淺析區域綜合能源多能耦合協同技術

毛志斌 周俊 蔡劍 侯惠娜

國網衢州綜合能源服務有限公司

0 概述

綜合能源系統，簡稱IES。IES由龐大的規模、多類型的元件構成，集成了熱能、天然氣、電能等多種能源形式，保證系統可再生能源消納能力的前提下兼顧經濟性，研究綜合能源系統的規劃已成為重要課題之一。

區域綜合能源系統多能耦合規劃可分為結構規劃和系統規劃兩部分。其中結構規劃是指在園區未開展的場景下，通過對目標區域內資源分布情況、多種能源需求分析，在源網荷儲等多階段進行合理控制，針對所設計的各個規劃環節模型，合理調度安排，獲取對于源端和荷端之間的供需平衡。調查研究園區內各項設備的建設年限，設備現狀，運維成本等信息，為進一步規劃提供前提依據。系統規劃則是指結構規劃的有效延伸和具體體現，立足系統運行的前提下，以規劃區域內彼此分立的不同能源系統為研究對象，達到耦合不同能源的目的。

1 針對源端供應環節規劃

在滿足用戶多種用能需求和達到各種經濟技術指標的前提下，針對區域綜合能源系統源端供應環節的優化，充分考慮園區存在的不同能源形式間的耦合機理及物理特性方面的差異和互補，確定在源端供應環節各個生產設備、轉換設備及存儲設備的配置方案。目前應用于綜合能源系統中主要的設備見表1和表2。

表1 能量轉換設備

表2 能量存儲設備

在目前的綜合能源系統中，借由以CHP、P2G等設備為代表的能量轉換裝置，實現了熱能、天然氣與電力之間的有效耦合。目前，國內已有部分專家學者對IES的規劃問題開展了相關研究。文獻［1］和文獻[2］就IES的進一步改進規劃問題開展了相關工作，進行了燃氣鍋爐、燃氣機組和發電機組的配置規劃。文獻［3］選取實際供電區域內的若干變電站低壓側的典型日負荷曲線，引入調峰適宜度指標，通過識別峰谷差變化特征并結合相應的控制策略，實現了儲能系統的選址定容優化，有效平抑了系統的波動性。

2 針對荷端供應環節規劃

在IES系統中，用戶端的參與度得到大幅度的提升，用戶端的積極參與對于區域綜合能源系統耦合協調控制的功能性，靈活性提出更高要求。用戶可根據園區所提供的各種能源價格、供給情況等多角度選擇能源，即通過用戶的需求響應來實現源與荷之間的平衡。

區域級的用能單位多選取工業園區、居民區等用能集中片區，此外還包括能量供給系統、儲能系統等傳輸網絡等。能源微電網作為區域IES的子系統，主要由CCHP和小型儲能設備構成，以單個廠房、商業體或居民樓為用能單元。區域級IES的規劃，不僅要考慮CHP機組、電制氣設備等能量轉換裝置及能量存儲裝置的選址、選型、定容，還要對電、氣、熱網絡的建設進行規劃。文獻［4］搭建了兼顧運行成本、排放成本、棄風成本的電－氣耦合系統綜合調度模型，有效分析了天然氣負荷變化與系統調度的關系及對系統經濟性和污染排放的影響。在進行系統規劃時，要充分考慮多種能源的轉換互濟效應，利用天然氣、熱能系統時間常數大的特點，充分發揮其能量存儲能力，以應對負荷高峰，提升供應能力，鼓勵用戶根據能源價格及供給能力調整能源選擇，將需求側響應應用到多種能源協調管控中，以達到提高能源利用率、供應可靠性的目的。在以城市為主的能源消費環節中，個體能源消費行為通常存在一定差異，因而對以建筑設施為單位的能源微電網進行規劃設計顯得十分必要。文獻［5］和文獻[6］對多個能源微電網協調運行和各自獨立運行的情況分別進行了分析，分別從微電網電力互聯和多能流協同互補方面研究了協調運行的方案。

區域綜合能源系統（RIES）由于廣泛涉及電/氣/熱/冷等多種能量形式耦合，其規劃工作面臨諸多挑戰[7,8]。提高能量利用效率是RIES規劃的重要任務之一，傳統能量效率的定義僅計及了能量在數量上的變化，卻忽視了能量在品質上的差異，無法準確地衡量RIES的能量利用水平。胡裊，尚策等提出使用兼顧數量和品質的效率作為衡量RIES能量利用水平的標準。首先，定義了能量品質系數的概念用以量化不同形式能量的品質差異，并提出基于黑箱模型的RIES總體效率計算方法建立了五層級能源集線器模型用以處理多能耦合問題，確保區域能量供需平衡。以經濟性和效率為優化目標構建了RIES多目標規劃模型，設計了兼顧規劃與運行的雙層優化結構，并聯合運用改進的非支配排序遺傳算法（NSGA－Ⅱ）和內點法實現模型高效求解。最后，可選取某工業園區RIES作為算例對所提出的方法進行驗證。

單目標規劃中，通常選取經濟性作為優化目標，不同研究的差異主要體現在RIES經濟性的核算方法上。如文獻[9]提出了一個考慮區域能源供應商和綜合能源管理中心凈收益雙重最大化的雙層規劃模型。文獻[10]考慮能源站、管網設備初始投資及施工費用等因素，建立了RIES投資費用模型。環保性是RIES規劃需考慮的另一個重要因素，在目前的研究中通常被量化建模為污染物排放量，特別是碳排放量，一般不作為獨立目標，而是通過碳稅（carbon tax）轉化為碳排放成本后，與其他成本項共同組成總經濟性目標進行優化。

單目標規劃的主要弊端在于無法兼顧RIES多項性能之間的協調。為解決此局限性，RIES多目標規劃方法被陸續提出。文獻[11]利用非支配排序遺傳算法,對RIES運行參數進行了優化，在最小化總成本的同時使節能率最大化，并提出了考慮負荷不確定性的隨機多目標優化模型。文獻[12]在考慮電轉氣運行成本的基礎上，分析了其對綜合能源系統風電接納能力與運行經濟性的影響。

文獻[13]以全壽命周期成本最低和年CO2排放量最小為優化目標，對微能源網關鍵設備容量進行多目標優化配置研究。文獻[14]以經濟效益和環境效益為目標提出了一套完整的能源站一體化優化設計方案。典型的綜合能源結構見圖1。

圖1 典型的綜合能源結構圖

3 各協同規劃方法的評價綜述

當前多目標協同規劃的數學模型基本都是以投資費用最小、綜合效益最大化為目標的成本運行函數。園區級綜合能源系統協同規劃過程中存在不確定性問題，包括供能側、耦合與轉換側和用能測。因此，規劃中要考慮不確定性。詳細評價見表3。

目前的多目標優化較少考慮協同規劃環節，有必要加強協同模型的完善性科學性，多考慮新能源消納率等指標，減少短板。針對特點場景下不確定性的研究目前還較少，如何更好解決綜合能源系統的不確定性問題是協同規劃的關鍵。

表3 各協同規劃方法對比分析明細表