綜合能源系統優化運行研究現狀及展望

郭創新，丁筱

綜合能源系統優化運行研究現狀及展望

郭創新，丁筱

（浙江大學電氣工程學院，浙江省 杭州市 310027）

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。針對綜合能源系統優化運行問題的研究現狀進行了全面整理，首先介紹了綜合能源系統的組成，對電力、熱力和天然氣的網絡潮流模型的研究現狀進行了歸納分析；其次對優化運行方法進行了分類總結，分析了現有方法的優缺點和難點；最后進行了展望，指明了綜合能源系統優化運行未來的研究方向。

綜合能源系統；電氣；電熱；優化運行；研究現狀

0 引言

國際能源署(international energy agency，IEA)發布的《世界能源展望2014》[1]報告對2040年的全球能源圖景進行了展望：全球一次能源需求將增長37%，其中石油、天然氣、煤炭和可再生能源的占比將平分秋色，預測到2030年，天然氣將占到所有一次能源消耗的28%，到2050年將達到50%。以電力、天然氣、熱力等多種網絡系統閉環運行為主要特征的能源互聯網的發展，推動了分布式可再生能源的大規模利用，也使用戶更廣泛和深入地參與系統運行成為可能，從而改變能源利用模式，推動經濟與社會可持續發展。相比于煤炭發電，燃氣機組具有發電效率高、環境友好度強及可快速啟停等優點。隨著中國能源需求迅猛增長以及天然氣資源進入大規模開發利用階段，燃氣機組正進入“大規模增長”階段。根據“十三五規劃”，全國燃氣輪機聯合循環機組裝機容量將在2020年達到5500萬kW，是2000年之前50年已建成同類機組裝機容量的25倍[2]。據統計，從1980年到2018年，美國天然氣機組發電占比提升了64%。天然氣系統與電力系統類似，具有對應的發輸配網絡，兩者之間可以通過耦合設備實現能量雙向傳遞，從而實現新能源的消納、靈活運行。除此之外，為進一步提高能源的利用率，對發電機組的余熱進一步利用，即采用熱泵等電?熱設備進行耦合運行。電力系統與天然氣系統、熱力系統在生產、傳輸、分配、使用每個運行環節都存在深度耦合，電網的運行控制也依賴天然氣網絡和熱力網絡的配合。多種能源系統間的深度耦合構成了現代綜合能源系統，可實現能源的梯級利用和互補互濟。

綜合能源系統相較于傳統電網有較大差別，能量流動更加復雜，優化運行涉及更多的利益主體。當前，電力系統與天然氣系統、熱力系統是相互獨立、高度自治的系統，運行控制由各自的運營機構獨立執行，傳統的集中式優化策略未必適用。同時隨著負荷和網絡復雜度增加，綜合能源系統的穩定運行正面臨巨大挑戰，各種極端外部自然災害給能源系統帶來了嚴峻的挑戰。這類災難發生的概率雖小，但發生后的損失卻可能極為巨大。所以，對于綜合能源系統優化運行的研究具有十分重要的價值。本文針對綜合能源系統的優化運行問題，對其研究現狀進行了分析。首先介紹了綜合能源系統的組成和元件模型，對于關鍵元件、關鍵技術做了重點闡述；其次對運行方法進行了歸納，分析了現有方法的優缺點和難點；最后對綜合能源系統的優化運行進行了展望，指明了未來的研究方向。

1 綜合能源系統架構與建模

1.1 綜合能源系統的架構

綜合能源系統是指以先進電力電子控制技術和高級通信采集技術為基礎，具有高靈活性、高韌性運行特點，多種能源協調運行的能源供給系統[3]。綜合能源系統具有3種結構類型：跨區級綜合能源系統、區域級綜合能源系統和園區級綜合能源系統?？鐓^級綜合能源系統主要由輸電網、天然氣骨干網絡等遠距離大容量設備組成。區域級綜合能源系統主要由中壓配電網、配氣網、配熱網組成，各網絡呈現輻射狀結構。園區級綜合能源系統定位于小型范圍內的用戶側能源管理，可以實現智能用電系統、分布式供熱供水、需求側管理等功能。本文選擇區域級綜合能源系統作為分析研究對象。圖1為一個基本的綜合能源系統，包括天然氣、電力、冷熱等能源的配送網絡以及負荷和能源轉化設備等。天然氣通過熱電聯合(combined heat-power，CHP)轉化成電力，其中余熱鍋爐通過燃氣輪機發電過程中產生的余熱提供熱力供應。電力通過P2G (Power to Gas)設備轉化成天然氣供應，同時通過熱泵轉化成熱供應，或通過吸收式制冷機進一步轉換為冷供應。

圖1 綜合能源系統結構圖

1.2 綜合能源系統的網絡潮流分析

綜合能源系統的網絡潮流分析是優化運行的基礎，目前主要的網絡潮流分析包括電力、天然氣和熱力3種形式。

1.2.1 電力網絡潮流模型

針對綜合能源系統中電力潮流的分析方法，大致分為2種：1）采用傳統的配電網交流潮流；2）更為簡單的輸電網直流潮流。具體采用哪種潮流根據具體情況而定：當綜合能源系統的范圍在區域或園區級別時，一般采用配電網交流潮流，如圖2所示；當范圍擴大時，可采用對應的輸電網直流潮流。

圖2 電力網絡潮流

文獻[4-5]采用配電網交流潮流方程對綜合能源系統中的電力網絡潮流進行建模，具有如下的數學形式：

式中：P、Q分別為線路上的有功功率、無功功率；V、V分別為節點、電壓的幅值；G為線路參數電導；B為線路參數電納；為線路電壓相角。

文獻[6]從輸電網層面對電力網絡進行建模，采用了對應的輸電網直流潮流方程，即不考慮電壓幅值約束。線路潮流和線路兩端的功角有如下關系：

式中：、為線路兩端的功角；x為線路電阻。

1.2.2 天然氣潮流模型

天然氣網絡結構如圖3所示，包含天然氣源、管道和壓縮機等設備。天然氣潮流分析方法分為穩態Weymouth潮流模型[7]和動態潮流模型[8]2種。穩態潮流模型中的參數(如氣體流速、管道壓力)不隨時間變化。而動態潮流模型中的參數隨時間變化，具有如下的數學形式：

式中：pm,t、pm,t-1分別為t、t?1時刻管道的氣壓；gmn,t為管道(m,n)的正向流量；gnm,t為管道(m,n)的負向流量。

若不考慮節點氣壓的動態變化特性，式(4)等號的左側為0，即為穩態潮流方程。雖然穩態潮流模型相對簡單易解，但是對天然氣網絡的動態特性未加以考慮，故存在計算誤差。

1.2.3 熱力網絡潮流模型

熱力網絡與電力網絡建模類似，包含熱源、熱網以及熱負荷。其中熱力網絡又包含供水網絡和回水網絡。一個熱力網絡的結構如圖4所示。熱力網絡的潮流模型包含水力模型和熱力模型2部分。文獻[9]提出了一種簡單的熱力網絡建模方法，但是計算精度不高，難以得到具體應用。文獻[10]提出了相對精準完備的電?熱聯合分析模型，但是由于計算量較大，難以滿足優化分析實時性的要求?，F有的熱力網絡潮流分析大多參照電力網絡潮流分析的方法，建立流量平衡方程、溫度平衡方程，在計算中未考慮節點回水溫度的差異和混合回水溫度的影響。文獻[11]雖然考慮了不同管道情況下回水溫度的差異，但是需要對矩陣進行求解分析，計算量較大。文獻[12]參照配電網輻射狀運行的特點，采用前推回代法對熱力網的潮流進行了求解，同時計及回水管道熱損失對回水管道溫度進行了修正。

圖4 熱力網絡結構圖

1.3 綜合能源系統的耦合設備建模分析

綜合能源系統中耦合設備眾多，主要涉及電力?天然氣耦合組件、電力?熱力耦合組件兩大類。具體而言，CHP機組和P2G設備實現了電?氣的雙向轉換。而CHP機組、熱泵、電鍋爐等技術則可實現電轉熱，而CHP機組中余熱鍋爐的利用有助于進一步提高能源利用率，是主要的電熱耦合形式，所以本文選取余熱鍋爐進行重點分析。

1.3.1 CHP機組

1）燃氣輪機。

燃氣輪機結構如圖5所示，燃氣輪機是綜合能源系統中的核心部件，其實現了將天然氣轉化為電?熱的功能。在建模方法上主要分為2類，文獻[13]直接用一次函數表示發電量gas與天然氣消耗量gas的關系：

式中,,是常數，由實驗曲線得到。雖然此模型相對于一次函數的線性模型精準度更高，但是由于其引入了二次項，會在計算求解上增加難度。

圖5 燃氣輪機結構圖

2）余熱鍋爐。

1.3.2 P2G設備

電解水流程如圖6所示，P2G可以和燃氣輪機聯合運行，從而實現電?氣能量的雙向流動。P2G是將水進行電解從而生成氫氣和甲烷的設備，包括2個化學過程：1）電解水反應生成氫氣；2）氫氣與二氧化碳合成甲烷。

圖6 電解水流程示意圖

P2G產生的氫氣和甲烷都可以直接注入天然氣網絡或者存儲設備進行利用。其能量轉換效率可達75%~85%。現有的電解制氫方法主要有2種：堿性電解水制氫和聚合物電解質電解水制 氫[17]。電轉天然氣是在電轉氫的基礎上，在催化劑的作用下將電解水生成的氫氣與二氧化碳反應生成甲烷和水，這個過程稱為甲烷化過程，這個過程能量轉換效率為75%~80%[18]。甲烷化過程中所需的二氧化碳主要來自環境空氣或者火電廠煙氣產生的生物氣體。通過上述2個階段化學反應，電轉天然氣綜合效率在45%~60%[18]。目前來看，P2G裝置的主要作用為消納新能源，將價格低廉但波動性較強的綠色能源轉換為可儲存的氣體形式，在負荷高峰時再轉換為電力。P2G裝置作用類似于電力系統中傳統的儲能設備，由前文綜述可知，目前的P2G轉化裝置效率較低，經歷過多次轉換后能量損失較大。但是P2G裝置能夠實現快速響應，可以直接將電力轉化為氫氣或者甲烷注入到天然氣網絡中供給本地負荷，避免了儲氫、運氫等復雜且危險的技術環節，具有廣闊的應用前景。

2 綜合能源系統的優化運行方法

2.1 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。文獻[19]建立了考慮多種成本的區域綜合能源系統調度成本模型，并利用混沌粒子群算法加以求解。文獻[20]綜合考慮了電熱聯合系統中分布式能源的時序特征，得出了調度時段內各可控分布式電源的最優出力以及運行成本。文獻[21]分析了儲熱消納風電的基本機制，在調度模型中增加了儲熱運行約束。以上文獻都是考慮日前單一時段的優化調度，在實際運行中可能會與實際情況發生偏差，造成違反運行約束的情況。所以在日前調度的基礎上，往往需要日內調度等多時間尺度調度的配合。文獻[22]基于模型預測控制(model predictive control，MPC)的方法，建立了多時間尺度冷熱電協同優化模型，通過日前?日內調度來控制運行的經濟性，通過實時調度來消除可再生能源出力波動性的問題。文獻[23]為了利用熱電聯合系統消納風電，建立了基于日前、滾動和實時3個時間尺度的調度模型，并改進了粒子群算法，通過參數自調節加速了算法的求解速度。

多時段的優化控制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，則多時段的優化控制能得到更好的應用。

2.2 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。文獻[24]采用增廣拉格朗日松弛算法，將聯合優化模型分解為電力系統機組組合子問題和天然氣網絡運行子問題，電力運營商和天然氣運營商通過交換對偶乘子信息以滿足耦合約束；文獻[25]采用交叉乘子迭代算法，解耦電、氣能量流以實現協同控制，并分析了串行分解方式和并行分解方式的差異性。文獻[26]總結了近年來能源互補集成的研究成果，對多能系統規劃、智能調控、協同控制等關鍵技術和挑戰進行了歸納。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。

2.3 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、負荷預測誤差以及量測信息誤差。面對這些不確定性的挑戰，現有的綜合能源系統優化運行研究中一般采用隨機優化[27]、魯棒優化[28]、區間優化[29]3種方法。文獻[30]基于區間法和可能度的方法，對風電不確定性進行了描述，同時考慮了電氣轉化，得出的結論能輔助調度員對不確定性進行處理。文獻[31]在采用k-means聚類方法對歷史聚類的基礎上，利用上下界區間描述了負荷的不確定性，通過將魯棒優化模型轉換為混合整數凸優化問題進行求解。文獻[32]結合魯棒優化和隨機優化，針對電轉氣設備進行了精細化建模，得出的調度結果能兼顧系統的調度成本和可靠性。

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。魯棒優化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。

2.4 綜合能源系統優化問題的求解方法

綜合能源系統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。求解方法主要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。目前較多研究通過啟發式算法對綜合能源系統的優化問題進行求解，如文獻[33]采用模擬退火法對熱電耦合綜合能源系統的優化調度問題進行求解。文獻[34]則結合凸優化的最新進展，采用凸松弛的手段對多目標綜合能源系統的優化調度進行求解，在保證求解質量的同時，加快了算法求解速度。文獻[35]則結合了半不定量法和內點法對電?氣互聯綜合能源系統的最優潮流進行求解。

3 綜合能源系統研究方向展望

3.1 綜合能源系統建模理論

計及復雜約束的綜合能源系統建模理論的研究剛剛起步，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。

3.2 綜合能源系統優化方法

在綜合能源系統的優化運行方面，依然有以下問題值得深入研究：1）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；2）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；3）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。

3.3 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：1）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；2）如何面對多重不確定性因素，制定魯棒的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；3）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。

4 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能力，但是其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，分析了電力、天然氣、熱力網絡潮流的建模方法，分類總結了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。最后指出了未來綜合能源系統研究可從建模理論、優化方法和風險調度等方面開展工作。

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Research Status and Prospect of Optimal Operation of Integrated Energy System

GUO Chuangxin, DING Xiao

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China)

In order to fully consume clean energy and improve energy efficiency, the concept of integrated energy system was put foward. Compared with the traditional single-stage energy utilization, integrated energy system makes multi-level use of various forms of energy such as power, heat and cold and natural gas, and achieves the improvement of integrated energy utilization efficiency through multi-energy complementarity. However, due to the close coupling between the systems and the complex changes of energy flow, the integrated energy system is quite different from the traditional power grid in terms of optimal operation. The research status of optimal operation of integrated energy system was comprehensively sorted out. Firstly, the composition of integrated energy system was introduced. The research status of power, heat and natural gas network power flow models was summarized and analyzed. Secondly, the optimal operation methods were classified and summarized, and the advantages, disadvantages and difficulties of existing methods were analyzed. Finally, the future research direction of the integrated energy system was pointed out.

integrated energy system; electricity-gas; electricity-heat; optimal operation; research status

10.12096/j.2096-4528.pgt.19132

TK01+9

2019-09-10。

國家自然科學基金項目(51877190)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51877190).

郭創新(1969)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為智能調度及風險調度、智能信息處理技術及其在電力系統應用的研究，guochuangxin@zju.edu.cn；

郭創新

丁筱(1997)，女，碩士研究生，研究方向為綜合能源系統優化與運行，本文通信作者，401051634@qq.com。

丁筱

(責任編輯 尚彩娟)