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[Applied Energy配套代码]- 基于图的综合能源系统高效建模方式

  • 2026-10-22 03:38:57
[Applied Energy配套代码]- 基于图的综合能源系统高效建模方式

注:模型代码链接请见文末

A graph-based formulation for modeling macro-energy systems

一种用于综合能源系统建模的图基表述方法

摘要

背景:应对气候变化需以风电、光伏替代化石能源,高比例波动性能源与多能耦合使综合能源系统建模面临时空粒度、灵活性表征等多重挑战。目的:开发兼顾建模精度、计算效率与多能耦合细节的综合能源系统建模新方法。方法:提出图基建模框架,以根树组织时间、区域、能源载体等核心集合,实现两大创新:①按能源载体差异化设置时空粒度;②按需建模能源载体在转换、存储等场景的替代性。结果:应用验证显示,该方法平均降低 70% 计算时间,能精准表征分布式储能、多能流协同等场景,系统成本评估误差可控。结论:图基方法有效平衡了建模细节与计算可行性,为高比例可再生能源综合能源系统规划提供了更高效的量化工具。

关键词:综合能源系统、图基建模、可再生能源、多能耦合、时空粒度、脱碳

一、行业痛点:综合能源系统建模的三大核心难题

波动适配难:风电、光伏的强波动性要求高时空粒度,但全系统统一高分辨率会导致计算量激增;

多能流协同难:电、热、气等跨多能耦合耦合加剧,能源载体替代关系复杂,传统模型难以精准表征;

规划平衡难:长期转型规划需兼顾技术进步与设备退役,现有模型难以兼顾长期视野与短期细节。

二、核心亮点:图基方法的两大突破性创新

亮点 1:时空粒度 “按需分配”,兼顾精度与效率

传统建模要么牺牲细节要么承受巨量计算,该方法允许按能源载体差异化设置时空粒度:例如电力按小时级建模捕捉波动,天然气按日级平衡贴合实际贸易场景(图 3)。这种差异化设计使模型在精准刻画新能源波动的同时,避免无效计算,平均减少 70% 计算时间。
图 3 能源载体根树组织示意图(图片序号为论文中序号)注:通过根树层级关系,实现不同能源载体的粒度继承与差异化设置,如天然气下属化石气、合成气等子载体可共享父级时空属性。

亮点 2:载体替代 “场景化”,精准表征多能耦合协同

不同于传统模型的固定替代关系,该方法可根据转换、存储、运输、消费等场景灵活定义能源载体替代性:例如供暖需求可由热泵或区域供热满足,但仅区域供热可纳入大规模储能系统(图 5),完美契合实际工程逻辑。
图 5 示例模型定性能量流图

注:清晰呈现气、电、热跨载体协同路径,如电解制氢、甲烷化合成气等多能流转换过程,体现图基方法对复杂耦合关系的表征能力。

额外亮点

支持技术进步量化与设备内生退役,可精准模拟光伏 - 储能一体化、电转气等新型技术的长期演化(图 7)。
图 7 示例模型运营转换容量演化趋势注:展示 2020-2040 年化石能源设备逐步退役、新能源与多能耦合技术规模化发展的过程,契合脱碳转型路径。

三、方法优劣客观看待

✅优点:

突破性解决 “高分辨率 - 低计算量” 矛盾,为大规模综合能源系统规划提供可能;

场景化替代建模更贴近工程实际,提升多能耦合协同规划精度;

开源框架 AnyMOD.jl 支持灵活扩展,降低应用门槛。

💡改进方向:

暂未考虑天气不确定性导致的新能源出力波动风险,可后续融入随机规划;

对分布式终端设备的精细化表征不足,需进一步优化小尺度场景适配性。

四、总结与展望

学术价值

建立了图基理论与综合能源系统建模的交叉范式,为复杂能源系统量化研究提供新视角;

提出的时空粒度优化算法,可迁移至电力系统、综合能源等细分领域建模。

行业前景

适用于国家、区域级脱碳能源系统规划,为政策制定提供量化支撑;

可直接应用于新能源高占比区域的电网、气网协同规划,提升系统灵活性配置效率。

未来方向

融入随机建模模块,提升对新能源不确定性的鲁棒性;

扩展工业、交通等更多场景,实现全行业脱碳路径优化;

优化分布式设备建模细节,适配城市、园区级场景应用。

参考文献

Göke L. A graph-based formulation for modeling macro-energy systems[J]. Applied Energy, 2021, 301: 117377.
开源代码链接:https://github.com/leonardgoeke/AnyMOD.jl
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