淺析區(qū)域綜合能源多能耦合協(xié)同技術(shù)

毛志斌 周俊 蔡劍 侯惠娜

國網(wǎng)衢州綜合能源服務有限公司

0 概述

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

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

1 針對源端供應環(huán)節(jié)規(guī)劃

在滿足用戶多種用能需求和達到各種經(jīng)濟技術(shù)指標的前提下，針對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)源端供應環(huán)節(jié)的優(yōu)化，充分考慮園區(qū)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(huán)節(jié)各個生產(chǎn)設備、轉(zhuǎn)換設備及存儲設備的配置方案。目前應用于綜合能源系統(tǒng)中主要的設備見表1和表2。

表1 能量轉(zhuǎn)換設備

表2 能量存儲設備

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

2 針對荷端供應環(huán)節(jié)規(guī)劃

在IES系統(tǒng)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(qū)域綜合能源系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)控制的功能性，靈活性提出更高要求。用戶可根據(jù)園區(qū)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(xiàn)源與荷之間的平衡。

區(qū)域級的用能單位多選取工業(yè)園區(qū)、居民區(qū)等用能集中片區(qū)，此外還包括能量供給系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等傳輸網(wǎng)絡等。能源微電網(wǎng)作為區(qū)域IES的子系統(tǒng)，主要由CCHP和小型儲能設備構(gòu)成，以單個廠房、商業(yè)體或居民樓為用能單元。區(qū)域級IES的規(guī)劃，不僅要考慮CHP機組、電制氣設備等能量轉(zhuǎn)換裝置及能量存儲裝置的選址、選型、定容，還要對電、氣、熱網(wǎng)絡的建設進行規(guī)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(tǒng)綜合調(diào)度模型，有效分析了天然氣負荷變化與系統(tǒng)調(diào)度的關(guān)系及對系統(tǒng)經(jīng)濟性和污染排放的影響。在進行系統(tǒng)規(guī)劃時，要充分考慮多種能源的轉(zhuǎn)換互濟效應，利用天然氣、熱能系統(tǒng)時間常數(shù)大的特點，充分發(fā)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(jù)能源價格及供給能力調(diào)整能源選擇，將需求側(cè)響應應用到多種能源協(xié)調(diào)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(huán)節(jié)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(wǎng)進行規(guī)劃設計顯得十分必要。文獻［5］和文獻[6］對多個能源微電網(wǎng)協(xié)調(diào)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(wǎng)電力互聯(lián)和多能流協(xié)同互補方面研究了協(xié)調(diào)運行的方案。

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)（RIES）由于廣泛涉及電/氣/熱/冷等多種能量形式耦合，其規(guī)劃工作面臨諸多挑戰(zhàn)[7,8]。提高能量利用效率是RIES規(guī)劃的重要任務之一，傳統(tǒng)能量效率的定義僅計及了能量在數(shù)量上的變化，卻忽視了能量在品質(zhì)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(shù)量和品質(zhì)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(zhì)系數(shù)的概念用以量化不同形式能量的品質(zhì)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(qū)域能量供需平衡。以經(jīng)濟性和效率為優(yōu)化目標構(gòu)建了RIES多目標規(guī)劃模型，設計了兼顧規(guī)劃與運行的雙層優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并聯(lián)合運用改進的非支配排序遺傳算法（NSGA－Ⅱ）和內(nèi)點法實現(xiàn)模型高效求解。最后，可選取某工業(yè)園區(qū)RIES作為算例對所提出的方法進行驗證。

單目標規(guī)劃中，通常選取經(jīng)濟性作為優(yōu)化目標，不同研究的差異主要體現(xiàn)在RIES經(jīng)濟性的核算方法上。如文獻[9]提出了一個考慮區(qū)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(guī)劃模型。文獻[10]考慮能源站、管網(wǎng)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(huán)保性是RIES規(guī)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(zhuǎn)化為碳排放成本后，與其他成本項共同組成總經(jīng)濟性目標進行優(yōu)化。

單目標規(guī)劃的主要弊端在于無法兼顧RIES多項性能之間的協(xié)調(diào)。為解決此局限性，RIES多目標規(guī)劃方法被陸續(xù)提出。文獻[11]利用非支配排序遺傳算法,對RIES運行參數(shù)進行了優(yōu)化，在最小化總成本的同時使節(jié)能率最大化，并提出了考慮負荷不確定性的隨機多目標優(yōu)化模型。文獻[12]在考慮電轉(zhuǎn)氣運行成本的基礎上，分析了其對綜合能源系統(tǒng)風電接納能力與運行經(jīng)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(yōu)化目標，對微能源網(wǎng)關(guān)鍵設備容量進行多目標優(yōu)化配置研究。文獻[14]以經(jīng)濟效益和環(huán)境效益為目標提出了一套完整的能源站一體化優(yōu)化設計方案。典型的綜合能源結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 典型的綜合能源結(jié)構(gòu)圖

3 各協(xié)同規(guī)劃方法的評價綜述

當前多目標協(xié)同規(guī)劃的數(shù)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(shù)。園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃過程中存在不確定性問題，包括供能側(cè)、耦合與轉(zhuǎn)換側(cè)和用能測。因此，規(guī)劃中要考慮不確定性。詳細評價見表3。

目前的多目標優(yōu)化較少考慮協(xié)同規(guī)劃環(huán)節(jié)，有必要加強協(xié)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(tǒng)的不確定性問題是協(xié)同規(guī)劃的關(guān)鍵。

表3 各協(xié)同規(guī)劃方法對比分析明細表