邱 玥，陸 帥，陸 海，羅恩博，顧 偉，莊文楠

（1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇省南京市 210096；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,云南省昆明市 650217）

0 引言

在全球性化石能源枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題的嚴(yán)重威脅下,世界范圍內(nèi)正在探索人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展之路。以可再生能源利用為代表的低碳技術(shù)正推動(dòng)著能源系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型,而其分布式、強(qiáng)不確定性的特征也給能源系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［1］。在“碳達(dá)峰·碳中和”背景下構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),進(jìn)一步對(duì)能源系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力（即靈活性）提出了前所未有的高要求［2-3］。

靈活性不是一個(gè)全新的概念。自21 世紀(jì)以來(lái),在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行和評(píng)估研究中,“靈活性”一詞被廣泛用于刻畫系統(tǒng)平衡電力供需以及應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力［4-5］。在高比例可再生能源接入的背景下,電力系統(tǒng)源側(cè)不確定性持續(xù)增加,在調(diào)頻、調(diào)壓和調(diào)峰方面的靈活調(diào)節(jié)需求不斷上升。高比例可再生能源的接入意味著傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中用于靈活性調(diào)節(jié)的火電機(jī)組將逐步被電力電子化接口的光伏、風(fēng)電機(jī)組取代,系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力將持續(xù)下降,面臨著慣性低、電壓和頻率波動(dòng)大等問(wèn)題,電能質(zhì)量受到嚴(yán)重威脅［6］。此外,可再生能源出力的不確定性還會(huì)增加系統(tǒng)的調(diào)峰需求,風(fēng)電曲線與負(fù)荷曲線的負(fù)相關(guān)特性亦會(huì)增加系統(tǒng)對(duì)爬坡備用容量的需求［7］。因此,亟須探索新的電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)技術(shù)與手段,滿足高比例可再生能源接入下的高靈活性需求。為此,中國(guó)發(fā)展改革委和國(guó)家能源局于2018 年發(fā)布了《關(guān)于提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的指導(dǎo)意見(jiàn)》［8］,要求從電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)多措并舉,提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力和運(yùn)行效率；2021 年發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)電力源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》［9］,要求積極探索源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化和多能互補(bǔ)在保障能源安全中的作用。

隨著電力系統(tǒng)與燃?xì)?、熱力系統(tǒng)的耦合愈加緊密,不同能源子系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行和市場(chǎng)邊界被逐漸打破［10-11］,既給系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn),也給電力系統(tǒng)帶來(lái)了新的靈活性資源。因此,必須站在綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system,IES）的視角,以整體論思想為指導(dǎo)對(duì)靈活性進(jìn)行全局分析。一方面,通過(guò)多能耦合設(shè)備,可再生能源的不確定性可從電力系統(tǒng)傳遞至燃?xì)夂蜔崃ο到y(tǒng),IES 面臨著如何協(xié)調(diào)多能流靈活性資源與靈活性需求的難題；另一方面,燃?xì)夂蜔崃ο到y(tǒng)的靈活性資源也可與電力系統(tǒng)共享,豐富了靈活性提升的技術(shù)手段和實(shí)現(xiàn)路徑。然而,現(xiàn)有研究缺乏對(duì)于IES 靈活性的統(tǒng)一認(rèn)識(shí)（即概念）和系統(tǒng)化闡述（即內(nèi)涵）。

在此背景下,本文從研究現(xiàn)狀、基本內(nèi)涵、數(shù)學(xué)模型和研究框架4 個(gè)方面入手,闡述IES 靈活性的核心要義,以期為IES 靈活性相關(guān)的系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控與市場(chǎng)機(jī)制等研究提供參考。

1 電力系統(tǒng)和IES 靈活性研究概述

本章回顧了國(guó)內(nèi)外關(guān)于能源系統(tǒng)靈活性的研究成果,整理歸納現(xiàn)有工作的研究?jī)?nèi)容和發(fā)展趨勢(shì)及電力系統(tǒng)靈活性和IES 靈活性研究的聯(lián)系與區(qū)別。

表1 給出了2011 年至2022 年間靈活性相關(guān)研究中的代表性工作,從能流形式、能源環(huán)節(jié)、提升途徑、量化與評(píng)估和目標(biāo)導(dǎo)向5 個(gè)方面整理了其研究概況。其中,能流形式中“氣”不做標(biāo)注即為天然氣；“熱”不做標(biāo)注即為生活熱水或采暖；“建筑物”內(nèi)部一般至少涉及電和熱2 種能流形式；能源環(huán)節(jié)中“源”包括集中式和分布式的產(chǎn)能設(shè)備以及變壓器、調(diào)壓站、換熱站等節(jié)點(diǎn)或接口；考慮具體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)勾選“網(wǎng)”；“儲(chǔ)”指專用的儲(chǔ)能設(shè)備,表1 未將氣網(wǎng)管存和熱網(wǎng)熱慣性歸納在內(nèi)。

從表1 可以看出,電力系統(tǒng)靈活性研究起步最早,也發(fā)展得最為成熟,包含氣、熱等多能流形式的IES 靈活性在近年來(lái)也逐步得到關(guān)注。建筑物可視作電力系統(tǒng)和IES 的負(fù)荷側(cè)資源,考慮到建筑物靈活性研究更關(guān)注建筑分布式供能系統(tǒng)和用戶用能行為,在研究對(duì)象中將其單獨(dú)羅列。

就能源環(huán)節(jié)而言,靈活性研究主要聚焦于能源生產(chǎn)及存儲(chǔ)設(shè)備的靈活運(yùn)行技術(shù)、能源網(wǎng)絡(luò)（氣網(wǎng)和熱網(wǎng)）慣性挖掘方法、分布式能源（如電動(dòng)汽車、建筑物等）靈活調(diào)節(jié)潛力的聚合方法以及源網(wǎng)荷儲(chǔ)多環(huán)節(jié)協(xié)同互補(bǔ)能力等。

按提升途徑劃分,靈活性研究包括能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控和市場(chǎng)機(jī)制3 個(gè)方面。規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域的靈活性研究屬于長(zhǎng)期靈活性范疇,主要服務(wù)于適應(yīng)能源結(jié)構(gòu)發(fā)展和源荷長(zhǎng)期不確定性的源網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)以及規(guī)劃方案靈活性評(píng)估等應(yīng)用。運(yùn)行調(diào)控領(lǐng)域的靈活性研究屬于短期靈活性范疇,涉及能源系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的分析、刻畫與評(píng)估以及與靈活性相關(guān)的建模和運(yùn)行機(jī)理研究。市場(chǎng)機(jī)制領(lǐng)域的靈活性研究包括長(zhǎng)期及短期的靈活性服務(wù)市場(chǎng)機(jī)制,如市場(chǎng)架構(gòu)、商業(yè)模式、交易策略等。

在靈活性量化與評(píng)估方法方面,部分研究從刻畫方法入手,采用包括盒、包絡(luò)、錐、多面體、域、邊界、軌跡等在內(nèi)的各種幾何表征方法以及圖表形式,幫助決策者獲得更直觀的靈活性度量；大多研究都制定了針對(duì)性的靈活性指標(biāo),用以表征及量化單個(gè)設(shè)備或某一環(huán)節(jié)的靈活性,乃至整個(gè)系統(tǒng)的聚合靈活性；部分研究提出了靈活性評(píng)估模型及相應(yīng)流程,可對(duì)電力系統(tǒng)靈活性進(jìn)行系統(tǒng)性的定量評(píng)估,進(jìn)一步指導(dǎo)靈活性導(dǎo)向的規(guī)劃與運(yùn)行策略制定。

表1 的眾多研究中,決策者刻畫、分析、評(píng)估、提升能源系統(tǒng)靈活性的目標(biāo)主要包括3 個(gè)方面:經(jīng)濟(jì)高效導(dǎo)向、綠色低碳導(dǎo)向和安全充裕導(dǎo)向。經(jīng)濟(jì)高效指決策者通過(guò)一定的規(guī)劃方案、運(yùn)行策略或市場(chǎng)機(jī)制,降低自身經(jīng)濟(jì)成本或從市場(chǎng)中獲利等。綠色低碳導(dǎo)向體現(xiàn)在提升能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中可再生能源占比以及降低系統(tǒng)碳排放強(qiáng)度等方面。安全充裕等價(jià)于IES 可靠性。與電力系統(tǒng)可靠性類似,IES 可靠性包括充裕度和安全性兩方面［46］。IES 充裕度指的是系統(tǒng)滿足負(fù)荷側(cè)對(duì)于功率和能量需求的能力,而IES 安全性指的是系統(tǒng)經(jīng)受擾動(dòng)后不崩潰,保持正常供能的能力。其中,正常供能指的是系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)均工作在允許的工況下,例如電力系統(tǒng)的頻率和電壓、燃?xì)庀到y(tǒng)的流量和壓強(qiáng)以及熱力系統(tǒng)的流量和溫度等狀態(tài)不越限。從時(shí)間尺度上看,安全性屬于運(yùn)行層面的概念,可通過(guò)靈活性資源調(diào)度進(jìn)行提升；而充裕度時(shí)間尺度較大,可通過(guò)靈活性資源配置及調(diào)度進(jìn)行提升。表1 中安全充裕導(dǎo)向的相關(guān)研究包括不確定性下單個(gè)設(shè)備乃至整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力的刻畫與提升、系統(tǒng)容許的最大不確定性區(qū)間分析等。

表1 能源系統(tǒng)靈活性研究概況Table 1 Overview of research on energy system flexibility

基于國(guó)內(nèi)外研究成果,下文將依次詳細(xì)介紹電力系統(tǒng)和IES 靈活性的具體研究進(jìn)展。

1.1 電力系統(tǒng)靈活性的研究現(xiàn)狀

本節(jié)整體概述框架如圖1 所示。首先,介紹電力系統(tǒng)靈活性定義、靈活性資源和調(diào)節(jié)措施；然后,概述靈活性導(dǎo)向的電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控和市場(chǎng)機(jī)制等方面的研究；最后,總結(jié)電力系統(tǒng)靈活性量化與評(píng)估研究。

圖1 電力系統(tǒng)靈活性研究概述框架Fig.1 Framework of overview of power system flexibility research

2008 年,國(guó) 際 能 源 署（International Energy Agency,IEA）在可再生能源并網(wǎng)相關(guān)報(bào)告中給出電力系統(tǒng)靈活性的定義:一定的經(jīng)濟(jì)成本內(nèi),在計(jì)劃內(nèi)事件或不可預(yù)見(jiàn)事件產(chǎn)生的擾動(dòng)下,電力系統(tǒng)對(duì)于供給側(cè)和需求側(cè)大幅度波動(dòng)的快速響應(yīng)能力［4］。北美電力可靠性委員會(huì)將電力系統(tǒng)靈活性定義為電力系統(tǒng)利用供給側(cè)和需求側(cè)資源以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)變化及不確定性的能力［47］。盡管不同學(xué)者或機(jī)構(gòu)對(duì)于電力系統(tǒng)靈活性的認(rèn)識(shí)尚未完全一致,但總體上均從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性2 個(gè)層面關(guān)注系統(tǒng)的源荷平衡能力。

電力系統(tǒng)中靈活性的供應(yīng)方統(tǒng)稱為靈活性資源,包括可調(diào)度的發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)、柔性負(fù)荷、電動(dòng)汽車、智能樓宇、虛擬電廠等［48］。靈活性資源是電力系統(tǒng)具備可調(diào)節(jié)性的根本前提。依托靈活性資源,電力系統(tǒng)決策者能夠采取一定的調(diào)節(jié)措施,包括但不限于發(fā)電機(jī)組爬坡、需求側(cè)響應(yīng)、電網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)、柔性交流輸電技術(shù)等。配置靈活性資源和部署調(diào)節(jié)措施最終均為了服務(wù)于決策者的某一特定目標(biāo),即不同目標(biāo)導(dǎo)向的電力系統(tǒng)靈活性提升,具體提升途徑可按照應(yīng)用領(lǐng)域劃分為規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控和市場(chǎng)機(jī)制3 個(gè)方面。

現(xiàn)有研究一般會(huì)將靈活性導(dǎo)向的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控和市場(chǎng)機(jī)制問(wèn)題建模為優(yōu)化問(wèn)題,其關(guān)鍵問(wèn)題主要包括采用何種形式對(duì)靈活性進(jìn)行刻畫（即表1 中的刻畫方法）以及采用何種方法對(duì)靈活性進(jìn)行優(yōu)化?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中主要的靈活性建模形式與優(yōu)化方法如表2 所示。

表2 電力系統(tǒng)靈活性建模形式與優(yōu)化方法總結(jié)Table 2 Summary of modeling forms and optimization methods for power system flexibility

其中,建模形式部分總結(jié)了典型的靈活性數(shù)學(xué)建模形式,包括廣義儲(chǔ)能/電力節(jié)點(diǎn)模型、靈活性包絡(luò)和靈活性多面體等,而魯棒優(yōu)化、隨機(jī)規(guī)劃和多目標(biāo)優(yōu)化等方法常用于求解具體的電力系統(tǒng)靈活性優(yōu)化問(wèn)題。下面將結(jié)合靈活性提升路徑相關(guān)研究闡釋表2 中的建模形式和優(yōu)化方法。

1.1.1 靈活性導(dǎo)向的規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

在現(xiàn)有研究中,靈活性導(dǎo)向的電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)常關(guān)注靈活性資源優(yōu)化配置以及規(guī)劃設(shè)計(jì)方案靈活性評(píng)估等問(wèn)題。

電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作需要制定區(qū)域在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的電源、電網(wǎng)發(fā)展方案,而電力系統(tǒng)中常見(jiàn)的靈活性資源的部署,如發(fā)電機(jī)組和電儲(chǔ)能,均可在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段完成。因此,電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究與系統(tǒng)靈活性緊密相關(guān),在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)關(guān)注靈活性資源的優(yōu)化配置可從根本上提高系統(tǒng)的靈活性［58-59］。

靈活性導(dǎo)向的規(guī)劃設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)基礎(chǔ)性問(wèn)題在于如何對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的靈活性進(jìn)行評(píng)估以指導(dǎo)靈活性資源的部署。針對(duì)該問(wèn)題,現(xiàn)有研究可概括為2 類:后驗(yàn)評(píng)估方法和融入規(guī)劃流程的反饋評(píng)估方法［7,60］。后驗(yàn)評(píng)估主要通過(guò)構(gòu)建靈活性指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃配置方案給出定性和定量的評(píng)價(jià),即系統(tǒng)在給定設(shè)計(jì)方案下的供能容量、供需平衡能力等性能。文獻(xiàn)［60］構(gòu)建了可表征發(fā)電機(jī)組以及系統(tǒng)級(jí)技術(shù)靈活性的組合型指標(biāo),包括爬坡率、啟停時(shí)間、最大啟停次數(shù)等,可用于指導(dǎo)電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的規(guī)劃。融入規(guī)劃流程的反饋評(píng)估方法可形成“方案制定-靈活性校核-方案調(diào)整”的閉環(huán)反饋,從而指導(dǎo)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案的調(diào)整［7,28］。文獻(xiàn)［28］提出了一種基于靈活性充裕度概率分布的靈活性評(píng)估指標(biāo)體系,可反映靈活性與可再生能源削減量的關(guān)系,有助于在規(guī)劃階段確定系統(tǒng)所需靈活性資源類型及容量。相較于后驗(yàn)評(píng)估方法,反饋評(píng)估方法可實(shí)現(xiàn)靈活性資源部署方案與系統(tǒng)靈活性評(píng)估的雙向互動(dòng),但如何制定可保證收斂性與最優(yōu)性的反饋調(diào)整策略是這類方法的難點(diǎn)。

此外,靈活性資源的實(shí)際可用靈活性受到線路傳輸能力的限制,網(wǎng)絡(luò)約束對(duì)于后驗(yàn)評(píng)估和反饋評(píng)估相關(guān)結(jié)論的可靠性有著重要影響。文獻(xiàn)［61］基于文獻(xiàn)［14］,進(jìn)一步考慮了輸網(wǎng)潮流約束對(duì)電力系統(tǒng)實(shí)際可用靈活性的限制,將電源規(guī)劃靈活性評(píng)估拓展至了電網(wǎng)規(guī)劃靈活性評(píng)估問(wèn)題。

1.1.2 靈活性導(dǎo)向的運(yùn)行調(diào)控研究

靈活性導(dǎo)向的電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)控研究主要關(guān)注設(shè)備級(jí)運(yùn)行靈活性建模、系統(tǒng)級(jí)運(yùn)行靈活性刻畫以及靈活性協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化等問(wèn)題。

典型的一類研究通常使用系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益、風(fēng)光消納比例等指標(biāo)反映系統(tǒng)運(yùn)行靈活性,采用特定的運(yùn)行策略或優(yōu)化模型對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。這類研究通常簡(jiǎn)單直觀,不考慮靈活性的內(nèi)在機(jī)理,僅可針對(duì)特定場(chǎng)景特定問(wèn)題獲得系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的相對(duì)判斷［62-63］。

為了揭示靈活性的物理機(jī)理,一些學(xué)者針對(duì)設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)運(yùn)行靈活性的建模和刻畫問(wèn)題開(kāi)展了研究。其中,設(shè)備級(jí)運(yùn)行靈活性被認(rèn)為是系統(tǒng)級(jí)運(yùn)行靈活性的支點(diǎn)與基礎(chǔ),而系統(tǒng)級(jí)運(yùn)行靈活性是設(shè)備級(jí)運(yùn)行靈活性的聚合［35,64］。目前,主流的建模和刻畫方法包括表2 中的電力節(jié)點(diǎn)模型、靈活性包絡(luò)/軌跡、Minkowski Sum 等［13,24,26］。

在靈活性協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化方面,現(xiàn)有研究可概括為3 類:1）構(gòu)建設(shè)備技術(shù)特征與設(shè)備級(jí)/系統(tǒng)級(jí)運(yùn)行靈活性的映射關(guān)系,基于此生成設(shè)備控制策略［43］；2）分析不同靈活性資源對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的貢獻(xiàn),或是分析系統(tǒng)運(yùn)行靈活性對(duì)具體調(diào)節(jié)措施的靈敏度［29,55］；3）對(duì)運(yùn)行方案的靈活性進(jìn)行評(píng)估［65］。文獻(xiàn)［43］針對(duì)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度問(wèn)題,構(gòu)建了發(fā)電機(jī)組再調(diào)度量與可再生能源出力波動(dòng)量的分段仿射函數(shù)關(guān)系。文獻(xiàn)［55］采用最小技術(shù)出力、容許運(yùn)行范圍、最小啟停時(shí)間和爬坡速率來(lái)刻畫發(fā)電機(jī)組的技術(shù)靈活性,并定量分析了不同技術(shù)特征對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行成本的影響。文獻(xiàn)［65］針對(duì)含爬坡機(jī)組、需求側(cè)響應(yīng)和儲(chǔ)能設(shè)備等靈活性資源的電力系統(tǒng)日前調(diào)度問(wèn)題,提出了一種可刻畫單一設(shè)備或整個(gè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電不確定性響應(yīng)能力的在線評(píng)估方法。

此外,考慮到源荷側(cè)的不確定性,魯棒優(yōu)化和隨機(jī)規(guī)劃方法常被用于運(yùn)行調(diào)控問(wèn)題,以保證運(yùn)行策略具有足夠的靈活性以應(yīng)對(duì)不確定性因素［17,24,29］。

1.1.3 靈活性導(dǎo)向的市場(chǎng)機(jī)制研究

現(xiàn)有的電力靈活性導(dǎo)向市場(chǎng)機(jī)制研究主要包括靈活性產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、靈活性服務(wù)激勵(lì)機(jī)制設(shè)計(jì)和靈活性資源交易機(jī)制設(shè)計(jì)。

在靈活性服務(wù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面,為了減少電力系統(tǒng)電壓頻率越限以及“負(fù)價(jià)格”或異常高電價(jià)的出現(xiàn),美國(guó)加州獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商和中部獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商推出了以市場(chǎng)為基礎(chǔ)的靈活性爬坡產(chǎn)品［23］。相較之下,中國(guó)對(duì)于靈活性服務(wù)產(chǎn)品研究起步較晚,電力輔助服務(wù)市場(chǎng)建設(shè)尚不完善［66］。目前,中國(guó)的典型靈活性產(chǎn)品包括東北、華東、華北等地區(qū)電力輔助服務(wù)市場(chǎng)推出的“調(diào)峰”服務(wù),但參與主體僅為燃煤機(jī)組［67］。為適應(yīng)高比例可再生能源下電力系統(tǒng)的靈活性需求,未來(lái)參與靈活性服務(wù)的主體應(yīng)呈現(xiàn)多元化的特征,典型代表包括儲(chǔ)能、建筑物、虛擬電廠和靈活性資源聚合商等［26,30,51］。

在靈活性服務(wù)激勵(lì)機(jī)制方面,靈活性資源服務(wù)潛力分析與價(jià)值量化研究是保障所設(shè)計(jì)的激勵(lì)機(jī)制科學(xué)有效的前提。精確評(píng)估不同靈活性資源提供靈活性調(diào)節(jié)服務(wù)的能力,公平核算靈活性調(diào)節(jié)服務(wù)的價(jià)格,是激發(fā)多方主體參與靈活性市場(chǎng)交易的基礎(chǔ)［15,68］。文獻(xiàn)［69］指出,靈活性供應(yīng)方的收益應(yīng)當(dāng)由自身的響應(yīng)速度、服務(wù)等級(jí)和提供服務(wù)的時(shí)間等眾多因素共同決定?；陟`活性資源服務(wù)潛力分析與價(jià)值量化可制定獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰信號(hào),引導(dǎo)不同偏好的靈活性資源實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)能力共享和風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)［23］。

在靈活性資源交易機(jī)制方面,現(xiàn)有研究主要聚焦于如何協(xié)調(diào)靈活性相關(guān)的新型市場(chǎng)主體參與電力市場(chǎng)［70-71］。文獻(xiàn)［70］從靈活性資源價(jià)值量化、計(jì)及靈活性價(jià)值的容量市場(chǎng)建設(shè)和靈活性潛力深度挖掘等方面指出電力系統(tǒng)靈活性市場(chǎng)機(jī)制未來(lái)的研究方向。為挖掘電力系統(tǒng)需求側(cè)靈活性資源的潛力,文獻(xiàn)［71］提出一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的能源共享機(jī)制,可實(shí)現(xiàn)隱私保護(hù)下用戶之間的能源交易。

1.1.4 靈活性量化與評(píng)估方法研究

綜上可見(jiàn),靈活性導(dǎo)向的電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控與市場(chǎng)機(jī)制3 個(gè)問(wèn)題所面臨的首要與共性問(wèn)題在于如何對(duì)系統(tǒng)靈活性進(jìn)行量化及評(píng)估。與表1一致,本節(jié)將靈活性量化與評(píng)估方法相關(guān)研究細(xì)分為刻畫方法、評(píng)估指標(biāo)與評(píng)估模型3 個(gè)方面。相應(yīng)地,現(xiàn)有研究主要采用的方法如表3 所示。其中,刻畫方法不僅僅包括表2 中的數(shù)學(xué)建模形式,也包括FAST［5］和圖表［72］等形式。

表3 電力系統(tǒng)靈活性量化與評(píng)估方法總結(jié)Table 3 Summary of quantification and evaluation methods for power system flexibility

表3 中的3 類方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中,刻畫方法的優(yōu)點(diǎn)是直觀形象、易于理解,缺點(diǎn)在于能夠反映的靈活性信息有限,難以超三維展示；評(píng)估指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是能夠量化電力系統(tǒng)在某一方面的靈活性,為改善靈活性提供指導(dǎo),缺點(diǎn)在于難以綜合評(píng)估電力系統(tǒng)靈活性,適用于特定的規(guī)劃或運(yùn)行場(chǎng)景,大部分不能反映網(wǎng)絡(luò)約束的影響；評(píng)估模型相較于評(píng)估指標(biāo),能更全面反映靈活性特征,可指導(dǎo)指標(biāo)制定和規(guī)劃運(yùn)行策略的改進(jìn),但對(duì)靈活性的闡述或偏簡(jiǎn)單或偏抽象,缺乏通用性。

針對(duì)靈活性刻畫問(wèn)題,一些學(xué)者提出了基于可調(diào)節(jié)能力的刻畫模型對(duì)靈活性進(jìn)行二維平面或三維空間上的表示,典型代表如表2 中的多面體、包絡(luò)、軌跡和域等。文獻(xiàn)［16,52］從爬坡率、功率容量和能量容量3 個(gè)維度構(gòu)建了靈活性多面體,通過(guò)多面體的體積來(lái)表征設(shè)備運(yùn)行靈活性的大小。文獻(xiàn)［18,24］提出靈活性包絡(luò)的概念并將之應(yīng)用在電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度中。文獻(xiàn)［45］將節(jié)點(diǎn)運(yùn)行包絡(luò)在有功-無(wú)功功率空間中可視化,可直觀地展示電力系統(tǒng)熱約束、電壓約束、潮流約束對(duì)分布式能源聚合靈活性的影響。文獻(xiàn)［19,53］分別采用可調(diào)度域和運(yùn)行安全域模型對(duì)電力系統(tǒng)中最大容許可再生能源功率變化范圍進(jìn)行可視化。此外,文獻(xiàn)［72］采用靈活性圖表來(lái)表征地方級(jí)、國(guó)家級(jí)和跨區(qū)域級(jí)電力系統(tǒng)的靈活性構(gòu)成,IEA 推出了名為FAST 的靈活性評(píng)估工具［5］,均可為系統(tǒng)靈活性資源配置和可再生能源發(fā)展提供一定依據(jù)。

靈活性評(píng)估指標(biāo)是對(duì)靈活性資源規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控和市場(chǎng)機(jī)制等靈活性提升途徑的性能進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)［14,73］將電力系統(tǒng)靈活性劃分為向上調(diào)節(jié)靈活性和向下調(diào)節(jié)靈活性,并提出了概率性指標(biāo)（爬坡資源不足期望）和確定性指標(biāo)（靈活性不足時(shí)段）。后續(xù)又有學(xué)者提出了爬坡能力不足概率［74］、靈活性不足概率［28］、預(yù)期能源不足和預(yù)期能源削減［18］等靈活性評(píng)估指標(biāo)。

部分學(xué)者將評(píng)估指標(biāo)與實(shí)際問(wèn)題結(jié)合,開(kāi)展了靈活性評(píng)估模型研究,用于評(píng)估規(guī)劃方案和運(yùn)行策略的靈活性表現(xiàn)。文獻(xiàn)［7］將評(píng)估模型劃分為基于靈活性資源屬性的打分法、基于生產(chǎn)模擬的概率評(píng)估、區(qū)間評(píng)估方法以及基于微分方程的動(dòng)態(tài)域評(píng)估方法。

1.2 IES 靈活性的研究現(xiàn)狀

IES 是一種能源綜合利用形態(tài),在21 世紀(jì)初才逐漸引起各國(guó)學(xué)者關(guān)注。相較于電力系統(tǒng)靈活性,IES 靈活性研究則起步更晚。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者從燃?xì)夂蜔崃ο到y(tǒng)對(duì)于電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力的貢獻(xiàn)、多能耦合設(shè)備的靈活調(diào)節(jié)能力以及氣/熱網(wǎng)絡(luò)慣性的靈活性需求緩沖能力等角度入手,嘗試給出IES 靈活性定義,但目前仍無(wú)廣泛采納或統(tǒng)一使用的IES 靈活性定義。文獻(xiàn)［21］提出管存靈活性的概念用以刻畫電氣耦合型IES 中燃?xì)庀到y(tǒng)對(duì)于電力系統(tǒng)靈活性的影響。文獻(xiàn)［75］將熱網(wǎng)靈活性定義為調(diào)整熱網(wǎng)中水力和熱力工況以實(shí)現(xiàn)供需平衡的能力。文獻(xiàn)［76］將IES 運(yùn)行靈活性定義為在保證其他環(huán)節(jié)電功率和資源運(yùn)行在邊界條件內(nèi)的前提下,系統(tǒng)在某段時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)自身饋入或饋出電網(wǎng)功率的技術(shù)能力?？紤]到文獻(xiàn)［76］中的定義僅從電力系統(tǒng)的角度給出,文獻(xiàn)［33］進(jìn)一步將IES 靈活性定義為在滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)約束的前提下,系統(tǒng)在預(yù)定義/期望的能流邊界區(qū)域內(nèi)運(yùn)行時(shí),其調(diào)節(jié)多種能源供應(yīng)、需求和功率流的技術(shù)能力。

本節(jié)整體框架如圖2 所示?；诂F(xiàn)有研究,本節(jié)首先梳理了現(xiàn)有研究中關(guān)注的IES 靈活性資源；然后,依次從規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控、市場(chǎng)機(jī)制3 個(gè)方面總結(jié)IES 靈活性的現(xiàn)有研究,并分析其與電力系統(tǒng)靈活性相關(guān)研究的聯(lián)系與區(qū)別；最后,總結(jié)了IES靈活性量化與評(píng)估方法的相關(guān)研究。

圖2 IES 靈活性研究概述框架Fig.2 Framework of overview of IES flexibility research

1.2.1 靈活性資源

如圖3 所示,電、氣、熱多能耦合既促進(jìn)了不同能源子系統(tǒng)的靈活性資源共享,也導(dǎo)致靈活調(diào)節(jié)需求在不同能源子系統(tǒng)間傳播和轉(zhuǎn)化。因此,相較于電力系統(tǒng),IES 享有更廣泛的功率和能量可調(diào)節(jié)范圍。

圖3 IES 靈活性資源共享與靈活性需求傳遞示意圖Fig.3 Schematic diagram of flexible resource sharing and flexibility requirement transfer in IES

具體地,這種可調(diào)節(jié)范圍體現(xiàn)在3 個(gè)方面:1）同一能流形式功率和能量的實(shí)現(xiàn)路徑,典型代表為系統(tǒng)源側(cè)出力的可行域；2）不同能流形式功率和能量的可替代性,如可轉(zhuǎn)換的供能方式；3）同一或不同能流形式功率和能量在時(shí)間與空間尺度上的解耦能力,如各類電轉(zhuǎn)X 和能源儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。與電力系統(tǒng)相似,IES 的決策者需要依托系統(tǒng)靈活性資源采取一定的調(diào)節(jié)措施,最終服務(wù)于某一特定目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。結(jié)合上述IES 在功率和能量方面的可調(diào)節(jié)性,本節(jié)依次介紹設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和負(fù)荷這3 類現(xiàn)有研究中關(guān)注的非電類靈活性資源。

設(shè)備型的非電類靈活性資源可進(jìn)一步劃分為含電的多能耦合設(shè)備、非電類多能耦合設(shè)備和非電類儲(chǔ)能設(shè)備。典型的含電的多能耦合設(shè)備包括熱泵、電熱鍋爐、燃料電池、熱電聯(lián)產(chǎn)（cogeneration,combined heat and power,CHP）機(jī)組和電轉(zhuǎn)氣裝置等［32,77-78］。非電類多能耦合設(shè)備指的是氣、熱轉(zhuǎn)換設(shè)備,典型代表為燃?xì)忮仩t和吸收式制冷機(jī)［79］。非電類儲(chǔ)能設(shè)備包括儲(chǔ)氣和儲(chǔ)熱設(shè)備,如液化天然氣儲(chǔ)罐、蓄熱槽和地下儲(chǔ)氣庫(kù)等［80-81］。此外,蓄冷裝置也屬于廣義上的儲(chǔ)熱設(shè)備。需要指出的是,非電類多能耦合設(shè)備和非電類儲(chǔ)設(shè)備能通過(guò)含電的多能耦合設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)與電力系統(tǒng)的靈活性資源共享和靈活性需求傳遞與轉(zhuǎn)化。通過(guò)合理的配置和協(xié)同運(yùn)行,設(shè)備型的電類與非電類靈活性資源互相配合,既能夠拓寬IES 能源供給側(cè)的可行域,也可以實(shí)現(xiàn)不同能流形式下供能方式的替代。

氣、熱慢動(dòng)態(tài)特性的存在使得氣、熱管網(wǎng)具備電力線不存在的靈活調(diào)節(jié)能力,這種能力類似于儲(chǔ)能,既可以實(shí)現(xiàn)氣、熱形式的能源供給與需求在時(shí)間和空間尺度上的解耦,也能夠通過(guò)多能耦合設(shè)備服務(wù)于電力系統(tǒng)［21,37］。以文獻(xiàn)［21］中的電氣耦合型IES為例,電力系統(tǒng)和燃?xì)庀到y(tǒng)通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)耦合,當(dāng)電負(fù)荷上升時(shí),燃?xì)廨啓C(jī)需要增加出力,燃?xì)夤芫W(wǎng)釋放管存以應(yīng)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)所在節(jié)點(diǎn)的氣負(fù)荷上升,這種實(shí)際由電力系統(tǒng)引起的靈活性需求最終由燃?xì)夤芫W(wǎng)的管存滿足。

氣、熱負(fù)荷靈活性資源指的是一定程度上可轉(zhuǎn)移、可削減或可轉(zhuǎn)化的氣、熱負(fù)荷,如生產(chǎn)計(jì)劃可調(diào)的工業(yè)氣/熱負(fù)荷、電灶具和燃?xì)庠罹呖汕袚Q的居民負(fù)荷等［39,82］。負(fù)荷側(cè)不同能流形式功率和能量的可替代性不僅降低了單類能流形式的靈活性需求,也擴(kuò)大了參與功率和能量調(diào)節(jié)的靈活性資源范疇。近年來(lái),非電類的需求側(cè)響應(yīng)正逐步受到關(guān)注［83-84］。以電熱需求響應(yīng)為例,文獻(xiàn)［83］綜述了現(xiàn)有的大型電熱需求響應(yīng)項(xiàng)目,指出電熱需求響應(yīng)具備為電力系統(tǒng)提供功率實(shí)時(shí)平衡服務(wù)和頻率響應(yīng)服務(wù)的能力。此外,各類工業(yè)、商業(yè)、居民型的建筑物可被歸于一類靈活調(diào)節(jié)潛力巨大的負(fù)荷側(cè)靈活性資源。當(dāng)內(nèi)部部署了分布式能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)單元時(shí),建筑物可被視作能源產(chǎn)消者,但其本質(zhì)上仍是對(duì)負(fù)荷側(cè)的靈活調(diào)節(jié)。

建筑物的用能靈活性來(lái)源于其儲(chǔ)熱能力與用戶需求柔性2 個(gè)方面,相關(guān)研究在建筑節(jié)能領(lǐng)域已自成體系。IEA 將建筑物靈活性定義為根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、用戶需求及能源網(wǎng)絡(luò)需求,建筑物管理自身能源生產(chǎn)和消費(fèi)行為的能力［85］。建筑物靈活性的研究對(duì)象既可以是單一建筑,也可以是通過(guò)能源網(wǎng)絡(luò)物理連接的或者通過(guò)某種商業(yè)模式連接起來(lái)的建筑物集群,其靈活性特征可概括為以下3 點(diǎn):負(fù)荷轉(zhuǎn)移或削減的持續(xù)時(shí)間、數(shù)量以及相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性或效率損失。與電力系統(tǒng)類似,能夠產(chǎn)生負(fù)荷轉(zhuǎn)移或削減效果的設(shè)備和設(shè)施被歸為建筑物靈活性資源,具體包括智能家電、暖通空調(diào)系統(tǒng)、分布式CHP 機(jī)組、熱泵以及儲(chǔ)熱裝置等［86-87］。

為量化和評(píng)估建筑物靈活性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者從建筑物本身物理技術(shù)特性和靈活性需求場(chǎng)景2 個(gè)角度出發(fā),制定了豐富的靈活性指標(biāo),如表4 所示。

表4 中的靈活性評(píng)估指標(biāo)分為功率及能量、能源效率和經(jīng)濟(jì)成本三大類,可以直接用于評(píng)估不同控制策略下建筑物滿足決策者靈活性需求的能力,也可以被轉(zhuǎn)化為目標(biāo)函數(shù)和約束條件,為運(yùn)行策略和市場(chǎng)競(jìng)價(jià)策略的優(yōu)化提供支撐。

表4 建筑物靈活性指標(biāo)分類Table 4 Classification of building flexibility indicators

特殊地,氫能作為與電互補(bǔ)的二次能源載體,可助力實(shí)現(xiàn)電力、建筑、工業(yè)和交通等多領(lǐng)域的脫碳,氫能相關(guān)的設(shè)備設(shè)施也可按照設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和負(fù)荷的劃分標(biāo)準(zhǔn)被歸為非電類靈活性資源［88］。目前,對(duì)于氫能相關(guān)靈活調(diào)節(jié)能力的研究主要聚焦于可再生能源電制氫技術(shù)和氫氣存儲(chǔ)、輸運(yùn)技術(shù)。其中,電制氫技術(shù)通過(guò)將不能實(shí)時(shí)消納的電能轉(zhuǎn)化為便于存儲(chǔ)的氫氣,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)可再生能源電能生產(chǎn)與利用的時(shí)間解耦,是促進(jìn)可再生能源靈活消納的有效手段［89-90］。在氫氣存儲(chǔ)方面,與天然氣的地下存儲(chǔ)相似,地下儲(chǔ)氫被認(rèn)為能夠促進(jìn)可再生能源的跨季節(jié)靈活消納［91-92］。與天然氣相似,氫氣同樣具備慢動(dòng)態(tài)特性?？紤]到純氫基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本高昂和投資動(dòng)力不足,目前中國(guó)尚未建有大規(guī)模的純氫管網(wǎng)［93］。將氫氣與天然氣按適當(dāng)比例摻混形成混氫天然氣并注入已有天然氣管網(wǎng)中,是解決當(dāng)前氫能遠(yuǎn)距離、大規(guī)模輸運(yùn)和利用難題的一種過(guò)渡性方案［94-95］。

1.2.2 靈活性導(dǎo)向的規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

與電力系統(tǒng)相比,靈活性導(dǎo)向的IES 規(guī)劃設(shè)計(jì)研究更關(guān)注多能靈活性資源的協(xié)同配置,而關(guān)于規(guī)劃設(shè)計(jì)方案靈活性評(píng)估的相關(guān)工作較少。

在多能靈活性資源的協(xié)同配置方面,現(xiàn)有研究大多關(guān)注配置特定靈活性資源或引入特定靈活調(diào)節(jié)手段所能帶來(lái)的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益［2］,多階段優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化是常采用的方法［96-97］。

典型的多能靈活性資源已在1.2.1 節(jié)中介紹,主要為多能耦合設(shè)備和各類儲(chǔ)能［79,81］。文獻(xiàn)［79］協(xié)同規(guī)劃了生物質(zhì)CHP 機(jī)組、地源熱泵和吸收式制冷機(jī)等靈活性資源,實(shí)現(xiàn)對(duì)電、熱、冷負(fù)荷的低碳高效供能。文獻(xiàn)［80］提出將核反應(yīng)堆與熱儲(chǔ)能結(jié)合的“靈活核電站”配置方法,該技術(shù)能夠靈活適應(yīng)可再生能源的不確定性并提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)［81］利用地下儲(chǔ)氣緩解電氣耦合型IES 源荷側(cè)的季節(jié)波動(dòng)性,并分析了地下儲(chǔ)氣選址對(duì)于規(guī)劃結(jié)果的影響。文獻(xiàn)［91］在IES 規(guī)劃中考慮了地下儲(chǔ)氫系統(tǒng),評(píng)估了地下儲(chǔ)氫技術(shù)在促進(jìn)可再生能源消納、負(fù)荷削峰填谷和投資經(jīng)濟(jì)性等方面的表現(xiàn)。

依托于靈活性資源,常關(guān)注的靈活調(diào)節(jié)手段包括但不限于綜合需求響應(yīng)、多區(qū)域互聯(lián)互濟(jì)等［84,96,98］。文獻(xiàn)［84］在城市級(jí)IES 的擴(kuò)展規(guī)劃問(wèn)題中考慮綜合需求響應(yīng)和小時(shí)級(jí)別的配電網(wǎng)重構(gòu)。文獻(xiàn)［96］建立電氣耦合型IES 的多目標(biāo)擴(kuò)展規(guī)劃模型,通過(guò)電力傳輸線重構(gòu)增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電、氣負(fù)荷的靈活調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)［97］在電氣耦合型IES 多階段隨機(jī)規(guī)劃模型中考慮電轉(zhuǎn)氣技術(shù)并揭示其經(jīng)濟(jì)效益。

1.2.3 靈活性導(dǎo)向的運(yùn)行調(diào)控研究

在靈活性導(dǎo)向的IES 運(yùn)行調(diào)控方面,現(xiàn)有研究一般以電力系統(tǒng)為中心,以利用燃?xì)?、熱力系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供靈活性為目的,集中關(guān)注氣、熱運(yùn)行靈活性的刻畫和多能靈活性資源協(xié)同優(yōu)化方法等問(wèn)題。

針對(duì)氣、熱運(yùn)行靈活性的刻畫問(wèn)題,現(xiàn)有研究一方面關(guān)注單獨(dú)燃?xì)?、熱力系統(tǒng)或建筑物運(yùn)行靈活性的建模問(wèn)題；另一方面關(guān)注氣、熱靈活性資源對(duì)于電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性提升作用的分析［27,38,78］。此外,與電力系統(tǒng)相似,廣義儲(chǔ)能、靈活性包絡(luò)/軌跡、Minkowski Sum 等方法也被應(yīng)用于IES 運(yùn)行靈活性的建模［32-33］。文獻(xiàn)［22］針對(duì)屋頂鋪設(shè)光伏的建筑物,提出了經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)和光電自消納最優(yōu)的靈活控制策略。文獻(xiàn)［38］研究了天然氣長(zhǎng)輸線上電力驅(qū)動(dòng)型和燃?xì)怛?qū)動(dòng)型壓縮機(jī)站為電氣耦合型IES 分別提供直接和間接靈活性的能力。文獻(xiàn)［99］提出建筑物供能的電-熱負(fù)荷跟蹤（following the electric-thermal load of buildings,FLB）模式,綜合比較建筑物在“以熱定電”模式、“以電定熱”模式、季節(jié)性跟隨策略和FLB 模式下的運(yùn)行靈活性。文獻(xiàn)［78,100］揭示了儲(chǔ)熱裝置、熱泵、電熱鍋爐、電解槽和儲(chǔ)氫罐等設(shè)備對(duì)CHP 機(jī)組運(yùn)行靈活域的拓展作用。文獻(xiàn)［101］開(kāi)展仿真分析比較了不同控制策略和不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于熱網(wǎng)運(yùn)行靈活性的影響。

針對(duì)多能靈活性資源協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題,現(xiàn)有研究通常關(guān)注特定應(yīng)用場(chǎng)景下可用靈活性資源的互補(bǔ)互濟(jì)作用［82,102］。同時(shí),為考慮電、氣、熱能流的動(dòng)態(tài)特性差異,多時(shí)間尺度運(yùn)行優(yōu)化策略常被采用［37,103］。此外,魯棒優(yōu)化和隨機(jī)規(guī)劃方法也被用于應(yīng)對(duì)不同時(shí)間尺度下的系統(tǒng)不確定性［104-105］。文獻(xiàn)［82］通過(guò)對(duì)流程工業(yè)用戶的CHP 機(jī)組、聚合多能負(fù)荷以及生產(chǎn)流程等進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化,為IES 提供有效的靈活性服務(wù)。文獻(xiàn)［102］在IES 日前調(diào)度中綜合利用建筑物熱慣性、CHP 機(jī)組可調(diào)運(yùn)行模式以及儲(chǔ)能系統(tǒng),以促進(jìn)可再生能源消納。文獻(xiàn)［37］研發(fā)的園區(qū)級(jí)IES 優(yōu)化調(diào)度模塊中,用戶側(cè)需求響應(yīng)、管道和用戶側(cè)熱動(dòng)態(tài)特性的靈活調(diào)節(jié)能力被應(yīng)用于不同時(shí)間尺度的優(yōu)化調(diào)度。針對(duì)社區(qū)型IES,文獻(xiàn)［104］提出了一種基于模型預(yù)測(cè)控制的魯棒調(diào)度策略,通過(guò)利用蓄熱裝置、建筑物與熱網(wǎng)熱慣性的靈活調(diào)節(jié)能力,在保證調(diào)度策略魯棒性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性提升。

1.2.4 靈活性導(dǎo)向的市場(chǎng)機(jī)制研究

目前,靈活性導(dǎo)向的電力系統(tǒng)市場(chǎng)機(jī)制研究尚不成熟,IES 相關(guān)的市場(chǎng)機(jī)制研究更是處于起步階段。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研,現(xiàn)有靈活性導(dǎo)向的IES 市場(chǎng)機(jī)制研究主要關(guān)注氣、熱形態(tài)的靈活性產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、多能靈活性服務(wù)激勵(lì)機(jī)制設(shè)計(jì)和多能靈活性資源交易機(jī)制設(shè)計(jì)等問(wèn)題。

在氣、熱形態(tài)的靈活性服務(wù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面,現(xiàn)有研究既關(guān)注單獨(dú)的氣、熱形態(tài)靈活性服務(wù)產(chǎn)品,又關(guān)注多能靈活性服務(wù)產(chǎn)品的組合形式［36,106］。文獻(xiàn)［36］采用靈活性指標(biāo)評(píng)估建筑物為外部電網(wǎng)提供靈活性服務(wù)的能力,可進(jìn)一步用于指導(dǎo)建筑物參與靈活性市場(chǎng)交易。文獻(xiàn)［106］中的研究結(jié)果表明,CHP 與電儲(chǔ)能組合的形式能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)提供頻率響應(yīng)方面的靈活性服務(wù)。文獻(xiàn)［44］圍繞氫能為電力市場(chǎng)提供的靈活性服務(wù),研究碳稅制度和電制氫技術(shù)成本對(duì)其經(jīng)濟(jì)可行性的影響。文獻(xiàn)［77］指出熱泵池有望成為第5 代熱網(wǎng)為電網(wǎng)提供低成本平衡服務(wù)的重要手段。

區(qū)別于電力系統(tǒng),在多能靈活性服務(wù)激勵(lì)機(jī)制方面,除了靈活性資源所處能源子系統(tǒng)激勵(lì)機(jī)制的直接激勵(lì),異質(zhì)能流的激勵(lì)信號(hào)也能經(jīng)由多能耦合跨子系統(tǒng)傳遞并對(duì)靈活性資源形成間接激勵(lì)［25,107］。在靈活性市場(chǎng)環(huán)境下,文獻(xiàn)［25］建議對(duì)燃?xì)鈾C(jī)組開(kāi)展靈活性改造并且制定針對(duì)電力、天然氣市場(chǎng)的靈活性服務(wù)激勵(lì)機(jī)制,以提升天然氣系統(tǒng)為電力系統(tǒng)提供靈活性服務(wù)的潛力。針對(duì)電、氣耦合的核心設(shè)備燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組,文獻(xiàn)［107］提出一種針對(duì)電力和天然氣市場(chǎng)的天然氣價(jià)格調(diào)整機(jī)制,通過(guò)價(jià)格信號(hào)影響發(fā)電機(jī)組的調(diào)度來(lái)適應(yīng)可再生能源的間歇性和隨機(jī)性。

現(xiàn)有的關(guān)于多能靈活性資源交易機(jī)制的研究成果較少,但考慮到IES 中參與靈活性交易的利益主體較電力系統(tǒng)更為復(fù)雜,多利益主體協(xié)同的市場(chǎng)機(jī)制是此類研究的重點(diǎn)［40,108］。其中,博弈理論是解決這類問(wèn)題的常用方法［40,109］。文獻(xiàn)［40］將電力、燃?xì)夂蜔崃ο到y(tǒng)的分布式經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題建模為納什均衡問(wèn)題,通過(guò)協(xié)同利用多種靈活性資源實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)電場(chǎng)景下各個(gè)能源子系統(tǒng)的利益均衡。針對(duì)需求側(cè)存在的大量?jī)?chǔ)能和電動(dòng)汽車等靈活性資源,文獻(xiàn)［109］基于博弈理論設(shè)計(jì)了一個(gè)綜合能源儲(chǔ)備市場(chǎng)框架。考慮需求側(cè)多能源替代和轉(zhuǎn)換的靈活性特征,文獻(xiàn)［108］建立了面向IES 的聯(lián)合能源市場(chǎng)結(jié)構(gòu),并設(shè)計(jì)了適用于區(qū)域級(jí)市場(chǎng)和用戶級(jí)分布式市場(chǎng)的能源交易機(jī)制。

1.2.5 靈活性量化與評(píng)估方法研究

與電力系統(tǒng)類似,多能靈活性的量化與評(píng)估是上述研究所面臨的共性問(wèn)題,也是IES 靈活性研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。現(xiàn)有的多能靈活性量化與評(píng)估方法研究較少,但仍可參照電力系統(tǒng)細(xì)分為刻畫方法、評(píng)估指標(biāo)與評(píng)估模型3 個(gè)方面。

在刻畫方法方面,現(xiàn)有研究主要關(guān)注氣、熱單一能流形式的靈活性刻畫以及多能靈活性聯(lián)合刻畫。文獻(xiàn)［110］采用成本曲線量化建筑物能夠提供的靈活性和相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本。文獻(xiàn)［27］提出了刻畫熱網(wǎng)靈活性的廣義靈活性模型和標(biāo)準(zhǔn)靈活性模型。文獻(xiàn)［32］將分布式熱泵視作電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)“虛擬儲(chǔ)能”,并基于Minkowski Sum 提出熱泵集群聚合靈活性的刻畫方法。文獻(xiàn)［111］在電熱型IES 中引入負(fù)荷聚合商的概念,用聚合商節(jié)點(diǎn)下游用戶的電、熱負(fù)荷之和刻畫用戶側(cè)柔性負(fù)荷的靈活性。文獻(xiàn)［33］將電力系統(tǒng)中靈活性多面體的概念拓展至分布式IES,以有功功率、熱功率和燃料功率為三維坐標(biāo),采用Minkowski Sum 實(shí)現(xiàn)靈活性的可視化。

目前,IES 靈活性評(píng)估指標(biāo)和評(píng)估模型研究尚未成體系,現(xiàn)有研究大多從經(jīng)濟(jì)效益、可再生能源消納能力等角度評(píng)估靈活性資源和調(diào)節(jié)措施的表現(xiàn)［34,112］。文獻(xiàn)［34］中以電熱水耦合能源系統(tǒng)為研究對(duì)象,提出了“熱網(wǎng)分解-分區(qū)靈活性評(píng)估-靈活性聚合”的三階段靈活性量化評(píng)估方法。文獻(xiàn)［113］針對(duì)通過(guò)二級(jí)熱網(wǎng)連接的建筑物集群,從削峰填谷和降低用能成本2 個(gè)角度分別構(gòu)建了靈活性指標(biāo),用于評(píng)估建筑物集群為區(qū)域供熱系統(tǒng)提供靈活性服務(wù)的能力。文獻(xiàn)［112］采用系統(tǒng)能夠響應(yīng)或補(bǔ)償?shù)淖畲蟛淮_定性集合描述IES 靈活性,并基于魯棒優(yōu)化的方法獲得最大不確定性半徑。此外,由于IES 中存在多能耦合和復(fù)雜的氣、熱動(dòng)態(tài)特性,其靈活性機(jī)理復(fù)雜,近年來(lái)物理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)結(jié)合的方法逐步得到關(guān)注［39,114］。文獻(xiàn)［39］以電熱蒸汽耦合能源系統(tǒng)為研究對(duì)象,提出物理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)結(jié)合的方法確定系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的邊界。

1.3 電力系統(tǒng)靈活性與IES 靈活性的聯(lián)系與區(qū)別

在上述研究概述與分析的基礎(chǔ)上,本節(jié)總結(jié)了電力系統(tǒng)與IES 靈活性研究的聯(lián)系與區(qū)別。根據(jù)電力系統(tǒng)和IES 靈活性相關(guān)的現(xiàn)有研究工作,兩者的聯(lián)系可概括為以下4 點(diǎn)。

1）電力系統(tǒng)靈活性提升仍然是IES 靈活性研究的重要驅(qū)動(dòng)力。盡管IES 靈活性研究涉及電、氣、熱等多種能源子系統(tǒng),但現(xiàn)有研究大多堅(jiān)持電力系統(tǒng)的中心地位,利用氣、熱等異質(zhì)能源系統(tǒng)提高電力系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力。

2）電力系統(tǒng)和IES 均關(guān)注源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)多環(huán)節(jié)的靈活性資源協(xié)同,規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控和市場(chǎng)機(jī)制是兩者共同關(guān)注的靈活性提升途徑,優(yōu)化理論與博弈理論是常被采用的數(shù)學(xué)工具。

3）靈活性量化與評(píng)估是電力系統(tǒng)及IES 靈活性研究所面臨的首要問(wèn)題,是靈活性導(dǎo)向的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控與市場(chǎng)機(jī)制研究的理論基礎(chǔ)。

4）現(xiàn)有的靈活性導(dǎo)向的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控與市場(chǎng)機(jī)制研究均與決策者的預(yù)期目標(biāo)相關(guān),可劃分為經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳和安全充裕三大類。

從能流形式上看,電力系統(tǒng)靈活性研究是IES靈活性研究的一個(gè)子集,而從研究復(fù)雜度和難度來(lái)看,IES 靈活性并非電力系統(tǒng)靈活性的簡(jiǎn)單擴(kuò)充?；诂F(xiàn)有研究,可將IES 靈活性與電力系統(tǒng)靈活性的區(qū)別概括為以下3 點(diǎn)。

1）在靈活性資源方面,IES 靈活性研究更加關(guān)注燃?xì)夂蜔崃ο到y(tǒng)中非電類靈活性資源的建模問(wèn)題。與電力系統(tǒng)相比,IES 靈活性潛力巨大的根本原因在于系統(tǒng)中靈活性資源集合的擴(kuò)大,也就是將原有電類靈活性資源擴(kuò)展到了氣、熱非電類靈活性資源,如天然氣管存、熱網(wǎng)及建筑物熱慣性等。因此,對(duì)各類非電類靈活資源的建模是IES 靈活性研究的一個(gè)重要問(wèn)題。

2）在物理性質(zhì)方面,IES 靈活性多時(shí)間尺度特性顯著。區(qū)別于電力電量的實(shí)時(shí)平衡,氣、熱能流存在慢動(dòng)態(tài)特性,這導(dǎo)致IES 中多能設(shè)備控制特性和多能網(wǎng)絡(luò)特性差異顯著。因此,無(wú)論是靈活性資源與需求的建模問(wèn)題,還是異質(zhì)能源靈活性的協(xié)同優(yōu)化和市場(chǎng)交易問(wèn)題,均需要考慮不同能流時(shí)間尺度的差異。

3）在靈活性提升途徑上,IES 靈活性研究更多聚焦于多能靈活性的協(xié)同優(yōu)化。一方面,氣、熱慣性的存在使得IES 在網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)蘊(yùn)含電力系統(tǒng)所沒(méi)有的靈活性需求緩沖能力；另一方面,多能流在源荷側(cè)的互補(bǔ)特性以及多能耦合設(shè)備所帶來(lái)的多能互濟(jì)效應(yīng),進(jìn)一步擴(kuò)大了電、氣、熱的靈活性供需平衡空間。因此,無(wú)論是規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控還是市場(chǎng)機(jī)制研究,多能靈活性的協(xié)同優(yōu)化是IES 靈活性現(xiàn)有研究關(guān)注的核心問(wèn)題。

2 IES 靈活性的基本內(nèi)涵

本章首先闡述了高比例可再生能源背景下IES靈活性的研究必要性和研究范疇,接著對(duì)IES 靈活性的基本內(nèi)涵進(jìn)行凝練,并依次從定義、基本要素和測(cè)度體系等角度闡釋。

2.1 高比例可再生能源下的IES 靈活性

IES 中電、氣、熱各子系統(tǒng)均存在各自的靈活性資源與靈活性需求。因此,IES 靈活性的內(nèi)涵十分豐富,既可指各子系統(tǒng)的靈活性,也可指電、氣、熱所形成的能源系統(tǒng)整體的靈活性。

然而,在高比例可再生能源接入下,能源系統(tǒng)靈活性的主要矛盾表現(xiàn)為電力系統(tǒng)靈活性的不足。高比例可再生能源意味著電力電子化接口的風(fēng)機(jī)和光伏的并網(wǎng)比例上升而傳統(tǒng)火電機(jī)組逐步退出,這導(dǎo)致電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)運(yùn)行工況更加復(fù)雜,電力系統(tǒng)的不確定性和低慣性特征進(jìn)一步加?。?］。因此,在高比例可再生能源的背景下,IES 靈活性的核心需求表現(xiàn)為電力系統(tǒng)的靈活性需求。圖4 展示了高比例可再生能源下的IES 靈活性供需關(guān)系。

如圖4 所示,IES 中的靈活性資源不僅包含電力系統(tǒng)靈活性資源,還包含氣、熱等非電類靈活性資源。這些非電類靈活性資源通過(guò)電-氣、電-熱等耦合環(huán)節(jié)可轉(zhuǎn)化為電力系統(tǒng)側(cè)的靈活性資源,服務(wù)于可再生能源消納等電力系統(tǒng)靈活性需求。

因此,本文立足于高比例可再生能源背景,所討論的IES 靈活性內(nèi)涵僅限于圖4 所蘊(yùn)之意,可認(rèn)為是狹義的IES 靈活性,其本質(zhì)上是IES 靈活性的子集。下文如無(wú)特殊說(shuō)明,所述IES 靈活性均指狹義的IES 靈活性。圖4 也直觀地反映了IES 靈活性與電力系統(tǒng)靈活性的區(qū)別:IES 靈活性的核心矛盾仍是電力系統(tǒng)靈活性,但I(xiàn)ES 豐富了電力系統(tǒng)靈活性提升的技術(shù)手段和實(shí)現(xiàn)路徑。在高比例可再生能源背景下,研究IES 靈活性的意義在于通過(guò)利用氣、熱等異質(zhì)靈活資源與多能協(xié)同互補(bǔ)效用,作為電力系統(tǒng)靈活性資源的補(bǔ)充,可更加經(jīng)濟(jì)高效地提高電力系統(tǒng)靈活性,助力高比例可再生能源消納。

圖4 高比例可再生能源下的IES 靈活性供需關(guān)系Fig.4 Supply-demand relationship of IES flexibility under high proportion of renewable energy

基于上述對(duì)高比例可再生能源下IES 靈活性的認(rèn)識(shí),IES 靈活性的基本內(nèi)涵可以概括為“一個(gè)基礎(chǔ)、兩層表現(xiàn)、三大特征”,如圖5 所示。

圖5 IES 靈活性基本內(nèi)涵的概括Fig.5 Summary of basic connotation of IES flexibility

“一個(gè)基礎(chǔ)”即靈活性資源,既包括可控電源、網(wǎng)絡(luò)慣性、儲(chǔ)能系統(tǒng)、柔性負(fù)荷等各子系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各環(huán)節(jié)的實(shí)體的靈活性資源,也包括諸如多環(huán)節(jié)系統(tǒng)協(xié)同效用、多能互補(bǔ)效用等虛擬的靈活性資源。根本上講,系統(tǒng)靈活性提升的落腳點(diǎn)在靈活性資源,包括靈活性資源部署、靈活性資源調(diào)控以及對(duì)靈活性資源的激勵(lì)等。

“兩層表現(xiàn)”包括微觀層和宏觀層。從微觀上看,靈活性表現(xiàn)為系統(tǒng)中長(zhǎng)期的能量調(diào)節(jié)能力和短期/實(shí)時(shí)的功率調(diào)節(jié)能力。從宏觀上看,靈活性表現(xiàn)為系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳和安全充裕這3 個(gè)方面的能力。前者是后者的物理基礎(chǔ)與實(shí)現(xiàn)手段,后者是前者的宏觀表現(xiàn)與最終目的。

“三大特征”指多能流、多尺度和多主體［115］,三者從不同角度反映了IES 靈活性內(nèi)涵的豐富性。“多能流”是IES 靈活性區(qū)別于電力系統(tǒng)靈活性的根本特征。一方面,IES 中電、氣、熱子系統(tǒng)均存在各自的靈活性資源與靈活性需求,不同子系統(tǒng)中的靈活性所對(duì)應(yīng)的具體物理特性可能存在一定差異。具體來(lái)說(shuō),電力系統(tǒng)的靈活性表現(xiàn)為系統(tǒng)長(zhǎng)期的電量平衡能力及短期的電力平衡能力,供熱系統(tǒng)的靈活性則表現(xiàn)為系統(tǒng)長(zhǎng)期的熱能供需平衡能力以及短期的供熱經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性水平。另一方面,多能流間的協(xié)同互補(bǔ)亦可視作一類虛擬的電力靈活性資源,即通過(guò)多能流的協(xié)同調(diào)控可充分利用燃?xì)夂蜔崃ο到y(tǒng)的靈活性資源,為電力系統(tǒng)提供靈活性。

“多尺度”指IES 靈活性的多時(shí)間尺度和多空間尺度特征。在時(shí)間尺度上,IES 靈活性需求在年、季度、月、日以及實(shí)時(shí)等不同時(shí)間尺度上有不同表現(xiàn),關(guān)注點(diǎn)從系統(tǒng)能量的中長(zhǎng)期調(diào)節(jié)能力逐步轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)功率的短期/實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)能力；在空間尺度上,根據(jù)應(yīng)用需求的不同,IES 靈活性既可表現(xiàn)為源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)環(huán)節(jié)某一節(jié)點(diǎn)的調(diào)節(jié)能力（如節(jié)點(diǎn)可容許的可再生能源出力波動(dòng)）,也可表現(xiàn)為系統(tǒng)整體的可調(diào)節(jié)能力（如系統(tǒng)可再生能源消納總量）,呈現(xiàn)不同的空間跨度。

“多主體”指系統(tǒng)中的靈活性資源涉及不同的利益主體。一方面,電、氣、熱子系統(tǒng)通常歸屬不同部門,各部門常見(jiàn)的核心訴求包括各系統(tǒng)供能的經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳和安全充裕,某一主體靈活性的提升可能以犧牲其他主體的某些性能為代價(jià)。因此,靈活性在不同主體間轉(zhuǎn)移的過(guò)程附帶著成本的轉(zhuǎn)移。另一方面,各個(gè)環(huán)節(jié)的靈活性資源可能歸屬獨(dú)立的服務(wù)商,如儲(chǔ)能服務(wù)商、負(fù)荷聚合商等,此時(shí)靈活性資源成為能源系統(tǒng)中一種特殊的商品,其價(jià)值的實(shí)現(xiàn)依賴于有效的市場(chǎng)機(jī)制。綜上,“多主體”特征意味著IES 中部分靈活性資源難以進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配,需要合理的市場(chǎng)機(jī)制發(fā)掘其潛力。此外,“多主體”特征還帶來(lái)了信息壁壘等問(wèn)題。

明確IES 靈活性的基本內(nèi)涵是提升靈活性的基礎(chǔ)。由上述分析可知,IES 靈活性的提升需要立足于靈活性資源本身,以所關(guān)注的靈活性具體表現(xiàn)為導(dǎo)向,充分考慮多能流、多尺度與多主體特性,解決靈活性資源“從無(wú)（少）到有（多）”及“從有到用”的問(wèn)題。與表1 中的“提升途徑”一致,IES 靈活性的提升途徑可被劃分為規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控與市場(chǎng)機(jī)制3 個(gè)方面。規(guī)劃設(shè)計(jì)關(guān)注靈活性資源的優(yōu)化部署問(wèn)題,旨在解決靈活性資源“從無(wú)到有”的矛盾。運(yùn)行調(diào)控關(guān)注靈活資源的短期/實(shí)時(shí)運(yùn)行問(wèn)題,旨在解決靈活性資源“從有到用”的矛盾。市場(chǎng)機(jī)制關(guān)注靈活性資源的市場(chǎng)化配置問(wèn)題,旨在通過(guò)市場(chǎng)手段解決靈活資源“從無(wú)到有”及“從有到用”的矛盾。

2.2 IES 靈活性的定義

文獻(xiàn)［20］將電力系統(tǒng)在給定狀態(tài)下的靈活性定義為在可接受的成本閾值和時(shí)間窗口內(nèi),系統(tǒng)采取替代動(dòng)作以響應(yīng)一系列不確定的未來(lái)狀態(tài)的能力。此外,將時(shí)間窗口、調(diào)節(jié)措施、不確定性和成本歸為確定電力系統(tǒng)靈活性的4 項(xiàng)基本要素。

參照文獻(xiàn)［20］中的定義框架,本文將IES 靈活性定義為:在給定時(shí)間窗口和不確定性下,以滿足系統(tǒng)技術(shù)約束和決策者利益訴求為前提,系統(tǒng)通過(guò)采取一定調(diào)節(jié)措施可獲得的功率和能量的可調(diào)節(jié)能力。該定義中,時(shí)間窗口限定了所關(guān)注的靈活性時(shí)間尺度,不確定性和技術(shù)約束反映了系統(tǒng)物理屬性的影響,利益訴求反映了決策者偏好的影響,調(diào)節(jié)措施限定了可采用的靈活性提升手段,功率和能量的可調(diào)節(jié)能力則體現(xiàn)了IES 靈活性的本質(zhì)屬性。

由IES 靈活性的基本內(nèi)涵可知,IES 靈活性的表現(xiàn)分為微觀表現(xiàn)（功率和能量的可調(diào)節(jié)能力）和宏觀表現(xiàn)（經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳、安全充裕）?？紤]到微觀表現(xiàn)是宏觀表現(xiàn)的物理基礎(chǔ),也是系統(tǒng)更加本質(zhì)的屬性,本文將IES 靈活性界定為系統(tǒng)的“功率和能量的可調(diào)節(jié)能力”,而將宏觀表現(xiàn)歸入利益訴求范疇,作為IES 靈活性的前提條件,以反映決策者意愿對(duì)系統(tǒng)靈活性的影響。

與文獻(xiàn)［20］中的電力系統(tǒng)靈活性定義相比,本文提出的定義突出強(qiáng)調(diào)了技術(shù)約束和決策者利益訴求2 個(gè)基本要素,利益訴求可包含經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳、安全充裕等一項(xiàng)或多項(xiàng)因素。因此,該定義可將技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、可再生能源消納等多方面因素納入IES靈活性范疇中。下文對(duì)該定義涉及的基本要素做具體解釋。

2.3 IES 靈活性的基本要素

根據(jù)上述定義,IES 靈活性包含5項(xiàng)基本要素,即時(shí)間窗口、不確定性、調(diào)節(jié)措施、技術(shù)約束和利益訴求。

2.3.1 時(shí)間窗口

時(shí)間窗口反映決策者所關(guān)注的靈活性的時(shí)間尺度,決定了可采用的調(diào)節(jié)措施。當(dāng)決策者關(guān)注通過(guò)利用靈活性資源應(yīng)對(duì)短期不確定性、功率失衡等問(wèn)題的能力時(shí)（即運(yùn)行靈活性）,時(shí)間窗口則相對(duì)較小,如秒、分鐘、小時(shí)和天。當(dāng)決策者關(guān)注通過(guò)部署靈活性資源應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期負(fù)荷增長(zhǎng)、能源結(jié)構(gòu)變化等問(wèn)題的能力（即規(guī)劃靈活性）,時(shí)間窗口則相對(duì)較大,如季度和年。需要指出的是,系統(tǒng)在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)可能表現(xiàn)出更大的靈活性,而較短的時(shí)間內(nèi)卻可能缺乏靈活性［14,116］,即能量調(diào)節(jié)能力與功率調(diào)節(jié)能力二者未必相關(guān)。例如,一個(gè)系統(tǒng)有充足的抽水蓄能、地下儲(chǔ)氣庫(kù)資源應(yīng)對(duì)跨季節(jié)的負(fù)荷波動(dòng),但可能難以應(yīng)對(duì)日內(nèi)可再生能源和負(fù)荷的短時(shí)波動(dòng)。

IES 區(qū)別于電力系統(tǒng)一個(gè)典型特征是異質(zhì)能流的多時(shí)間尺度特性,即電、氣、熱的動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間尺度差異顯著［117］。這意味著時(shí)間窗口的大小直接決定了氣、熱系統(tǒng)靈活性資源的潛力,進(jìn)而影響著其對(duì)電力系統(tǒng)靈活性的支撐作用。因此,對(duì)于IES 靈活性問(wèn)題,時(shí)間窗口的選擇尤為重要。此外,靈活性資源能否在一定的時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)揮作用,不僅取決于其本身的技術(shù)約束,還受到調(diào)度策略、通信環(huán)境等外部因素的影響［48］。

綜上,時(shí)間窗口的大小會(huì)同時(shí)影響靈活性資源和靈活性需求的特性,因此進(jìn)行靈活性分析需首先明確所關(guān)注的時(shí)間窗口。

2.3.2 不確定性

不確定性用于刻畫決策者對(duì)于系統(tǒng)未來(lái)狀態(tài)及輸入信息的無(wú)法確知程度。IES 的長(zhǎng)期規(guī)劃和短期運(yùn)行中均存在各種不確定性因素,如可再生能源出力及負(fù)荷預(yù)測(cè)偏差、設(shè)備及元件故障、能源價(jià)格信號(hào)、用戶行為以及突發(fā)事件等。與電力系統(tǒng)相比,IES 中的不確定因素還涵蓋氣、熱異質(zhì)能流的不確定因素,如燃?xì)庳?fù)荷、熱負(fù)荷不確定性等。

不確定性是系統(tǒng)產(chǎn)生靈活性需求的主要原因之一,其大小在一定程度上決定了系統(tǒng)所需的靈活性資源數(shù)量以及相應(yīng)的成本。決策者可根據(jù)自身的風(fēng)險(xiǎn)偏好選擇其所期望的系統(tǒng)可容納的不確定性程度,間接影響著系統(tǒng)的靈活性需求。不確定性也影響著系統(tǒng)的靈活性資源。非常典型的是熱負(fù)荷不確定性影響著熱慣性大小與電熱耦合設(shè)備的工況,其對(duì)電力系統(tǒng)靈活性的支撐作用隨著不確定性的增大而減小［118］。

2.3.3 調(diào)節(jié)措施

調(diào)節(jié)措施指系統(tǒng)在特定時(shí)間窗口內(nèi)可采取的行為的集合,如控制機(jī)組出力、購(gòu)買靈活性服務(wù)產(chǎn)品、配置新的靈活性資源等。調(diào)節(jié)措施的部署受時(shí)間窗口影響。例如,在極短的時(shí)間窗口（如低于10 s）內(nèi),部分需求側(cè)響應(yīng)資源并不能發(fā)揮其靈活調(diào)節(jié)能力。調(diào)節(jié)措施的集合越大,系統(tǒng)提升靈活性的手段就越多。

采取調(diào)節(jié)措施以提高靈活性將產(chǎn)生一定經(jīng)濟(jì)成本。例如,配置靈活性資源的投資成本、火電機(jī)組靈活性改造成本、機(jī)組爬坡成本與燃料成本、棄風(fēng)棄光的懲罰費(fèi)用以及建筑物參與需求側(cè)響應(yīng)的用戶舒適度損失等［42,119］。一般來(lái)說(shuō),對(duì)已有的靈活性資源施加有效的控制策略比額外配置靈活性資源更具經(jīng)濟(jì)性,短期內(nèi)快速響應(yīng)的儲(chǔ)能技術(shù)的平準(zhǔn)化成本要高于長(zhǎng)期大型儲(chǔ)能技術(shù)［23,48］。通常,決策者會(huì)優(yōu)先采用成本較低、對(duì)靈活性提升更顯著的調(diào)節(jié)措施。

需要強(qiáng)調(diào)的是,無(wú)論是通過(guò)規(guī)劃設(shè)計(jì)與運(yùn)行調(diào)控等途徑提高靈活性,還是通過(guò)市場(chǎng)手段獲得靈活性服務(wù)產(chǎn)品,調(diào)節(jié)措施實(shí)施的最終落腳點(diǎn)都是靈活性資源本身。圖6 從響應(yīng)容量和響應(yīng)速率2 個(gè)維度梳理了典型的IES 靈活性資源,涵蓋電、氣、熱等多種設(shè)備與設(shè)施［13,21,33,40,120］。圖中,LNG 表示液化天然氣?？梢钥闯?相較于電力系統(tǒng),IES 的靈活性資源在響應(yīng)容量及響應(yīng)速率上分布得更為廣泛,具有典型的多尺度特征。具體表現(xiàn)為氣、熱相關(guān)的靈活性資源響應(yīng)容量更大,電相關(guān)的靈活性資源響應(yīng)速率更快,而耦合設(shè)備則是兩者轉(zhuǎn)換的橋梁。

圖6 典型的IES 靈活性資源Fig.6 Typical flexibility resources in IES

2.3.4 技術(shù)約束

技術(shù)約束指IES 中源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各個(gè)環(huán)節(jié)由于技術(shù)限制所產(chǎn)生的運(yùn)行約束以及數(shù)字化、信息化、智能化技術(shù)對(duì)靈活性資源調(diào)控所產(chǎn)生的技術(shù)性限制［121］。IES 的運(yùn)行約束涉及復(fù)雜的設(shè)備控制特性、多能網(wǎng)絡(luò)動(dòng)靜態(tài)特性以及多能負(fù)荷特性［117］。調(diào)節(jié)措施必須能夠保證IES 的安全穩(wěn)定運(yùn)行,即不出現(xiàn)電壓頻率越限、氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)越限以及熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)溫度越限等情況。運(yùn)行約束也會(huì)影響靈活性資源的市場(chǎng)交易,例如聯(lián)絡(luò)線的傳輸容量將決定區(qū)域間可交換電力的上限。

與IES 靈活性研究相關(guān)的數(shù)字化、信息化和智能化技術(shù)包括數(shù)據(jù)通信技術(shù),規(guī)劃、運(yùn)行與市場(chǎng)交易平臺(tái)等,這類技術(shù)決定了調(diào)節(jié)措施能否得到及時(shí)有效的實(shí)施。

2.3.5 利益訴求

利益訴求指的是決策者所期望獲得的效益,可概括為經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳、安全充裕3 類,對(duì)應(yīng)表1中的3 類目標(biāo)導(dǎo)向。利益訴求是靈活性資源部署與調(diào)控的根本目的,是系統(tǒng)靈活性的服務(wù)對(duì)象。結(jié)合第1 章中對(duì)靈活性相關(guān)研究的概述,表5 進(jìn)一步總結(jié)了典型的決策者利益訴求。

表5 IES 靈活性定義中典型的利益訴求Table 5 Typical interest appeal in definition of IES flexibility

根據(jù)利益訴求的不同,可將決策者分為經(jīng)濟(jì)高效導(dǎo)向型、綠色低碳導(dǎo)向型以及安全充裕導(dǎo)向型3 類。經(jīng)濟(jì)高效導(dǎo)向型決策者利用靈活性資源以實(shí)現(xiàn)自身經(jīng)濟(jì)效益的提升,典型代表包括居民用戶、各類園區(qū)型能源站運(yùn)營(yíng)商以及靈活性資源聚合商等。該類決策者根據(jù)外部能源服務(wù)價(jià)格信號(hào)調(diào)整自身運(yùn)行策略,可參與靈活性資源市場(chǎng)交易獲利。綠色低碳導(dǎo)向型決策者利用系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)能力以實(shí)現(xiàn)可再生能源消納以及能源系統(tǒng)碳足跡的降低,典型代表如中國(guó)各省市推進(jìn)建設(shè)的“雙碳”先行示范區(qū)。安全充裕導(dǎo)向型決策者依賴系統(tǒng)靈活性實(shí)現(xiàn)自身能源供應(yīng)可靠性的提升,典型代表包括數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)、醫(yī)院能源系統(tǒng)以及艦船能源系統(tǒng)等。對(duì)于這類決策者,核心業(yè)務(wù)若不能正常運(yùn)行將導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)或社會(huì)損失,供能可靠性是保障其正常運(yùn)行的必要條件,因此極度重視系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

需要指出的是,除了上述經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳和安全充裕3 類導(dǎo)向,決策者的利益訴求還可能兼顧上述2 類或多類訴求,或包含其他各類可能的效益,如供能質(zhì)量等。例如,以社會(huì)福利最大化為導(dǎo)向的決策者以頂層設(shè)計(jì)的視角挖掘和利用IES 靈活性,以最大限度地協(xié)調(diào)各方需求,典型代表包括各級(jí)能源主管部門和規(guī)劃設(shè)計(jì)單位。這類決策者需要統(tǒng)籌兼顧能源供給穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力及環(huán)境可持續(xù)性等目標(biāo),利益訴求更為復(fù)雜。

2.4 IES 靈活性的測(cè)度體系

構(gòu)建IES 靈活性的測(cè)度函數(shù),是進(jìn)行靈活性量化分析的關(guān)鍵。如圖7 所示,本節(jié)結(jié)合IES 靈活性的定義與基本要素,提出“時(shí)間-空間-表現(xiàn)”三維IES靈活性測(cè)度體系,用于刻畫IES 靈活性大小。

圖7 “時(shí)間-空間-表現(xiàn)”三維IES 靈活性測(cè)度體系Fig.7 Three-dimensional flexibility measurement system of“time-space-performance”for IES

從時(shí)間尺度看,運(yùn)行人員既可能關(guān)注系統(tǒng)某一時(shí)間斷面的靈活性,也可能關(guān)注系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的某一時(shí)段內(nèi)的靈活性,故可將IES 靈活性分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2 類。從空間尺度看,IES 靈活性既可聚焦在系統(tǒng)局部某一節(jié)點(diǎn),也可反映在系統(tǒng)全局,故需要將IES 靈活性分為節(jié)點(diǎn)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)2 類。從IES 靈活性的具體表現(xiàn)看,其微觀表現(xiàn)為功率或能力的可調(diào)節(jié)能力,宏觀表現(xiàn)為對(duì)決策者經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳、安全充裕等利益訴求的滿足能力。因此,IES 靈活性應(yīng)包含微觀層和宏觀層2 類。

結(jié)合表5 中的決策者典型利益訴求,表6 基于上述測(cè)度體系給出了典型的IES 靈活性測(cè)度。表6 中的8 類典型IES 靈活性測(cè)度與圖7 中立方體的8 個(gè)頂點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。需要指出的是,靈活性測(cè)度需要結(jié)合具體問(wèn)題制定,包括但不限于表6 中的典型靈活性測(cè)度形式。

表6 典型的IES 靈活性測(cè)度Table 6 Typical Measurement of IES Flexibility

3 IES 靈活性的數(shù)學(xué)模型

基于上述對(duì)IES 靈活性基本內(nèi)涵的闡述,本章首先提出了研究IES 靈活性的通用數(shù)學(xué)模型；然后,結(jié)合示例給出節(jié)點(diǎn)靜態(tài)功率靈活性與節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)功率靈活性的具體闡述；最后,解釋了如何將IES 靈活性數(shù)學(xué)模型擴(kuò)展到宏觀層面。

3.1 通用模型

由IES 靈活性的定義可知,系統(tǒng)靈活性大小取決于時(shí)間窗口、不確定性等諸多因素。為定量分析及評(píng)估IES 靈活性的大小,本文提出IES 靈活性數(shù)學(xué)模型,如式（1）所示。

式中:x為決策變量,包括系統(tǒng)所有的狀態(tài)變量與控制變量；xflex為與所關(guān)注的靈活性相關(guān)的狀態(tài)變量與控制變量；u為表示不確定性的隨機(jī)變量；x0為x的初始狀態(tài)；Xflex為變量xflex的可行域,是待優(yōu)化對(duì)象；U為隨機(jī)變量u的定義域；σ(Xflex)為系統(tǒng)靈活性的測(cè)度函數(shù),用于刻畫可行域Xflex的大?。籫(?)≤0 為系統(tǒng)的技術(shù)約束；I(?)≤0 為決策者利益訴求所產(chǎn)生的約束條件。

需要指出的是,系統(tǒng)可采取的調(diào)節(jié)措施的集合決定系統(tǒng)可優(yōu)化對(duì)象及其可優(yōu)化的空間,因此,會(huì)對(duì)技術(shù)約束和利益訴求約束產(chǎn)生直接影響,未在式（1）中顯式表示。決策變量x的取值會(huì)根據(jù)其中部分元素xflex的取值以及不確定變量u的取值自適應(yīng)變化,即x=x(xflex,u)。g(?)≤0 和I(?)≤0 為廣義約束,包括但不限于邊界約束、機(jī)會(huì)約束、風(fēng)險(xiǎn)約束、最優(yōu)值約束等。隨機(jī)變量定義域U的形式不作限制,包括但不限于基于場(chǎng)景的、基于不確定集的或基于概率分布的等形式。測(cè)度函數(shù)σ(?)用于反映系統(tǒng)功率或能量的可調(diào)節(jié)能力,即2.4 節(jié)提出的測(cè)度體系中的某一具體表達(dá)式。

式（1）的含義為優(yōu)化可行域Xflex的某一測(cè)度函數(shù)σ(?),以保證在給定的時(shí)間窗口和系統(tǒng)初始狀態(tài)x0下,對(duì)Xflex中的任一xflex和U中的任一u,均存在調(diào)節(jié)措施和決策變量x=x(xflex,u)可滿足系統(tǒng)的技術(shù)約束g(?)≤0 和決策者利益訴求約束I(?)≤0。

3.2 通用模型的具體闡述

下文結(jié)合圖8 中的示例,以節(jié)點(diǎn)靜態(tài)功率靈活性與節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)功率靈活性二者為例,對(duì)IES 靈活性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行具體闡述。該系統(tǒng)由3 機(jī)6 節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)和9 節(jié)點(diǎn)供熱系統(tǒng)組成,電力系統(tǒng)包含2 臺(tái)燃煤發(fā)電機(jī)組（G1、G2）和1 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組（WT）,熱力系統(tǒng)包含1 臺(tái)CHP 機(jī)組和1 臺(tái)燃?xì)忮仩t（GB）。以下依次分析2 個(gè)典型的IES 靈活性問(wèn)題。

圖8 IES 靈活性數(shù)學(xué)模型闡述示例Fig.8 Illustrative example for mathematical model of IES flexibility

3.2.1 節(jié)點(diǎn)靜態(tài)功率靈活性

針對(duì)節(jié)點(diǎn)靜態(tài)功率靈活性這一問(wèn)題,通用模型式（1）可具體為式（2）的形式。

式中:xi,LB和xi,UB分別為節(jié)點(diǎn)i處輸出功率的最小值和最大值。

結(jié)合圖8 所示系統(tǒng),電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)6 處的風(fēng)電可調(diào)度區(qū)間［19］即為節(jié)點(diǎn)靜態(tài)功率靈活性的一個(gè)具體體現(xiàn),此時(shí)xi,LB和xi,UB分別對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)6 處風(fēng)電機(jī)組出力的最小值和最大值。那么,模型式（2）中所關(guān)注的時(shí)間窗口可以為5 min、15 min、1 h 等；系統(tǒng)可采取的調(diào)節(jié)措施包括調(diào)度機(jī)組出力及調(diào)度熱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)（通常為建筑物）供熱量2 類；變量x包含各個(gè)機(jī)組出力、電網(wǎng)絡(luò)潮流、熱網(wǎng)能流、建筑物狀態(tài)等；變量xflex為風(fēng)電機(jī)組出力；約束g(?)≤0 包含機(jī)組運(yùn)行約束,電、熱網(wǎng)絡(luò)潮流約束以及網(wǎng)絡(luò)安全約束；約束I(?)≤0 可認(rèn)為不存在。

3.2.2 節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)功率靈活性

針對(duì)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)功率靈活性這一問(wèn)題,通用模型式（1）可具體為如下形式:

式中:t∈{1,2,…,N}為時(shí)間索引,其中N為所研究問(wèn)題涵蓋的總的時(shí)間間隔數(shù)；xi,t,LB和xi,t,UB分別為節(jié)點(diǎn)i處t時(shí)刻輸出功率的最小值和最大值；ξt為t時(shí)刻運(yùn)行靈活性的加權(quán)系數(shù)；符號(hào)“×”為笛卡爾乘積。

仍然結(jié)合圖8 所示系統(tǒng),電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)6 處的風(fēng)電可調(diào)度域［19］即為節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)功率靈活性的一個(gè)具體體現(xiàn),此時(shí)xi,t,LB和xi,t,UB分別對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)6 處風(fēng)電機(jī)組出力在t時(shí)刻的最小值和最大值。那么,模型式（3）中,所關(guān)注的時(shí)間窗口可以為未來(lái)4 h,分辨率為15 min；模型中其余因素與模型式（2）含義相同,區(qū)別在于變量x與xflex均包含多個(gè)時(shí)段。

可以注意到,模型式（3）的目標(biāo)函數(shù)為各個(gè)時(shí)段區(qū)間的加權(quán)和,加權(quán)系數(shù)ξt反映了不同時(shí)段運(yùn)行靈活性的重要程度。實(shí)際上,不同時(shí)段的xi,t,LB、xi,t,UB之間可能相互耦合,理想的測(cè)度函數(shù)σ(?)應(yīng)該能夠準(zhǔn)確表征高維可行域Xflex的體積,但可能并不存在解析的表達(dá)式。

針對(duì)該問(wèn)題,一種方法是采用某些較為簡(jiǎn)單的測(cè)度函數(shù)對(duì)其進(jìn)行近似,典型的如式（4）和式（5）所示。

另一種方法是將可行域Xflex建模為特殊幾何體,如高維橢球、多面體等,一方面可能存在解析的體積測(cè)度函數(shù)［122］；另一方面可能便于將maxσ(Xflex)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的等價(jià)問(wèn)題并求解。

3.3 IES 靈活性數(shù)學(xué)模型的擴(kuò)展

上一節(jié)闡述了模型式（1）在刻畫系統(tǒng)“微觀層面”靈活性上的具體含義。事實(shí)上,當(dāng)需要刻畫系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳和安全充裕等“宏觀層面”靈活性上的表現(xiàn)時(shí),僅需對(duì)模型式（1）中的測(cè)度函數(shù)σ(?)做少許修改即可適用。例如,當(dāng)采用系統(tǒng)可容納的不確定性水平來(lái)反映其安全充裕性時(shí),可將σ(?)定義為不確定集U的函數(shù),即σ(U)［123］。此時(shí),不確定集U亦為待優(yōu)化量。

4 IES 靈活性的研究框架

基于上述研究,本章構(gòu)建了如圖9 所示的IES靈活性研究框架,包括物理系統(tǒng)層面、機(jī)理層面、理論與方法層面和應(yīng)用層面。具體地,物理系統(tǒng)層面揭示了IES 多能耦合的物理形態(tài),其中涵蓋了豐富的靈活性需求和靈活性資源；機(jī)理層面演繹了IES靈活性從局部聚合到整體的原理和過(guò)程；理論與方法層面體現(xiàn)了支撐IES 靈活性研究的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)；應(yīng)用層面反映了IES 靈活性的提升途徑,是IES靈活性的宏觀表現(xiàn)。

圖9 IES 靈活性研究框架示意圖Fig.9 Schematic diagram of IES flexibility research framework

接下來(lái),本章從IES 靈活性的物理機(jī)理、IES 靈活性提升途徑以及IES 靈活性建模、量化與評(píng)估方法3 個(gè)方面闡述IES 靈活性的研究框架。在物理機(jī)理方面,從IES 源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各個(gè)環(huán)節(jié)的靈活性資源入手,分析了其調(diào)節(jié)能力的物理基礎(chǔ)以及局部靈活性與系統(tǒng)靈活性的關(guān)系。在靈活性提升途徑方面,分別從規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控和市場(chǎng)機(jī)制3 個(gè)角度闡述了IES 靈活性提升的關(guān)鍵問(wèn)題與難點(diǎn)。最后,分析了IES 靈活性建模、量化與評(píng)估的主要任務(wù)與關(guān)鍵問(wèn)題。

4.1 IES 靈活性的物理機(jī)理

IES 靈活性資源分布于源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等多個(gè)環(huán)節(jié),不同的環(huán)節(jié)亦存在多種類型的靈活性資源。以管線為例,電力線的靈活性來(lái)源于傳輸功率的可調(diào)節(jié)性,供氣管道的靈活性來(lái)源于節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)、管道流量以及管存狀態(tài)的可調(diào)節(jié)性,供熱管道的靈活性來(lái)源于節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)、管道流量以及熱媒溫度可調(diào)節(jié)性。從數(shù)學(xué)角度看,管線狀態(tài)量具有可觀的可行域,不必固定在某一數(shù)值或某一極小范圍內(nèi)。然而,從物理機(jī)理上看,電力線的靈活性取決于線路熱平衡條件,供氣管道靈活性取決于流體穩(wěn)定性條件,供熱管道靈活性則取決于水力及熱力穩(wěn)定性條件。因此,IES中不同的靈活性資源,其靈活性內(nèi)涵及潛在的物理機(jī)理十分豐富,需結(jié)合具體對(duì)象進(jìn)行分析。

下文從源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)4 個(gè)環(huán)節(jié)依次闡述IES 靈活性的物理機(jī)理,分析靈活性由關(guān)鍵環(huán)節(jié)（局部）匯聚至整個(gè)系統(tǒng)（整體）的過(guò)程。IES 中各環(huán)節(jié)靈活性（局部）和系統(tǒng)級(jí)靈活性（整體）的物理機(jī)理以及兩者的關(guān)系如圖10 所示。

圖10 IES 局部靈活性與整體靈活性的關(guān)系Fig.10 Relationship between local flexibility and overall flexibility of IES

4.1.1 源側(cè)靈活性

IES 的源側(cè)靈活性可按照時(shí)間尺度劃分為短期功率平衡能力與長(zhǎng)期能量平衡能力。短期功率平衡能力包括集中式機(jī)組、分布式能源等設(shè)備的快速調(diào)節(jié)能力。長(zhǎng)期能量平衡能力則指短期內(nèi)難以快速響應(yīng)或頻繁利用的設(shè)備和手段,例如針對(duì)煤電機(jī)組的靈活性改造,經(jīng)改造后的機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)“熱電解耦”運(yùn)行,增強(qiáng)調(diào)峰能力［119］。

在電力系統(tǒng)中,針對(duì)發(fā)電機(jī)的爬坡速率、爬坡容量等問(wèn)題已有一定研究,燃煤機(jī)組靈活性改造也屬于較為成熟的靈活性提升技術(shù)。然而,在IES 中,源側(cè)涵蓋電、氣、熱不同能源的生產(chǎn)及轉(zhuǎn)換設(shè)備,不同設(shè)備的工作機(jī)理、可調(diào)節(jié)特性及安全穩(wěn)定運(yùn)行條件差異顯著,涉及電氣、機(jī)械、流體力學(xué)、熱力學(xué)等多個(gè)學(xué)科。從根本上講,能源系統(tǒng)靈活性的需求來(lái)自于源荷兩側(cè)功率和能量的平衡問(wèn)題,源側(cè)靈活性的提升是系統(tǒng)靈活性提升的重要手段,有必要系統(tǒng)性研究IES 源側(cè)設(shè)備調(diào)節(jié)能力的關(guān)鍵影響因素與提升手段。

此外,從系統(tǒng)整體看,靈活性資源對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際價(jià)值隨著時(shí)間、空間、能流的改變而改變,具有鮮明的多能流、多尺度特征。因此,有必要立足于系統(tǒng)整體,研究源側(cè)靈活性資源部署與系統(tǒng)靈活性提升之間的相關(guān)性,揭示靈活性由源側(cè)傳遞到系統(tǒng)整體的轉(zhuǎn)移機(jī)理,分析制約系統(tǒng)靈活性的關(guān)鍵源節(jié)點(diǎn),為源側(cè)靈活性提升提供理論依據(jù)。

4.1.2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)靈活性

IES 的網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)靈活性主要包括網(wǎng)絡(luò)輸運(yùn)容量［120］、網(wǎng)絡(luò)慣性［117］和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互濟(jì)［120］。網(wǎng)絡(luò)輸運(yùn)容量包括電力線路可傳輸容量、天然氣管網(wǎng)可輸送的燃?xì)饬恳约盁崴蛘羝艿揽蓚鬏數(shù)臒峁β?。網(wǎng)絡(luò)慣性是熱力系統(tǒng)和燃?xì)庀到y(tǒng)因其流體傳輸慢動(dòng)態(tài)特性及管道儲(chǔ)能特性所特有的靈活性特征,熱力系統(tǒng)中稱為建筑物及熱網(wǎng)的熱慣性,燃?xì)庀到y(tǒng)中稱為管存［124］。網(wǎng)絡(luò)慣性利用自身緩沖空間為IES 提供功率或能量調(diào)節(jié)空間的行為類似于儲(chǔ)能系統(tǒng),因此常被視為一類特殊的儲(chǔ)能設(shè)施。

網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互濟(jì)指多個(gè)區(qū)域依靠電力、天然氣聯(lián)絡(luò)線以及換熱站實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)互通,并通過(guò)利用區(qū)域間多能供需互補(bǔ)特性,實(shí)現(xiàn)供需平衡關(guān)系在時(shí)間及空間尺度上解耦的能力。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互濟(jì)可提高源側(cè)機(jī)組的利用率、減少備用容量、實(shí)現(xiàn)負(fù)荷時(shí)空轉(zhuǎn)移并促進(jìn)可再生能源消納,是一種區(qū)域間靈活性資源共享及增強(qiáng)手段［71］。此外,能源網(wǎng)絡(luò)改造和優(yōu)化設(shè)計(jì)均可增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)的靈活性。

在電力系統(tǒng)中,電網(wǎng)是源荷兩側(cè)的橋梁,其可傳輸容量是制約電力系統(tǒng)靈活性的關(guān)鍵因素。對(duì)于IES,氣、熱網(wǎng)絡(luò)既是源荷之間的橋梁,又可為系統(tǒng)提供一定的儲(chǔ)能能力。從物理特性上看,不同時(shí)間尺度下氣、熱網(wǎng)絡(luò)靈活性的物理機(jī)理存在一定差異。具體來(lái)說(shuō),在中長(zhǎng)期時(shí)間尺度下,網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量決定了網(wǎng)絡(luò)側(cè)靈活性,而短期/實(shí)時(shí)時(shí)間尺度下網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)能能力將成為系統(tǒng)靈活性的重要來(lái)源。因此,針對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)靈活性資源,有必要進(jìn)一步研究不同時(shí)間尺度下氣、熱網(wǎng)絡(luò)靈活性的關(guān)鍵影響因素,分析水力、熱力、管存/熱慣性等因素對(duì)系統(tǒng)多時(shí)間尺度靈活性的影響。

此外,在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互濟(jì)方面,多區(qū)域間的供需互補(bǔ)特性是其根本基礎(chǔ),多能網(wǎng)絡(luò)的輸運(yùn)能力是其基本支撐。特別地,在電、氣、熱多能跨區(qū)域互補(bǔ)的情況下,能源網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支撐作用將更加突出。因此,有必要從區(qū)域供需互補(bǔ)特性與多能網(wǎng)絡(luò)輸運(yùn)容量2 個(gè)角度入手,研究網(wǎng)絡(luò)特性對(duì)多區(qū)域供需互補(bǔ)水平的影響,分析制約系統(tǒng)靈活性的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)參數(shù),為多能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4.1.3 負(fù)荷側(cè)靈活性

IES 的負(fù)荷側(cè)靈活性源于綜合需求響應(yīng)能力,如負(fù)荷的可削減、可平移、可轉(zhuǎn)移和可轉(zhuǎn)換能力。綜合需求響應(yīng)能力一方面來(lái)源于電、氣、熱單一能流負(fù)荷柔性；另一方面來(lái)源于不同能源需求間的互補(bǔ)效應(yīng)［33,78,125］。單一能流負(fù)荷的可調(diào)節(jié)性取決于用戶用能特征、負(fù)荷工作原理、負(fù)荷工況要求等。以區(qū)域供熱系統(tǒng)為例,用戶舒適室溫具有一定的可波動(dòng)范圍,因此,建筑物的供熱功率具有一定的可調(diào)節(jié)空間,可為供熱系統(tǒng)運(yùn)行貢獻(xiàn)可觀的靈活性。多能需求間的互補(bǔ)效應(yīng)則取決于負(fù)荷側(cè)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的配置情況。以居民用戶為例,其供暖需求可通過(guò)電采暖設(shè)備、燃?xì)獠膳O(shè)備以及區(qū)域供熱系統(tǒng)等手段滿足,而烹飪需求可采用天然氣灶具或電灶具等手段滿足。因此,多能需求間的互補(bǔ)效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)電、氣、熱不同能源需求間的轉(zhuǎn)換。

在電力系統(tǒng)中,通過(guò)工業(yè)和商業(yè)等大型用戶的需求響應(yīng)以提高系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性,已被廣泛研究并應(yīng)用。針對(duì)IES 氣、熱負(fù)荷靈活性的研究則相對(duì)不足。一方面,由于燃?xì)狻崃ο到y(tǒng)自身的慣性特征,氣、熱負(fù)荷的短期靈活性在各自系統(tǒng)中的作用十分有限；另一方面,與電力系統(tǒng)相比,燃?xì)庖约盁崃ο到y(tǒng)負(fù)荷側(cè)的量測(cè)與控制部署相對(duì)薄弱,難以與系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同調(diào)度。然而,在IES 形態(tài)下,由于異質(zhì)能流存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系,燃?xì)?、熱力系統(tǒng)的短期可調(diào)節(jié)特性可等效地轉(zhuǎn)換為電力負(fù)荷側(cè)的靈活性,對(duì)于提高電力系統(tǒng)靈活性具有不可忽視的作用。此外,從長(zhǎng)期規(guī)劃與運(yùn)行角度上看,電、氣、熱負(fù)荷的靈活性及其互補(bǔ)效應(yīng),可為降低系統(tǒng)建設(shè)成本及運(yùn)行成本貢獻(xiàn)重要價(jià)值。

因此,立足于IES 靈活性角度,有必要分析負(fù)荷側(cè)不同類型用戶的典型用能結(jié)構(gòu)與用能模式,研究不同需求的短期及長(zhǎng)期可調(diào)節(jié)特性以及不同用戶多種需求間的互補(bǔ)效應(yīng)。特別地,有必要針對(duì)工業(yè)型、商業(yè)型等大規(guī)模多能負(fù)荷集群,結(jié)合其生產(chǎn)流程、工作時(shí)段等特性,研究其潛在的負(fù)荷可調(diào)節(jié)特性與中長(zhǎng)期互補(bǔ)效用,為系統(tǒng)靈活性提升提供支撐。

4.1.4 儲(chǔ)能環(huán)節(jié)靈活性

IES 中的儲(chǔ)能資源分布在源、網(wǎng)、荷各個(gè)環(huán)節(jié),可提供不同時(shí)間尺度、不同規(guī)模的靈活性服務(wù)。儲(chǔ)能靈活性按照時(shí)間尺度可劃分為短期功率調(diào)節(jié)能力和長(zhǎng)期能量調(diào)節(jié)能力［48］?？商峁┒唐诠β收{(diào)節(jié)能力的儲(chǔ)能系統(tǒng)既包括傳統(tǒng)意義上的集中式電儲(chǔ)能、蓄熱槽和儲(chǔ)氣罐,也包括可入網(wǎng)電動(dòng)汽車、用戶側(cè)儲(chǔ)能等分散式儲(chǔ)能設(shè)施。熱網(wǎng)的熱慣性和燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)的管存亦是一類特殊的短期儲(chǔ)能?？商峁╅L(zhǎng)期能量調(diào)節(jié)能力的儲(chǔ)能系統(tǒng)包括天然氣儲(chǔ)氣罐、地下儲(chǔ)氣庫(kù)、季節(jié)性儲(chǔ)熱系統(tǒng)等直接儲(chǔ)能形式,也包括季節(jié)性抽水蓄能、電轉(zhuǎn)氣等能源轉(zhuǎn)化后再儲(chǔ)備的儲(chǔ)能形式。根據(jù)儲(chǔ)能設(shè)備所處的源、網(wǎng)、荷不同位置,可以將其歸入相應(yīng)的環(huán)節(jié),相應(yīng)的關(guān)鍵問(wèn)題在上文已進(jìn)行討論,此處不再贅述。

4.1.5 從局部靈活性到系統(tǒng)級(jí)靈活性

在IES 運(yùn)行中,決策者所關(guān)注的通常是系統(tǒng)整體所表現(xiàn)出的靈活性,即系統(tǒng)級(jí)靈活性,如系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳、安全充裕等方面的性能。源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各個(gè)環(huán)節(jié)的靈活性資源反映了系統(tǒng)的局部靈活性,而局部靈活性服務(wù)于系統(tǒng)級(jí)靈活性。從系統(tǒng)論的觀點(diǎn)看,各個(gè)環(huán)節(jié)的局部靈活性與系統(tǒng)級(jí)靈活性是局部與整體的辯證關(guān)系。各環(huán)節(jié)靈活性資源是系統(tǒng)級(jí)靈活性的局部表現(xiàn)與根本基礎(chǔ),系統(tǒng)級(jí)靈活性是局部靈活性的整體反映與最終目的。

然而,從局部靈活性聚合、演變到系統(tǒng)級(jí)靈活性是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題,兼具耦合關(guān)系緊密、尺度差異顯著等特點(diǎn)。首先,系統(tǒng)中源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各個(gè)環(huán)節(jié)緊密耦合,電、氣、熱能流交互影響,局部靈活性資源間存在相互影響,因此,局部靈活性到整體靈活性的映射表現(xiàn)為多對(duì)一、多對(duì)多的復(fù)雜關(guān)系,牽一發(fā)而動(dòng)全身。其次,IES 電、氣、熱能流的時(shí)間、空間尺度差異大,系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性復(fù)雜,需采用高階偏微分-微分-代數(shù)方程組進(jìn)行刻畫,靈活性由局部至整體演變過(guò)程的定性分析與定量計(jì)算均面臨挑戰(zhàn)。再次,系統(tǒng)級(jí)靈活性并非局部靈活性的疊加,利用多環(huán)節(jié)縱向協(xié)同與多能流橫向互補(bǔ)能力,可進(jìn)一步提高系統(tǒng)級(jí)靈活性,僅從局部靈活性入手不足以揭示系統(tǒng)級(jí)靈活性的機(jī)理。

因此,需立足于系統(tǒng)整體,研究從局部靈活性到系統(tǒng)級(jí)靈活性的傳播與聚合機(jī)理,基于機(jī)理分析與仿真分析等手段研究局部靈活性提升對(duì)系統(tǒng)級(jí)靈活性的影響,分析制約系統(tǒng)級(jí)靈活性的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),為系統(tǒng)級(jí)靈活性提升提供理論依據(jù)。

4.2 IES 靈活性的提升途徑

IES 靈活性提升的主要途徑包括規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控和市場(chǎng)機(jī)制3 個(gè)方面。在規(guī)劃設(shè)計(jì)方面,通過(guò)靈活性資源的優(yōu)化配置,可滿足系統(tǒng)的長(zhǎng)期靈活性需求；在運(yùn)行調(diào)控方面,通過(guò)多環(huán)節(jié)靈活性資源的協(xié)同調(diào)控,可充分挖掘靈活性資源的互補(bǔ)特性,解決系統(tǒng)的中短期靈活性需求；在市場(chǎng)機(jī)制方面,通過(guò)有效的機(jī)制設(shè)計(jì),可激勵(lì)靈活性資源為系統(tǒng)運(yùn)行貢獻(xiàn)自身價(jià)值,形成良好的靈活性資源價(jià)值反饋機(jī)制,充分挖掘靈活性資源的能動(dòng)性。不同提升途徑的關(guān)鍵問(wèn)題如圖11 所示,下文進(jìn)行具體闡述。

圖11 IES 靈活性提升中的關(guān)鍵問(wèn)題Fig.11 Key problems in IES flexibility enhancement

4.2.1 靈活性導(dǎo)向的規(guī)劃設(shè)計(jì)

靈活性導(dǎo)向的IES 規(guī)劃設(shè)計(jì)旨在通過(guò)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)多環(huán)節(jié)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同規(guī)劃設(shè)計(jì)以及靈活性資源的優(yōu)化部署,經(jīng)濟(jì)高效地解決系統(tǒng)靈活性需求問(wèn)題。

從系統(tǒng)規(guī)劃角度看,靈活性需求具有年、季節(jié)、天等鮮明的多時(shí)間尺度特性。在年度時(shí)間尺度上,電、氣、熱多能負(fù)荷將隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),一方面與所在區(qū)域的發(fā)展規(guī)劃緊密相關(guān)；另一方面與用戶能源消費(fèi)模式的發(fā)展息息相關(guān)。非常典型的是未來(lái)電動(dòng)汽車與電烹飪方式將逐漸取代現(xiàn)有燃油汽車與燃?xì)馀腼兎绞?意味著居民電力負(fù)荷在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。因此,靈活性資源的規(guī)劃必須與未來(lái)數(shù)年至數(shù)十年內(nèi)所在區(qū)域負(fù)荷發(fā)展規(guī)劃相匹配,保證多能供應(yīng)充裕度。在季節(jié)時(shí)間尺度上,風(fēng)、光、水等可再生能源出力具有顯著的季節(jié)性特點(diǎn),電、氣、熱等多能負(fù)荷需求亦具有一定的季節(jié)性波動(dòng),特別是區(qū)域供暖負(fù)荷表現(xiàn)出極為鮮明的季節(jié)性變化。因此,能源供需兩側(cè)及網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)必須具有充足的可調(diào)節(jié)能力,以實(shí)現(xiàn)能量供需的季節(jié)性平衡。其中,以季節(jié)性儲(chǔ)熱與季節(jié)性儲(chǔ)氣為代表的中長(zhǎng)期儲(chǔ)能技術(shù)是一類有效的靈活性資源。在天、小時(shí)等短期/實(shí)時(shí)尺度上,可再生能源出力及多能負(fù)荷均存在一定的隨機(jī)性與波動(dòng)性,為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供需平衡,系統(tǒng)需具備充足的短期功率調(diào)節(jié)能力。因此,靈活性資源的規(guī)劃設(shè)計(jì)亦需考慮短期/實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)需求。

由此可見(jiàn),靈活性導(dǎo)向的IES 規(guī)劃需要解決多能長(zhǎng)期供應(yīng)充裕性以及多能中期/短期供需平衡2 個(gè)核心問(wèn)題?，F(xiàn)有研究在電力系統(tǒng)長(zhǎng)期供應(yīng)充裕性與供需平衡問(wèn)題方面已取得一定研究成果,但針對(duì)IES 靈活性資源規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題的研究則相對(duì)不足。一方面,與單一的電負(fù)荷相比,電、氣、熱多能負(fù)荷長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)更為復(fù)雜,區(qū)域發(fā)展規(guī)劃、用戶能源消費(fèi)模式以及衣食住行相關(guān)技術(shù)的發(fā)展等因素既影響某一種能源消費(fèi)體量的變化,也影響不同能源需求間的轉(zhuǎn)換和替代關(guān)系。因此,從長(zhǎng)期來(lái)看,電、氣、熱需求發(fā)展呈現(xiàn)復(fù)雜的耦合交織特點(diǎn),有必要研究多能負(fù)荷長(zhǎng)期演變規(guī)律,為源側(cè)及網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)靈活性資源的優(yōu)化部署提供相對(duì)準(zhǔn)確的場(chǎng)景,保證多能長(zhǎng)期供應(yīng)充裕性。另一方面,電、氣、熱多能流耦合關(guān)系可能導(dǎo)致不同能源需求的波動(dòng)之間出現(xiàn)彼此助長(zhǎng)現(xiàn)象,使得多能供需平衡矛盾更加突出。因此,有必要研究不同時(shí)間尺度儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)潛力,通過(guò)多類型儲(chǔ)能的優(yōu)化組合,解決多能供需的中期/短期平衡問(wèn)題。

此外,從運(yùn)行角度看,利用源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)各環(huán)節(jié)的靈活性資源以及多環(huán)節(jié)協(xié)同互補(bǔ)可有效提高系統(tǒng)的靈活性。為此,有必要在靈活性資源規(guī)劃問(wèn)題中考慮IES 日內(nèi)及實(shí)時(shí)等較短時(shí)間尺度上的靈活性,研究多時(shí)間尺度靈活性的協(xié)同問(wèn)題。以季節(jié)性儲(chǔ)能系統(tǒng)為例,其儲(chǔ)能水平變化的時(shí)間跨度為季度乃至年度,而儲(chǔ)能水平的變化取決于日內(nèi)充/放能量大小,前者要求建模時(shí)間跨度至少為一年方能反映其季節(jié)性能量平衡,后者則要求模型分辨率足夠小方能精確刻畫其儲(chǔ)能水平的變化過(guò)程,其結(jié)果是規(guī)劃模型規(guī)模過(guò)大而難以實(shí)際應(yīng)用。因此,有必要研究可精確刻畫系統(tǒng)中長(zhǎng)期能量平衡特性與短期功率平衡特性的建模技術(shù)以及相應(yīng)的高效求解算法,實(shí)現(xiàn)多時(shí)間尺度靈活性資源的協(xié)同優(yōu)化部署。

4.2.2 靈活性導(dǎo)向的運(yùn)行調(diào)控

靈活性導(dǎo)向的IES 運(yùn)行調(diào)控旨在通過(guò)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)多環(huán)節(jié)以及電、氣、熱各能源子系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)度與控制,挖掘多環(huán)節(jié)縱向協(xié)同能力和多能流橫向互補(bǔ)能力,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳、安全穩(wěn)定等目標(biāo)。

靈活性導(dǎo)向的IES 運(yùn)行調(diào)控面臨著多尺度、多主體、不確定性、信息安全等多重現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。多尺度包括時(shí)間尺度與空間尺度。一方面,電、氣、熱能流動(dòng)態(tài)特性差異大,涵蓋小時(shí)、分鐘、秒等時(shí)間尺度,對(duì)不同時(shí)間尺度的能量動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行有效協(xié)同與控制,既是充分利用各類型靈活性資源的手段,亦是保證系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的基礎(chǔ)；另一方面,電力和燃?xì)庀到y(tǒng)的輸配用環(huán)節(jié)地理跨度通常可達(dá)數(shù)百至數(shù)千公里,而熱力系統(tǒng)地理跨度通常在數(shù)十公里以內(nèi)。極大的空間尺度差異給多環(huán)節(jié)協(xié)同調(diào)控所依賴的信息交互、數(shù)據(jù)量測(cè)、狀態(tài)估計(jì)、設(shè)備控制等問(wèn)題帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。因此,有必要研究IES 多尺度協(xié)同調(diào)控技術(shù),解決多空間尺度下的靈活性資源協(xié)同調(diào)度問(wèn)題與多時(shí)間尺度下的能量動(dòng)/靜態(tài)精確控制問(wèn)題,為實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)靈活性資源的協(xié)同調(diào)控提供支撐。

多主體指IES 中電、氣、熱能源子系統(tǒng)存在不同的管理主體,進(jìn)而導(dǎo)致信息壁壘、利益沖突等問(wèn)題。針對(duì)信息壁壘問(wèn)題,一方面,須考慮由管理主體不一致性所產(chǎn)生的計(jì)算主體不一致性問(wèn)題,研究兼具有限信息交互與獨(dú)立計(jì)算執(zhí)行特點(diǎn)的分布式協(xié)同優(yōu)化與控制技術(shù)；另一方面,須考慮由管理主體不一致所產(chǎn)生的隱私保護(hù)問(wèn)題,研究基于加密算法、差分隱私理論等計(jì)及隱私保護(hù)的優(yōu)化與控制技術(shù)。針對(duì)利益沖突問(wèn)題,則須研究基于市場(chǎng)手段的多主體協(xié)同方法。通過(guò)上述研究,為IES 多主體的協(xié)同互補(bǔ)提供基礎(chǔ)性技術(shù)支撐。

不確定性是靈活性導(dǎo)向的IES 運(yùn)行調(diào)控所面臨的外部不利因素。不確定性因素如可再生能源出力、多能負(fù)荷需求以及氣象因素等,一方面提高了系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性需求；另一方面對(duì)系統(tǒng)調(diào)控策略的魯棒性提出了更高要求。因此,有必要系統(tǒng)性研究IES 中各類型不確定性因素的物理特性,分析電、氣、熱不確定性的跨能流傳播機(jī)理,基于隨機(jī)規(guī)劃、魯棒優(yōu)化等理論研究靈活性資源魯棒調(diào)控策略,挖掘靈活性資源在應(yīng)對(duì)各類不確定性時(shí)的潛力。

此外,在信息-物理耦合背景下,信息安全問(wèn)題將威脅到IES 的安全穩(wěn)定運(yùn)行。盡管針對(duì)電力系統(tǒng)的信息安全問(wèn)題已有較多研究,但針對(duì)燃?xì)夂蜔崃ο到y(tǒng)信息安全問(wèn)題的研究尚不多見(jiàn)。電、氣、熱多能流的物理耦合關(guān)系使得其信息攻擊可通過(guò)物理耦合環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)跨能流傳播。例如,通過(guò)攻擊供熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷,可使電力系統(tǒng)線路功率越限從而產(chǎn)生甩負(fù)荷行為［126］。針對(duì)該問(wèn)題,一方面須研究信息安全對(duì)靈活性資源調(diào)控的不利影響以及相應(yīng)的系統(tǒng)性能損失；另一方面須進(jìn)一步研究靈活性資源在應(yīng)對(duì)信息攻擊方面的作用,挖掘靈活性資源用作防御手段的潛在價(jià)值。

4.2.3 靈活性導(dǎo)向的市場(chǎng)機(jī)制

靈活性導(dǎo)向的市場(chǎng)機(jī)制研究旨在通過(guò)市場(chǎng)手段實(shí)現(xiàn)IES 靈活性的潛力挖掘與配置,如價(jià)格機(jī)制、供求機(jī)制、競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制和風(fēng)險(xiǎn)機(jī)制等。

IES 的多主體特性決定了靈活性導(dǎo)向市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)的必要性。一方面,在現(xiàn)有能源系統(tǒng)形態(tài)下,電、氣、熱能源子系統(tǒng)在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍將隸屬于不同部門,利益訴求并不一致,需要一定的市場(chǎng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間的協(xié)同運(yùn)行,挖掘多能互補(bǔ)在系統(tǒng)靈活性方面的價(jià)值；另一方面,部分靈活性資源歸屬于非能源系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)方的利益主體,如儲(chǔ)能服務(wù)商、居民柔性負(fù)荷等,需要設(shè)計(jì)一定的市場(chǎng)機(jī)制以激勵(lì)其為能源系統(tǒng)貢獻(xiàn)自身靈活性。

因此,針對(duì)電、氣、熱多主體協(xié)同運(yùn)行問(wèn)題,需要結(jié)合能源市場(chǎng)發(fā)展階段,研究與其相適應(yīng)的市場(chǎng)機(jī)制。在中國(guó)當(dāng)前的能源供應(yīng)模式下,電、氣、熱主體的核心目標(biāo)通常是社會(huì)福利最大化,有必要研究基于合作博弈理論的多主體協(xié)同運(yùn)行市場(chǎng)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的效益分配機(jī)制。針對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)性能源供應(yīng)市場(chǎng),有必要研究基于非合作博弈的多主體協(xié)同運(yùn)行市場(chǎng)機(jī)制。針對(duì)靈活性資源作為獨(dú)立主體的情況,有必要研究考慮其作為靈活性服務(wù)市場(chǎng)參與主體的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)、激勵(lì)機(jī)制與結(jié)算機(jī)制。

此外,在多能耦合的背景下,靈活性資源可通過(guò)其同質(zhì)能源子系統(tǒng),向與其耦合的異質(zhì)能源子系統(tǒng)提供靈活性服務(wù)。非常典型的是建筑物的熱慣性可通過(guò)供熱網(wǎng)絡(luò)為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組提供運(yùn)行靈活性,從而間接提高電力系統(tǒng)靈活性。針對(duì)該問(wèn)題,有必要研究靈活性資源經(jīng)由同質(zhì)能流系統(tǒng)參與異質(zhì)能流靈活性市場(chǎng)的市場(chǎng)機(jī)制,即跨能流靈活性交易問(wèn)題,從而全方位挖掘靈活性資源潛力。

4.3 IES 靈活性建模、量化與評(píng)估方法

如圖9 所示,靈活性的建模、量化與評(píng)估是分析與提升IES 靈活性的理論與方法基礎(chǔ)。

4.3.1 靈活性建模

靈活性建模的主要任務(wù)包括2 點(diǎn):1）解決系統(tǒng)中靈活性資源運(yùn)行特性的刻畫問(wèn)題,為系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控及市場(chǎng)機(jī)制等提供模型支撐；2）解決系統(tǒng)中某一節(jié)點(diǎn)或系統(tǒng)總體的靈活性的刻畫問(wèn)題,為靈活性的量化與評(píng)估提供模型支撐。

針對(duì)第1 個(gè)任務(wù),在IES 中,靈活性資源種類多樣,涉及電、氣、熱多個(gè)能源子系統(tǒng),部分靈活性資源能流耦合關(guān)系復(fù)雜,動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜,時(shí)間跨度大。因此,其建模難度可概括為多能流與多尺度這2 點(diǎn)。首先,電、氣、熱靈活性資源工作機(jī)理不同,涉及電氣、流體力學(xué)、熱力學(xué)等多個(gè)學(xué)科,須根據(jù)靈活性資源的工作機(jī)理,建立可反映其主要特性且具有有限復(fù)雜度的數(shù)學(xué)模型。其次,由于不同能流的時(shí)間尺度不同,相應(yīng)的靈活性資源的運(yùn)行特性可能橫跨年、季度、日等時(shí)間尺度。非常典型的是季節(jié)性儲(chǔ)熱的運(yùn)行既需要考慮年度的能量平衡,也需要考慮日內(nèi)尺度的能量調(diào)度,而CHP 機(jī)組電、熱工況時(shí)間尺度橫跨秒級(jí)至小時(shí)級(jí)。因此,須基于靈活性資源的工作機(jī)理,分析其多時(shí)間尺度特性,建立可反映不同時(shí)間尺度下主要物理過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,為靈活性資源的協(xié)同調(diào)控提供模型支撐。

針對(duì)第2 個(gè)任務(wù),IES 在某一節(jié)點(diǎn)或系統(tǒng)整體的靈活性本質(zhì)上是由多能流、多環(huán)節(jié)靈活性資源及其協(xié)同互補(bǔ)能力聚合、傳播至某一節(jié)點(diǎn)、某一區(qū)域乃至整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)。一方面,不同靈活性資源的工作機(jī)理與特性存在差異,難以從各自的機(jī)理出發(fā)推導(dǎo)其傳遞至某一節(jié)點(diǎn)或聚合至系統(tǒng)層面的靈活性特征；另一方面,能量傳輸網(wǎng)絡(luò)特性復(fù)雜,使得靈活性資源之間產(chǎn)生耦合關(guān)系,網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備運(yùn)行特性相互影響。因此,由節(jié)點(diǎn)或局部靈活性聚合、演變至系統(tǒng)級(jí)靈活性的機(jī)理十分復(fù)雜,一般難以采用機(jī)理建模方法進(jìn)行精確刻畫,有必要將物理驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)手段結(jié)合。一方面,從數(shù)學(xué)模型角度出發(fā),研究基于系統(tǒng)降維與逼近理論的節(jié)點(diǎn)及系統(tǒng)級(jí)靈活性分析與建模方法；另一方面,借助運(yùn)行數(shù)據(jù),研究基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)或物理-數(shù)據(jù)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)及系統(tǒng)級(jí)靈活性的建模與刻畫方法。

4.3.2 靈活性量化與評(píng)估

靈活性量化旨在對(duì)靈活性的某一或多個(gè)物理屬性進(jìn)行定量刻畫,其關(guān)鍵問(wèn)題在于如何針對(duì)所關(guān)注的物理屬性選擇或定義合理的指標(biāo)。從微觀層面看,靈活性表現(xiàn)為系統(tǒng)長(zhǎng)期的能量調(diào)節(jié)能力及短期的功率短期調(diào)節(jié)能力。從宏觀層面看,靈活性表現(xiàn)為系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)高效、綠色低碳、安全充裕等方面的性能。在實(shí)際應(yīng)用中所關(guān)注的IES 靈活性表現(xiàn)取決于具體的問(wèn)題。例如,在規(guī)劃問(wèn)題中,決策者關(guān)注系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、充裕度等方面的可優(yōu)化空間,在運(yùn)行問(wèn)題中,決策者更關(guān)注系統(tǒng)中某一節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行域以及系統(tǒng)整體的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等。因此,針對(duì)靈活性量化問(wèn)題,須結(jié)合具體應(yīng)用需求中所關(guān)注的主要矛盾,研究具有明確物理意義且便于計(jì)算的量化指標(biāo)。

基于靈活性量化指標(biāo),靈活性評(píng)估旨在對(duì)系統(tǒng)的靈活性進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)。當(dāng)決策者僅關(guān)注系統(tǒng)在某一具體靈活性指標(biāo)方面的表現(xiàn)時(shí),靈活性評(píng)估問(wèn)題等價(jià)于靈活性量化問(wèn)題。同樣地,針對(duì)IES 靈活性評(píng)估問(wèn)題,須結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求,制定系統(tǒng)化的靈活性評(píng)估指標(biāo),構(gòu)建靈活性評(píng)估模型與體系,為規(guī)劃、運(yùn)行和市場(chǎng)領(lǐng)域的靈活性策略制定和后驗(yàn)評(píng)估提供支撐。

5 總結(jié)與展望

結(jié)合上述對(duì)IES 靈活性研究現(xiàn)狀、基本內(nèi)涵、數(shù)學(xué)模型和研究框架的闡述,本章從內(nèi)涵層面、機(jī)理層面和靈活性提升途徑等角度總結(jié)提煉了IES 靈活性研究的關(guān)鍵難題,以期為問(wèn)題的發(fā)掘和解決提供思路。

1）內(nèi)涵層面

已有研究缺乏對(duì)IES 靈活性內(nèi)涵的統(tǒng)一認(rèn)識(shí),靈活性相關(guān)模型和算法大多適用于特定系統(tǒng)形態(tài)和特定場(chǎng)景,所提方法和得到的結(jié)論往往缺乏一般性。

首先,IES 靈活性涉及不同能流子系統(tǒng),需要基于整體論思想全局分析IES 靈活性的基本特征,闡述其基本內(nèi)涵,研究一般性的定義和數(shù)學(xué)描述方法。其次,靈活性資源是進(jìn)行靈活性導(dǎo)向的IES 規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控和市場(chǎng)機(jī)制研究的落腳點(diǎn),需要綜合考慮多能流形式、多時(shí)間尺度、多空間尺度等特征,系統(tǒng)性梳理IES 中的靈活性資源。最后,明確IES 靈活性研究的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力,既是高比例可再生能源下新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的需求,也與決策者的利益訴求密切相關(guān)。

2）機(jī)理層面

IES 中復(fù)雜的不確定性、多能設(shè)備控制特性、多能網(wǎng)絡(luò)傳輸特性以及靈活性需求的傳遞與轉(zhuǎn)化過(guò)程,給IES 靈活性的機(jī)理分析帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

首先,考慮到參數(shù)分布和控制方式的差異,有必要研究設(shè)備型和負(fù)荷型靈活性資源精細(xì)化建模。其次,考慮到多能傳輸動(dòng)態(tài)特性差異,須進(jìn)一步研究具備不同場(chǎng)景應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的時(shí)域、頻域和復(fù)頻域下的網(wǎng)絡(luò)型靈活性資源建模。最后,須構(gòu)建計(jì)及多能流、多環(huán)節(jié)、多時(shí)間尺度的IES 靈活性量化與評(píng)估方法,解決多能靈活性聯(lián)合刻畫以及分布式靈活性聚合等問(wèn)題,為IES 靈活性提升途徑研究提供理論支撐。

3）靈活性提升途徑

規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控與市場(chǎng)機(jī)制是提升IES 靈活性的主要途徑,分別解決靈活性資源的部署、調(diào)控以及市場(chǎng)化配置問(wèn)題,但現(xiàn)有研究對(duì)廣域分布、數(shù)量龐大、額外投資成本低的負(fù)荷側(cè)多能靈活性資源的關(guān)注不足,且缺乏能夠促進(jìn)靈活性理論研究有效應(yīng)用的市場(chǎng)機(jī)制。

針對(duì)負(fù)荷側(cè)多能靈活性資源,一方面,有必要圍繞負(fù)荷側(cè)靈活性資源的量測(cè)系統(tǒng)部署問(wèn)題,研究可保證負(fù)荷側(cè)多能靈活性資源狀態(tài)可觀測(cè)性的量測(cè)裝置布點(diǎn)優(yōu)化方法；另一方面,須圍繞負(fù)荷側(cè)海量靈活性資源的協(xié)同運(yùn)行問(wèn)題,研究基于有限通信資源與有限信息交互下的多主體分布式調(diào)控方法。

針對(duì)靈活性市場(chǎng)機(jī)制,首先,需要基于靈活性量化與評(píng)估方法界定靈活性服務(wù)價(jià)值,將其從已有的能源交易和輔助服務(wù)中分離出來(lái)；其次,需要開(kāi)發(fā)新型靈活性服務(wù)產(chǎn)品并構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的市場(chǎng)框架,從而為多元化市場(chǎng)參與者提供靈活性交易平臺(tái),促進(jìn)靈活性資源共享和靈活性需求共擔(dān)；最后,有必要制定科學(xué)合理的靈活性服務(wù)激勵(lì)機(jī)制,充分激發(fā)分布式靈活性資源、靈活性聚合商等利益主體挖掘系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力的能動(dòng)性,從而高效利用已有靈活性資源并促進(jìn)靈活性資源合理配置。

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰·碳中和”目標(biāo)和構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),將給中國(guó)能源結(jié)構(gòu)和能源系統(tǒng)形態(tài)帶來(lái)重大變革。高比例可再生能源的接入對(duì)電力系統(tǒng)靈活性提出了極高的要求。電、氣、熱多能耦合的IES 可豐富電力系統(tǒng)靈活性提升的技術(shù)手段和實(shí)現(xiàn)路徑。相較于電力系統(tǒng),IES 有著更復(fù)雜的物理特性,靈活性需求與供應(yīng)的關(guān)系也更為復(fù)雜,有必要進(jìn)行深入研究。

上述背景下,本文首先系統(tǒng)性地綜述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于能源系統(tǒng)靈活性的研究成果,從靈活性導(dǎo)向的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)控、市場(chǎng)機(jī)制以及量化與評(píng)估方法等角度梳理了電力系統(tǒng)靈活性和IES 靈活性的研究?jī)?nèi)容和發(fā)展趨勢(shì)。其次,將IES 靈活性的基本內(nèi)涵概括為“一個(gè)基礎(chǔ)、兩層表現(xiàn)、三大特征”,并從定義、基本要素和測(cè)度體系三方面對(duì)IES 靈活性的基本內(nèi)涵進(jìn)行理論化闡述。然后,針對(duì)IES 靈活性的刻畫與量化評(píng)估問(wèn)題,提出了IES 靈活性的通用數(shù)學(xué)模型,并結(jié)合示例進(jìn)行具體解釋。再次,從物理機(jī)理、提升途徑以及建模、量化與評(píng)估方法3 個(gè)方面闡述了IES 靈活性的研究框架。最后,總結(jié)展望了IES靈活性研究在內(nèi)涵層面、機(jī)理層面和靈活性提升途徑方面的關(guān)鍵難題。

本文系統(tǒng)性闡述了IES 靈活性的基本內(nèi)涵,界定了高比例可再生能源背景下IES 靈活性的研究范疇,給出了系統(tǒng)性研究框架,并分析了其中的關(guān)鍵問(wèn)題與難點(diǎn),可為后續(xù)IES 靈活性研究提供參考。

本文研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（5220070131）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目（2242022R10146）資助，特此感謝！