多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化建議

劉 寧，邵 山，羅玉琴

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

多功能互補(bǔ)并非一個(gè)全新的概念，其實(shí)早在20世紀(jì)中后期就已被提出。隨著能源開發(fā)力度的逐漸增加，世界范圍內(nèi)能源物質(zhì)短缺愈加嚴(yán)重，人們開始探索更有效的能源利用方式，對(duì)于多能源互補(bǔ)的研究進(jìn)度才逐漸加快。多功能互補(bǔ)是能源領(lǐng)域中的一個(gè)混合概念，貫穿于能源開發(fā)、利用和管理。在自然環(huán)境中，能源以多種多樣的形式存在，其開發(fā)和利用思路基本一致，即通過(guò)能源形式的不斷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guò)多能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)機(jī)制來(lái)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(tǒng)性，比如煤礦的利用系統(tǒng)就是通過(guò)受熱后燃燒使化學(xué)能向內(nèi)能轉(zhuǎn)變，然后內(nèi)能再向機(jī)械能或其他能源形式轉(zhuǎn)變[2]。但是，單一的能源利用系統(tǒng)具有特異性，這使得各種獨(dú)立的能源系統(tǒng)無(wú)法有效協(xié)調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致整體協(xié)調(diào)性較差、能源利用效率偏低。多能源護(hù)理的核心理念就是通過(guò)協(xié)調(diào)各種能源供應(yīng)系統(tǒng)的特異性，使彼此之間實(shí)現(xiàn)配合，降低或消除能源供應(yīng)環(huán)節(jié)的不穩(wěn)定性，從提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)不可再生資源的安全消納。

1 多功能互補(bǔ)的可行性分析

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，能源監(jiān)控技術(shù)、控制技術(shù)和管理技術(shù)不斷完善，各種新型的能源利用系統(tǒng)被開發(fā)和廣泛應(yīng)用，不同能源之間耦合越來(lái)越緊密，基本實(shí)現(xiàn)了多能源功能利用狀態(tài)下的能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[3]。

綜合能源系統(tǒng)是多能互補(bǔ)在區(qū)域能源供應(yīng)中重要的實(shí)現(xiàn)形式，通過(guò)能源源、能源網(wǎng)、用能點(diǎn)等協(xié)調(diào)和緊密互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)功能系統(tǒng)的全面科學(xué)分析、設(shè)計(jì)和運(yùn)行。這與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展有密切聯(lián)系。

通常，綜合能源系統(tǒng)一般涵蓋供電系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、供水系統(tǒng)以及其他基礎(chǔ)能源供給系統(tǒng)[4]。多能互補(bǔ)系統(tǒng)的構(gòu)建核心就相對(duì)單純，通過(guò)優(yōu)化能量生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)和管理等幾個(gè)方面，在充分考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)各個(gè)能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與配合，以集成化的方法提高能源利用效率，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。

2 多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)建模

2.1 靜態(tài)建模

靜態(tài)建模是反映多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的基本思路。在靜態(tài)建模中，能源集線器模型極為重要，其是反映能源系統(tǒng)間能源形勢(shì)靜態(tài)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，最早由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)提出[5]。靜態(tài)建模能夠?qū)⒕C合能源系統(tǒng)內(nèi)各系統(tǒng)的耦合關(guān)系進(jìn)行良好描述，同時(shí)可以直觀地進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃、分布式能源系統(tǒng)管理、地區(qū)能源供給需求管理、區(qū)域能源調(diào)度規(guī)劃等，其是基于宏觀模式下的一種系統(tǒng)建模思路，是系統(tǒng)設(shè)定前的規(guī)劃。

2.2 動(dòng)態(tài)建模

動(dòng)態(tài)建模是基于綜合能源利用系統(tǒng)中能源轉(zhuǎn)化和使用監(jiān)控管理的一種思路，與靜態(tài)建模不同，動(dòng)態(tài)建模針對(duì)的是微觀的能源利用問(wèn)題，其處理的是能源傳輸、利用過(guò)程中每一個(gè)點(diǎn)的管理和運(yùn)用形式。其需要考慮到系統(tǒng)的特點(diǎn)和能源自身的特點(diǎn)，比較依賴集線器和連接器模型[6]。

動(dòng)態(tài)建模描述的是能源系統(tǒng)中能源利用問(wèn)題，比如在某一個(gè)節(jié)點(diǎn)能源的消耗量和能效，然后通過(guò)優(yōu)化每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的能源利用，促進(jìn)整體能源能效的提高。

3 多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)研究

3.1 區(qū)域多能互補(bǔ)

從整個(gè)能源系統(tǒng)出發(fā)，可以確定的是不同能源形式的耦合會(huì)對(duì)能效產(chǎn)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(xié)同優(yōu)化提供了空間。構(gòu)建不同能量系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)機(jī)制，可有效改善不同能源在不同供能背景下的時(shí)空間平衡，從而提高能源的綜合利用率，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，保證能源供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中，多能量載體的規(guī)模化和集成化管理可利用是實(shí)現(xiàn)區(qū)域多能互補(bǔ)的核心問(wèn)題，也是近年來(lái)能源科學(xué)研究的重點(diǎn)問(wèn)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(shí)現(xiàn)的多能互補(bǔ)方式，以家庭為例，家庭生產(chǎn)環(huán)境中需要運(yùn)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(shí)現(xiàn)多能源的交互和耦合，將極大地提高能源的利用效率，同時(shí)也為用戶的能源利用提供了更多的可靠選擇，這也推動(dòng)了能量流、信息流、業(yè)務(wù)流等特性各異的物理對(duì)象的融合。

未來(lái)的綜合能源系統(tǒng)不再是由供給側(cè)到用戶側(cè)的單向能量傳遞，能源用戶也由過(guò)去的能源使用者轉(zhuǎn)換成能源消費(fèi)者和服務(wù)商，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中供給者、消費(fèi)者的概念被淡化，取而代之的是綜合能源系統(tǒng)供需雙側(cè)的智能交互[7]。

3.3 多種儲(chǔ)能的控制方法和配置策略

現(xiàn)階段，按照時(shí)間尺度來(lái)劃分，電儲(chǔ)能一般用于“低儲(chǔ)高發(fā)”、聯(lián)絡(luò)線功率控制和電能質(zhì)量治理三個(gè)方面，經(jīng)濟(jì)效益在峰谷電價(jià)差和延緩電網(wǎng)升級(jí)兩方面。由于供冷是非時(shí)變的，儲(chǔ)熱沒有套利空間，一般用于與CCHP 機(jī)組協(xié)調(diào)調(diào)度，優(yōu)化CCHP 機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，使以熱定電的CCHP 機(jī)組可在用電峰時(shí)段多發(fā)電，燃?xì)忮仩t運(yùn)行在效率較高的狀態(tài)，在用電谷時(shí)段停機(jī)由儲(chǔ)能供熱，顯著提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。另外，對(duì)于電制冷機(jī)組，其經(jīng)濟(jì)效益與實(shí)時(shí)電價(jià)關(guān)系密切，加入蓄冷可以顯著降低電空調(diào)的運(yùn)行成本，減少電制冷機(jī)組的配置容量。

4 多能互補(bǔ)在綜合能源系統(tǒng)中構(gòu)建的重點(diǎn)

4.1 多能互補(bǔ)協(xié)同運(yùn)行調(diào)度

多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)中，能源的調(diào)度和優(yōu)化配置一直是核心問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)構(gòu)建和市場(chǎng)效益的基礎(chǔ)。通過(guò)多個(gè)能源系統(tǒng)的協(xié)同機(jī)制，人們可以實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和高能產(chǎn)出，進(jìn)而緩解區(qū)域能源緊張問(wèn)題。

雖然多能互補(bǔ)的協(xié)同運(yùn)行能夠帶來(lái)極高的經(jīng)濟(jì)效益，但是這也意味著風(fēng)險(xiǎn)的擴(kuò)大，當(dāng)多能互補(bǔ)耦合性較強(qiáng)時(shí)，多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)內(nèi)能源的流動(dòng)性不再是單向的，而是存在多向互動(dòng)，如果某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)發(fā)生故障傳遞效應(yīng)，使損害結(jié)果擴(kuò)大。

因此，多能互補(bǔ)的協(xié)同運(yùn)行調(diào)度是構(gòu)建多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的核心問(wèn)題之一，只有通過(guò)良好的調(diào)度，將故障發(fā)生率鎖定在最小范圍內(nèi)才能最大限度發(fā)揮多能互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制也是多能互補(bǔ)調(diào)度的重要環(huán)節(jié)。

4.2 多能互補(bǔ)協(xié)同風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制

在多能互補(bǔ)協(xié)同綜合能源系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中，由于故障風(fēng)險(xiǎn)具有可傳遞的特征，因此需要構(gòu)建相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制。同單一能源供應(yīng)系統(tǒng)相比，多能互補(bǔ)的能源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制相對(duì)復(fù)雜，需要綜合各種能源系統(tǒng)、市場(chǎng)、管網(wǎng)等多方信息，嚴(yán)格計(jì)算投入、產(chǎn)出比以及風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率和風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后的損害范圍、損害程度，在諸多方案中找到最符合經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、市場(chǎng)性特征的風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)制。當(dāng)然，由于多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)中不確定因素的增加，想要精確評(píng)估運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的難度較高，可以引入彈性概念，允許合理的風(fēng)險(xiǎn)存在。

4.3 用能替代的綜合需求響應(yīng)

對(duì)于多能互補(bǔ)系統(tǒng)，用戶參與需求響應(yīng)的手段不僅限于傳統(tǒng)的電能削減和在時(shí)間上的平移。用能替代正逐漸成為綜合需求響應(yīng)的一個(gè)重要方式，能量的替代使用可降低用戶側(cè)的用能成本，在滿足用能需求的前提下響應(yīng)各個(gè)能源系統(tǒng)的調(diào)度期望，可觀的響應(yīng)收益為用戶相應(yīng)行為提供充足的驅(qū)動(dòng)力。但是，當(dāng)前調(diào)度、規(guī)劃以及市場(chǎng)的研究中，很多都忽略了這種新的用戶響應(yīng)形式。

4.4 能流計(jì)算

能流計(jì)算是多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)中靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型的共通點(diǎn)，也是系統(tǒng)構(gòu)建和管理的核心內(nèi)容之一。現(xiàn)階段，實(shí)踐作業(yè)一般采用改進(jìn)的能源集線器模型，考慮耦合單元作為平衡節(jié)點(diǎn)對(duì)于電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流的影響，形成該系統(tǒng)適用的潮流求解算法。相應(yīng)的研究可分為統(tǒng)一求解法和解耦求解法兩類。采用統(tǒng)一求解法時(shí)，需要建多系統(tǒng)的混合模型，然后在統(tǒng)一的框架下建立包含多個(gè)能網(wǎng)狀態(tài)的潮流方程，對(duì)系統(tǒng)綜合潮流進(jìn)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(gè)系統(tǒng)的耦合關(guān)系，將電力潮流與天然氣以及熱力系統(tǒng)解耦計(jì)算，因此可以在原有獨(dú)立的潮流計(jì)算模塊上增加能源耦合分析模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算難度較小。

5 結(jié)論

隨著能量需求呈現(xiàn)多樣化和分布化趨勢(shì)，以多能互補(bǔ)為中心的綜合能源系統(tǒng)理論研究和工程實(shí)踐也逐漸展開，然而在實(shí)踐和研究過(guò)程中，各子系統(tǒng)通過(guò)大量的異質(zhì)元件耦合，耦合元件在不同的管理模式、運(yùn)行場(chǎng)景和控制策略下相互影響，呈現(xiàn)不同的電氣、熱力、水力特性，對(duì)所耦合的能源系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的非線性、不確定的影響，綜合能源系統(tǒng)無(wú)論在科學(xué)研究還是工程應(yīng)用方面仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為進(jìn)一步提高用能效率，促進(jìn)多種新能源的規(guī)模化利用，多種能源的源、網(wǎng)、荷深度融合和緊密互動(dòng)又是未來(lái)能量系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，因此在未來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，能源科學(xué)領(lǐng)域中，多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的研究將一直是熱點(diǎn)問(wèn)題。