多能互補綜合能源系統運行優化建議

劉 寧，邵 山，羅玉琴

（1.河南平高集團有限公司，河南 平頂山 467001；2.湘潭電機股份有限公司技術中心，湖南 湘潭 411100）

多功能互補并非一個全新的概念，其實早在20世紀中后期就已被提出。隨著能源開發力度的逐漸增加，世界范圍內能源物質短缺愈加嚴重，人們開始探索更有效的能源利用方式，對于多能源互補的研究進度才逐漸加快。多功能互補是能源領域中的一個混合概念，貫穿于能源開發、利用和管理。在自然環境中，能源以多種多樣的形式存在，其開發和利用思路基本一致，即通過能源形式的不斷轉化，使之成為可以直接利用的能源存在形式[1]。但是，單一能源的轉化率是極為有限的，幾乎不存在百分百的利用形式，因此通過多能源協調互補機制來提高能源利用效率，是緩解能源短缺和需求增加矛盾的重要途徑。

每一種能源利用形式都具有自身的系統性，比如煤礦的利用系統就是通過受熱后燃燒使化學能向內能轉變，然后內能再向機械能或其他能源形式轉變[2]。但是，單一的能源利用系統具有特異性，這使得各種獨立的能源系統無法有效協調，進而導致整體協調性較差、能源利用效率偏低。多能源護理的核心理念就是通過協調各種能源供應系統的特異性，使彼此之間實現配合，降低或消除能源供應環節的不穩定性，從提高能源利用率，實現不可再生資源的安全消納。

1 多功能互補的可行性分析

隨著科學技術的不斷發展，能源監控技術、控制技術和管理技術不斷完善，各種新型的能源利用系統被開發和廣泛應用，不同能源之間耦合越來越緊密，基本實現了多能源功能利用狀態下的能源優勢互補[3]。

綜合能源系統是多能互補在區域能源供應中重要的實現形式，通過能源源、能源網、用能點等協調和緊密互動，實現功能系統的全面科學分析、設計和運行。這與計算機技術的發展有密切聯系。

通常，綜合能源系統一般涵蓋供電系統、供熱系統、供水系統以及其他基礎能源供給系統[4]。多能互補系統的構建核心就相對單純，通過優化能量生產、傳輸、存儲和管理等幾個方面，在充分考慮系統穩定性的基礎上，實現各個能源系統的協調與配合，以集成化的方法提高能源利用效率，進而降低生產成本。

2 多能互補綜合能源系統建模

2.1 靜態建模

靜態建模是反映多能互補綜合能源系統運行的基本思路。在靜態建模中，能源集線器模型極為重要，其是反映能源系統間能源形勢靜態轉換、存儲和傳輸的環節，最早由瑞士蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊提出[5]。靜態建模能夠將綜合能源系統內各系統的耦合關系進行良好描述，同時可以直觀地進行系統規劃、分布式能源系統管理、地區能源供給需求管理、區域能源調度規劃等，其是基于宏觀模式下的一種系統建模思路，是系統設定前的規劃。

2.2 動態建模

動態建模是基于綜合能源利用系統中能源轉化和使用監控管理的一種思路，與靜態建模不同，動態建模針對的是微觀的能源利用問題，其處理的是能源傳輸、利用過程中每一個點的管理和運用形式。其需要考慮到系統的特點和能源自身的特點，比較依賴集線器和連接器模型[6]。

動態建模描述的是能源系統中能源利用問題，比如在某一個節點能源的消耗量和能效，然后通過優化每一個節點的能源利用，促進整體能源能效的提高。

3 多能互補綜合能源系統研究

3.1 區域多能互補

從整個能源系統出發，可以確定的是不同能源形式的耦合會對能效產生一定的影響，其中冗余能流路徑提供的一定自由度為多能協同優化提供了空間。構建不同能量系統之間的協調機制，可有效改善不同能源在不同供能背景下的時空間平衡，從而提高能源的綜合利用率，降低系統運行成本，保證能源供應系統的穩定性。其中，多能量載體的規模化和集成化管理可利用是實現區域多能互補的核心問題，也是近年來能源科學研究的重點問題。

3.2 家庭式能源智能管理

家庭式能源智能管理指的是從用戶角度實現的多能互補方式，以家庭為例，家庭生產環境中需要運用到的能源形式有電氣、冷、熱、天然氣，如果能夠在用戶端（用能端）實現多能源的交互和耦合，將極大地提高能源的利用效率，同時也為用戶的能源利用提供了更多的可靠選擇，這也推動了能量流、信息流、業務流等特性各異的物理對象的融合。

未來的綜合能源系統不再是由供給側到用戶側的單向能量傳遞，能源用戶也由過去的能源使用者轉換成能源消費者和服務商，傳統能源系統中供給者、消費者的概念被淡化，取而代之的是綜合能源系統供需雙側的智能交互[7]。

3.3 多種儲能的控制方法和配置策略

現階段，按照時間尺度來劃分，電儲能一般用于“低儲高發”、聯絡線功率控制和電能質量治理三個方面，經濟效益在峰谷電價差和延緩電網升級兩方面。由于供冷是非時變的，儲熱沒有套利空間，一般用于與CCHP 機組協調調度，優化CCHP 機組的運行狀態，使以熱定電的CCHP 機組可在用電峰時段多發電，燃氣鍋爐運行在效率較高的狀態，在用電谷時段停機由儲能供熱，顯著提高機組的經濟效益。另外，對于電制冷機組，其經濟效益與實時電價關系密切，加入蓄冷可以顯著降低電空調的運行成本，減少電制冷機組的配置容量。

4 多能互補在綜合能源系統中構建的重點

4.1 多能互補協同運行調度

多能互補綜合能源系統中，能源的調度和優化配置一直是核心問題，是實現多能互補系統構建和市場效益的基礎。通過多個能源系統的協同機制，人們可以實現能源的高效利用和高能產出，進而緩解區域能源緊張問題。

雖然多能互補的協同運行能夠帶來極高的經濟效益，但是這也意味著風險的擴大，當多能互補耦合性較強時，多能互補的綜合能源系統內能源的流動性不再是單向的，而是存在多向互動，如果某一環節出現問題，就會發生故障傳遞效應，使損害結果擴大。

因此，多能互補的協同運行調度是構建多能互補綜合能源系統的核心問題之一，只有通過良好的調度，將故障發生率鎖定在最小范圍內才能最大限度發揮多能互補的優勢。當然，相應的風險評估機制也是多能互補調度的重要環節。

4.2 多能互補協同風險評估機制

在多能互補協同綜合能源系統構建過程中，由于故障風險具有可傳遞的特征，因此需要構建相應的風險評估機制。同單一能源供應系統相比，多能互補的能源風險評估機制相對復雜，需要綜合各種能源系統、市場、管網等多方信息，嚴格計算投入、產出比以及風險發生率和風險發生后的損害范圍、損害程度，在諸多方案中找到最符合經濟性、安全性、可靠性、市場性特征的風險管理機制。當然，由于多能互補綜合能源系統中不確定因素的增加，想要精確評估運行風險的難度較高，可以引入彈性概念，允許合理的風險存在。

4.3 用能替代的綜合需求響應

對于多能互補系統，用戶參與需求響應的手段不僅限于傳統的電能削減和在時間上的平移。用能替代正逐漸成為綜合需求響應的一個重要方式，能量的替代使用可降低用戶側的用能成本，在滿足用能需求的前提下響應各個能源系統的調度期望，可觀的響應收益為用戶相應行為提供充足的驅動力。但是，當前調度、規劃以及市場的研究中，很多都忽略了這種新的用戶響應形式。

4.4 能流計算

能流計算是多能互補綜合能源系統中靜態模型和動態模型的共通點，也是系統構建和管理的核心內容之一。現階段，實踐作業一般采用改進的能源集線器模型，考慮耦合單元作為平衡節點對于電力網絡和天然氣網絡潮流的影響，形成該系統適用的潮流求解算法。相應的研究可分為統一求解法和解耦求解法兩類。采用統一求解法時，需要建多系統的混合模型，然后在統一的框架下建立包含多個能網狀態的潮流方程，對系統綜合潮流進行求解，在算法求解方面往往要求較高。而解耦求解法需分析不同模式下多個系統的耦合關系，將電力潮流與天然氣以及熱力系統解耦計算，因此可以在原有獨立的潮流計算模塊上增加能源耦合分析模塊來實現，計算難度較小。

5 結論

隨著能量需求呈現多樣化和分布化趨勢，以多能互補為中心的綜合能源系統理論研究和工程實踐也逐漸展開，然而在實踐和研究過程中，各子系統通過大量的異質元件耦合，耦合元件在不同的管理模式、運行場景和控制策略下相互影響，呈現不同的電氣、熱力、水力特性，對所耦合的能源系統產生強烈的非線性、不確定的影響，綜合能源系統無論在科學研究還是工程應用方面仍面臨著巨大的挑戰。為進一步提高用能效率，促進多種新能源的規模化利用，多種能源的源、網、荷深度融合和緊密互動又是未來能量系統發展的必然趨勢，因此在未來的很長一段時間內，能源科學領域中，多能互補綜合能源系統的研究將一直是熱點問題。