綜合能源系統建模仿真規劃調度及效益評價綜述與展望

周鵬程，吳南南，曾 鳴

（華北電力大學 經濟與管理學院，北京 102206）

0 引言

隨著化石能源約束趨緊和自然環境問題惡化，推進國家能源轉型、構建新型能源系統勢在必行。為此，習近平總書記提出能源革命和供給側改革發展理念，要求建設清潔、低碳、安全、高效的現代能源體系[1]。在能源革命和供給側改革的大背景下，國家能源局發布的《能源發展“十三五”規劃》指出，我國的能源轉型發展要突出能源的清潔性、高效性、安全性和可持續性，著力推動現代能源體系建設。同時，隨著新電改的不斷深入，電網企業也將逐步向綜合能源服務商轉型。在此背景下，綜合能源系統應運而生，其理念突破了傳統能源系統的技術、市場和管理壁壘，是電、氣、熱、冷等各類能源統一規劃、統一調度的綜合性能源系統，旨在實現多能源的互補互濟和協調優化，對于推動能源結構轉型，推進我國能源革命具有重要意義。

綜合能源系統是指一定區域內的能源系統利用先進的物理信息技術和創新管理模式，整合區域內天然氣、電能、熱能等多種能源資源，實現多異質能源子系統之間的協調規劃、優化運行、協同管理、交互響應和互補互濟，在滿足系統內多元化用能需求的同時，有效提升能源利用效率、促進能源可持續發展的新型一體化區域型能源系統[2-3]。

然而，要實現傳統能源系統向綜合能源系統的轉型仍面臨系列技術難題：

1）綜合能源系統規劃需要考慮多異質能源協同，涉及多能源管網選址定容，同時兼顧經濟性、可靠性等多重目標，較之傳統能源系統規劃方法更加復雜。

2）綜合能源系統運行調度需要滿足用戶的綜合性能源需求，涉及多異質能量流、多能源主體的利益博弈，同時兼顧各種系統運行約束，較之傳統能源調度優化更加困難。

3）尚未建立適用于綜合能源綜合效益評估的理論體系，對綜合能源系統能夠帶來的經濟效益、環境效益和社會效益還停留在概念設想階段。

4）尚未開發出適用于綜合能源運行可靠性、經濟性評估的平臺系統，綜合能源系統規劃、運行決策缺少科學有效的仿真工具支撐。

因此，開展綜合能源系統建模仿真、規劃運行、效益評價等方面的研究，具有較高的研究價值和實際意義[4]。

1 綜合能源系統結構框架

當前，國內外已有研究中提出了能源互聯網[5]、能源集線器[6]、泛能網[7]等均是綜合能源系統的表現形態。綜合能源系統包含區域電力子系統、區域天然氣子系統、區域熱力子系統（供熱、制冷）等多個子系統模塊。綜合能源系統的基本結構框架如圖1所示。

2 綜合能源系統建模仿真

綜合能源系統規劃需要考慮多異質能源協同，同時兼顧經濟性、可靠性等多重目標。因此，對綜合能源系統進行建模分析必須考慮各子系統的物理特性和子系統之間的耦合機制。當前已有的綜合能源系統建模研究主要圍繞獨立系統建模和耦合系統建模2個方面。綜合能源系統中的典型設備單元及其主要物理參數如表1所示。

2.1 綜合能源系統的獨立系統建模

圖1 綜合能源系統結構框架

綜合能源系統框架下的區域電力子系統表現形式主要以分布式微電網、含儲能微電網為主。文獻[8]對交直流混合分布式微電網中的光伏分布式發電設備、交直流混合微電網的電氣設備部分進行了設備單元的建模和仿真分析，搭建的交直流混合分布式微電網模型能夠很好地實現各單元之間的協調利用。文獻[9]對含儲能的孤島型微電網進行了建模分析，指出儲能系統的配置能夠很好地提升微電網運行的安全穩定性和經濟性。

表1 綜合能源系統的設備單元及其物理參數

區域天然氣子系統建模主要是圍繞燃氣輪機的天然氣供應系統建模。文獻[10]對燃氣輪機的天然氣供應系統在瞬態操作情景下的運行特性進行了建模分析。文獻[11]基于模塊化建模的概念建立了大型燃氣輪機的天然氣供應系統仿真模型，設計了流量輸出型和壓力輸出型兩類的天然氣供應系統模塊模型。

區域熱力子系統建模主要是圍繞用戶側的供熱系統的水力建模和熱力建模。文獻[12]為實現區域綜合能源系統中熱網的協調規劃，針對各區域CCHP系統之間的環狀熱網，建立了考慮節點流量平衡、熱能流量約束和熱損平衡約束的熱網模型。

2.2 綜合能源系統的耦合系統建模

國內外已有研究中的綜合能源系統多能量流耦合實現形式主要是以能源集線器、能源互聯網為主。文獻[13]提出了全新的子能源集線器建模結構，包括集電器，集熱器和集冷器；該結構考慮了儲電、蓄冷、儲熱3種儲能裝置，可以實現能量的匯集、分配及存儲。文獻[14]提出了一種能源互聯網宏觀結構的統一網絡拓撲模型。該模型考慮了能源互聯網的組成特點和功能內涵，涵蓋了主干網絡為支架，分布式新能源自組織網絡為主體的能源互聯網各組成部分。

綜合而言，以能源集線器的形式進行多能量流耦合建模能夠將電—熱耦合、氣—熱耦合、電—氣耦合、電—熱—氣耦合等多種能源耦合形式綜合考慮在內，能源互聯網則重點偏向于電力和信息領域的交互建模。

3 綜合能源系統規劃調度

3.1 綜合能源系統的規劃運行

綜合能源系統存在電、熱、冷、氣等多種能源形式，涉及多方利益主體，且用戶對各類能源存在差異化的用能需求，如何統籌協調多種能源互補特性，通過“源—網—荷—儲”等各環節靈活配置，實現各類能源的協調互補利用，提升可再生能源消納水平和系統的綜合能效，是綜合能源規劃所面臨的關鍵問題。

在綜合能源系統規劃運行建模研究方面，國內外相關研究中的優化模型通常以系統整體的經濟型最優即成本最低為目標函數[15]。為了實現對綜合能源系統的協調規劃優化，僅以經濟性最優為目標是不能夠滿足要求的，還需要考慮系統可再生能源利用率及系統能效提升等多重目標，是一個包含多種變量、多重約束的多目標規劃優化問題。

在綜合能源系統規劃優化問題求解算法研究方面，Benders解耦算法、粒子群優化算法、分支定界算法等在綜合能源系統規劃優化問題求解中展現了一定的適用性和科學性[16-17]。求解工具多以代數建模系統（GAMS）平臺的CPLEX求解器和MATLAB的Yalmip工具箱為主，求解時間和精度上基本能夠滿足規劃要求[18-19]。

3.2 綜合能源系統的協同調度

綜合能源系統中電、氣、熱等各能源子系統在實際規劃運行、協調調度中的時間尺度、調度原則相差懸殊，在同一個時度、統一的調度原則下進行仿真分析和協調控制的難度較大；同時，用戶側的各類用能負荷及可再生能源出力的隨機性對于綜合能源系統調度運行優化也是一個不小的挑戰，是實現綜合能源系統各子模塊統一、協同調度必須考慮的關鍵問題。

當前，國內外對綜合能源系統的協同調度優化也進行了一定的探索。文獻[20]以區域綜合能源系統凈收益最大化為目標，計及能源價格可控性，建立了區域綜合能源系統日前優化調度的混合整數二次規劃模型，并通過GAMS調用CPLEX進行求解。文獻[21]將CVaR理論引入綜合能源系統的運行調度問題，提出一種計及風、光出力和電、熱負荷不確定性的綜合能源系統經濟調度模型。文獻[6]針對時變電價且運行方法靈活的中小型區域綜合能源系統，以綜合用能成本較低和用能能效較高為目標建立了雙層運行優化模型，并采用Lagrange乘子法將下層目標KKT條件作為上層優化的可行性度量進行求解。

4 綜合能源系統效益評價

目前國內外關于綜合能源系統的研究多集中于規劃設計、運行控制和平臺開發等方面，涉及效益評價的內容相對較少，這與當前并無成熟的綜合能源系統案例可供研究有關，即使設計了較為完善的綜合效益評估指標，也面臨評估指標數據難以獲得的問題。

在已有的研究中，文獻[22-23]對CCHP系統、燃氣輪機系統等進行效益評價，具體指標如表2所示。

表2 考慮各項效益的綜合能源系統評價指標

隨著我國各項能源互聯網示范工程和多能互補示范項目的落地，開展綜合能源系統的效益評估具備了一定的實施條件，有必要盡快建立起科學、合理的綜合能源系統綜合效益評估指標體系并提出適用的評估方法，以保障綜合能源系統投資效益目標的順利實現。

5 研究展望

5.1 基于動態模型的綜合能源系統建模仿真

目前，國內外針對綜合能源系統的物理模型通常采用是靜態建模，對各類設備及能源耦合集成后系統的動態機理和優化特性有待深入研究。建模仿真設備少且難以代表未來綜合能源系統的典型形態和運行特性。因此，有必要構建含熱泵、電制氫、冰蓄冷等新型設備的綜合能源系統物理設備靜、動態模型集合，開發適用的能源耦合綜合能源系統的規劃運行仿真工具，以此推動綜合能源系統的理論研究及示范工程落地。

5.2 多目標規劃下的綜合能源系統規劃優化

為了實現對綜合能源系統的協調規劃優化，僅以經濟性最優為目標是不能夠滿足要求的，還需要考慮系統可再生能源利用率及系統能效提升等多重目標，是一個包含多種變量、多重約束的多目標規劃優化問題。目前，國內外在綜合能源系統的多目標規劃優化研究領域的模型成果相對較少，且適用于綜合能源系統多目標規劃優化問題求解的算法也有待進一步發掘，需要結合綜合能源系統中各子系統結構及耦合條件，深入挖掘綜合能源系統規劃優化模型并探索適用的求解算法。

5.3 多主體博弈下的綜合能源系統調度優化

在能源系統的調度運行中，必須考慮參與運行的主體間的利益博弈。綜合能源系統更應如此，其調度優化涉及綜合能源系統運營商、用戶和政府之間的博弈、可再生能源機組與燃氣機組的博弈、電力生產主體、天然氣供應主體和熱力供應主體之間的博弈，可能的博弈場景包括不同主體間的完全競爭博弈、不完全競爭博弈和正和博弈等。國內外對考慮多主體博弈的綜合能源系統協同調度方法研究相對較少，只是在單個能源系統內部的調度中考慮了主體博弈的影響，考慮多主體博弈的綜合能源調度優化沒有成熟的模型可供借鑒。因此，未來有必要開展主體博弈下的綜合能源系統調度優化方法研究。

5.4 投資收益評估機制的綜合能源系統效益評價

綜合能源系統的投資建設將帶動能源產業的變革與發展，相關項目從投資、設計到建設、運營的全過程都將對能源的生產、利用和消費等帶來顯著效益。因此，有必要設計科學合理的評估標準和方法，建立綜合能源系統的投資收益評估機制。同時，也應盡快制定、印發面向綜合能源系統的財政補貼政策、稅收減免政策、投融資政策，為開展綜合能源系統的投資收益評估提供政策環境與市場環境。

6 結語

隨著新技術、新設備的不斷發展和應用，綜合能源系統的結構框架也在不斷衍變，能夠帶來的經濟、環境和社會效益也將日益明顯。在我國能源互聯網、綜合能源系統理論研究不斷深入和試點項目有序落地的背景下，開展綜合能源系統建模仿真、規劃優化、調度優化、效益評價以及平臺開發具備了良好的實施條件，也是未來需要進一步深入研究的重點方向。

基于國內外已有研究的基礎上，對綜合能源系統結構框架、建模仿真、規劃運行、協同調度、效益評價進行梳理歸納與總結分析，為綜合能源系統項目的投資規劃、建設運營提供了參考與借鑒，為有效開展綜合能源系統的效益評估機制和平臺開發設計提供了保障與支撐。