綜合能源系統優化運行研究現狀及展望

肖灑 彭程

【摘 要】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。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。

【關鍵詞】綜合能源;優化;研究;分析

1導言

近年來，我國部分電網出現了較為嚴重的“棄風”現象，據統計，2017年我國四個主要的新能源產業地區棄風率均超過10%，其中甘肅、新疆棄風率甚至達到30%以上。高棄風使得綜合能源系統不能達到較高的新能源發電吸納水平，新能源滲透率低。而電轉氣技術（power to gas）可在一定程度上解決此問題，為綜合能源系統實現高新能源滲透率提供途徑。為了充分消納清潔能源、提高能源利用效率，綜合能源系統的概念應運而生，相較于傳統的能源單級利用形式，綜合能源系統對電力、冷熱和天然氣等多種形式能源進行多級利用，通過多能互補提高綜合能源利用效率。但是綜合能源系統由于系統間耦合緊密，能源流動變化復雜，在優化運行方面相較于傳統電網有較大差別。

2電轉氣技術簡介及其運行成本模型

電轉氣（power to gas，P2G）技術是在負荷低或可再生能源出力高峰期，將富余的電能轉化為天然氣或氫氣，存儲在天然氣管網或天然氣存儲設備中;在電力短缺時，將存儲的氣體轉化為電能或熱能提供給用戶，從而提高了微網系統在負荷低谷期消納可再生能源的能力。P2G技術增加了系統中電氣耦合環節的作用，增強了電力–天然氣系統之間的耦合性和系統的供能穩定性。電轉氣過程原理如圖1所示。

圖1電轉氣過程原理

其化學原理是在電解水制氫的基礎上，在催化劑的作用下將電解水生成的氫氣和二氧化碳反應生成甲烷和水，這個過程稱為甲烷化過程。甲烷化過程中所需的二氧化碳可以來自環境空氣、火電廠煙氣和厭氧細菌消化產生的生物氣體。通過上述兩個階段化學反應，電轉天然氣綜合效率約在45%～60%之間。P2G運行成本包括固定運行成本與可變運行成本，前者包含設備維護費、勞動力成本等，本文所述P2G運行成本指包含P2G技術用電成本與原料成本的可變運行成本。

3綜合能源系統的優化運行方法

3.1綜合能源系統的多時段優化控制

從時間尺度來說，綜合能源系統的優化調度方法研究經歷了從單一時段優化到日前-日內優化再到滾動優化的階段。多時段的優化具有較好的控制準確性，但是會造成計算量增加，難以滿足實時性的要求。尤其是在實時滾動階段，對算法的時間復雜度提出了很高要求。若能對特定場景下的數學模型進行針對性優化，從而提高算法效率以達到實時性的要求，多時段的優化控制才能得到更好的應用。

3.2綜合能源系統的分布式優化控制

面向具有多個平級運營商的多能源系統，可采用分布式算法實現各系統間的協同運行，提升調度的自治性和靈活性。盡管綜合能源系統協同運行方法已有初步研究，但對綜合能源系統的刻畫還很基礎，在建模中既未考慮天然氣潮流的動態特性，也未考慮能源轉換設備（如電轉氣裝置）和需求響應策略。

3.3綜合能源系統的不確定性優化控制

綜合能源系統中包含大量的不確定性因素，包括可再生能源出力的不確定性，負荷預測誤差，量測信息誤差。隨機優化基于預先假設的概率分布將不確定性優化轉化為多個確定性優化問題進行求解，然而在實際中隨機變量的概率分布往往難以準確刻畫。魯棒和區間優化則是假設隨機變量的變化區間，通過求取最惡劣的場景下的最優結果，實現最優控制，但是得到的結果往往會過于保守。

3.4綜合能源系統優化問題的求解方法

綜合能源復雜的結構和多種能源的相互耦合使優化問題的求解困難。求解方法有啟發式算法和數學規劃方法2類。啟發式算法求解速度快，但得不到最優解;數學規劃方法精準，但是求解難度較高。

4綜合能源系統的優化運行方法展望

4.1綜合能源系統建模理論

由于計及復雜約束的綜合能源系統建模理論的研究才剛剛起步，還有大量問題值得深入研究，如：如何對各能源的產生、傳輸、轉化、儲存和消費等環節進行統籌協調，建立含終端能源樞紐和外部能源供應網架的綜合能源系統模型;如何基于凸優化技術，對原復雜非線性的氣網模型進行嚴格凸化松弛，構建考慮氣網穩態、動態特性的綜合能源系統綜合模型。

4.2綜合能源系統優化方法

在綜合能源系統的優化運行方面，依然有以下的問題值得深入研究：一是如何考慮動態多能流和多類系統要素，基于分布式算法實現各能源網絡的分散協同控制;二是如何面向分區扁平化的多區互聯能源系統，實現各區域系統間的自治協調控制;三是如何精細刻畫需求響應對綜合能源系統運行經濟性的提升，發揮用戶主觀能動性以促進能源的梯級利用。

4.3綜合能源系統的風險調度

風險調度旨在降低高危場景風險水平，保障電力系統的安全可靠運行。目前，國際上對綜合能源系統的風險評估和風險調度理論方法研究仍處于起步階段，相關的研究領域還有以下工作值得開展：一是如何綜合考慮電力?天然氣?熱網能量流的損失，對綜合能源系統進行整體的風險分析，構建合理的風險評估指標;二是如何面對多重不確定性因素，制定魯棒的綜合綜合能源系統日前風險調度策略，提升風險預控手段的安全性;三是如何制定快速有效的事后校正策略降低高危風險場景的運行風險。

5結論

綜合能源系統能提高能源利用效率和可再生能源的消納。但是由于高度耦合的特性，給綜合能源系統的調度運行帶來了困難。結合國內外最新的研究進展，介紹了綜合能源系統的基本組成，電?熱?氣網絡潮流的的建模方法，以及考慮不同因素的優化運行方法，分析了現有方法的優缺點和難點。最后指出了未來研究可從建模理論、優化方法和風險調度等方面開展工作。

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（作者單位：國網江蘇省電力有限公司丹陽市供電分公司）