邱 玥，陸 帥，陸 海，羅恩博，顧 偉，莊文楠

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

0 引言

在全球性化石能源枯竭和環(huán)境污染問題的嚴重威脅下,世界范圍內正在探索人類社會的可持續(xù)發(fā)展之路。以可再生能源利用為代表的低碳技術正推動著能源系統(tǒng)的低碳轉型,而其分布式、強不確定性的特征也給能源系統(tǒng)的安全可靠運行帶來了嚴峻挑戰(zhàn)［1］。在“碳達峰·碳中和”背景下構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),進一步對能源系統(tǒng)的靈活調節(jié)能力（即靈活性）提出了前所未有的高要求［2-3］。

靈活性不是一個全新的概念。自21 世紀以來,在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運行和評估研究中,“靈活性”一詞被廣泛用于刻畫系統(tǒng)平衡電力供需以及應對突發(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)源側不確定性持續(xù)增加,在調頻、調壓和調峰方面的靈活調節(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)中用于靈活性調節(jié)的火電機組將逐步被電力電子化接口的光伏、風電機組取代,系統(tǒng)的靈活調節(jié)能力將持續(xù)下降,面臨著慣性低、電壓和頻率波動大等問題,電能質量受到嚴重威脅［6］。此外,可再生能源出力的不確定性還會增加系統(tǒng)的調峰需求,風電曲線與負荷曲線的負相關特性亦會增加系統(tǒng)對爬坡備用容量的需求［7］。因此,亟須探索新的電力系統(tǒng)靈活性調節(jié)技術與手段,滿足高比例可再生能源接入下的高靈活性需求。為此,中國發(fā)展改革委和國家能源局于2018 年發(fā)布了《關于提升電力系統(tǒng)調節(jié)能力的指導意見》［8］,要求從電源側、電網(wǎng)側和用戶側多措并舉,提升電力系統(tǒng)的調節(jié)能力和運行效率；2021 年發(fā)布了《關于推進電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補發(fā)展的指導意見》［9］,要求積極探索源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補在保障能源安全中的作用。

隨著電力系統(tǒng)與燃氣、熱力系統(tǒng)的耦合愈加緊密,不同能源子系統(tǒng)的規(guī)劃、運行和市場邊界被逐漸打破［10-11］,既給系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來了挑戰(zhàn),也給電力系統(tǒng)帶來了新的靈活性資源。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對靈活性進行全局分析。一方面,通過多能耦合設備,可再生能源的不確定性可從電力系統(tǒng)傳遞至燃氣和熱力系統(tǒng),IES 面臨著如何協(xié)調多能流靈活性資源與靈活性需求的難題；另一方面,燃氣和熱力系統(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手段和實現(xiàn)路徑。然而,現(xiàn)有研究缺乏對于IES 靈活性的統(tǒng)一認識（即概念）和系統(tǒng)化闡述（即內涵）。

在此背景下,本文從研究現(xiàn)狀、基本內涵、數(shù)學模型和研究框架4 個方面入手,闡述IES 靈活性的核心要義,以期為IES 靈活性相關的系統(tǒng)規(guī)劃設計、運行調控與市場機制等研究提供參考。

1 電力系統(tǒng)和IES 靈活性研究概述

本章回顧了國內外關于能源系統(tǒng)靈活性的研究成果,整理歸納現(xiàn)有工作的研究內容和發(fā)展趨勢及電力系統(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、量化與評估和目標導向5 個方面整理了其研究概況。其中,能流形式中“氣”不做標注即為天然氣；“熱”不做標注即為生活熱水或采暖；“建筑物”內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能設備以及變壓器、調壓站、換熱站等節(jié)點或接口；考慮具體網(wǎng)絡拓撲時勾選“網(wǎng)”；“儲”指專用的儲能設備,表1 未將氣網(wǎng)管存和熱網(wǎng)熱慣性歸納在內。

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 靈活性在近年來也逐步得到關注。建筑物可視作電力系統(tǒng)和IES 的負荷側資源,考慮到建筑物靈活性研究更關注建筑分布式供能系統(tǒng)和用戶用能行為,在研究對象中將其單獨羅列。

就能源環(huán)節(jié)而言,靈活性研究主要聚焦于能源生產及存儲設備的靈活運行技術、能源網(wǎng)絡（氣網(wǎng)和熱網(wǎng)）慣性挖掘方法、分布式能源（如電動汽車、建筑物等）靈活調節(jié)潛力的聚合方法以及源網(wǎng)荷儲多環(huán)節(jié)協(xié)同互補能力等。

按提升途徑劃分,靈活性研究包括能源系統(tǒng)規(guī)劃設計、運行調控和市場機制3 個方面。規(guī)劃設計領域的靈活性研究屬于長期靈活性范疇,主要服務于適應能源結構發(fā)展和源荷長期不確定性的源網(wǎng)規(guī)劃設計以及規(guī)劃方案靈活性評估等應用。運行調控領域的靈活性研究屬于短期靈活性范疇,涉及能源系統(tǒng)運行靈活性的分析、刻畫與評估以及與靈活性相關的建模和運行機理研究。市場機制領域的靈活性研究包括長期及短期的靈活性服務市場機制,如市場架構、商業(yè)模式、交易策略等。

在靈活性量化與評估方法方面,部分研究從刻畫方法入手,采用包括盒、包絡、錐、多面體、域、邊界、軌跡等在內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性的靈活性指標,用以表征及量化單個設備或某一環(huán)節(jié)的靈活性,乃至整個系統(tǒng)的聚合靈活性；部分研究提出了靈活性評估模型及相應流程,可對電力系統(tǒng)靈活性進行系統(tǒng)性的定量評估,進一步指導靈活性導向的規(guī)劃與運行策略制定。

表1 的眾多研究中,決策者刻畫、分析、評估、提升能源系統(tǒng)靈活性的目標主要包括3 個方面:經濟高效導向、綠色低碳導向和安全充裕導向。經濟高效指決策者通過一定的規(guī)劃方案、運行策略或市場機制,降低自身經濟成本或從市場中獲利等。綠色低碳導向體現(xiàn)在提升能源消費結構中可再生能源占比以及降低系統(tǒng)碳排放強度等方面。安全充裕等價于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)滿足負荷側對于功率和能量需求的能力,而IES 安全性指的是系統(tǒng)經受擾動后不崩潰,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、燃氣系統(tǒng)的流量和壓強以及熱力系統(tǒng)的流量和溫度等狀態(tài)不越限。從時間尺度上看,安全性屬于運行層面的概念,可通過靈活性資源調度進行提升；而充裕度時間尺度較大,可通過靈活性資源配置及調度進行提升。表1 中安全充裕導向的相關研究包括不確定性下單個設備乃至整個系統(tǒng)的調節(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

基于國內外研究成果,下文將依次詳細介紹電力系統(tǒng)和IES 靈活性的具體研究進展。

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、靈活性資源和調節(jié)措施；然后,概述靈活性導向的電力系統(tǒng)規(guī)劃設計、運行調控和市場機制等方面的研究；最后,總結電力系統(tǒng)靈活性量化與評估研究。

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 際 能 源 署（International Energy Agency,IEA）在可再生能源并網(wǎng)相關報告中給出電力系統(tǒng)靈活性的定義:一定的經濟成本內,在計劃內事件或不可預見事件產生的擾動下,電力系統(tǒng)對于供給側和需求側大幅度波動的快速響應能力［4］。北美電力可靠性委員會將電力系統(tǒng)靈活性定義為電力系統(tǒng)利用供給側和需求側資源以應對系統(tǒng)變化及不確定性的能力［47］。盡管不同學者或機構對于電力系統(tǒng)靈活性的認識尚未完全一致,但總體上均從技術可行性和經濟可行性2 個層面關注系統(tǒng)的源荷平衡能力。

電力系統(tǒng)中靈活性的供應方統(tǒng)稱為靈活性資源,包括可調度的發(fā)電機組、儲能系統(tǒng)、柔性負荷、電動汽車、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節(jié)措施,包括但不限于發(fā)電機組爬坡、需求側響應、電網(wǎng)互聯(lián)技術、柔性交流輸電技術等。配置靈活性資源和部署調節(jié)措施最終均為了服務于決策者的某一特定目標,即不同目標導向的電力系統(tǒng)靈活性提升,具體提升途徑可按照應用領域劃分為規(guī)劃設計、運行調控和市場機制3 個方面。

現(xiàn)有研究一般會將靈活性導向的規(guī)劃設計、運行調控和市場機制問題建模為優(yōu)化問題,其關鍵問題主要包括采用何種形式對靈活性進行刻畫（即表1 中的刻畫方法）以及采用何種方法對靈活性進行優(yōu)化?，F(xiàn)有文獻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Table 2 Summary of modeling forms and optimization methods for power system flexibility

其中,建模形式部分總結了典型的靈活性數(shù)學建模形式,包括廣義儲能/電力節(jié)點模型、靈活性包絡和靈活性多面體等,而魯棒優(yōu)化、隨機規(guī)劃和多目標優(yōu)化等方法常用于求解具體的電力系統(tǒng)靈活性優(yōu)化問題。下面將結合靈活性提升路徑相關研究闡釋表2 中的建模形式和優(yōu)化方法。

1.1.1 靈活性導向的規(guī)劃設計研究

在現(xiàn)有研究中,靈活性導向的電力系統(tǒng)規(guī)劃設計常關注靈活性資源優(yōu)化配置以及規(guī)劃設計方案靈活性評估等問題。

電力系統(tǒng)規(guī)劃設計工作需要制定區(qū)域在未來一段時間內的電源、電網(wǎng)發(fā)展方案,而電力系統(tǒng)中常見的靈活性資源的部署,如發(fā)電機組和電儲能,均可在規(guī)劃設計階段完成。因此,電力系統(tǒng)規(guī)劃設計研究與系統(tǒng)靈活性緊密相關,在規(guī)劃設計階段重點關注靈活性資源的優(yōu)化配置可從根本上提高系統(tǒng)的靈活性［58-59］。

靈活性導向的規(guī)劃設計面臨的一個基礎性問題在于如何對規(guī)劃設計方案的靈活性進行評估以指導靈活性資源的部署。針對該問題,現(xiàn)有研究可概括為2 類:后驗評估方法和融入規(guī)劃流程的反饋評估方法［7,60］。后驗評估主要通過構建靈活性指標對系統(tǒng)規(guī)劃配置方案給出定性和定量的評價,即系統(tǒng)在給定設計方案下的供能容量、供需平衡能力等性能。文獻［60］構建了可表征發(fā)電機組以及系統(tǒng)級技術靈活性的組合型指標,包括爬坡率、啟停時間、最大啟停次數(shù)等,可用于指導電力系統(tǒng)發(fā)電機組的規(guī)劃。融入規(guī)劃流程的反饋評估方法可形成“方案制定-靈活性校核-方案調整”的閉環(huán)反饋,從而指導規(guī)劃設計方案的調整［7,28］。文獻［28］提出了一種基于靈活性充裕度概率分布的靈活性評估指標體系,可反映靈活性與可再生能源削減量的關系,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。相較于后驗評估方法,反饋評估方法可實現(xiàn)靈活性資源部署方案與系統(tǒng)靈活性評估的雙向互動,但如何制定可保證收斂性與最優(yōu)性的反饋調整策略是這類方法的難點。

此外,靈活性資源的實際可用靈活性受到線路傳輸能力的限制,網(wǎng)絡約束對于后驗評估和反饋評估相關結論的可靠性有著重要影響。文獻［61］基于文獻［14］,進一步考慮了輸網(wǎng)潮流約束對電力系統(tǒng)實際可用靈活性的限制,將電源規(guī)劃靈活性評估拓展至了電網(wǎng)規(guī)劃靈活性評估問題。

1.1.2 靈活性導向的運行調控研究

靈活性導向的電力系統(tǒng)運行調控研究主要關注設備級運行靈活性建模、系統(tǒng)級運行靈活性刻畫以及靈活性協(xié)同運行優(yōu)化等問題。

典型的一類研究通常使用系統(tǒng)經濟效益、風光消納比例等指標反映系統(tǒng)運行靈活性,采用特定的運行策略或優(yōu)化模型對這些指標進行優(yōu)化。這類研究通常簡單直觀,不考慮靈活性的內在機理,僅可針對特定場景特定問題獲得系統(tǒng)運行靈活性的相對判斷［62-63］。

為了揭示靈活性的物理機理,一些學者針對設備級和系統(tǒng)級運行靈活性的建模和刻畫問題開展了研究。其中,設備級運行靈活性被認為是系統(tǒng)級運行靈活性的支點與基礎,而系統(tǒng)級運行靈活性是設備級運行靈活性的聚合［35,64］。目前,主流的建模和刻畫方法包括表2 中的電力節(jié)點模型、靈活性包絡/軌跡、Minkowski Sum 等［13,24,26］。

在靈活性協(xié)同運行優(yōu)化方面,現(xiàn)有研究可概括為3 類:1）構建設備技術特征與設備級/系統(tǒng)級運行靈活性的映射關系,基于此生成設備控制策略［43］；2）分析不同靈活性資源對于系統(tǒng)運行靈活性的貢獻,或是分析系統(tǒng)運行靈活性對具體調節(jié)措施的靈敏度［29,55］；3）對運行方案的靈活性進行評估［65］。文獻［43］針對電力系統(tǒng)的實時調度問題,構建了發(fā)電機組再調度量與可再生能源出力波動量的分段仿射函數(shù)關系。文獻［55］采用最小技術出力、容許運行范圍、最小啟停時間和爬坡速率來刻畫發(fā)電機組的技術靈活性,并定量分析了不同技術特征對于系統(tǒng)運行成本的影響。文獻［65］針對含爬坡機組、需求側響應和儲能設備等靈活性資源的電力系統(tǒng)日前調度問題,提出了一種可刻畫單一設備或整個系統(tǒng)對風電不確定性響應能力的在線評估方法。

此外,考慮到源荷側的不確定性,魯棒優(yōu)化和隨機規(guī)劃方法常被用于運行調控問題,以保證運行策略具有足夠的靈活性以應對不確定性因素［17,24,29］。

1.1.3 靈活性導向的市場機制研究

現(xiàn)有的電力靈活性導向市場機制研究主要包括靈活性產品開發(fā)、靈活性服務激勵機制設計和靈活性資源交易機制設計。

在靈活性服務產品開發(fā)方面,為了減少電力系統(tǒng)電壓頻率越限以及“負價格”或異常高電價的出現(xiàn),美國加州獨立系統(tǒng)運營商和中部獨立系統(tǒng)運營商推出了以市場為基礎的靈活性爬坡產品［23］。相較之下,中國對于靈活性服務產品研究起步較晚,電力輔助服務市場建設尚不完善［66］。目前,中國的典型靈活性產品包括東北、華東、華北等地區(qū)電力輔助服務市場推出的“調峰”服務,但參與主體僅為燃煤機組［67］。為適應高比例可再生能源下電力系統(tǒng)的靈活性需求,未來參與靈活性服務的主體應呈現(xiàn)多元化的特征,典型代表包括儲能、建筑物、虛擬電廠和靈活性資源聚合商等［26,30,51］。

在靈活性服務激勵機制方面,靈活性資源服務潛力分析與價值量化研究是保障所設計的激勵機制科學有效的前提。精確評估不同靈活性資源提供靈活性調節(jié)服務的能力,公平核算靈活性調節(jié)服務的價格,是激發(fā)多方主體參與靈活性市場交易的基礎［15,68］。文獻［69］指出,靈活性供應方的收益應當由自身的響應速度、服務等級和提供服務的時間等眾多因素共同決定?；陟`活性資源服務潛力分析與價值量化可制定獎勵和懲罰信號,引導不同偏好的靈活性資源實現(xiàn)靈活調節(jié)能力共享和風險共擔［23］。

在靈活性資源交易機制方面,現(xiàn)有研究主要聚焦于如何協(xié)調靈活性相關的新型市場主體參與電力市場［70-71］。文獻［70］從靈活性資源價值量化、計及靈活性價值的容量市場建設和靈活性潛力深度挖掘等方面指出電力系統(tǒng)靈活性市場機制未來的研究方向。為挖掘電力系統(tǒng)需求側靈活性資源的潛力,文獻［71］提出一種點對點的能源共享機制,可實現(xiàn)隱私保護下用戶之間的能源交易。

1.1.4 靈活性量化與評估方法研究

綜上可見,靈活性導向的電力系統(tǒng)規(guī)劃設計、運行調控與市場機制3 個問題所面臨的首要與共性問題在于如何對系統(tǒng)靈活性進行量化及評估。與表1一致,本節(jié)將靈活性量化與評估方法相關研究細分為刻畫方法、評估指標與評估模型3 個方面。相應地,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)靈活性量化與評估方法總結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。其中,刻畫方法的優(yōu)點是直觀形象、易于理解,缺點在于能夠反映的靈活性信息有限,難以超三維展示；評估指標的優(yōu)點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,缺點在于難以綜合評估電力系統(tǒng)靈活性,適用于特定的規(guī)劃或運行場景,大部分不能反映網(wǎng)絡約束的影響；評估模型相較于評估指標,能更全面反映靈活性特征,可指導指標制定和規(guī)劃運行策略的改進,但對靈活性的闡述或偏簡單或偏抽象,缺乏通用性。

針對靈活性刻畫問題,一些學者提出了基于可調節(jié)能力的刻畫模型對靈活性進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、軌跡和域等。文獻［16,52］從爬坡率、功率容量和能量容量3 個維度構建了靈活性多面體,通過多面體的體積來表征設備運行靈活性的大小。文獻［18,24］提出靈活性包絡的概念并將之應用在電力系統(tǒng)的經濟調度中。文獻［45］將節(jié)點運行包絡在有功-無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、潮流約束對分布式能源聚合靈活性的影響。文獻［19,53］分別采用可調度域和運行安全域模型對電力系統(tǒng)中最大容許可再生能源功率變化范圍進行可視化。此外,文獻［72］采用靈活性圖表來表征地方級、國家級和跨區(qū)域級電力系統(tǒng)的靈活性構成,IEA 推出了名為FAST 的靈活性評估工具［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)。

靈活性評估指標是對靈活性資源規(guī)劃設計、運行調控和市場機制等靈活性提升途徑的性能進行評估的基礎。文獻［14,73］將電力系統(tǒng)靈活性劃分為向上調節(jié)靈活性和向下調節(jié)靈活性,并提出了概率性指標（爬坡資源不足期望）和確定性指標（靈活性不足時段）。后續(xù)又有學者提出了爬坡能力不足概率［74］、靈活性不足概率［28］、預期能源不足和預期能源削減［18］等靈活性評估指標。

部分學者將評估指標與實際問題結合,開展了靈活性評估模型研究,用于評估規(guī)劃方案和運行策略的靈活性表現(xiàn)。文獻［7］將評估模型劃分為基于靈活性資源屬性的打分法、基于生產模擬的概率評估、區(qū)間評估方法以及基于微分方程的動態(tài)域評估方法。

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 世紀初才逐漸引起各國學者關注。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,國內外學者從燃氣和熱力系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)靈活調節(jié)能力的貢獻、多能耦合設備的靈活調節(jié)能力以及氣/熱網(wǎng)絡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,但目前仍無廣泛采納或統(tǒng)一使用的IES 靈活性定義。文獻［21］提出管存靈活性的概念用以刻畫電氣耦合型IES 中燃氣系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)靈活性的影響。文獻［75］將熱網(wǎng)靈活性定義為調整熱網(wǎng)中水力和熱力工況以實現(xiàn)供需平衡的能力。文獻［76］將IES 運行靈活性定義為在保證其他環(huán)節(jié)電功率和資源運行在邊界條件內的前提下,系統(tǒng)在某段時間內調節(jié)自身饋入或饋出電網(wǎng)功率的技術能力?？紤]到文獻［76］中的定義僅從電力系統(tǒng)的角度給出,文獻［33］進一步將IES 靈活性定義為在滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)約束的前提下,系統(tǒng)在預定義/期望的能流邊界區(qū)域內運行時,其調節(jié)多種能源供應、需求和功率流的技術能力。

本節(jié)整體框架如圖2 所示。基于現(xiàn)有研究,本節(jié)首先梳理了現(xiàn)有研究中關注的IES 靈活性資源；然后,依次從規(guī)劃設計、運行調控、市場機制3 個方面總結IES 靈活性的現(xiàn)有研究,并分析其與電力系統(tǒng)靈活性相關研究的聯(lián)系與區(qū)別；最后,總結了IES靈活性量化與評估方法的相關研究。

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、熱多能耦合既促進了不同能源子系統(tǒng)的靈活性資源共享,也導致靈活調節(jié)需求在不同能源子系統(tǒng)間傳播和轉化。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,這種可調節(jié)范圍體現(xiàn)在3 個方面:1）同一能流形式功率和能量的實現(xiàn)路徑,典型代表為系統(tǒng)源側出力的可行域；2）不同能流形式功率和能量的可替代性,如可轉換的供能方式；3）同一或不同能流形式功率和能量在時間與空間尺度上的解耦能力,如各類電轉X 和能源儲運技術。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節(jié)措施,最終服務于某一特定目標的實現(xiàn)。結合上述IES 在功率和能量方面的可調節(jié)性,本節(jié)依次介紹設備、網(wǎng)絡和負荷這3 類現(xiàn)有研究中關注的非電類靈活性資源。

設備型的非電類靈活性資源可進一步劃分為含電的多能耦合設備、非電類多能耦合設備和非電類儲能設備。典型的含電的多能耦合設備包括熱泵、電熱鍋爐、燃料電池、熱電聯(lián)產（cogeneration,combined heat and power,CHP）機組和電轉氣裝置等［32,77-78］。非電類多能耦合設備指的是氣、熱轉換設備,典型代表為燃氣鍋爐和吸收式制冷機［79］。非電類儲能設備包括儲氣和儲熱設備,如液化天然氣儲罐、蓄熱槽和地下儲氣庫等［80-81］。此外,蓄冷裝置也屬于廣義上的儲熱設備。需要指出的是,非電類多能耦合設備和非電類儲設備能通過含電的多能耦合設備才能實現(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化。通過合理的配置和協(xié)同運行,設備型的電類與非電類靈活性資源互相配合,既能夠拓寬IES 能源供給側的可行域,也可以實現(xiàn)不同能流形式下供能方式的替代。

氣、熱慢動態(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節(jié)能力,這種能力類似于儲能,既可以實現(xiàn)氣、熱形式的能源供給與需求在時間和空間尺度上的解耦,也能夠通過多能耦合設備服務于電力系統(tǒng)［21,37］。以文獻［21］中的電氣耦合型IES為例,電力系統(tǒng)和燃氣系統(tǒng)通過燃氣輪機耦合,當電負荷上升時,燃氣輪機需要增加出力,燃氣管網(wǎng)釋放管存以應對燃氣輪機所在節(jié)點的氣負荷上升,這種實際由電力系統(tǒng)引起的靈活性需求最終由燃氣管網(wǎng)的管存滿足。

氣、熱負荷靈活性資源指的是一定程度上可轉移、可削減或可轉化的氣、熱負荷,如生產計劃可調的工業(yè)氣/熱負荷、電灶具和燃氣灶具可切換的居民負荷等［39,82］。負荷側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,也擴大了參與功率和能量調節(jié)的靈活性資源范疇。近年來,非電類的需求側響應正逐步受到關注［83-84］。以電熱需求響應為例,文獻［83］綜述了現(xiàn)有的大型電熱需求響應項目,指出電熱需求響應具備為電力系統(tǒng)提供功率實時平衡服務和頻率響應服務的能力。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節(jié)潛力巨大的負荷側靈活性資源。當內部部署了分布式能源生產、轉換和存儲單元時,建筑物可被視作能源產消者,但其本質上仍是對負荷側的靈活調節(jié)。

建筑物的用能靈活性來源于其儲熱能力與用戶需求柔性2 個方面,相關研究在建筑節(jié)能領域已自成體系。IEA 將建筑物靈活性定義為根據(jù)當?shù)貧夂驐l件、用戶需求及能源網(wǎng)絡需求,建筑物管理自身能源生產和消費行為的能力［85］。建筑物靈活性的研究對象既可以是單一建筑,也可以是通過能源網(wǎng)絡物理連接的或者通過某種商業(yè)模式連接起來的建筑物集群,其靈活性特征可概括為以下3 點:負荷轉移或削減的持續(xù)時間、數(shù)量以及相應的經濟性或效率損失。與電力系統(tǒng)類似,能夠產生負荷轉移或削減效果的設備和設施被歸為建筑物靈活性資源,具體包括智能家電、暖通空調系統(tǒng)、分布式CHP 機組、熱泵以及儲熱裝置等［86-87］。

為量化和評估建筑物靈活性,國內外學者從建筑物本身物理技術特性和靈活性需求場景2 個角度出發(fā),制定了豐富的靈活性指標,如表4 所示。

表4 中的靈活性評估指標分為功率及能量、能源效率和經濟成本三大類,可以直接用于評估不同控制策略下建筑物滿足決策者靈活性需求的能力,也可以被轉化為目標函數(shù)和約束條件,為運行策略和市場競價策略的優(yōu)化提供支撐。

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

特殊地,氫能作為與電互補的二次能源載體,可助力實現(xiàn)電力、建筑、工業(yè)和交通等多領域的脫碳,氫能相關的設備設施也可按照設備、網(wǎng)絡和負荷的劃分標準被歸為非電類靈活性資源［88］。目前,對于氫能相關靈活調節(jié)能力的研究主要聚焦于可再生能源電制氫技術和氫氣存儲、輸運技術。其中,電制氫技術通過將不能實時消納的電能轉化為便于存儲的氫氣,能夠實現(xiàn)對可再生能源電能生產與利用的時間解耦,是促進可再生能源靈活消納的有效手段［89-90］。在氫氣存儲方面,與天然氣的地下存儲相似,地下儲氫被認為能夠促進可再生能源的跨季節(jié)靈活消納［91-92］。與天然氣相似,氫氣同樣具備慢動態(tài)特性?？紤]到純氫基礎設施的建設成本高昂和投資動力不足,目前中國尚未建有大規(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,是解決當前氫能遠距離、大規(guī)模輸運和利用難題的一種過渡性方案［94-95］。

1.2.2 靈活性導向的規(guī)劃設計研究

與電力系統(tǒng)相比,靈活性導向的IES 規(guī)劃設計研究更關注多能靈活性資源的協(xié)同配置,而關于規(guī)劃設計方案靈活性評估的相關工作較少。

在多能靈活性資源的協(xié)同配置方面,現(xiàn)有研究大多關注配置特定靈活性資源或引入特定靈活調節(jié)手段所能帶來的系統(tǒng)經濟和環(huán)保效益［2］,多階段優(yōu)化和多目標優(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,主要為多能耦合設備和各類儲能［79,81］。文獻［79］協(xié)同規(guī)劃了生物質CHP 機組、地源熱泵和吸收式制冷機等靈活性資源,實現(xiàn)對電、熱、冷負荷的低碳高效供能。文獻［80］提出將核反應堆與熱儲能結合的“靈活核電站”配置方法,該技術能夠靈活適應可再生能源的不確定性并提高系統(tǒng)經濟效益。文獻［81］利用地下儲氣緩解電氣耦合型IES 源荷側的季節(jié)波動性,并分析了地下儲氣選址對于規(guī)劃結果的影響。文獻［91］在IES 規(guī)劃中考慮了地下儲氫系統(tǒng),評估了地下儲氫技術在促進可再生能源消納、負荷削峰填谷和投資經濟性等方面的表現(xiàn)。

依托于靈活性資源,常關注的靈活調節(jié)手段包括但不限于綜合需求響應、多區(qū)域互聯(lián)互濟等［84,96,98］。文獻［84］在城市級IES 的擴展規(guī)劃問題中考慮綜合需求響應和小時級別的配電網(wǎng)重構。文獻［96］建立電氣耦合型IES 的多目標擴展規(guī)劃模型,通過電力傳輸線重構增強系統(tǒng)應對電、氣負荷的靈活調節(jié)能力。文獻［97］在電氣耦合型IES 多階段隨機規(guī)劃模型中考慮電轉氣技術并揭示其經濟效益。

1.2.3 靈活性導向的運行調控研究

在靈活性導向的IES 運行調控方面,現(xiàn)有研究一般以電力系統(tǒng)為中心,以利用燃氣、熱力系統(tǒng)的可調節(jié)性為電力系統(tǒng)運行提供靈活性為目的,集中關注氣、熱運行靈活性的刻畫和多能靈活性資源協(xié)同優(yōu)化方法等問題。

針對氣、熱運行靈活性的刻畫問題,現(xiàn)有研究一方面關注單獨燃氣、熱力系統(tǒng)或建筑物運行靈活性的建模問題；另一方面關注氣、熱靈活性資源對于電力系統(tǒng)運行靈活性提升作用的分析［27,38,78］。此外,與電力系統(tǒng)相似,廣義儲能、靈活性包絡/軌跡、Minkowski Sum 等方法也被應用于IES 運行靈活性的建模［32-33］。文獻［22］針對屋頂鋪設光伏的建筑物,提出了經濟性最優(yōu)和光電自消納最優(yōu)的靈活控制策略。文獻［38］研究了天然氣長輸線上電力驅動型和燃氣驅動型壓縮機站為電氣耦合型IES 分別提供直接和間接靈活性的能力。文獻［99］提出建筑物供能的電-熱負荷跟蹤（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 模式下的運行靈活性。文獻［78,100］揭示了儲熱裝置、熱泵、電熱鍋爐、電解槽和儲氫罐等設備對CHP 機組運行靈活域的拓展作用。文獻［101］開展仿真分析比較了不同控制策略和不同拓撲結構對于熱網(wǎng)運行靈活性的影響。

針對多能靈活性資源協(xié)同優(yōu)化問題,現(xiàn)有研究通常關注特定應用場景下可用靈活性資源的互補互濟作用［82,102］。同時,為考慮電、氣、熱能流的動態(tài)特性差異,多時間尺度運行優(yōu)化策略常被采用［37,103］。此外,魯棒優(yōu)化和隨機規(guī)劃方法也被用于應對不同時間尺度下的系統(tǒng)不確定性［104-105］。文獻［82］通過對流程工業(yè)用戶的CHP 機組、聚合多能負荷以及生產流程等進行協(xié)同優(yōu)化,為IES 提供有效的靈活性服務。文獻［102］在IES 日前調度中綜合利用建筑物熱慣性、CHP 機組可調運行模式以及儲能系統(tǒng),以促進可再生能源消納。文獻［37］研發(fā)的園區(qū)級IES 優(yōu)化調度模塊中,用戶側需求響應、管道和用戶側熱動態(tài)特性的靈活調節(jié)能力被應用于不同時間尺度的優(yōu)化調度。針對社區(qū)型IES,文獻［104］提出了一種基于模型預測控制的魯棒調度策略,通過利用蓄熱裝置、建筑物與熱網(wǎng)熱慣性的靈活調節(jié)能力,在保證調度策略魯棒性的同時實現(xiàn)系統(tǒng)經濟性提升。

1.2.4 靈活性導向的市場機制研究

目前,靈活性導向的電力系統(tǒng)市場機制研究尚不成熟,IES 相關的市場機制研究更是處于起步階段。根據(jù)文獻調研,現(xiàn)有靈活性導向的IES 市場機制研究主要關注氣、熱形態(tài)的靈活性產品開發(fā)、多能靈活性服務激勵機制設計和多能靈活性資源交易機制設計等問題。

在氣、熱形態(tài)的靈活性服務產品開發(fā)方面,現(xiàn)有研究既關注單獨的氣、熱形態(tài)靈活性服務產品,又關注多能靈活性服務產品的組合形式［36,106］。文獻［36］采用靈活性指標評估建筑物為外部電網(wǎng)提供靈活性服務的能力,可進一步用于指導建筑物參與靈活性市場交易。文獻［106］中的研究結果表明,CHP 與電儲能組合的形式能夠為電力系統(tǒng)提供頻率響應方面的靈活性服務。文獻［44］圍繞氫能為電力市場提供的靈活性服務,研究碳稅制度和電制氫技術成本對其經濟可行性的影響。文獻［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的重要手段。

區(qū)別于電力系統(tǒng),在多能靈活性服務激勵機制方面,除了靈活性資源所處能源子系統(tǒng)激勵機制的直接激勵,異質能流的激勵信號也能經由多能耦合跨子系統(tǒng)傳遞并對靈活性資源形成間接激勵［25,107］。在靈活性市場環(huán)境下,文獻［25］建議對燃氣機組開展靈活性改造并且制定針對電力、天然氣市場的靈活性服務激勵機制,以提升天然氣系統(tǒng)為電力系統(tǒng)提供靈活性服務的潛力。針對電、氣耦合的核心設備燃氣發(fā)電機組,文獻［107］提出一種針對電力和天然氣市場的天然氣價格調整機制,通過價格信號影響發(fā)電機組的調度來適應可再生能源的間歇性和隨機性。

現(xiàn)有的關于多能靈活性資源交易機制的研究成果較少,但考慮到IES 中參與靈活性交易的利益主體較電力系統(tǒng)更為復雜,多利益主體協(xié)同的市場機制是此類研究的重點［40,108］。其中,博弈理論是解決這類問題的常用方法［40,109］。文獻［40］將電力、燃氣和熱力系統(tǒng)的分布式經濟調度問題建模為納什均衡問題,通過協(xié)同利用多種靈活性資源實現(xiàn)不同風電場景下各個能源子系統(tǒng)的利益均衡。針對需求側存在的大量儲能和電動汽車等靈活性資源,文獻［109］基于博弈理論設計了一個綜合能源儲備市場框架。考慮需求側多能源替代和轉換的靈活性特征,文獻［108］建立了面向IES 的聯(lián)合能源市場結構,并設計了適用于區(qū)域級市場和用戶級分布式市場的能源交易機制。

1.2.5 靈活性量化與評估方法研究

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

在刻畫方法方面,現(xiàn)有研究主要關注氣、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［110］采用成本曲線量化建筑物能夠提供的靈活性和相應的經濟成本。文獻［27］提出了刻畫熱網(wǎng)靈活性的廣義靈活性模型和標準靈活性模型。文獻［32］將分布式熱泵視作電網(wǎng)負荷側“虛擬儲能”,并基于Minkowski Sum 提出熱泵集群聚合靈活性的刻畫方法。文獻［111］在電熱型IES 中引入負荷聚合商的概念,用聚合商節(jié)點下游用戶的電、熱負荷之和刻畫用戶側柔性負荷的靈活性。文獻［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,采用Minkowski Sum 實現(xiàn)靈活性的可視化。

目前,IES 靈活性評估指標和評估模型研究尚未成體系,現(xiàn)有研究大多從經濟效益、可再生能源消納能力等角度評估靈活性資源和調節(jié)措施的表現(xiàn)［34,112］。文獻［34］中以電熱水耦合能源系統(tǒng)為研究對象,提出了“熱網(wǎng)分解-分區(qū)靈活性評估-靈活性聚合”的三階段靈活性量化評估方法。文獻［113］針對通過二級熱網(wǎng)連接的建筑物集群,從削峰填谷和降低用能成本2 個角度分別構建了靈活性指標,用于評估建筑物集群為區(qū)域供熱系統(tǒng)提供靈活性服務的能力。文獻［112］采用系統(tǒng)能夠響應或補償?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雜的氣、熱動態(tài)特性,其靈活性機理復雜,近年來物理模型與數(shù)據(jù)驅動結合的方法逐步得到關注［39,114］。文獻［39］以電熱蒸汽耦合能源系統(tǒng)為研究對象,提出物理模型與數(shù)據(jù)驅動結合的方法確定系統(tǒng)運行靈活性的邊界。

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上,本節(jié)總結了電力系統(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 靈活性相關的現(xiàn)有研究工作,兩者的聯(lián)系可概括為以下4 點。

1）電力系統(tǒng)靈活性提升仍然是IES 靈活性研究的重要驅動力。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)有研究大多堅持電力系統(tǒng)的中心地位,利用氣、熱等異質能源系統(tǒng)提高電力系統(tǒng)的靈活調節(jié)能力。

2）電力系統(tǒng)和IES 均關注源、網(wǎng)、荷、儲多環(huán)節(jié)的靈活性資源協(xié)同,規(guī)劃設計、運行調控和市場機制是兩者共同關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)學工具。

3）靈活性量化與評估是電力系統(tǒng)及IES 靈活性研究所面臨的首要問題,是靈活性導向的規(guī)劃設計、運行調控與市場機制研究的理論基礎。

4）現(xiàn)有的靈活性導向的規(guī)劃設計、運行調控與市場機制研究均與決策者的預期目標相關,可劃分為經濟高效、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靈活性研究的一個子集,而從研究復雜度和難度來看,IES 靈活性并非電力系統(tǒng)靈活性的簡單擴充。基于現(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。

1）在靈活性資源方面,IES 靈活性研究更加關注燃氣和熱力系統(tǒng)中非電類靈活性資源的建模問題。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大,也就是將原有電類靈活性資源擴展到了氣、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,對各類非電類靈活資源的建模是IES 靈活性研究的一個重要問題。

2）在物理性質方面,IES 靈活性多時間尺度特性顯著。區(qū)別于電力電量的實時平衡,氣、熱能流存在慢動態(tài)特性,這導致IES 中多能設備控制特性和多能網(wǎng)絡特性差異顯著。因此,無論是靈活性資源與需求的建模問題,還是異質能源靈活性的協(xié)同優(yōu)化和市場交易問題,均需要考慮不同能流時間尺度的差異。

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)絡環(huán)節(jié)蘊含電力系統(tǒng)所沒有的靈活性需求緩沖能力；另一方面,多能流在源荷側的互補特性以及多能耦合設備所帶來的多能互濟效應,進一步擴大了電、氣、熱的靈活性供需平衡空間。因此,無論是規(guī)劃設計、運行調控還是市場機制研究,多能靈活性的協(xié)同優(yōu)化是IES 靈活性現(xiàn)有研究關注的核心問題。

2 IES 靈活性的基本內涵

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IES 靈活性的基本內涵進行凝練,并依次從定義、基本要素和測度體系等角度闡釋。

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機和光伏的并網(wǎng)比例上升而傳統(tǒng)火電機組逐步退出,這導致電源側、電網(wǎng)側和用戶側運行工況更加復雜,電力系統(tǒng)的不確定性和低慣性特征進一步加劇［6］。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電-氣、電-熱等耦合環(huán)節(jié)可轉化為電力系統(tǒng)側的靈活性資源,服務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 靈活性內涵僅限于圖4 所蘊之意,可認為是狹義的IES 靈活性,其本質上是IES 靈活性的子集。下文如無特殊說明,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IES 豐富了電力系統(tǒng)靈活性提升的技術手段和實現(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利用氣、熱等異質靈活資源與多能協(xié)同互補效用,作為電力系統(tǒng)靈活性資源的補充,可更加經濟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 靈活性供需關系Fig.4 Supply-demand relationship of IES flexibility under high proportion of renewable energy

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

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

“一個基礎”即靈活性資源,既包括可控電源、網(wǎng)絡慣性、儲能系統(tǒng)、柔性負荷等各子系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷、儲各環(huán)節(jié)的實體的靈活性資源,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在靈活性資源,包括靈活性資源部署、靈活性資源調控以及對靈活性資源的激勵等。

“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)中長期的能量調節(jié)能力和短期/實時的功率調節(jié)能力。從宏觀上看,靈活性表現(xiàn)為系統(tǒng)在經濟高效、綠色低碳和安全充裕這3 個方面的能力。前者是后者的物理基礎與實現(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 靈活性內涵的豐富性?！岸嗄芰鳌笔荌ES 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)中的靈活性所對應的具體物理特性可能存在一定差異。具體來說,電力系統(tǒng)的靈活性表現(xiàn)為系統(tǒng)長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)長期的熱能供需平衡能力以及短期的供熱經濟性與環(huán)保性水平。另一方面,多能流間的協(xié)同互補亦可視作一類虛擬的電力靈活性資源,即通過多能流的協(xié)同調控可充分利用燃氣和熱力系統(tǒng)的靈活性資源,為電力系統(tǒng)提供靈活性。

“多尺度”指IES 靈活性的多時間尺度和多空間尺度特征。在時間尺度上,IES 靈活性需求在年、季度、月、日以及實時等不同時間尺度上有不同表現(xiàn),關注點從系統(tǒng)能量的中長期調節(jié)能力逐步轉移到系統(tǒng)功率的短期/實時調節(jié)能力；在空間尺度上,根據(jù)應用需求的不同,IES 靈活性既可表現(xiàn)為源、網(wǎng)、荷、儲環(huán)節(jié)某一節(jié)點的調節(jié)能力（如節(jié)點可容許的可再生能源出力波動）,也可表現(xiàn)為系統(tǒng)整體的可調節(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,各部門常見的核心訴求包括各系統(tǒng)供能的經濟高效、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。因此,靈活性在不同主體間轉移的過程附帶著成本的轉移。另一方面,各個環(huán)節(jié)的靈活性資源可能歸屬獨立的服務商,如儲能服務商、負荷聚合商等,此時靈活性資源成為能源系統(tǒng)中一種特殊的商品,其價值的實現(xiàn)依賴于有效的市場機制。綜上,“多主體”特征意味著IES 中部分靈活性資源難以進行統(tǒng)一調配,需要合理的市場機制發(fā)掘其潛力。此外,“多主體”特征還帶來了信息壁壘等問題。

明確IES 靈活性的基本內涵是提升靈活性的基礎。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,以所關注的靈活性具體表現(xiàn)為導向,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（少）到有（多）”及“從有到用”的問題。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)劃設計、運行調控與市場機制3 個方面。規(guī)劃設計關注靈活性資源的優(yōu)化部署問題,旨在解決靈活性資源“從無到有”的矛盾。運行調控關注靈活資源的短期/實時運行問題,旨在解決靈活性資源“從有到用”的矛盾。市場機制關注靈活性資源的市場化配置問題,旨在通過市場手段解決靈活資源“從無到有”及“從有到用”的矛盾。

2.2 IES 靈活性的定義

文獻［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間窗口內,系統(tǒng)采取替代動作以響應一系列不確定的未來狀態(tài)的能力。此外,將時間窗口、調節(jié)措施、不確定性和成本歸為確定電力系統(tǒng)靈活性的4 項基本要素。

參照文獻［20］中的定義框架,本文將IES 靈活性定義為:在給定時間窗口和不確定性下,以滿足系統(tǒng)技術約束和決策者利益訴求為前提,系統(tǒng)通過采取一定調節(jié)措施可獲得的功率和能量的可調節(jié)能力。該定義中,時間窗口限定了所關注的靈活性時間尺度,不確定性和技術約束反映了系統(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,功率和能量的可調節(jié)能力則體現(xiàn)了IES 靈活性的本質屬性。

由IES 靈活性的基本內涵可知,IES 靈活性的表現(xiàn)分為微觀表現(xiàn)（功率和能量的可調節(jié)能力）和宏觀表現(xiàn)（經濟高效、綠色低碳、安全充裕）。考慮到微觀表現(xiàn)是宏觀表現(xiàn)的物理基礎,也是系統(tǒng)更加本質的屬性,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系統(tǒng)靈活性的影響。

與文獻［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調了技術約束和決策者利益訴求2 個基本要素,利益訴求可包含經濟高效、綠色低碳、安全充裕等一項或多項因素。因此,該定義可將技術、經濟、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項基本要素,即時間窗口、不確定性、調節(jié)措施、技術約束和利益訴求。

2.3.1 時間窗口

時間窗口反映決策者所關注的靈活性的時間尺度,決定了可采用的調節(jié)措施。當決策者關注通過利用靈活性資源應對短期不確定性、功率失衡等問題的能力時（即運行靈活性）,時間窗口則相對較小,如秒、分鐘、小時和天。當決策者關注通過部署靈活性資源應對長期負荷增長、能源結構變化等問題的能力（即規(guī)劃靈活性）,時間窗口則相對較大,如季度和年。需要指出的是,系統(tǒng)在較長的時間段內可能表現(xiàn)出更大的靈活性,而較短的時間內卻可能缺乏靈活性［14,116］,即能量調節(jié)能力與功率調節(jié)能力二者未必相關。例如,一個系統(tǒng)有充足的抽水蓄能、地下儲氣庫資源應對跨季節(jié)的負荷波動,但可能難以應對日內可再生能源和負荷的短時波動。

IES 區(qū)別于電力系統(tǒng)一個典型特征是異質能流的多時間尺度特性,即電、氣、熱的動態(tài)過程時間尺度差異顯著［117］。這意味著時間窗口的大小直接決定了氣、熱系統(tǒng)靈活性資源的潛力,進而影響著其對電力系統(tǒng)靈活性的支撐作用。因此,對于IES 靈活性問題,時間窗口的選擇尤為重要。此外,靈活性資源能否在一定的時間窗口內發(fā)揮作用,不僅取決于其本身的技術約束,還受到調度策略、通信環(huán)境等外部因素的影響［48］。

綜上,時間窗口的大小會同時影響靈活性資源和靈活性需求的特性,因此進行靈活性分析需首先明確所關注的時間窗口。

2.3.2 不確定性

不確定性用于刻畫決策者對于系統(tǒng)未來狀態(tài)及輸入信息的無法確知程度。IES 的長期規(guī)劃和短期運行中均存在各種不確定性因素,如可再生能源出力及負荷預測偏差、設備及元件故障、能源價格信號、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、熱異質能流的不確定因素,如燃氣負荷、熱負荷不確定性等。

不確定性是系統(tǒng)產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)量以及相應的成本。決策者可根據(jù)自身的風險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。非常典型的是熱負荷不確定性影響著熱慣性大小與電熱耦合設備的工況,其對電力系統(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 調節(jié)措施

調節(jié)措施指系統(tǒng)在特定時間窗口內可采取的行為的集合,如控制機組出力、購買靈活性服務產品、配置新的靈活性資源等。調節(jié)措施的部署受時間窗口影響。例如,在極短的時間窗口（如低于10 s）內,部分需求側響應資源并不能發(fā)揮其靈活調節(jié)能力。調節(jié)措施的集合越大,系統(tǒng)提升靈活性的手段就越多。

采取調節(jié)措施以提高靈活性將產生一定經濟成本。例如,配置靈活性資源的投資成本、火電機組靈活性改造成本、機組爬坡成本與燃料成本、棄風棄光的懲罰費用以及建筑物參與需求側響應的用戶舒適度損失等［42,119］。一般來說,對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濟性,短期內快速響應的儲能技術的平準化成本要高于長期大型儲能技術［23,48］。通常,決策者會優(yōu)先采用成本較低、對靈活性提升更顯著的調節(jié)措施。

需要強調的是,無論是通過規(guī)劃設計與運行調控等途徑提高靈活性,還是通過市場手段獲得靈活性服務產品,調節(jié)措施實施的最終落腳點都是靈活性資源本身。圖6 從響應容量和響應速率2 個維度梳理了典型的IES 靈活性資源,涵蓋電、氣、熱等多種設備與設施［13,21,33,40,120］。圖中,LNG 表示液化天然氣。可以看出,相較于電力系統(tǒng),IES 的靈活性資源在響應容量及響應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、熱相關的靈活性資源響應容量更大,電相關的靈活性資源響應速率更快,而耦合設備則是兩者轉換的橋梁。

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

2.3.4 技術約束

技術約束指IES 中源、網(wǎng)、荷、儲各個環(huán)節(jié)由于技術限制所產生的運行約束以及數(shù)字化、信息化、智能化技術對靈活性資源調控所產生的技術性限制［121］。IES 的運行約束涉及復雜的設備控制特性、多能網(wǎng)絡動靜態(tài)特性以及多能負荷特性［117］。調節(jié)措施必須能夠保證IES 的安全穩(wěn)定運行,即不出現(xiàn)電壓頻率越限、氣網(wǎng)節(jié)點壓強越限以及熱網(wǎng)節(jié)點溫度越限等情況。運行約束也會影響靈活性資源的市場交易,例如聯(lián)絡線的傳輸容量將決定區(qū)域間可交換電力的上限。

與IES 靈活性研究相關的數(shù)字化、信息化和智能化技術包括數(shù)據(jù)通信技術,規(guī)劃、運行與市場交易平臺等,這類技術決定了調節(jié)措施能否得到及時有效的實施。

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,可概括為經濟高效、綠色低碳、安全充裕3 類,對應表1中的3 類目標導向。利益訴求是靈活性資源部署與調控的根本目的,是系統(tǒng)靈活性的服務對象。結合第1 章中對靈活性相關研究的概述,表5 進一步總結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,可將決策者分為經濟高效導向型、綠色低碳導向型以及安全充裕導向型3 類。經濟高效導向型決策者利用靈活性資源以實現(xiàn)自身經濟效益的提升,典型代表包括居民用戶、各類園區(qū)型能源站運營商以及靈活性資源聚合商等。該類決策者根據(jù)外部能源服務價格信號調整自身運行策略,可參與靈活性資源市場交易獲利。綠色低碳導向型決策者利用系統(tǒng)的靈活調節(jié)能力以實現(xiàn)可再生能源消納以及能源系統(tǒng)碳足跡的降低,典型代表如中國各省市推進建設的“雙碳”先行示范區(qū)。安全充裕導向型決策者依賴系統(tǒng)靈活性實現(xiàn)自身能源供應可靠性的提升,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。對于這類決策者,核心業(yè)務若不能正常運行將導致巨大的經濟或社會損失,供能可靠性是保障其正常運行的必要條件,因此極度重視系統(tǒng)安全可靠運行。

需要指出的是,除了上述經濟高效、綠色低碳和安全充裕3 類導向,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,如供能質量等。例如,以社會福利最大化為導向的決策者以頂層設計的視角挖掘和利用IES 靈活性,以最大限度地協(xié)調各方需求,典型代表包括各級能源主管部門和規(guī)劃設計單位。這類決策者需要統(tǒng)籌兼顧能源供給穩(wěn)定性、經濟競爭力及環(huán)境可持續(xù)性等目標,利益訴求更為復雜。

2.4 IES 靈活性的測度體系

構建IES 靈活性的測度函數(shù),是進行靈活性量化分析的關鍵。如圖7 所示,本節(jié)結合IES 靈活性的定義與基本要素,提出“時間-空間-表現(xiàn)”三維IES靈活性測度體系,用于刻畫IES 靈活性大小。

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

從時間尺度看,運行人員既可能關注系統(tǒng)某一時間斷面的靈活性,也可能關注系統(tǒng)動態(tài)過程的某一時段內的靈活性,故可將IES 靈活性分為靜態(tài)和動態(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,也可反映在系統(tǒng)全局,故需要將IES 靈活性分為節(jié)點級和系統(tǒng)級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節(jié)能力,宏觀表現(xiàn)為對決策者經濟高效、綠色低碳、安全充裕等利益訴求的滿足能力。因此,IES 靈活性應包含微觀層和宏觀層2 類。

結合表5 中的決策者典型利益訴求,表6 基于上述測度體系給出了典型的IES 靈活性測度。表6 中的8 類典型IES 靈活性測度與圖7 中立方體的8 個頂點一一對應。需要指出的是,靈活性測度需要結合具體問題制定,包括但不限于表6 中的典型靈活性測度形式。

表6 典型的IES 靈活性測度Table 6 Typical Measurement of IES Flexibility

3 IES 靈活性的數(shù)學模型

基于上述對IES 靈活性基本內涵的闡述,本章首先提出了研究IES 靈活性的通用數(shù)學模型；然后,結合示例給出節(jié)點靜態(tài)功率靈活性與節(jié)點動態(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)學模型擴展到宏觀層面。

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間窗口、不確定性等諸多因素。為定量分析及評估IES 靈活性的大小,本文提出IES 靈活性數(shù)學模型,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為與所關注的靈活性相關的狀態(tài)變量與控制變量；u為表示不確定性的隨機變量；x0為x的初始狀態(tài)；Xflex為變量xflex的可行域,是待優(yōu)化對象；U為隨機變量u的定義域；σ(Xflex)為系統(tǒng)靈活性的測度函數(shù),用于刻畫可行域Xflex的大??；g(?)≤0 為系統(tǒng)的技術約束；I(?)≤0 為決策者利益訴求所產生的約束條件。

需要指出的是,系統(tǒng)可采取的調節(jié)措施的集合決定系統(tǒng)可優(yōu)化對象及其可優(yōu)化的空間,因此,會對技術約束和利益訴求約束產生直接影響,未在式（1）中顯式表示。決策變量x的取值會根據(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、機會約束、風險約束、最優(yōu)值約束等。隨機變量定義域U的形式不作限制,包括但不限于基于場景的、基于不確定集的或基于概率分布的等形式。測度函數(shù)σ(?)用于反映系統(tǒng)功率或能量的可調節(jié)能力,即2.4 節(jié)提出的測度體系中的某一具體表達式。

式（1）的含義為優(yōu)化可行域Xflex的某一測度函數(shù)σ(?),以保證在給定的時間窗口和系統(tǒng)初始狀態(tài)x0下,對Xflex中的任一xflex和U中的任一u,均存在調節(jié)措施和決策變量x=x(xflex,u)可滿足系統(tǒng)的技術約束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

下文結合圖8 中的示例,以節(jié)點靜態(tài)功率靈活性與節(jié)點動態(tài)功率靈活性二者為例,對IES 靈活性數(shù)學模型進行具體闡述。該系統(tǒng)由3 機6 節(jié)點電力系統(tǒng)和9 節(jié)點供熱系統(tǒng)組成,電力系統(tǒng)包含2 臺燃煤發(fā)電機組（G1、G2）和1 臺風電機組（WT）,熱力系統(tǒng)包含1 臺CHP 機組和1 臺燃氣鍋爐（GB）。以下依次分析2 個典型的IES 靈活性問題。

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

3.2.1 節(jié)點靜態(tài)功率靈活性

針對節(jié)點靜態(tài)功率靈活性這一問題,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i處輸出功率的最小值和最大值。

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

3.2.2 節(jié)點動態(tài)功率靈活性

針對節(jié)點動態(tài)功率靈活性這一問題,通用模型式（1）可具體為如下形式:

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

仍然結合圖8 所示系統(tǒng),電力系統(tǒng)節(jié)點6 處的風電可調度域［19］即為節(jié)點動態(tài)功率靈活性的一個具體體現(xiàn),此時xi,t,LB和xi,t,UB分別對應節(jié)點6 處風電機組出力在t時刻的最小值和最大值。那么,模型式（3）中,所關注的時間窗口可以為未來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均包含多個時段。

可以注意到,模型式（3）的目標函數(shù)為各個時段區(qū)間的加權和,加權系數(shù)ξt反映了不同時段運行靈活性的重要程度。實際上,不同時段的xi,t,LB、xi,t,UB之間可能相互耦合,理想的測度函數(shù)σ(?)應該能夠準確表征高維可行域Xflex的體積,但可能并不存在解析的表達式。

針對該問題,一種方法是采用某些較為簡單的測度函數(shù)對其進行近似,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度函數(shù)［122］；另一方面可能便于將maxσ(Xflex)問題轉換為相應的等價問題并求解。

3.3 IES 靈活性數(shù)學模型的擴展

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。事實上,當需要刻畫系統(tǒng)在經濟高效、綠色低碳和安全充裕等“宏觀層面”靈活性上的表現(xiàn)時,僅需對模型式（1）中的測度函數(shù)σ(?)做少許修改即可適用。例如,當采用系統(tǒng)可容納的不確定性水平來反映其安全充裕性時,可將σ(?)定義為不確定集U的函數(shù),即σ(U)［123］。此時,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、機理層面、理論與方法層面和應用層面。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；機理層面演繹了IES靈活性從局部聚合到整體的原理和過程；理論與方法層面體現(xiàn)了支撐IES 靈活性研究的數(shù)學模型基礎；應用層面反映了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,本章從IES 靈活性的物理機理、IES 靈活性提升途徑以及IES 靈活性建模、量化與評估方法3 個方面闡述IES 靈活性的研究框架。在物理機理方面,從IES 源、網(wǎng)、荷、儲各個環(huán)節(jié)的靈活性資源入手,分析了其調節(jié)能力的物理基礎以及局部靈活性與系統(tǒng)靈活性的關系。在靈活性提升途徑方面,分別從規(guī)劃設計、運行調控和市場機制3 個角度闡述了IES 靈活性提升的關鍵問題與難點。最后,分析了IES 靈活性建模、量化與評估的主要任務與關鍵問題。

4.1 IES 靈活性的物理機理

IES 靈活性資源分布于源、網(wǎng)、荷、儲等多個環(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,電力線的靈活性來源于傳輸功率的可調節(jié)性,供氣管道的靈活性來源于節(jié)點壓強、管道流量以及管存狀態(tài)的可調節(jié)性,供熱管道的靈活性來源于節(jié)點壓強、管道流量以及熱媒溫度可調節(jié)性。從數(shù)學角度看,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。然而,從物理機理上看,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,其靈活性內涵及潛在的物理機理十分豐富,需結合具體對象進行分析。

下文從源、網(wǎng)、荷、儲4 個環(huán)節(jié)依次闡述IES 靈活性的物理機理,分析靈活性由關鍵環(huán)節(jié)（局部）匯聚至整個系統(tǒng)（整體）的過程。IES 中各環(huán)節(jié)靈活性（局部）和系統(tǒng)級靈活性（整體）的物理機理以及兩者的關系如圖10 所示。

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

4.1.1 源側靈活性

IES 的源側靈活性可按照時間尺度劃分為短期功率平衡能力與長期能量平衡能力。短期功率平衡能力包括集中式機組、分布式能源等設備的快速調節(jié)能力。長期能量平衡能力則指短期內難以快速響應或頻繁利用的設備和手段,例如針對煤電機組的靈活性改造,經改造后的機組能夠實現(xiàn)“熱電解耦”運行,增強調峰能力［119］。

在電力系統(tǒng)中,針對發(fā)電機的爬坡速率、爬坡容量等問題已有一定研究,燃煤機組靈活性改造也屬于較為成熟的靈活性提升技術。然而,在IES 中,源側涵蓋電、氣、熱不同能源的生產及轉換設備,不同設備的工作機理、可調節(jié)特性及安全穩(wěn)定運行條件差異顯著,涉及電氣、機械、流體力學、熱力學等多個學科。從根本上講,能源系統(tǒng)靈活性的需求來自于源荷兩側功率和能量的平衡問題,源側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 源側設備調節(jié)能力的關鍵影響因素與提升手段。

此外,從系統(tǒng)整體看,靈活性資源對系統(tǒng)的實際價值隨著時間、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,研究源側靈活性資源部署與系統(tǒng)靈活性提升之間的相關性,揭示靈活性由源側傳遞到系統(tǒng)整體的轉移機理,分析制約系統(tǒng)靈活性的關鍵源節(jié)點,為源側靈活性提升提供理論依據(jù)。

4.1.2 網(wǎng)絡環(huán)節(jié)靈活性

IES 的網(wǎng)絡環(huán)節(jié)靈活性主要包括網(wǎng)絡輸運容量［120］、網(wǎng)絡慣性［117］和網(wǎng)絡互聯(lián)互濟［120］。網(wǎng)絡輸運容量包括電力線路可傳輸容量、天然氣管網(wǎng)可輸送的燃氣量以及熱水或蒸汽管道可傳輸?shù)臒峁β?。網(wǎng)絡慣性是熱力系統(tǒng)和燃氣系統(tǒng)因其流體傳輸慢動態(tài)特性及管道儲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,燃氣系統(tǒng)中稱為管存［124］。網(wǎng)絡慣性利用自身緩沖空間為IES 提供功率或能量調節(jié)空間的行為類似于儲能系統(tǒng),因此常被視為一類特殊的儲能設施。

網(wǎng)絡互聯(lián)互濟指多個區(qū)域依靠電力、天然氣聯(lián)絡線以及換熱站實現(xiàn)能源互聯(lián)互通,并通過利用區(qū)域間多能供需互補特性,實現(xiàn)供需平衡關系在時間及空間尺度上解耦的能力。網(wǎng)絡互聯(lián)互濟可提高源側機組的利用率、減少備用容量、實現(xiàn)負荷時空轉移并促進可再生能源消納,是一種區(qū)域間靈活性資源共享及增強手段［71］。此外,能源網(wǎng)絡改造和優(yōu)化設計均可增強網(wǎng)絡環(huán)節(jié)的靈活性。

在電力系統(tǒng)中,電網(wǎng)是源荷兩側的橋梁,其可傳輸容量是制約電力系統(tǒng)靈活性的關鍵因素。對于IES,氣、熱網(wǎng)絡既是源荷之間的橋梁,又可為系統(tǒng)提供一定的儲能能力。從物理特性上看,不同時間尺度下氣、熱網(wǎng)絡靈活性的物理機理存在一定差異。具體來說,在中長期時間尺度下,網(wǎng)絡的傳輸容量決定了網(wǎng)絡側靈活性,而短期/實時時間尺度下網(wǎng)絡儲能能力將成為系統(tǒng)靈活性的重要來源。因此,針對網(wǎng)絡環(huán)節(jié)靈活性資源,有必要進一步研究不同時間尺度下氣、熱網(wǎng)絡靈活性的關鍵影響因素,分析水力、熱力、管存/熱慣性等因素對系統(tǒng)多時間尺度靈活性的影響。

此外,在網(wǎng)絡互聯(lián)互濟方面,多區(qū)域間的供需互補特性是其根本基礎,多能網(wǎng)絡的輸運能力是其基本支撐。特別地,在電、氣、熱多能跨區(qū)域互補的情況下,能源網(wǎng)絡的基礎支撐作用將更加突出。因此,有必要從區(qū)域供需互補特性與多能網(wǎng)絡輸運容量2 個角度入手,研究網(wǎng)絡特性對多區(qū)域供需互補水平的影響,分析制約系統(tǒng)靈活性的關鍵網(wǎng)絡參數(shù),為多能網(wǎng)絡規(guī)劃設計提供依據(jù)。

4.1.3 負荷側靈活性

IES 的負荷側靈活性源于綜合需求響應能力,如負荷的可削減、可平移、可轉移和可轉換能力。綜合需求響應能力一方面來源于電、氣、熱單一能流負荷柔性；另一方面來源于不同能源需求間的互補效應［33,78,125］。單一能流負荷的可調節(jié)性取決于用戶用能特征、負荷工作原理、負荷工況要求等。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范圍,因此,建筑物的供熱功率具有一定的可調節(jié)空間,可為供熱系統(tǒng)運行貢獻可觀的靈活性。多能需求間的互補效應則取決于負荷側能量轉換設備的配置情況。以居民用戶為例,其供暖需求可通過電采暖設備、燃氣采暖設備以及區(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,多能需求間的互補效應可實現(xiàn)電、氣、熱不同能源需求間的轉換。

在電力系統(tǒng)中,通過工業(yè)和商業(yè)等大型用戶的需求響應以提高系統(tǒng)的運行靈活性,已被廣泛研究并應用。針對IES 氣、熱負荷靈活性的研究則相對不足。一方面,由于燃氣、熱力系統(tǒng)自身的慣性特征,氣、熱負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,燃氣以及熱力系統(tǒng)負荷側的量測與控制部署相對薄弱,難以與系統(tǒng)進行協(xié)同調度。然而,在IES 形態(tài)下,由于異質能流存在較強的耦合關系,燃氣、熱力系統(tǒng)的短期可調節(jié)特性可等效地轉換為電力負荷側的靈活性,對于提高電力系統(tǒng)靈活性具有不可忽視的作用。此外,從長期規(guī)劃與運行角度上看,電、氣、熱負荷的靈活性及其互補效應,可為降低系統(tǒng)建設成本及運行成本貢獻重要價值。

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

4.1.4 儲能環(huán)節(jié)靈活性

IES 中的儲能資源分布在源、網(wǎng)、荷各個環(huán)節(jié),可提供不同時間尺度、不同規(guī)模的靈活性服務。儲能靈活性按照時間尺度可劃分為短期功率調節(jié)能力和長期能量調節(jié)能力［48］?？商峁┒唐诠β收{節(jié)能力的儲能系統(tǒng)既包括傳統(tǒng)意義上的集中式電儲能、蓄熱槽和儲氣罐,也包括可入網(wǎng)電動汽車、用戶側儲能等分散式儲能設施。熱網(wǎng)的熱慣性和燃氣網(wǎng)絡的管存亦是一類特殊的短期儲能。可提供長期能量調節(jié)能力的儲能系統(tǒng)包括天然氣儲氣罐、地下儲氣庫、季節(jié)性儲熱系統(tǒng)等直接儲能形式,也包括季節(jié)性抽水蓄能、電轉氣等能源轉化后再儲備的儲能形式。根據(jù)儲能設備所處的源、網(wǎng)、荷不同位置,可以將其歸入相應的環(huán)節(jié),相應的關鍵問題在上文已進行討論,此處不再贅述。

4.1.5 從局部靈活性到系統(tǒng)級靈活性

在IES 運行中,決策者所關注的通常是系統(tǒng)整體所表現(xiàn)出的靈活性,即系統(tǒng)級靈活性,如系統(tǒng)在經濟高效、綠色低碳、安全充裕等方面的性能。源、網(wǎng)、荷、儲各個環(huán)節(jié)的靈活性資源反映了系統(tǒng)的局部靈活性,而局部靈活性服務于系統(tǒng)級靈活性。從系統(tǒng)論的觀點看,各個環(huán)節(jié)的局部靈活性與系統(tǒng)級靈活性是局部與整體的辯證關系。各環(huán)節(jié)靈活性資源是系統(tǒng)級靈活性的局部表現(xiàn)與根本基礎,系統(tǒng)級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)級靈活性是一個復雜的問題,兼具耦合關系緊密、尺度差異顯著等特點。首先,系統(tǒng)中源、網(wǎng)、荷、儲各個環(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)為多對一、多對多的復雜關系,牽一發(fā)而動全身。其次,IES 電、氣、熱能流的時間、空間尺度差異大,系統(tǒng)動靜態(tài)特性復雜,需采用高階偏微分-微分-代數(shù)方程組進行刻畫,靈活性由局部至整體演變過程的定性分析與定量計算均面臨挑戰(zhàn)。再次,系統(tǒng)級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能力,可進一步提高系統(tǒng)級靈活性,僅從局部靈活性入手不足以揭示系統(tǒng)級靈活性的機理。

因此,需立足于系統(tǒng)整體,研究從局部靈活性到系統(tǒng)級靈活性的傳播與聚合機理,基于機理分析與仿真分析等手段研究局部靈活性提升對系統(tǒng)級靈活性的影響,分析制約系統(tǒng)級靈活性的關鍵節(jié)點,為系統(tǒng)級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)劃設計、運行調控和市場機制3 個方面。在規(guī)劃設計方面,通過靈活性資源的優(yōu)化配置,可滿足系統(tǒng)的長期靈活性需求；在運行調控方面,通過多環(huán)節(jié)靈活性資源的協(xié)同調控,可充分挖掘靈活性資源的互補特性,解決系統(tǒng)的中短期靈活性需求；在市場機制方面,通過有效的機制設計,可激勵靈活性資源為系統(tǒng)運行貢獻自身價值,形成良好的靈活性資源價值反饋機制,充分挖掘靈活性資源的能動性。不同提升途徑的關鍵問題如圖11 所示,下文進行具體闡述。

圖11 IES 靈活性提升中的關鍵問題Fig.11 Key problems in IES flexibility enhancement

4.2.1 靈活性導向的規(guī)劃設計

靈活性導向的IES 規(guī)劃設計旨在通過源、網(wǎng)、荷、儲多環(huán)節(jié)設備與網(wǎng)絡的協(xié)同規(guī)劃設計以及靈活性資源的優(yōu)化部署,經濟高效地解決系統(tǒng)靈活性需求問題。

從系統(tǒng)規(guī)劃角度看,靈活性需求具有年、季節(jié)、天等鮮明的多時間尺度特性。在年度時間尺度上,電、氣、熱多能負荷將隨著社會經濟發(fā)展呈現(xiàn)增長趨勢,一方面與所在區(qū)域的發(fā)展規(guī)劃緊密相關；另一方面與用戶能源消費模式的發(fā)展息息相關。非常典型的是未來電動汽車與電烹飪方式將逐漸取代現(xiàn)有燃油汽車與燃氣烹飪方式,意味著居民電力負荷在較長一段時間內仍將保持增長趨勢。因此,靈活性資源的規(guī)劃必須與未來數(shù)年至數(shù)十年內所在區(qū)域負荷發(fā)展規(guī)劃相匹配,保證多能供應充裕度。在季節(jié)時間尺度上,風、光、水等可再生能源出力具有顯著的季節(jié)性特點,電、氣、熱等多能負荷需求亦具有一定的季節(jié)性波動,特別是區(qū)域供暖負荷表現(xiàn)出極為鮮明的季節(jié)性變化。因此,能源供需兩側及網(wǎng)絡環(huán)節(jié)必須具有充足的可調節(jié)能力,以實現(xiàn)能量供需的季節(jié)性平衡。其中,以季節(jié)性儲熱與季節(jié)性儲氣為代表的中長期儲能技術是一類有效的靈活性資源。在天、小時等短期/實時尺度上,可再生能源出力及多能負荷均存在一定的隨機性與波動性,為實現(xiàn)系統(tǒng)供需平衡,系統(tǒng)需具備充足的短期功率調節(jié)能力。因此,靈活性資源的規(guī)劃設計亦需考慮短期/實時調節(jié)需求。

由此可見,靈活性導向的IES 規(guī)劃需要解決多能長期供應充裕性以及多能中期/短期供需平衡2 個核心問題?，F(xiàn)有研究在電力系統(tǒng)長期供應充裕性與供需平衡問題方面已取得一定研究成果,但針對IES 靈活性資源規(guī)劃設計問題的研究則相對不足。一方面,與單一的電負荷相比,電、氣、熱多能負荷長期發(fā)展趨勢更為復雜,區(qū)域發(fā)展規(guī)劃、用戶能源消費模式以及衣食住行相關技術的發(fā)展等因素既影響某一種能源消費體量的變化,也影響不同能源需求間的轉換和替代關系。因此,從長期來看,電、氣、熱需求發(fā)展呈現(xiàn)復雜的耦合交織特點,有必要研究多能負荷長期演變規(guī)律,為源側及網(wǎng)絡環(huán)節(jié)靈活性資源的優(yōu)化部署提供相對準確的場景,保證多能長期供應充裕性。另一方面,電、氣、熱多能流耦合關系可能導致不同能源需求的波動之間出現(xiàn)彼此助長現(xiàn)象,使得多能供需平衡矛盾更加突出。因此,有必要研究不同時間尺度儲能系統(tǒng)的調節(jié)潛力,通過多類型儲能的優(yōu)化組合,解決多能供需的中期/短期平衡問題。

此外,從運行角度看,利用源、網(wǎng)、荷、儲各環(huán)節(jié)的靈活性資源以及多環(huán)節(jié)協(xié)同互補可有效提高系統(tǒng)的靈活性。為此,有必要在靈活性資源規(guī)劃問題中考慮IES 日內及實時等較短時間尺度上的靈活性,研究多時間尺度靈活性的協(xié)同問題。以季節(jié)性儲能系統(tǒng)為例,其儲能水平變化的時間跨度為季度乃至年度,而儲能水平的變化取決于日內充/放能量大小,前者要求建模時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能水平的變化過程,其結果是規(guī)劃模型規(guī)模過大而難以實際應用。因此,有必要研究可精確刻畫系統(tǒng)中長期能量平衡特性與短期功率平衡特性的建模技術以及相應的高效求解算法,實現(xiàn)多時間尺度靈活性資源的協(xié)同優(yōu)化部署。

4.2.2 靈活性導向的運行調控

靈活性導向的IES 運行調控旨在通過源、網(wǎng)、荷、儲多環(huán)節(jié)以及電、氣、熱各能源子系統(tǒng)的協(xié)同調度與控制,挖掘多環(huán)節(jié)縱向協(xié)同能力和多能流橫向互補能力,實現(xiàn)經濟高效、綠色低碳、安全穩(wěn)定等目標。

靈活性導向的IES 運行調控面臨著多尺度、多主體、不確定性、信息安全等多重現(xiàn)實問題。多尺度包括時間尺度與空間尺度。一方面,電、氣、熱能流動態(tài)特性差異大,涵蓋小時、分鐘、秒等時間尺度,對不同時間尺度的能量動態(tài)過程進行有效協(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)安全高效運行的基礎；另一方面,電力和燃氣系統(tǒng)的輸配用環(huán)節(jié)地理跨度通?？蛇_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。極大的空間尺度差異給多環(huán)節(jié)協(xié)同調控所依賴的信息交互、數(shù)據(jù)量測、狀態(tài)估計、設備控制等問題帶來了極大挑戰(zhàn)。因此,有必要研究IES 多尺度協(xié)同調控技術,解決多空間尺度下的靈活性資源協(xié)同調度問題與多時間尺度下的能量動/靜態(tài)精確控制問題,為實現(xiàn)全系統(tǒng)靈活性資源的協(xié)同調控提供支撐。

多主體指IES 中電、氣、熱能源子系統(tǒng)存在不同的管理主體,進而導致信息壁壘、利益沖突等問題。針對信息壁壘問題,一方面,須考慮由管理主體不一致性所產生的計算主體不一致性問題,研究兼具有限信息交互與獨立計算執(zhí)行特點的分布式協(xié)同優(yōu)化與控制技術；另一方面,須考慮由管理主體不一致所產生的隱私保護問題,研究基于加密算法、差分隱私理論等計及隱私保護的優(yōu)化與控制技術。針對利益沖突問題,則須研究基于市場手段的多主體協(xié)同方法。通過上述研究,為IES 多主體的協(xié)同互補提供基礎性技術支撐。

不確定性是靈活性導向的IES 運行調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、多能負荷需求以及氣象因素等,一方面提高了系統(tǒng)的運行靈活性需求；另一方面對系統(tǒng)調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理,基于隨機規(guī)劃、魯棒優(yōu)化等理論研究靈活性資源魯棒調控策略,挖掘靈活性資源在應對各類不確定性時的潛力。

此外,在信息-物理耦合背景下,信息安全問題將威脅到IES 的安全穩(wěn)定運行。盡管針對電力系統(tǒng)的信息安全問題已有較多研究,但針對燃氣和熱力系統(tǒng)信息安全問題的研究尚不多見。電、氣、熱多能流的物理耦合關系使得其信息攻擊可通過物理耦合環(huán)節(jié)實現(xiàn)跨能流傳播。例如,通過攻擊供熱系統(tǒng)的熱負荷,可使電力系統(tǒng)線路功率越限從而產生甩負荷行為［126］。針對該問題,一方面須研究信息安全對靈活性資源調控的不利影響以及相應的系統(tǒng)性能損失；另一方面須進一步研究靈活性資源在應對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值。

4.2.3 靈活性導向的市場機制

靈活性導向的市場機制研究旨在通過市場手段實現(xiàn)IES 靈活性的潛力挖掘與配置,如價格機制、供求機制、競爭機制和風險機制等。

IES 的多主體特性決定了靈活性導向市場機制設計的必要性。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)在較長一段時間內仍將隸屬于不同部門,利益訴求并不一致,需要一定的市場機制實現(xiàn)各子系統(tǒng)間的協(xié)同運行,挖掘多能互補在系統(tǒng)靈活性方面的價值；另一方面,部分靈活性資源歸屬于非能源系統(tǒng)運營方的利益主體,如儲能服務商、居民柔性負荷等,需要設計一定的市場機制以激勵其為能源系統(tǒng)貢獻自身靈活性。

因此,針對電、氣、熱多主體協(xié)同運行問題,需要結合能源市場發(fā)展階段,研究與其相適應的市場機制。在中國當前的能源供應模式下,電、氣、熱主體的核心目標通常是社會福利最大化,有必要研究基于合作博弈理論的多主體協(xié)同運行市場結構及相應的效益分配機制。針對未來可能出現(xiàn)的競爭性能源供應市場,有必要研究基于非合作博弈的多主體協(xié)同運行市場機制。針對靈活性資源作為獨立主體的情況,有必要研究考慮其作為靈活性服務市場參與主體的市場結構、激勵機制與結算機制。

此外,在多能耦合的背景下,靈活性資源可通過其同質能源子系統(tǒng),向與其耦合的異質能源子系統(tǒng)提供靈活性服務。非常典型的是建筑物的熱慣性可通過供熱網(wǎng)絡為熱電聯(lián)產機組提供運行靈活性,從而間接提高電力系統(tǒng)靈活性。針對該問題,有必要研究靈活性資源經由同質能流系統(tǒng)參與異質能流靈活性市場的市場機制,即跨能流靈活性交易問題,從而全方位挖掘靈活性資源潛力。

4.3 IES 靈活性建模、量化與評估方法

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

4.3.1 靈活性建模

靈活性建模的主要任務包括2 點:1）解決系統(tǒng)中靈活性資源運行特性的刻畫問題,為系統(tǒng)規(guī)劃設計、運行調控及市場機制等提供模型支撐；2）解決系統(tǒng)中某一節(jié)點或系統(tǒng)總體的靈活性的刻畫問題,為靈活性的量化與評估提供模型支撐。

針對第1 個任務,在IES 中,靈活性資源種類多樣,涉及電、氣、熱多個能源子系統(tǒng),部分靈活性資源能流耦合關系復雜,動態(tài)特性復雜,時間跨度大。因此,其建模難度可概括為多能流與多尺度這2 點。首先,電、氣、熱靈活性資源工作機理不同,涉及電氣、流體力學、熱力學等多個學科,須根據(jù)靈活性資源的工作機理,建立可反映其主要特性且具有有限復雜度的數(shù)學模型。其次,由于不同能流的時間尺度不同,相應的靈活性資源的運行特性可能橫跨年、季度、日等時間尺度。非常典型的是季節(jié)性儲熱的運行既需要考慮年度的能量平衡,也需要考慮日內尺度的能量調度,而CHP 機組電、熱工況時間尺度橫跨秒級至小時級。因此,須基于靈活性資源的工作機理,分析其多時間尺度特性,建立可反映不同時間尺度下主要物理過程的數(shù)學模型,為靈活性資源的協(xié)同調控提供模型支撐。

針對第2 個任務,IES 在某一節(jié)點或系統(tǒng)整體的靈活性本質上是由多能流、多環(huán)節(jié)靈活性資源及其協(xié)同互補能力聚合、傳播至某一節(jié)點、某一區(qū)域乃至整個系統(tǒng)的表現(xiàn)。一方面,不同靈活性資源的工作機理與特性存在差異,難以從各自的機理出發(fā)推導其傳遞至某一節(jié)點或聚合至系統(tǒng)層面的靈活性特征；另一方面,能量傳輸網(wǎng)絡特性復雜,使得靈活性資源之間產生耦合關系,網(wǎng)絡、設備運行特性相互影響。因此,由節(jié)點或局部靈活性聚合、演變至系統(tǒng)級靈活性的機理十分復雜,一般難以采用機理建模方法進行精確刻畫,有必要將物理驅動與數(shù)據(jù)驅動手段結合。一方面,從數(shù)學模型角度出發(fā),研究基于系統(tǒng)降維與逼近理論的節(jié)點及系統(tǒng)級靈活性分析與建模方法；另一方面,借助運行數(shù)據(jù),研究基于數(shù)據(jù)驅動或物理-數(shù)據(jù)聯(lián)合驅動的節(jié)點及系統(tǒng)級靈活性的建模與刻畫方法。

4.3.2 靈活性量化與評估

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

基于靈活性量化指標,靈活性評估旨在對系統(tǒng)的靈活性進行綜合性評價。當決策者僅關注系統(tǒng)在某一具體靈活性指標方面的表現(xiàn)時,靈活性評估問題等價于靈活性量化問題。同樣地,針對IES 靈活性評估問題,須結合實際應用需求,制定系統(tǒng)化的靈活性評估指標,構建靈活性評估模型與體系,為規(guī)劃、運行和市場領域的靈活性策略制定和后驗評估提供支撐。

5 總結與展望

結合上述對IES 靈活性研究現(xiàn)狀、基本內涵、數(shù)學模型和研究框架的闡述,本章從內涵層面、機理層面和靈活性提升途徑等角度總結提煉了IES 靈活性研究的關鍵難題,以期為問題的發(fā)掘和解決提供思路。

1）內涵層面

已有研究缺乏對IES 靈活性內涵的統(tǒng)一認識,靈活性相關模型和算法大多適用于特定系統(tǒng)形態(tài)和特定場景,所提方法和得到的結論往往缺乏一般性。

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,闡述其基本內涵,研究一般性的定義和數(shù)學描述方法。其次,靈活性資源是進行靈活性導向的IES 規(guī)劃設計、運行調控和市場機制研究的落腳點,需要綜合考慮多能流形式、多時間尺度、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 靈活性研究的內在驅動力,既是高比例可再生能源下新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的需求,也與決策者的利益訴求密切相關。

2）機理層面

IES 中復雜的不確定性、多能設備控制特性、多能網(wǎng)絡傳輸特性以及靈活性需求的傳遞與轉化過程,給IES 靈活性的機理分析帶來了巨大挑戰(zhàn)。

首先,考慮到參數(shù)分布和控制方式的差異,有必要研究設備型和負荷型靈活性資源精細化建模。其次,考慮到多能傳輸動態(tài)特性差異,須進一步研究具備不同場景應用優(yōu)勢的時域、頻域和復頻域下的網(wǎng)絡型靈活性資源建模。最后,須構建計及多能流、多環(huán)節(jié)、多時間尺度的IES 靈活性量化與評估方法,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)劃設計、運行調控與市場機制是提升IES 靈活性的主要途徑,分別解決靈活性資源的部署、調控以及市場化配置問題,但現(xiàn)有研究對廣域分布、數(shù)量龐大、額外投資成本低的負荷側多能靈活性資源的關注不足,且缺乏能夠促進靈活性理論研究有效應用的市場機制。

針對負荷側多能靈活性資源,一方面,有必要圍繞負荷側靈活性資源的量測系統(tǒng)部署問題,研究可保證負荷側多能靈活性資源狀態(tài)可觀測性的量測裝置布點優(yōu)化方法；另一方面,須圍繞負荷側海量靈活性資源的協(xié)同運行問題,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控方法。

針對靈活性市場機制,首先,需要基于靈活性量化與評估方法界定靈活性服務價值,將其從已有的能源交易和輔助服務中分離出來；其次,需要開發(fā)新型靈活性服務產品并構建標準化的市場框架,從而為多元化市場參與者提供靈活性交易平臺,促進靈活性資源共享和靈活性需求共擔；最后,有必要制定科學合理的靈活性服務激勵機制,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)靈活調節(jié)能力的能動性,從而高效利用已有靈活性資源并促進靈活性資源合理配置。

6 結語

實現(xiàn)“碳達峰·碳中和”目標和構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),將給中國能源結構和能源系統(tǒng)形態(tài)帶來重大變革。高比例可再生能源的接入對電力系統(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)靈活性提升的技術手段和實現(xiàn)路徑。相較于電力系統(tǒng),IES 有著更復雜的物理特性,靈活性需求與供應的關系也更為復雜,有必要進行深入研究。

上述背景下,本文首先系統(tǒng)性地綜述了國內外關于能源系統(tǒng)靈活性的研究成果,從靈活性導向的規(guī)劃設計、運行調控、市場機制以及量化與評估方法等角度梳理了電力系統(tǒng)靈活性和IES 靈活性的研究內容和發(fā)展趨勢。其次,將IES 靈活性的基本內涵概括為“一個基礎、兩層表現(xiàn)、三大特征”,并從定義、基本要素和測度體系三方面對IES 靈活性的基本內涵進行理論化闡述。然后,針對IES 靈活性的刻畫與量化評估問題,提出了IES 靈活性的通用數(shù)學模型,并結合示例進行具體解釋。再次,從物理機理、提升途徑以及建模、量化與評估方法3 個方面闡述了IES 靈活性的研究框架。最后,總結展望了IES靈活性研究在內涵層面、機理層面和靈活性提升途徑方面的關鍵難題。

本文系統(tǒng)性闡述了IES 靈活性的基本內涵,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,并分析了其中的關鍵問題與難點,可為后續(xù)IES 靈活性研究提供參考。

本文研究得到國家自然科學基金青年科學基金項目（5220070131）和中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金項目（2242022R10146）資助，特此感謝！