面向高比例可再生能源的综合能源系统优化规划及其方法研究

Responding to the enormous challenges faced by energy systems with a higher proportion of renewable energy access, an in-depth study of optimization planning for integrated energy systems will be conducted. Firstly, the power grid operation simulation acceleration algorithm for medium- and long-term, multi-region, high-ratio renewable energy is proposed. Based on this, a renewable energy system planning model considering the operational flexibility is established. Secondly, the boundary of the power system optimization planning is expanded, and the operating characteristics of the combined heat and power unit, heat storage tanks, the heat pump and other electric heating technologies are included. An investment model of integrated power and heating energy system under high penetration of renewable energy is proposed. Finally, we further add energy policy and environmental emission constraints in the energy system optimization planning model, to resolve the conflict between macro policy intervention and micro system operations.

应对高比例可再生能源接入下能源系统所面临的巨大挑战，深入研究综合能源系统的优化规划模型与方法。首先，建立考虑全时段机组运行灵活性的可再生能源系统规划模型，提出面向中长期、多区域、高比例可再生能源的电网运行模拟加速算法，实现投资优化与全年逐时运行模拟的统一优化求解，保障中长期投资规划与短期运行的统筹协调；其次，拓展电力系统优化规划的边界，从供应侧和需求侧两方面，刻画热电机组、热网储热、热泵以及蓄热式电采暖等技术手段的运行特性，基于电热系统运行模拟，建立高比例可再生能源下的电热综合能源系统投资模型；最后，在能源系统优化规划模型中进一步加入能源政策、环境排放约束，建立考虑政策与环境约束的高比例可再生能源电力系统集成规划模型。通过拓展传统电力系统优化规划的研究范畴，弥合长期规划与短期运行的矛盾、促进电热能源系统间的互动、实现宏观能源政策与微观系统运行的协调，保障可再生能源的有序发展。

面对日益严峻的环境压力与能源安全的严峻挑战，我国提出要建设以新能源为主体的新型电力系统。为解决新能源渗透率大幅提升带来的电力系统调节能力不足、可再生能源消纳困难、可再生能源资源与负荷逆向分布、发电成本上升等问题，本研究采用机组聚合和线性化方法，提出了快速机组组合技术，成功解决了宏观规划与小时级运行一体化出清运算量超大的难题；分析热电机组内部的机械结构，建立热电机组的电力和热力输出模型，引入供热蝶阀调整热力输出的方式，建立了改进型的热电联产爬坡约束模型，再考虑热电联产机组和储热装置的供热互补机制，提出改进的热电联产机组备用容量模型，大幅提升了我国北方电力系统消纳可再生能源的能力；同时建模当前我国主要环境政策，结合快速机组组合方法与全国输电网规划方法等，提出小时级运行模拟与投资规划一体化出清模型。综合本研究中提出的运行规划模型与加速方法，结合超过40年的高精度路上风电、海上风电和光伏发电历史资源评估、超过3000台火电机组的详细地理位置和运行情况，全国所有大型水电机组的流量信息与运行特性，全国跨省输电线网架数据，全国各省电网实际运行的小时级负荷需求等全面高精度数据，本研究打造了我国碳中和电力能源系统数字孪生平台。基于该平台，形成了全年8760小时、60个不同场景小时级精度运行模拟和最优投资计划。结果表明，不同减排路径之间年化投资和运营总成本会相差2.3万亿元，研究提供的最优碳中和转型路径不仅技术可行，而且经济性优于传统化石燃料为主的能源系统，该方案相比各省单独推进碳中和转型方案，可降低年化成本1.2万亿元，大致相当于中国每年卫生健康财政支出的2/3。基于本项目，研究团队最终发表论文10篇，三篇论文分别发表在《细胞》杂志姊妹刊Joule、《科学》杂志子刊Nature Communications、《自然》杂志子刊Science Advances，申请发明专利3个。项目研究期间培养研究生多名，与哈佛大学、清华大学、丹麦科技大学等开展了深度合作，定期展开学术讨论会，并形成了良好的人才培养与交换体系，先后有多名博士生赴哈佛大学进行访问研究。向国家能源局任志武副局长、中国气候变化解振华特使等领导汇报研究结果。