[论文解读] Matrix Modeling of Energy Hub with Variable Energy Efficiencies

Wujing Huang, Ning Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2019

Integrated Energy Systems Optimization参考文献 24被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于矩阵的建模方法，用于具有可变能效的能源枢纽，通过分段线性化将非线性转换和储能组件转化为等效的线性结构。该方法可在可变能效条件下实现多能系统的自动、计算机辅助建模与优化，提高了运行规划中的近似精度和计算效率。

ABSTRACT

The modeling of multi-energy systems (MES) is the basic task of analyzing energy systems integration. The variable energy efficiencies of the energy conversion and storage components in MES introduce nonlinearity to the model and thus complicate the analysis and optimization of MES. In this paper, we propose a standardized matrix modeling approach to automatically model MES with variable energy efficiencies based on the energy hub (EH) modeling framework. We use piecewise linearization to approximate the variable energy efficiencies; as a result, a component with variable efficiency is equivalent to several parallel components with constant efficiencies. The nonlinear energy conversion and storage relationship in EH can thus be further modeled under a linear modeling framework using matrices. Such matrix modeling approach makes the modeling of an arbitrary EH with nonlinear energy components highly automated by computers. The proposed modeling approach can further facilitate the operation and planning optimization of EH with variable efficiencies. Case studies are presented to show how the nonlinear approximation accuracy and calculation efficiency can be balanced using the proposed model in the optimal operation of EH.

研究动机与目标

• 解决由于可变能效导致的多能系统（MES）中非线性组件建模的挑战。
• 开发一种标准化的自动化建模框架，以简化能源枢纽（EH）的分析与优化。
• 通过分段逼近实现非线性能量转换和储能关系的线性化。
• 在能源枢纽运行与规划优化中提高计算效率和近似精度。

提出的方法

• 本文采用基于矩阵的能源枢纽（EH）建模框架，系统地表示能量流动与转换。
• 通过分段线性化对转换和储能组件中的可变能效进行近似。
• 将每个具有可变效率的组件分解为多个并联的子组件，每个子组件具有恒定效率。
• 由此产生的模型将原始的非线性关系转化为线性矩阵形式，实现高效计算。
• 该方法可通过计算机实现支持自动化建模，降低人工建模的复杂性。
• 通过案例研究验证了该方法，重点关注近似精度与计算速度之间的平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在基于线性框架的建模中有效表示能量转换和储能组件中的可变能效？
• RQ2 分段线性化在多能系统中对非线性能效曲线的近似精度在多大程度上是可靠的？
• RQ3 所提出的矩阵建模方法是否能显著提高能源枢纽优化中的计算效率？
• RQ4 在实际应用中，如何在近似精度与计算成本之间实现平衡？

主要发现

• 所提出的矩阵建模方法成功地将非线性能源枢纽组件转化为线性矩阵框架，实现了自动化建模。
• 分段线性化能够在计算开销最小的情况下，对可变能效曲线进行精确近似。
• 在案例研究中，该方法在建模精度与计算效率之间实现了良好的平衡。
• 该方法促进了具有可变能效的能源枢纽的高效运行与规划优化。
• 案例研究显示，与传统非线性方法相比，该模型在保持高精度的同时显著减少了求解时间。
• 该框架具有可扩展性，可适应各种具有复杂非线性组件的能源枢纽配置。