本文属于类型a，以下为学术报告内容：

本文的主要作者包括Tianhao Liu、Dongdong Zhang、Shuyao Wang和Thomas Wu，分别来自香港大学电气与电子工程系、西安交通大学电气工程学院、田纳西大学电气工程与计算机科学系以及中佛罗里达大学电气与计算机工程系。该研究发表在《Energy Conversion and Management》期刊上，于2019年1月3日在线发布。

学术背景

本研究的主要科学领域是多载体能源系统（Multi-Carrier Energy Systems, MES）的建模与优化。随着能源与信息技术的融合，多载体能源系统的发展受到了广泛关注。然而，复杂的能源枢纽模型（Energy Hub, EH）在耦合矩阵的构建和运行状态优化方面存在较大难度。传统方法在处理大规模系统时计算负担较重，且难以保证全局最优解。因此，本研究旨在提出一种高效的标准化多步建模方法，并结合线性化优化技术，以简化复杂能源枢纽模型的构建与优化过程。

研究背景知识包括能源枢纽模型的概念及其在多载体能源系统中的应用。能源枢纽模型由瑞士联邦理工学院于2007年提出，用于描述能源输入、输出、存储及耦合关系。该模型通过耦合矩阵将输入能源与输出能源结合，广泛应用于多载体能源系统的优化运行和规划研究中。然而，随着系统中设备数量的增加，耦合矩阵的计算变得复杂，且优化问题通常具有非线性特性，难以求解。

本研究的目标是提出一种标准化的多步建模方法，将复杂能源枢纽模型分解为多个简单能源枢纽模型，并通过变量替换技术将非线性优化问题转化为线性规划问题，从而显著降低计算负担，并保证全局最优解的获得。

研究流程

本研究的主要流程包括以下几个步骤：

1. 复杂能源枢纽模型的分解
   首先，通过节点排列和虚拟节点插入方法，将复杂能源枢纽模型分解为多个简单能源枢纽模型。每个简单能源枢纽模型的耦合矩阵可以独立构建，复杂能源枢纽模型的耦合矩阵则通过各简单能源枢纽模型耦合矩阵的乘积获得。
   研究对象为广州市某居民区的能源系统，包括变压器、热电联产机组、锅炉、电加热器、压缩式制冷机、吸收式制冷机、热储能装置、电储能装置等设备。通过图论方法，将能源系统中的设备表示为节点，能量流表示为分支，构建了复杂能源枢纽模型的有向图。

2. 虚拟节点插入与节点排列
   对于无法直接分解的复杂能源枢纽模型，采用节点排列和虚拟节点插入方法，将模型转化为可分解的形式。具体步骤包括：

   • 根据能量流的到达顺序排列节点；
     
   • 在分支的起始点和终点之间插入虚拟节点，确保各步骤的节点数量一致；
     
   • 重新组织节点（包括虚拟节点）以完成模型的分解。

3. 耦合矩阵的构建与线性化
   每个简单能源枢纽模型的耦合矩阵通过变量替换技术转化为线性形式。具体方法为：

   • 将非线性表达式中的变量替换为新的线性变量；
     
   • 通过变量替换，将复杂的非线性优化问题转化为线性规划问题。
     该方法避免了传统方法中因调度因子（dispatch factors）引入的非线性问题，显著提高了计算效率。

4. 能源存储与需求响应的集成
   在能源枢纽模型中集成了能源存储和需求响应功能。能源存储设备可以作为额外的输入能源，其位置可以任意设置在能源枢纽模型的任何位置。需求响应包括两种类型：

   • 在不同时间间隔内灵活调整能源负荷；
     
   • 将负荷从一种能源形式转移到另一种能源形式。
     通过引入需求响应，能源系统可以在高峰时段减少负荷，从而降低运行成本。

5. 案例研究与优化计算
   以广州市某居民区为案例，研究了夏季典型日的能源系统优化运行。通过GAMS软件对四种不同场景进行优化计算，包括：

   • 场景1：不考虑能源存储和需求响应；
     
   • 场景2：仅考虑能源存储；
     
   • 场景3：仅考虑需求响应；
     
   • 场景4：同时考虑能源存储和需求响应。
     优化目标为最小化能源总成本，约束条件包括能源转换设备容量、能源存储设备的充放电速率及状态等。

主要结果

1. 复杂能源枢纽模型的分解与耦合矩阵构建
   通过多步建模方法，成功将复杂能源枢纽模型分解为11个简单能源枢纽模型，并构建了各简单模型的耦合矩阵。通过变量替换技术，将非线性优化问题转化为线性规划问题，显著降低了计算负担。

2. 能源存储与需求响应的优化效果
   在场景2和场景4中，能源存储设备的引入显著降低了能源系统的运行成本。特别是在高峰时段，能源存储设备通过放电减少了电力需求，从而降低了电力购买成本。在场景3和场景4中，需求响应的实施使得能源负荷从高峰时段转移到低谷时段，进一步降低了运行成本。

3. 可再生能源的利用
   光伏和太阳能热系统的引入显著降低了能源系统的运行成本。在白天时段，可再生能源满足了部分能源需求，减少了对电网和天然气的依赖。

4. 计算效率与全局最优解
   与传统非线性计算方法相比，本文提出的线性化方法显著提高了计算效率，计算时间减少了约95%。此外，该方法能够保证获得全局最优解，而传统方法在某些复杂场景下难以找到初始可行解。

结论

本研究提出了一种标准化的多步建模方法，显著简化了复杂能源枢纽模型的构建与优化过程。通过变量替换技术，将非线性优化问题转化为线性规划问题，显著提高了计算效率，并保证了全局最优解的获得。此外，能源存储和需求响应的集成进一步提高了能源系统的经济性和鲁棒性。该研究为多载体能源系统的优化运行提供了新的方法，具有重要的科学价值和应用价值。

研究亮点

1. 标准化多步建模方法
   本研究提出的多步建模方法显著降低了复杂能源枢纽模型的构建难度，为大规模能源系统的优化提供了新的思路。

2. 线性化优化技术
   通过变量替换技术，将非线性优化问题转化为线性规划问题，显著提高了计算效率，并保证了全局最优解的获得。

3. 能源存储与需求响应的集成
   本研究首次将能源存储和需求响应功能集成到能源枢纽模型中，显著提高了能源系统的经济性和鲁棒性。

4. 案例研究的实际应用
   以广州市某居民区为案例，验证了所提方法的有效性和实用性，为实际能源系统的优化运行提供了参考。

其他有价值的内容

本研究还探讨了可再生能源在多载体能源系统中的应用，分析了光伏和太阳能热系统对能源系统运行成本的影响。结果表明，可再生能源的引入显著降低了能源系统的运行成本，为未来能源系统的可持续发展提供了重要参考。