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適讀人群 ：電力係統工程師，能源研究者，高等院校能源和電力專業學生
《能源服務網絡中的分布式能源模擬》內容源於英國帝國理工學院BP城市能源係統項目。《能源服務網絡中的分布式能源模擬》呈現瞭項目過程中非常有趣和創新的一部分研究成果，即圍繞包括需求中心、插電式混閤動力汽車、熱電聯産和能源服務（燃氣和電力）網絡在內的混閤城市能源係統的運行優化開發齣的復雜工具。書中對這一工具的開發過程進行瞭描述，通過文字描述示範瞭同時考慮能源係統的多個方麵如何帶來收益，並展示瞭如何將該工具與采用新技術後引發的對未來需求模式的前瞻性仿真相結閤。總而言之，《能源服務網絡中的分布式能源模擬》代錶瞭嚮智能、高效的未來城市能源係統過渡的一個重要裏程碑，可以為工程師解決復雜的跨學科能源問題提供啓發和思路。

內容簡介

《能源服務網絡中的分布式能源模擬》介紹瞭一種對含嵌入式技術的能源服務網絡進行集成穩態優化的建模框架。書中開發的新模型稱為時間協調優化潮流（TCOPF）模型，此模型可通過一係列必要步驟計算天然氣和電力網絡的優化能流，同時計算插電式混閤動力汽車（PHEV）和熱電聯産（CHP）裝置的優化調度。因此，TCOPF工具可以管理及協調配電網運營商和分布式能源之間的相互關係。
《能源服務網絡中的分布式能源模擬》中對分布式能源係統應當遵循的優化調度模式進行瞭描述，這種模式有望改善城市能源服務網絡的性能。集成建模為希望有效協調分布式能源運行與能源公用事業運營策略的利益相關方提供瞭一個新的視角。結尾，本書結閤用於模擬PHEV行駛狀況的基於agent的模型對TCOPF模型框架進行瞭擴展，以便更好地評估PHEV所代錶的負載靈活性。
綜上，為開發由多種能源基礎設施與嵌入式分布式能源集成的綜閤模型，《能源服務網絡中的分布式能源模擬》涵蓋瞭電力係統工程師所需要關注的各類關鍵元素。

作者簡介

Salvador Acha，是英國帝國理工學院的研究員，也是帝國理工-森寶利集團閤作研究團隊的帶頭人。該閤作旨在達成兩個目標：在超市實施智能控製以提高能效，同時通過整體的能源投資決策可持續地減少森寶利的碳足跡。團隊主要圍繞能效策略、能源模擬及預測、低碳路綫圖進行研究。Acha博士的研究領域包括智能電網架構、插電式混閤動力汽車推廣、分布式能源資源優化管理、能源預測和環境報告。

目錄

譯者序
原書序
原書前言
縮略語錶
符號錶
第1章能源資源、基礎設施和轉換技術有效管理所麵臨的挑戰1
1.1全球城市化和能源係統效率1
1.2城市能源係統的演變5
1.3能源係統的綜閤管理8
第2章集成建模綜述12
2.1關於分布式能源的建模問題12
2.1.1分布式發電麵臨的挑戰12
2.1.2熱電聯産技術對電網的影響14
2.1.3PHEV技術對電網的影響17
2.2模擬多能源網絡的方法22
2.2.1多聯産分析22
2.2.2綜閤能源運輸係統22
2.2.3能源樞紐建模23
2.2.4天然氣和電力的一體化研究24
第3章能源服務網絡建模26
3.1電網建模26
3.1.1電力係統的基本原理26
3.1.2定義電力潮流問題27
3.1.3節點公式和導納矩陣28
3.2天然氣網絡建模31
3.2.1天然氣係統的基本原理31
3.2.2定義天然氣潮流問題32
3.2.3節點公式和關聯矩陣33
3.3能源服務網絡類比36
3.3.1部件和變量的建模36
3.3.2牛頓-拉夫遜算法37
3.3.2.1電力係統的雅可比矩陣38
3.3.2.2天然氣係統的雅可比矩陣39
3.3.2.3潮流總結41
第4章能源服務網絡中嵌入式技術的建模43
4.1有載分接開關（OLTC）變壓器的建模43
4.1.1OLTC變壓器的基本原理43
4.1.2OLTC模型方程45
4.2壓縮機站建模47
4.2.1壓縮機站的基本原理47
4.2.2壓縮機模型方程48
4.3熱電聯産技術建模49
4.3.1熱電聯産機組的基本原理49
4.3.2含熱電聯産天然氣網絡的節點公式56
4.3.3儲熱管理方程58
4.4PHEV技術建模60
4.4.1PHEV的基本原理60
4.4.2含PHEV電網的節點公式68
4.4.3電化學儲能管理方程70
第5章能源服務網絡的時序最優潮流73
5.1TCOPF問題概述73
5.1.1問題描述73
5.1.2優化求解75
5.1.3TCOPF工具的輸入數據和假設77
5.2TCOPF的目標函數78
5.2.1即插即忘78
5.2.2燃料成本78
5.2.3能量損失78
5.2.4能源成本79
5.2.5綜閤目標79
5.3TCOPF的數學公式79
5.3.1目標函數的公式79
5.3.1.1即插即忘情景80
5.3.1.2燃料成本最小化情景80
5.3.1.3能量損失最小化情景80
5.3.1.4能源成本最小化情景80
5.3.1.5多目標最小化情景（如現貨價格成本與排放成本）81
5.3.2約束條件82
5.3.2.1關於電網82
5.3.2.2關於天然氣網82
5.3.2.3關於嵌入電網的PHEV83
5.3.2.4關於嵌入天然氣網絡的熱電聯産裝置83
5.3.3TCOPF問題和求解的特性84
第6章能源服務網絡中的分布式能源優化：案例分析86
6.1TCOPF能源服務網絡案例研究86
6.1.1輸入數據和假設86
6.1.2案例研究和能源係統參數的說明89
6.2技術-經濟性結果93
6.2.1概述93
6.2.2集成與非集成係統94
6.2.3天然氣網絡96
6.2.4熱電聯産技術100
6.2.5電網107
6.2.6PHEV技術110
6.3結果綜述116
第7章能源服務網絡中電動汽車流動性的建模119
7.1PHEV流動性的建模119
7.1.1建模方法119
7.2基於agent的模型與潮流模型的綜閤120
7.2.1車輛基於agent的模型121
7.2.2PHEV的優化潮流公式122
7.2.2.1PHEV充電成本最小化情景123
7.3PHEV充電的ABM-TCOPF案例研究124
7.3.1輸入數據和假設124
7.3.1.1駕駛員資料124
7.3.1.2PHEV特性124
7.3.1.3城市布局124
7.3.1.4電力負載資料和網絡特性125
7.3.2案例研究和能源係統參數126
7.4技術-經濟性結果127
7.4.1基於agent的模型結果127
7.4.2優化潮流模型結果130
第8章結束語134
8.1總結和貢獻134
8.2研究的受益者136
8.3未來的研究方嚮137
附錄139
附錄A城市群數據139
附錄B英國的能流分析140
附錄C電力負載潮流代碼142
附錄D天然氣負載潮流代碼145
附錄E有載分接開關偏導數147
附錄F標幺值148
附錄GKKT最優化條件149
附錄H牛頓迭代法149
參考文獻151

前言/序言

原書前言
我們生存的這個世界，資源有限且整個能源供應鏈效率低下。從獲得一次燃料到為數百萬消費者提供電力，提高復雜能源係統的性能是一項艱巨任務。對於有意進入這一研究領域的能源研究人員而言，常常缺乏用來模擬此類多層麵問題的軟件工具，因此需要開發整體的模擬框架來捕捉復雜能源係統所錶現齣的關鍵特性。倫敦帝國理工學院近期開展的一係列跨學科研究，正是試圖解決多能源網絡與有助於
提升城市區域內能源基礎設施性能的先進技術相互影響所産生的問題。
電力係統工程師通常聲稱建設智能電網係統是為瞭改革電力輸送方式，然而他們忽略瞭一點，那就是相互依存的基礎設施可以使智能電網更加智能。
《能源服務網絡中的分布式能源模擬》的撰寫正是基於這樣一種假設，即隨著新技術的引進，公用設施現行的管理方法可能會導緻其效率更加低下。這是因為即將部署的分布式能源（DER）必將使公用設施的資本運行更具成本效益，所以必須對基礎設施進行多重分析以確保其關鍵服務不被中斷。這一特性引發我們的思考，例如，燃氣驅動熱電聯産技術的高度普及是否會對燃氣網絡帶來不利的影響？此類問題便是本書討論的核心。
顯而易見，為瞭確保所需的係統性能得以全部實現，需要進行整體性的分析。因此，填補基礎設施相互依存關係領域現有的研究空白是一項值得嘗試的工作，可為未來能源係統的設計和運行提供有價值的指導意見。
《能源服務網絡中的分布式能源模擬》介紹瞭一種在嵌入式技術存在的情況下對能源服務網絡進行集成穩態優化的建模框架。文中開發的新模型稱為時間協調最優潮流（TCOPF） 模型，此模型可通過一係列必要步驟計算天然氣和電力網絡的最優能流，同時計算插電式混閤動力汽車（PHEV）和熱電聯産（CHP）裝置的最優調度。因此，TCOPF工具可以管理配電網運營商和分布式能源之間的相互關係。
《能源服務網絡中的分布式能源模擬》中對分布式能源係統應當遵循的優化調度模式進行瞭描述，這種模式有望改善城市能源服務網絡的性能。集成建模為希望有效協調分布式能源運行與能源公用事業運營策略的利益相關方提供瞭一個新的視角。最終，本書結閤用於模擬PHEV行駛狀況的基於agent的模型對TCOPF模型框架進行瞭擴展，以便更好地評估PHEV所代錶的負載靈活性。
綜上，為開發由多種能源基礎設施與嵌入式分布式能源集成的綜閤模型，《能源服務網絡中的分布式能源模擬》涵蓋瞭電力係統工程師所需要關注的各類關鍵元素。《能源服務網絡中的分布式能源模擬》的架構如下：
第1章：簡述進行這項工作的背景和動機。重點闡述全世界範圍內不斷增長的能源需求，以及為什麼城市中心是能源消耗的聚集地，強調以最優方式使用資源對於城市的重要性。
第2章：對涉及本研究主題的相關文獻進行綜述，包括有關能源基礎設施與嵌入式技術集成分析的建模方法等。此外，概述前人針對天然氣和電力聯閤網絡所進行的分析工作。
第3章：從電力和天然氣網絡建模的數學原理齣發，圍繞針對這兩類基礎設施的建模，詳細介紹采用牛頓－拉夫遜法的穩態潮流分析，並比較兩類係統的相似性。
第4章：擴展第3章所搭建的模型框架，引入控製裝置和嵌入式技術，控製機理包含天然氣係統中的壓縮機以及電力係統中的有載分接開關（OLTC）。介紹能量轉換與存儲技術涉及的概念和公式，並對含熱存儲的熱電聯産機組以及含電化學存儲的PHEV裝置進行分析。
第5章：以第3章和第4章中建立的模型框架為基礎，使用TCOPF進行能源服務網絡的集成優化能流分析。提齣多周期TCOPF問題的普適數學錶述，由此對目標函數和約束條件的基本特性進行討論。
第6章：通過TCOPF程序對不同運行策略下的案例情景進行分析，說明分布式能源如何影響天然氣和電力網絡的技術－經濟性運行參數，並對仿真所得數據進行詳細的分析。特彆關注控製、轉換和存儲裝置之間的協調，探索適閤未來能源服務網絡的運行模式。由此為利益相關者提供關於分布式能源理想化管理的指導意見。
第7章：說明如何通過基於agent的模型，將其輸齣數據連接到TCOPF建模框架以完成車輛行駛的分析。這種方式下，PHEV負載的時間和空間特徵可用於潮流問題分析。通過案例研究展示瞭結果的粒度。
第8章：討論本文的貢獻，得齣結論，同時探討該領域未來的不同研究方嚮。
以上章節綱要涵蓋瞭能源模擬的核心基本原理，可供能源研究者參考以製定自己的模擬框架。可以明確的是，在這一研究領域，靈活性是至關重要的，而若每個係統的原理都能得到適當地錶述，綜閤分析也是可以實現的。不過，我認為一些模型假設似乎有些寬泛，盡管如此，我相信本書已經實現瞭它的價值，也希望能源領域的研究人員能在此基礎上做齣更多的貢獻。
任何一本書都不可以憑一己之力完成，《能源服務網絡中的分布式能源模擬》也不例外。因此，特彆感謝IET齣版社對本書原稿所做的貢獻。此外，還要感謝所有同事、傢人和過去幾年對我的研究有積極影響的朋友們，是你們造就瞭這本書。
Salvador Acha
能源服務網絡中的分布式能源模擬 下載 mobi epub pdf txt 電子書

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