綜合能源規(guī)劃系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與展望

楊 穎，史香錕，吳 昊，張淑興

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳518000）

1 概述

中國是目前世界上第一位能源生產(chǎn)國和消費(fèi)國。能源供應(yīng)持續(xù)增長，為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供了重要的支撐[1-2]。國家加快發(fā)展現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)，堅持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策，把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會放在工業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略的突出位置。

由于國內(nèi)新能源資源存在分布不均、能源利用率不高等問題，面臨能源消納難題[3]。結(jié)合“能源互聯(lián)網(wǎng)”概念的區(qū)域能源綜合利用已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，為新能源消納提供新思路[4-6]。目前區(qū)域能源綜合規(guī)劃已建設(shè)示范項目，取得顯著的效果。

本文對綜合能源規(guī)劃系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析，從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)研究、示范工程現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對區(qū)域綜合能源規(guī)劃系統(tǒng)的發(fā)展提出建議。

2 國外研究現(xiàn)狀

2.1 關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

在綜合能源規(guī)劃設(shè)計系統(tǒng)的研究中，國內(nèi)外均取得一定的成果。其中美國在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃軟件研發(fā)方面成果頗豐，成果包括美國電力可靠性技術(shù)協(xié)會開發(fā)的DERCAM 軟件[8]、美國國家可再生能源實(shí)驗室開發(fā)的HOMER軟件[9]、美國佐治亞理工學(xué)院開發(fā)的μGrid 軟件。

美國DER-CAM 軟件擁有系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行分析兩個版本。系統(tǒng)規(guī)劃版本與現(xiàn)有的大部分綜合能源規(guī)劃軟件類似，以區(qū)域分布式能源系統(tǒng)年供電成本最低和溫室氣體排放量最低為目標(biāo)，負(fù)荷需求包括供冷、供熱、供電、供氣，區(qū)域能源類型包括光伏、光熱、熱電廠、儲能、儲熱等，考慮能源系統(tǒng)中用能設(shè)備、供能設(shè)備的裝機(jī)成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，結(jié)合區(qū)域負(fù)荷和環(huán)境因素，得到一個最優(yōu)的分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃方案。運(yùn)行分析版本則采用混合線性規(guī)劃模型，以綜合能源系統(tǒng)能耗或運(yùn)行成本最低為目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計。

HOMER 由美國國家可再生能源實(shí)驗室研發(fā)，是適用于小功率可再生能源系統(tǒng)的規(guī)劃分析軟件。主要功能包括系統(tǒng)仿真、優(yōu)化以及敏感性分析。HOMER 的負(fù)荷類型較少，包括熱負(fù)荷、電負(fù)荷和用氫負(fù)荷，區(qū)域內(nèi)能源輸入類型主要有可再生能源、電網(wǎng)、儲能（電儲能、儲氫），該軟件以凈現(xiàn)值成本最低為尋優(yōu)目標(biāo)，能夠為區(qū)域內(nèi)新能源并網(wǎng)、供熱、用氫需求規(guī)劃設(shè)計方案。

美國喬治亞理工學(xué)院研發(fā)的μGrid 軟件主要針對微電網(wǎng)系統(tǒng)，不考慮設(shè)備聯(lián)產(chǎn)熱/冷和儲能，系統(tǒng)輸入僅包括分布式供電設(shè)備，該軟件被用在分布式微網(wǎng)系統(tǒng)評估、穩(wěn)態(tài)分析、動態(tài)分析、控制方案設(shè)計等方面，具有較強(qiáng)的建模分析能力。

2.2 示范工程現(xiàn)狀

區(qū)域綜合能源規(guī)劃系統(tǒng)是在地域上實(shí)現(xiàn)能源綜合利用與分布式利用的能源系統(tǒng)，它根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H負(fù)荷需求（如用電負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷等），進(jìn)行區(qū)域內(nèi)的能源（如風(fēng)電、光伏、電網(wǎng)、燃機(jī)、儲能系統(tǒng)等）綜合分配，對各類能源容量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，能夠得到滿足區(qū)域負(fù)荷需求的區(qū)域綜合能源規(guī)劃方案，如圖1。

圖1 典型綜合能源規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計思路

英國卡迪夫大學(xué)工程學(xué)院能源研究院的吳建中教授[10]認(rèn)為，綜合能源系統(tǒng)除了各類能源之間如何分配，還包括能流耦合與綜合能源系統(tǒng)控制策略的研究，綜合能源系統(tǒng)研究面臨的主要問題是如何理解、量化進(jìn)而優(yōu)化多種能流的能源融合與互動。

（1）丹麥。丹麥?zhǔn)菄H范圍內(nèi)清潔能源領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，為發(fā)展清潔能源，主要采取了增加可再生能源使用、提高能效、減少總能源消費(fèi)等措施。在政府層面，丹麥推動能源綜合利用相關(guān)的政策法規(guī)；在科研與工程建設(shè)方面，丹麥將研究重點(diǎn)放在多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)研究上，旨在提高清潔能源利用率。丹麥綜合能源規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)合電力、供暖以及運(yùn)輸部門，利用區(qū)域多能流綜合利用的靈活性來彌補(bǔ)可再生能源的不穩(wěn)定性，形成以電負(fù)荷、熱負(fù)荷與燃?xì)庑枨鬄橹饕枨蟮哪茉簇?fù)荷網(wǎng)絡(luò)，與電網(wǎng)、新能源耦合。

（2）英國。英國政府和企業(yè)致力于建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，在能源綜合利用方面的研究主要集中在分布式能源研究和利用。英國已經(jīng)在蘇格蘭建立了新虛擬能源系統(tǒng)（VES），并且項目第一階段已經(jīng)啟動，以負(fù)荷為導(dǎo)向，結(jié)合分布式能源與波動的可再生能源發(fā)電，將當(dāng)?shù)氐碾娏W(wǎng)絡(luò)、燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)、熱網(wǎng)等連接到一個可控的總體系統(tǒng)當(dāng)中。該項目的關(guān)鍵技術(shù)在于如何將分布式能源、新能源發(fā)電與負(fù)荷緊密結(jié)合并優(yōu)化配置，達(dá)到可再生能源削峰填谷的作用。

（3）德國。德國也對綜合能源規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行積極研究，并形成示范項目。德國RegModHarz 項目主要包括2 個光伏電站、2 個風(fēng)電場、1 個生物質(zhì)發(fā)電，共86MW 發(fā)電能力，該項目的特別之處在于用電側(cè)整合了儲能設(shè)施、電動汽車、可再生能源和智能家用電器的虛擬電廠，豐富了配電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制手段，為分布式能源系統(tǒng)參與市場調(diào)節(jié)提供了參考。為了使區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能夠根據(jù)負(fù)荷與市場需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，科研人員開發(fā)設(shè)計了一個控制平臺，對外接的電氣設(shè)備實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和設(shè)備服務(wù)，可獨(dú)立于生廠商支持建筑自動化和能效管理。從該項目運(yùn)行現(xiàn)狀來看，綜合能源系統(tǒng)能夠平抑新能源發(fā)電不穩(wěn)定性，為綜合能源系統(tǒng)市場開發(fā)提供依據(jù)。

（4）瑞典[11]。綜合能源規(guī)劃系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是綜合能源規(guī)劃建模，瑞典聯(lián)邦理工大學(xué)提出通過靜態(tài)轉(zhuǎn)換效率鏈接區(qū)域綜合能源和區(qū)域負(fù)荷需求，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計得出滿足需求的綜合能源裝機(jī)模式，提高區(qū)域能源利用率，提高新能源可靠性。但是該模型未深入考慮各類能源的特性與區(qū)域負(fù)荷特性的耦合關(guān)系，有一定的局限性。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

3.1 關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)已有許多關(guān)于分布式可再生能源綜合規(guī)劃系統(tǒng)的研究，包括東南大學(xué)電氣工程學(xué)院[12]、清華大學(xué)電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗室[13]、上海交通大學(xué)[14]、上海電氣集團(tuán)[15-16]、中科院廣州能源研究所、天津大學(xué)。

東南大學(xué)電氣工程學(xué)院王珺認(rèn)為綜合能源系統(tǒng)中的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)因為其能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)已成為綜合能源系統(tǒng)的主要研究方向之一。她提出一種結(jié)合熱網(wǎng)的多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型，對多能流與負(fù)荷間耦合方式建立整數(shù)線性規(guī)劃模型，并進(jìn)行案例驗證，結(jié)果表明為區(qū)域進(jìn)行綜合能源規(guī)劃系統(tǒng)定制化設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)多區(qū)域的綜合能源供需配比，提升各類能源的綜合利用率，經(jīng)濟(jì)性顯著提升。

甘霖、陳瑜瑋等人建立了一個包括可再生能源供電、儲能以及供熱、供熱系統(tǒng)的綜合能源優(yōu)化模型，模型以區(qū)域綜合能源系統(tǒng)裝機(jī)成本與運(yùn)營成本最低為目標(biāo)，進(jìn)行各類能源裝機(jī)配比優(yōu)化設(shè)計，由于該模型供能側(cè)包括儲能，使模型在尋優(yōu)過程中更易收斂，得到綜合成本最低的區(qū)域綜合能源規(guī)劃設(shè)計方案，滿足區(qū)域負(fù)荷需求。

上海交通大學(xué)的姜子卿、郝然等人對工業(yè)園區(qū)的冷熱電多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)模型進(jìn)行研究，該模型考慮多能源在價格、用能、需求特性上的差異性和CCHP 機(jī)組的出力特性等，以系統(tǒng)裝機(jī)與運(yùn)維成本最低為尋優(yōu)目標(biāo)，建立了聯(lián)系電網(wǎng)側(cè)、供能測、儲能測、需求側(cè)多方聯(lián)動的CCHP 綜合能源系統(tǒng)。結(jié)果表明，該模型能夠提升區(qū)域能源與負(fù)荷的聯(lián)動性，提升能源利用率，并且在滿足區(qū)域符合需求的情況下得到成本最低的能源配置方案，經(jīng)濟(jì)效益好。

上海電氣集團(tuán)研發(fā)了分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計軟件DES-PSO，該軟件能夠與資源、負(fù)荷數(shù)據(jù)庫聯(lián)動，通過分析數(shù)據(jù)庫中區(qū)域資源配置與負(fù)荷需求情況，針對性的進(jìn)行能源搭配與系統(tǒng)配置的優(yōu)化設(shè)計，以投資成本、運(yùn)行成本、購電量等為尋優(yōu)目標(biāo)，尋優(yōu)過程中可能出現(xiàn)多種較優(yōu)方案，對方案進(jìn)行比選，最終得到最適用于該區(qū)域的綜合能源配置方案。該軟件已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化并且經(jīng)過4 年的不斷研究與優(yōu)化，已經(jīng)形成第三代產(chǎn)品。

中科院廣州能源研究所研發(fā)了一款輔助設(shè)計軟件，軟件包括區(qū)域能源價格數(shù)據(jù)庫、冷/熱負(fù)荷數(shù)據(jù)庫、新能源數(shù)據(jù)庫、制熱/冷設(shè)備數(shù)據(jù)庫等設(shè)計輸入，還包括規(guī)劃設(shè)計核心算法，可自行選擇設(shè)備，軟件通過規(guī)劃設(shè)計計算得到成本最低的綜合能源配置方案，為綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性測算提供依據(jù)。

天津大學(xué)為南方電網(wǎng)兆瓦級儲能電站試點(diǎn)工程項目研發(fā)一款分布式儲能規(guī)劃系統(tǒng)。軟件針對新能源電廠面臨的并網(wǎng)難題（如平滑輸出、計劃發(fā)電等），為電廠進(jìn)行儲能系統(tǒng)整體規(guī)劃、設(shè)計與經(jīng)濟(jì)性分析。軟件主要輸入為電網(wǎng)側(cè)、電廠供電與儲能，更適用于解決新能源電廠的并網(wǎng)難題。

3.2 示范工程現(xiàn)狀

3.2.1 國家電網(wǎng)同里綜合能源服務(wù)中心

國家電網(wǎng)有限公司的同里綜合能源服務(wù)中心于2018年建成投運(yùn)，能源供應(yīng)類項目包括多能綜合互補(bǔ)利用項目、高溫相變光熱發(fā)電等；能源配置類項目包括微網(wǎng)路由器、源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)等；能源消費(fèi)類項目，包括綠色充換電站、“三合一”電子公路等；能源服務(wù)類項目包括綜合能源服務(wù)平臺、綜合能源展示中心等。項目建成后，整體構(gòu)成“電網(wǎng)為平臺、多能互補(bǔ)、智能配置”的新型區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)，形成一個集能源生產(chǎn)、服務(wù)、展示、研發(fā)、辦公等為一體的綠色低碳園區(qū)。

3.2.2 東莞交直流混合綜合能源示范工程

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目課題“交直流混合的分布式可再生能源系統(tǒng)示范驗證”，于2018 年建成國內(nèi)首個交直流混合綜合能源示范工程。項目示范工程涵蓋了數(shù)據(jù)中心、辦公生活園區(qū)、工業(yè)園區(qū)典型用能場景。工程包含風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電及熱利用、儲電、儲熱等多類型分布式可再生能源互補(bǔ)系統(tǒng)，預(yù)計系統(tǒng)總?cè)萘坎恍∮?.14MW，直流負(fù)荷占比不小于35%、可再生能源占比不小于61.5%。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

綜合能源系統(tǒng)的核心是將區(qū)域內(nèi)的能源進(jìn)行合理的分配，以達(dá)到區(qū)域內(nèi)能源裝機(jī)成本最低、運(yùn)行成本最低、碳排放量最低的目標(biāo)。面對全球環(huán)境形勢，各國都在尋求更高效、更環(huán)保的供能方式。由于新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性等因素面臨并網(wǎng)難題，利用新能源、儲能、聯(lián)供系統(tǒng)等能源進(jìn)行綜合利用，形成區(qū)域綜合能源微電網(wǎng)，能夠有效解決新能源電廠目前面臨的難題，提高能源利用率。同時通過能源規(guī)劃模擬，將各類能源科學(xué)配置，能夠達(dá)到區(qū)域內(nèi)投入最低、能源利用率提高的效果。

4.2 展望

目前我國綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃示范工程多依賴區(qū)域電網(wǎng)、燃機(jī)系統(tǒng)以滿足區(qū)域負(fù)荷需求，能源類型較少，缺少如熱泵制熱、儲熱等新的能源類型，且示范項目集中在建設(shè)區(qū)域微電網(wǎng)，示范意義較強(qiáng)。雖然已有針對區(qū)域多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究，但是相應(yīng)的示范工程較少。

國外對綜合能源規(guī)劃的研究已經(jīng)較深入，針對綜合能源規(guī)劃設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)已形成成熟的示范項目。國內(nèi)需要對綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計進(jìn)行不斷迭代、優(yōu)化，因此需要不斷結(jié)合工程經(jīng)驗，不斷優(yōu)化系統(tǒng)，為我國綜合能源技術(shù)與產(chǎn)業(yè)提供基礎(chǔ)。