マルチ エネルギー システム (MES) は、最新のエネルギー システムにおける電気、熱、冷却、およびガスのサブシステムの生成、伝送、貯蔵、および消費の統合を表します。情報通信技術によって推進されるさまざまなエネルギー システムの結合の増加は、各種類のエネルギー システムを個別に運用するよりもスマートなエネルギー管理を可能にします。たとえば、MES は、エネルギーの合成カスケード利用により、全体的なエネルギー効率を向上させることができます。また、より多くの再生可能エネルギーの統合に対応するために、さらなる柔軟性を模索することもできます。
中国は世界最大のエネルギー消費国です。都市エネルギー システムは、中国のエネルギーの最も重要な部分を消費します。都市のエネルギー システムはエネルギー需要の強度が高く、エネルギー効率が大きな懸念事項となっています。電力市場改革とエネルギーインターネットの行動計画の策定により、統合エネルギーサービスは公共投資に開かれています。民間企業は、新しく建設された都市部のエネルギー供給に投資し、担当することが許可されています。さまざまな形態のエネルギーを調整して効率を高め、より多くの再生可能エネルギーに対応するには、都市エネルギー システム計画の統合計画が必要です。
しかし、このようなワンストップの計画を実行することは、次の 3 つの課題のために簡単な仕事ではありません。1) 電気、熱、冷気、ガスのシステムは別のユーティリティに属しており、エネルギー システム全体を共同で設計する経験はこれまでありません。 2) 電気、熱、冷気、およびガスのシステムの物理的な基本モデルが異なる。 3) 異なるエネルギーシステムを結合することで、構成を計画するための最適化の余地がはるかに大きくなり、採用すべき成熟した方法論はありません。これらのギャップを埋めるために、この研究では、MES の統合計画を容易にする体系的で標準化されたモデリング アプローチを提案します。この方法論は、後に中国北部の典型的な都市エネルギー システムの研究に使用されます。
この研究では、エネルギー ハブ (EH) の概念が使用されます。 EH は、図 1 に示すように、複数の入力ポートと出力ポートを備えたユニットとして MES をモデル化します。MES のエネルギー変換、貯蔵、および分配は、EH 内でモデル化する必要があります。標準化されたマトリックス モデリングは、グラフ理論に基づいて記述することができます。ここでは、エネルギー変換/貯蔵の特性とそのトポロジーがマトリックス形式で表現されます。図 2 は、単純な例示的な MES の 3 つのエネルギー変換器 (#1、#2、および #3) 間の接続を示しています。
EH の各エネルギー変換器は、グラフのノードとして扱うことができます。エネルギー ハブは、次のように物理コンポーネントをグラフ理論の概念にマッピングすると、グラフ理論を使用して分析できます。
- コンバーターへの、またはコンバーターからの各エネルギー フローは、ブランチで表されます .したがって、枝はあらゆるベクトルでエネルギーの流れを運びます。 (ガス、電気、暖房、冷房など)
- ノード エネルギー変換器の抽象化であり、分岐エンドポイントの抽象化でもあります。入力と出力は特別なノードとして扱われます。
- 各ノードには 1 つ以上の ポート があります それを介して他のノードとエネルギーを交換します。各コンバーターには、一定数の入力ポートと出力ポートがあります。たとえば、CHP ユニットには、ガス用の 1 つの入力ポートと、電気と熱用の 2 つの出力ポートがあります。
- グラフ ノードとブランチのコレクションです。
- EH は 有向グラフ です 各ブランチには指定された方向 (ソースからシンクへ) があるためです。
標準化されたマトリックス モデリング手法は、MES の線形モデリング ソリューションを提供します。また、区分的線形方法で非線形エネルギー変換関数を処理することもできます。さらに重要なことに、提案された方法はグラフ理論を使用してトポロジーとエネルギー変換器の特性を行列形式にキャストするため、MES の分析をコンピューターで簡単に自動化できます。この方法は、線形化された定式化の自由度に従って、EH の固有の柔軟性を分析的に分析する方法も提供します。
EH の自動化および標準化されたモデリングに基づいて、「最初から」最適な EH 構成計画が提案されます。この作業における最適な EH 構成計画は、従来の EH 計画の問題と比較して 2 つの課題に対処します。1) 従来、EH の構成の一部とエネルギー変換器の種類は既に決定されています。この調査では、EH 用に選択される構成またはコンバーターについての推定はありません。 2) 既存の文献のほとんどは、コンバータの容量を最適化するだけです。この研究では、コンバーターの容量と EH の構成を同時に最適化します。 「最初から」EH を計画するということは、エネルギー変換器とエネルギー フローの構成の選択についてアプリオリな仮定が行われないことを意味します。
図 3 は、提案された計画問題の一般的な説明を提供します。最初、EH は空です。容量、効率、投資コストが異なるさまざまなエネルギー変換器と貯蔵装置を選択して相互に接続できます。コンバーターには、CHP ユニット、ガスボイラー、EB、ヒート ポンプ、変圧器、吸収式冷凍機、エアコン、ガス ユニットへの電力供給などがあります。貯蔵装置には、蓄熱と電力貯蔵が含まれます。熱、冷房、および電気の需要を予測することができ、提案された計画問題の境界条件として使用されます。電気やガスなどの入力エネルギー源の価格もわかっています。 EH の最適な構成計画では、特定のエネルギー需要と価格に対する全体的なコスト (つまり、投資コストと運用コストの合計) を最小限に抑えるために、どのエネルギー コンバーターを選択し、どのように接続する必要があるかを決定します。この問題は次のように言えます:
提案された方法を使用して、中国北部の典型的な都市エネルギーシステムの最適構成を研究します。調査対象の都市エネルギー システムは、約 380 万平方メートルの床面積で 6.0 平方キロメートルの面積をカバーしています。熱需要、冷房需要、電力負荷需要を図 4 に示します。このようなエネルギー需要プロファイルは、中国北部の代表的なものです。
MES 構成計画の最適化結果を図 5 に示します。最適化結果が示すように、60 MW の熱電併給 (CHP)、30 MW の電気ヒートポンプ (EHP)、40 MW の圧縮電気冷蔵庫グループ (CERG)、 80 MW の吸水冷凍機グループ (WARG)、360 MWh の蓄熱 (HS)、135 MWh の冷却貯蔵 (CS)、および 46.5 MW の太陽光発電 (PV) システムが最適な計画スキームとして選択されました。電力需要は、購入した電力、CHP、および屋根 PV システムによって満たされます。
今日の中国では運用コストと投資コストが低いため、すべての屋根に太陽光発電システムを設置することが提案されました。熱需要は、CHP と EHP によって満たされます。冷却需要は、WARG と CERG によって満たされます。 CHP と WARG は、ピーク時とフラット時の需要を満たすために大量の電力を購入することを避けるために選択されました。さらに、熱/冷却貯蔵システムが選択され、谷時間に熱/冷却電力を貯蔵し、ピーク時に放電することで熱/冷却コストを削減しました。
得られた MES 構成は、中国で効率的な都市エネルギー システムを構築するための基本的な青写真を提供します。
これらの調査結果は、IEEE Transactions on Smart Grid 誌に最近掲載された、分散型再生可能エネルギーを考慮した複数エネルギー システムの標準化されたマトリックス モデリング、および分散型再生可能エネルギーを考慮した複数エネルギー システムの最適構成計画というタイトルの記事で説明されています。 、最近 Applied Energy 誌に掲載された記事「Mixed-Integer Linear Programming-Based Optimal Configuration Planning for Energy Hub:Starting from Scratch」、および「エネルギー ハブの自動および線形化モデリングとその柔軟性分析」というタイトルの記事 .
この作業は、Yi Wang (清華大学)、Ning Zhang (清華大学)、Wujing Huang (清華大学)、および Chongqing Kang (清華大学)、Daniel Kirschen (ワシントン大学) によって実施されました。
