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Salavador Acha 著

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111571582

商品编码：29365055528

包装：平装-胶订

出版时间：2017-11-01

基本信息

书名：能源服务网络中的分布式能源模拟

定价：69.00元

作者：Salavador Acha

出版社：机械工业出版社

出版日期：2017-11-01

ISBN：9787111571582

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装-胶订

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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《能源服务网络中的分布式能源模拟》内容源于英国帝国理工学院BP城市能源系统项目。《能源服务网络中的分布式能源模拟》呈现了项目过程中非常有趣和创新的一部分研究成果，即围绕包括需求中心、插电式混合动力汽车、热电联产和能源服务（燃气和电力）网络在内的混合城市能源系统的运行优化开发出的复杂工具。书中对这一工具的开发过程进行了描述，通过文字描述示范了同时考虑能源系统的多个方面如何带来收益，并展示了如何将该工具与采用新技术后引发的对未来需求模式的前瞻性仿真相结合。总而言之，《能源服务网络中的分布式能源模拟》代表了向智能、高效的未来城市能源系统过渡的一个重要里程碑，可以为工程师解决复杂的跨学科能源问题提供启发和思路。

内容提要

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《能源服务网络中的分布式能源模拟》介绍了一种对含嵌入式技术的能源服务网络进行集成稳态优化的建模框架。书中开发的新模型称为时间协调优化潮流（TCOPF）模型，此模型可通过一系列必要步骤计算天然气和电力网络的优化能流，同时计算插电式混合动力汽车（PHEV）和热电联产（CHP）装置的优化调度。因此，TCOPF工具可以管理及协调配电网运营商和分布式能源之间的相互关系。
《能源服务网络中的分布式能源模拟》中对分布式能源系统应当遵循的优化调度模式进行了描述，这种模式有望改善城市能源服务网络的性能。集成建模为希望有效协调分布式能源运行与能源公用事业运营策略的利益相关方提供了一个新的视角。结尾，本书结合用于模拟PHEV行驶状况的基于agent的模型对TCOPF模型框架进行了扩展，以便更好地评估PHEV所代表的负载灵活性。
综上，为开发由多种能源基础设施与嵌入式分布式能源集成的综合模型，《能源服务网络中的分布式能源模拟》涵盖了电力系统工程师所需要关注的各类关键元素。

目录

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目 录
译者序
原书序
原书前言
缩略语表
符号表
章能源资源、基础设施和转换技术有效管理所面临的挑战1
1.1全球城市化和能源系统效率1
1.2城市能源系统的演变5
1.3能源系统的综合管理8
第2章集成建模综述12
2.1关于分布式能源的建模问题12
2.1.1分布式发电面临的挑战12
2.1.2热电联产技术对电网的影响14
2.1.3PHEV技术对电网的影响17
2.2模拟多能源网络的方法22
2.2.1多联产分析22
2.2.2综合能源运输系统22
2.2.3能源枢纽建模23
2.2.4天然气和电力的一体化研究24
第3章能源服务网络建模26
3.1电网建模26
3.1.1电力系统的基本原理26
3.1.2定义电力潮流问题27
3.1.3节点公式和导纳矩阵28
3.2天然气网络建模31
3.2.1天然气系统的基本原理31
3.2.2定义天然气潮流问题32
3.2.3节点公式和关联矩阵33
3.3能源服务网络类比36
3.3.1部件和变量的建模36
3.3.2牛顿-拉夫逊算法37
3.3.2.1电力系统的雅可比矩阵38
3.3.2.2天然气系统的雅可比矩阵39
3.3.2.3潮流总结41
第4章能源服务网络中嵌入式技术的建模43
4.1有载分接开关（OLTC）变压器的建模43
4.1.1OLTC变压器的基本原理43
4.1.2OLTC模型方程45
4.2压缩机站建模47
4.2.1压缩机站的基本原理47
4.2.2压缩机模型方程48
4.3热电联产技术建模49
4.3.1热电联产机组的基本原理49
4.3.2含热电联产天然气网络的节点公式56
4.3.3储热管理方程58
4.4PHEV技术建模60
4.4.1PHEV的基本原理60
4.4.2含PHEV电网的节点公式68
4.4.3电化学储能管理方程70
第5章能源服务网络的时序优潮流73
5.1TCOPF问题概述73
5.1.1问题描述73
5.1.2优化求解75
5.1.3TCOPF工具的输入数据和假设77
5.2TCOPF的目标函数78
5.2.1即插即忘78
5.2.2燃料成本78
5.2.3能量损失78
5.2.4能源成本79
5.2.5综合目标79
5.3TCOPF的数学公式79
5.3.1目标函数的公式79
5.3.1.1即插即忘情景80
5.3.1.2燃料成本小化情景80
5.3.1.3能量损失小化情景80
5.3.1.4能源成本小化情景80
5.3.1.5多目标小化情景（如现货价格成本与排放成本）81
5.3.2约束条件82
5.3.2.1关于电网82
5.3.2.2关于天然气网82
5.3.2.3关于嵌入电网的PHEV83
5.3.2.4关于嵌入天然气网络的热电联产装置83
5.3.3TCOPF问题和求解的特性84
第6章能源服务网络中的分布式能源优化：案例分析86
6.1TCOPF能源服务网络案例研究86
6.1.1输入数据和假设86
6.1.2案例研究和能源系统参数的说明89
6.2技术-经济性结果93
6.2.1概述93
6.2.2集成与非集成系统94
6.2.3天然气网络96
6.2.4热电联产技术100
6.2.5电网107
6.2.6PHEV技术110
6.3结果综述116
第7章能源服务网络中电动汽车流动性的建模119
7.1PHEV流动性的建模119
7.1.1建模方法119
7.2基于agent的模型与潮流模型的综合120
7.2.1车辆基于agent的模型121
7.2.2PHEV的优化潮流公式122
7.2.2.1PHEV充电成本小化情景123
7.3PHEV充电的ABM-TCOPF案例研究124
7.3.1输入数据和假设124
7.3.1.1驾驶员资料124
7.3.1.2PHEV特性124
7.3.1.3城市布局124
7.3.1.4电力负载资料和网络特性125
7.3.2案例研究和能源系统参数126
7.4技术-经济性结果127
7.4.1基于agent的模型结果127
7.4.2优化潮流模型结果130
第8章结束语134
8.1总结和贡献134
8.2研究的受益者136
8.3未来的研究方向137
附录139
附录A城市群数据139
附录B英国的能流分析140
附录C电力负载潮流代码142
附录D天然气负载潮流代码145
附录E有载分接开关偏导数147
附录F标幺值148
附录GKKT优化条件149
附录H牛顿迭代法149
参考文献151

作者介绍

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Salvador Acha 是英国帝国理工学院的研究员，也是帝国理工-森宝利集团合作研究团队的带头人。该合作旨在达成两个目标：在超市实施智能控制以提高能效，同时通过整体的能源投资决策可持续地减少森宝利的碳足迹。团队主要围绕能效策略、能源模拟及预测、低碳路线图进行研究。Acha博士的研究领域包括智能电网架构、插电式混合动力汽车推广、分布式能源资源优化管理、能源预测和环境报告。

文摘

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序言

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能源服务网络中的分布式能源模拟：一种深入洞察与前瞻性研究 本書旨在探討當代能源系統面臨的關鍵挑戰，並為理解和優化日益增長的分布式能源（DERs）的集成與管理，提供一套強有力的模擬工具與理論框架。随着全球能源轉型步伐的加快，化石燃料的局限性日益凸顯，而可再生能源（如太陽能、風能）的普及，以及電動汽車、儲能設備等新型負載的湧現，正深刻地重塑著傳統的能源供應模式。在這一變革浪潮中，分布式能源服務網絡（DESNs）的概念應運而生，它代表了一種更加靈活、高效、可持續的能源生產、分配與消費方式。 第一章：引言與研究背景 本章將從宏觀層面勾勒出當前全球能源格局的演變趨勢。我們將首先分析傳統集中式能源系統的固有弊端，例如對單一能源來源的依賴、輸配電損耗、以及在應對突發事件時的脆弱性。隨後，本章將詳細闡述分布式能源的興起及其對能源系統的顛覆性影響。這包括對太陽能光伏、風力發電、小型水電、生物質能等主要分布式發電技術的發展現狀與潛力進行介紹，同時也將探討儲能技術（如電池儲能、抽水蓄能）在平抑可再生能源間歇性、提高電網彈性方面的重要作用。 更重要的是，本章將聚焦於“分布式能源服務網絡”的核心概念。它不僅僅是物理層面的設備連接，更是一種在市場機制、信息技術和智能控制共同作用下的新型能源運營模式。DESNs能夠促進能量的本地化生產與消納，降低對中心化電網的依賴，並為消費者提供更多元的能源選擇和更精細化的能源管理服務。然而，DESNs的複雜性與動態性也帶來了前所未有的挑戰，包括如何準確預測 DERs 的出力、如何優化調度分散的資源、如何評估其對電網穩定性的影響、以及如何構建有效的市場機制來激勵參與者等。 面對這些挑戰，模擬技術成為了理解、分析和預測 DESNs 行為的關鍵工具。本章將強調，缺乏有效的模擬手段，將難以對 DESNs 的潛力進行充分挖掘，也難以制定科學合理的發展策略。因此，本研究的出發點，正是要為 DESNs 的深入研究和實際應用，提供一套全面、精準的模擬方法論。 第二章：分布式能源模型的構建 本章將深入探討構建各類分布式能源模型的核心要素。我們將從獨立的 DER 單元模型開始，例如： 太陽能光伏（PV）模型： 介紹影響 PV 發電量的主要因素，包括日照強度、溫度、組件效率、陰影遮擋等。將闡述不同複雜度的 PV 模型，從簡單的基於功率曲線的模型，到考慮了光伏陣列內部串並聯關係、組件性能衰減、MPPT（最大功率點跟蹤）算法的更精確模型。 風力發電（WT）模型： 分析風速、風向、空氣密度、渦輪機特性曲線（功率曲線）、葉片角度、以及風輪機的安裝高度和場地地形對發電量的影響。將介紹不同風輪機模型，從基於功率曲線的宏觀模型，到考慮氣動、機械、電氣耦合的微觀模型。 儲能系統（ESS）模型： 闡述不同類型儲能技術（如鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、飛輪儲能、抽水蓄能）的充放電特性、效率、功率限制、能量容量、循環壽命、以及溫度依賴性。將重點介紹電池儲能系統的電化學模型、等效電路模型，以及其在充放電過程中的損耗與性能衰減。 電動汽車（EV）模型： 闡述 EV 的充電行為（包括充電功率、充電時間、充電策略）、電池容量、能量消耗模型、以及 V2G（Vehicle-to-Grid）或 V2H（Vehicle-to-Home）的調度潛力。將分析 EV 數量、充電樁普及率、車主充電習慣等因素對能源需求的影響。 傳統發電設備模型： 為了與 DERs 形成對比和互補，也將介紹小型燃氣輪機、柴油發電機等傳統分布式發電設備的性能模型，包括其啟停特性、燃料消耗率、以及響應速度。 在構建了單個 DER 單元的基礎模型後，本章將進一步探討如何將這些模型進行協同與集成，形成更複雜的 DESN 結構。這包括： 網絡拓撲的建模： 如何表徵 DERs 的空間分佈、連接關係，以及與現有電網的交互方式。這將涉及圖論、網絡分析等工具的應用。 通信與控制模型的集成： 描述 DERs 之間、DERs 與控制中心之間的信息交換方式、控制信號傳遞過程，以及響應延遲。 市場機制的模擬： 如何將 DERs 的行為映射到能量市場、輔助服務市場等，以及參與者如何根據市場信號進行決策。 第三章：分布式能源網絡模擬方法的設計 本章將深入剖析構建一套有效的 DESN 模擬系統所需要採用的關鍵方法論。 首先，我們將介紹時間序列模擬。這是一種基本的模擬方法，用於在不同時間步長下，追蹤 DESN 的狀態變化。這包括： 離散時間模擬： 在每個時間步長，計算 DERs 的出力、負載需求、網絡潮流、以及各種狀態變量。 連續時間模擬： 在某些場景下，可能需要採用更精密的連續時間模型，以捕捉系統快速動態的響應。 其次，本章將重點探討基於代理的建模（Agent-Based Modeling, ABM）。在 DESN 中，每一個 DER 單元（如一個 PV 系統、一個儲能單元、一個 EV 群體）或甚至是一個用戶，都可以被視為一個自主的“代理”，擁有自己的決策規則和交互機制。ABM 的優勢在於： 靈活性與可擴展性： 能夠模擬大量異構體的複雜互動，無需預先定義所有參與者的全局行為。 涌現性： 可以從個體代理的行為中觀察到宏觀系統層面的涌現現象，這是傳統自上而下的模型難以捕捉的。 再現性： 能夠模擬不同情境下的系統行為，並進行比較分析。 我們將詳細闡述如何設計代理的決策邏輯，例如基於預測的充電/放電策略、基於價格的響應機制、基於電網信號的調度指令等。 接著，本章將介紹優化算法的應用。為了實現 DESN 的高效運行，需要對其中的資源進行優化調度。這包括： 數學規劃模型： 如線性規劃（LP）、混合整數規劃（MIP）、二次規劃（QP）等，用於求解短期或長期的調度問題，例如電池充放電計劃、電力市場出清等。 啟發式算法： 如遺傳算法（GA）、粒子群優化（PSO）、模擬退火（SA）等，用於處理大規模、非線性的複雜優化問題，特別是在實時調度中。 預測控制技術： 如模型預測控制（MPC），結合預測信息，通過滾動優化來制定控制策略，以應對 DERs 的不確定性和動態性。 此外，本章還將討論不確定性分析。由於 DERs 的間歇性、負載的波動性以及市場價格的變動，DESN 的運行 inherently 帶有不確定性。我們將介紹： 蒙特卡洛模擬： 通過多次隨機抽樣，評估不確定性對系統性能的影響。 情景分析： 創建不同未來情景，評估 DESN 在這些情景下的魯棒性。 風險評估： 量化系統面臨的各種風險，如電力短缺、價格波動等。 最後，本章將探討數據處理與預處理。高質量的數據是模擬準確性的基石。本章將介紹： 數據採集與管理： 如何從 DERs、電網、市場等來源獲取數據。 數據清洗與驗證： 如何處理缺失值、異常值，確保數據的質量。 特徵工程： 如何從原始數據中提取有用的特徵，以提高模型的預測精度。 第四章：模擬平台的構建與實施 本章將指導讀者如何從理論走向實踐，構建一個功能齊全的 DESN 模擬平台。 首先，我們將討論平台架構的設計。一個靈活、模塊化的架構對於適應不斷變化的 DESN 需求至關重要。這將包括： 核心模擬引擎： 負責時間序列演進、狀態計算、約束檢查等。 模型庫： 包含各種 DERs、負載、網絡組件的預定義模型。 控制器模塊： 集成各種調度、優化、控制算法。 數據管理接口： 處理輸入數據、保存模擬結果。 可視化工具： 用於展示模擬過程和結果。 其次，我們將介紹可選的模擬軟件工具與編程語言。基於不同的需求和資源，可以選擇不同的工具組合： 通用模擬軟件： 如 MATLAB/Simulink、Python（及其科學計算庫 NumPy, SciPy, Pandas）、Julia 等，提供了豐富的數學計算和建模能力。 專用能源模擬軟件： 如 OpenDSS、Pandapower、MATPOWER 等，針對電力系統分析有專門的優化。 基於代理的建模平台： 如 NetLogo、Mesa 等。 本章將提供一些具體的代碼示例和實現思路，幫助讀者快速上手。 接著，我們將重點闡述模型的驗證與校準。一個準確的模擬模型必須經過嚴格的驗證。這包括： 與歷史數據的對比： 使用真實的歷史數據，對模擬結果進行驗證，評估模型的準確性。 與實際系統的比較： 在條件允許的情況下，與實際運行中的 DESN 進行比較，以驗證模型的有效性。 敏感性分析： 評估不同輸入參數的變化對模擬結果的影響，從而理解模型的敏感區域。 校準過程： 如何根據驗證結果，調整模型參數，使其更貼近實際。 隨後，本章將討論大規模 DESN 的模擬挑戰。隨著 DERs 數量的增加，模擬計算的複雜性呈指數級增長。我們將介紹： 並行計算與分布式計算： 利用多核處理器或多台計算機，加速模擬過程。 模型降階與抽象化： 在保證一定精度的前提下，簡化複雜模型的計算量。 離線與在線模擬結合： 將計算量大的離線預測與計算量小的在線調度相結合。 最後，本章將展示案例研究的設計。通過設定不同的場景和目標，來驗證模擬平台的實用性。例如： 城市級 DESN 的模擬： 分析大規模 PV、EV 集成對城市配電網的影響。 微電網的模擬： 研究微電網在孤島運行模式下的穩定性與經濟性。 虛擬電廠（VPP）的模擬： 模擬 VPP 如何聚合 DERs，為電網提供服務。 第五章：分布式能源網絡模擬的應用與展望 本章將總結 DESN 模擬的廣泛應用，並展望未來研究方向。 首先，我們將闡述 DESN 模擬在系統規劃與運營中的核心作用。 資源規劃： 幫助決策者預測不同 DERs 的部署規模、儲能需求、以及網絡升級需求，以支持長期發展戰略。 運行優化： 指導實時調度，最大化可再生能源利用率，最小化運營成本，保證電網安全穩定。 風險評估與管理： 預測潛在的系統故障、電力短缺、價格波動等風險，並制定應對措施。 政策與市場設計： 模擬不同政策和市場機制的效果，為監管機構提供決策依據。 其次，本章將探討 DESN 模擬在學術研究中的價值。 理論驗證： 為新的控制策略、優化算法、市場模型提供一個驗證的平台。 新技術評估： 評估新興 DERs、儲能技術、或智能化技術在 DESN 中的潛力。 複雜系統分析： 深入理解 DERs 之間、DERs 與電網之間的複雜互動關係。 接著，我們將討論 DESN 模擬在工業應用中的潛力。 智能電網運營商： 用於電網狀態監測、故障診斷、預測性維護。 能源服務公司（ESCOs）： 用於優化其提供的能源服務，提高客戶滿意度。 設備製造商： 用於評估其產品在不同 DESN 環境下的性能。 金融機構： 用於評估與能源相關的投資風險。 最後，本章將對 DESN 模擬的未來發展趨勢進行展望。 與人工智能（AI）和機器學習（ML）的深度融合： 利用 AI/ML 技術提升預測精度，開發更智能的調度算法，實現更強大的故障診斷與恢復能力。 數字孿生（Digital Twin）的構建： 創建高度精確的 DESN 實時數字孿生，實現端到端的模擬、監控與優化。 多能源耦合系統的模擬： 將電力、熱力、天然氣等不同能源網絡進行統一模擬，以實現整體系統的協同優化。 網絡安全與隱私保護： 在模擬中融入網絡安全考量，研究 DESN 面臨的網絡攻擊及其防禦策略，同時關注數據隱私問題。 更加精細化的用戶行為建模： 模擬不同用戶群體的行為差異，以及這些行為對 DESN 的影響。 國際化與標準化： 推動 DESN 模擬的國際化合作與標準化，促進技術的普及與應用。 本書通過對 DESN 模擬方法的深入探討，旨在為讀者提供一套系統性的知識體系和實踐指南，以更好地理解、設計和管理未來的能源服務網絡。這不僅是一本技術書籍，更是一份對可持續能源未來的重要洞察。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计有一种莫名的吸引力，柔和的蓝色渐变搭配抽象的能量粒子图案，营造出一种未来感和科技感。我之所以会注意到它，很大程度上是因为书名本身——“能源服务网络中的分布式能源模拟”。这个名字听起来就充满了深度和前沿性，让我联想到那些关于智慧城市、可持续发展和新能源技术的高端研讨会。尽管我对“分布式能源”和“模拟”这两个词的具体含义还不甚了解，但“能源服务网络”这个词组却勾勒出了一个庞大而复杂的系统图景，我忍不住好奇，在这样一个网络中，如何才能有效地模拟和管理那些分散在各处的能源点呢？这本书会不会像一个指南，带领我们走进这个前沿的领域，揭示其运作的奥秘？书名本身就充满了未知的吸引力，让我对内容充满期待，想知道作者是如何将如此宏大的主题具象化，并通过模拟这个工具来探索其内在规律的。

评分☆☆☆☆☆

乍一看《能源服务网络中的分布式能源模拟》这个书名，我的第一反应是它可能是一本非常技术性的书籍，可能充斥着大量的公式和图表。然而，“能源服务网络”这个词组又让我联想到的是一种全新的服务模式，一种将能源供应变得更加灵活和个性化的方式。我推测这本书可能不仅仅是关于技术层面的模拟，它或许还会探讨这种分布式能源模式如何改变我们传统的能源消费习惯，以及如何通过网络化的服务来优化用户体验。我好奇作者是否会讨论一些实际的案例研究，展示分布式能源在不同地区、不同场景下的应用效果，以及模拟在其中扮演的关键角色。这本书是否能够帮助我理解，在未来，我们如何通过智能化的网络，享受到更加便捷、高效、甚至定制化的能源服务？

评分☆☆☆☆☆

从书名来看，这本《能源服务网络中的分布式能源模拟》似乎是一本极具学术价值的专著。我通常不太涉足这类专业性强的书籍，但“模拟”这个词引起了我的兴趣。我曾经阅读过一些关于金融市场模拟、交通流量模拟的书籍，它们都以一种严谨而有趣的方式，将复杂的现实问题简化，并通过模型来分析和预测。因此，我很好奇作者将如何运用模拟技术来剖析能源服务网络中的分布式能源问题。这本书会不会详细介绍各种模拟工具和方法论？它是否会涉及一些数学模型、统计学原理，甚至是人工智能技术来驱动这些模拟？我脑海中浮现出的是作者坐在电脑前，搭建起一个庞大的虚拟能源系统，然后通过反复的运行和调整，来探索最佳的能源调度策略，或是评估不同技术方案的优劣。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名，就像一本打开了通往未知世界大门的钥匙。“能源服务网络”听起来像一个巨大的、相互连接的系统，而“分布式能源”则描绘了其组成部分的多样性和分散性。我很好奇，作者将如何在这个复杂的网络中，通过“模拟”这个手段来阐释它们之间的相互作用。这本书会不会包含大量的数据分析和图表？我是否能够通过它，理解不同类型的分布式能源（比如太阳能、风能、储能设备）是如何协同工作的？我脑海中勾勒出的是一个充满计算和逻辑的世界，作者用他精密的计算和严谨的逻辑，为我们构建了一个理解这个复杂系统的框架。它也许不是一本轻松读物，但对于希望深入了解能源领域专业知识的人来说，无疑是宝藏。

评分☆☆☆☆☆

我一直对未来能源的走向非常感兴趣，尤其是当看到新闻里提到各种分布式能源解决方案时，比如屋顶太阳能、小型风力发电机，甚至是一些更具创新性的微型发电技术。这些技术的发展确实让人看到了摆脱传统集中式能源的希望，但随之而来的问题也显而易见：如何将这些分散的能源有效地整合进现有的能源网络？如何保证供电的稳定性和可靠性？“能源服务网络中的分布式能源模拟”这个书名，恰恰点出了问题的核心。我设想这本书会深入探讨如何构建这样一个智能的网络，通过先进的模拟技术来预测能源的生产和消耗，优化资源的配置，以及应对可能出现的各种突发状况。或许它会介绍一些具体的模拟模型和算法，展示如何在计算机上搭建一个虚拟的能源系统，从而在现实世界大规模应用之前，对其进行充分的测试和验证。