이를 통해 다른 노드와 에너지를 교환합니다. 각 변환기에는 고정 된 수의 입력 및 출력 포트가 있습니다. 예를 들어, CHP 장치에는 가스 용 입력 포트 1 개와 전기 및 열 용 출력 포트가 있습니다.
- a 그래프 노드와 분기 모음입니다.
- eh는 지향 그래프 입니다 각 지점에는 지정된 방향, 즉 소스에서 싱크로의 방향이 있기 때문입니다.
표준화 된 매트릭스 모델링 방법은 MES에 대한 선형 모델링 솔루션을 제공합니다. 또한 비선형 에너지 변환 기능을 부분적으로 선형 방식으로 처리 할 수 있습니다. 더 중요한 것은 제안 된 방법은 그래프 이론을 사용하여 토폴로지와 에너지 변환기의 특성을 매트릭스 형태로 시전하여 컴퓨터에 의해 ME의 분석을 쉽게 자동화 할 수있게한다. 이 방법은 또한 선형화 된 제형의 자유 정도에 따라 EH의 고유 한 유연성을 분석적으로 분석하는 방법을 제공합니다.
.EH의 자동 및 표준화 된 모델링을 기반으로 최적의 EH 구성 계획 "시작부터 시작"이 제안됩니다. 이 작업의 최적 EH 구성 계획은 전통적인 EH 계획 문제와 비교하여 두 가지 과제를 다룹니다. 1) 전통적으로 EH 구성의 일부 및 에너지 변환기 유형의 일부는 이미 결정되었습니다. 이 연구에서는 EH에 대해 선택할 구성 또는 변환기에 대한 추정이 없다. 2) 기존 문헌의 대부분은 변환기의 용량 만 최적화합니다. 이 연구에서는 컨버터의 용량과 EH 구성을 동시에 최적화합니다. "처음부터 시작하는"EH 계획은 에너지 변환기 및 에너지 흐름 구성의 선택에 대한 선험적 인 가정이 없음을 의미합니다.
그림 3은 제안 된 계획 문제에 대한 일반적인 그림을 제공합니다. 처음에 EH는 비어 있습니다. 다양한 용량, 효율성 및 투자 비용을 가진 다양한 에너지 변환기 및 저장 장치를 서로 선택하고 연결할 수 있습니다. 컨버터에는 CHP 장치, 가스 보일러, EB, 히트 펌프, 변압기, 흡수 냉각기, 에어컨, 가스 장치 전력 등이 포함됩니다. 저장 장치에는 열 저장 및 전기 저장이 포함됩니다. 열, 냉각 및 전기에 대한 요구는 예측 될 수 있으며 제안 된 계획 문제의 경계 조건으로 사용됩니다. 전기 및 가스와 같은 입력 에너지 원의 가격도 알려져 있습니다. EH의 최적 구성 계획은 선택 해야하는 에너지 변환기를 선택해야하며, 에너지 수요 및 가격에 대한 전체 비용을 최소화하기 위해 어떻게 연결되어야하는지 결정합니다. 문제는 다음과 같이 언급 할 수 있습니다.
우리는 제안 된 방법을 사용하여 중국 북부의 전형적인 도시 에너지 시스템의 최적 구성을 연구합니다. 연구 된 도시 에너지 시스템은 바닥 면적이 약 380 만 평방 미터 인 6.0 평방 킬로미터의 면적을 포함합니다. 열 수요, 냉각 수요 및 전기 부하 수요는 그림 4에 나와 있으며, 이러한 에너지 수요 프로파일은 중국 북부에서 대표됩니다.
MES 구성 계획의 최적화 결과는도 5에 제시되어있다. 최적화 결과에 따르면, 60MW 결합 된 열과 전력 (CHP), 30MW 전기 열 펌프 (EHP), 40 MW 압축 전기 냉장고 그룹 (CERG), 80 MW 물 흡수 냉장고 그룹 (WARG), 360 MWH 열 저장 (HS), 135 MW 냉각 저장 (CS). (PV) 시스템은 최적 계획 체계로 선택되었습니다. 전기 수요는 구매 한 전기, CHP 및 지붕 PV 시스템에 의해 충족됩니다.
모든 지붕은 오늘날 중국의 낮은 운영 비용과 낮은 투자 비용으로 인해 PV 시스템을 설치하는 것이 좋습니다. 열 수요는 CHP와 EHP에 의해 충족됩니다. Warg와 Cerg는 냉각 수요를 충족시킵니다. CHP와 Warg는 피크 및 평평한 시간 동안 수요를 충족시키기 위해 많은 전기를 구매하지 않도록 선택되었습니다. 또한, 밸리 시간 동안 열/냉각 전력을 저장하고 피크 시간 동안 배출하여 열/냉각 저장 시스템을 선택했습니다.
획득 된 MES 구성은 중국에서 효율적인 도시 에너지 시스템을 구축하기위한 기본 청사진을 제공합니다.
이러한 결과는 다중 에너지 시스템의 표준화 된 매트릭스 모델링이라는 제목의 기사에 설명되어 있으며, 최근 스마트 그리드에 대한 저널 IEEE 트랜잭션에 발표 된 분산 재생 가능 에너지를 고려하여 다중 에너지 시스템의 최적 구성 계획 에 설명되어 있습니다. , Energy Hub에 대한 Mixed-Integer 선형 프로그래밍 기반 최적 구성 계획 :처음부터 Energy Hub의 자동 및 선형 모델링 및 최근 Journal Applied Energy 라는 기사. .
이 작업은 Yi Wang (Tsinghua University), Ning Zhang (Tsinghua University), Wujing Huang (Tsinghua University) 및 Chongqing Kang (Tsinghua University), Daniel Kirschen (워싱턴 대학교)에 의해 수행되었습니다.
