綜合能源規劃系統國內外研究現狀與展望

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國和消費國。能源供應持續增長，為經濟社會發展提供了重要的支撐[1-2]。國家加快發展現代能源產業，堅持節約資源和保護環境的基本國策，把建設資源節約型、環境友好型社會放在工業化、現代化發展戰略的突出位置。

由于國內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]。結合“能源互聯網”概念的區域能源綜合利用已成為國內外研究熱點，為新能源消納提供新思路[4-6]。目前區域能源綜合規劃已建設示范項目，取得顯著的效果。

本文對綜合能源規劃系統的研究現狀進行綜合分析，從國內外研究現狀、關鍵技術研究、示范工程現狀進行分析，并對區域綜合能源規劃系統的發展提出建議。

2 國外研究現狀

2.1 關鍵技術研究現狀

在綜合能源規劃設計系統的研究中，國內外均取得一定的成果。其中美國在綜合能源系統規劃軟件研發方面成果頗豐，成果包括美國電力可靠性技術協會開發的DERCAM 軟件[8]、美國國家可再生能源實驗室開發的HOMER軟件[9]、美國佐治亞理工學院開發的μGrid 軟件。

美國DER-CAM 軟件擁有系統規劃和運行分析兩個版本。系統規劃版本與現有的大部分綜合能源規劃軟件類似，以區域分布式能源系統年供電成本最低和溫室氣體排放量最低為目標，負荷需求包括供冷、供熱、供電、供氣，區域能源類型包括光伏、光熱、熱電廠、儲能、儲熱等，考慮能源系統中用能設備、供能設備的裝機成本和運行維護費用，結合區域負荷和環境因素，得到一個最優的分布式能源系統規劃方案。運行分析版本則采用混合線性規劃模型，以綜合能源系統能耗或運行成本最低為目標進行規劃設計。

HOMER 由美國國家可再生能源實驗室研發，是適用于小功率可再生能源系統的規劃分析軟件。主要功能包括系統仿真、優化以及敏感性分析。HOMER 的負荷類型較少，包括熱負荷、電負荷和用氫負荷，區域內能源輸入類型主要有可再生能源、電網、儲能（電儲能、儲氫），該軟件以凈現值成本最低為尋優目標，能夠為區域內新能源并網、供熱、用氫需求規劃設計方案。

美國喬治亞理工學院研發的μGrid 軟件主要針對微電網系統，不考慮設備聯產熱/冷和儲能，系統輸入僅包括分布式供電設備，該軟件被用在分布式微網系統評估、穩態分析、動態分析、控制方案設計等方面，具有較強的建模分析能力。

2.2 示范工程現狀

區域綜合能源規劃系統是在地域上實現能源綜合利用與分布式利用的能源系統，它根據區域實際負荷需求（如用電負荷、熱負荷、冷負荷等），進行區域內的能源（如風電、光伏、電網、燃機、儲能系統等）綜合分配，對各類能源容量進行優化設計，能夠得到滿足區域負荷需求的區域綜合能源規劃方案，如圖1。

圖1 典型綜合能源規劃系統設計思路

英國卡迪夫大學工程學院能源研究院的吳建中教授[10]認為，綜合能源系統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控制策略的研究，綜合能源系統研究面臨的主要問題是如何理解、量化進而優化多種能流的能源融合與互動。

（1）丹麥。丹麥是國際范圍內清潔能源領域的領頭羊，為發展清潔能源，主要采取了增加可再生能源使用、提高能效、減少總能源消費等措施。在政府層面，丹麥推動能源綜合利用相關的政策法規；在科研與工程建設方面，丹麥將研究重點放在多能互補的綜合能源系統研究上，旨在提高清潔能源利用率。丹麥綜合能源規劃系統結合電力、供暖以及運輸部門，利用區域多能流綜合利用的靈活性來彌補可再生能源的不穩定性，形成以電負荷、熱負荷與燃氣需求為主要需求的能源負荷網絡，與電網、新能源耦合。

（2）英國。英國政府和企業致力于建立可持續發展的能源系統，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。英國已經在蘇格蘭建立了新虛擬能源系統（VES），并且項目第一階段已經啟動，以負荷為導向，結合分布式能源與波動的可再生能源發電，將當地的電力網絡、燃氣網絡、熱網等連接到一個可控的總體系統當中。該項目的關鍵技術在于如何將分布式能源、新能源發電與負荷緊密結合并優化配置，達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劃系統進行積極研究，并形成示范項目。德國RegModHarz 項目主要包括2 個光伏電站、2 個風電場、1 個生物質發電，共86MW 發電能力，該項目的特別之處在于用電側整合了儲能設施、電動汽車、可再生能源和智能家用電器的虛擬電廠，豐富了配電網系統的調節控制手段，為分布式能源系統參與市場調節提供了參考。為了使區域綜合能源系統能夠根據負荷與市場需求進行調節，科研人員開發設計了一個控制平臺，對外接的電氣設備實行標準化的數據結構和設備服務，可獨立于生廠商支持建筑自動化和能效管理。從該項目運行現狀來看，綜合能源系統能夠平抑新能源發電不穩定性，為綜合能源系統市場開發提供依據。

（4）瑞典[11]。綜合能源規劃系統的關鍵技術是綜合能源規劃建模，瑞典聯邦理工大學提出通過靜態轉換效率鏈接區域綜合能源和區域負荷需求，經過優化設計得出滿足需求的綜合能源裝機模式，提高區域能源利用率，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域負荷特性的耦合關系，有一定的局限性。

3 國內研究現狀

3.1 關鍵技術研究現狀

目前國內已有許多關于分布式可再生能源綜合規劃系統的研究，包括東南大學電氣工程學院[12]、清華大學電力系統及發電設備控制和仿真國家重點實驗室[13]、上海交通大學[14]、上海電氣集團[15-16]、中科院廣州能源研究所、天津大學。

東南大學電氣工程學院王珺認為綜合能源系統中的冷熱電聯供系統因為其能量利用率高等優點已成為綜合能源系統的主要研究方向之一。她提出一種結合熱網的多區域綜合能源系統協同規劃模型，對多能流與負荷間耦合方式建立整數線性規劃模型，并進行案例驗證，結果表明為區域進行綜合能源規劃系統定制化設計，能夠實現多區域的綜合能源供需配比，提升各類能源的綜合利用率，經濟性顯著提升。

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、供熱系統的綜合能源優化模型，模型以區域綜合能源系統裝機成本與運營成本最低為目標，進行各類能源裝機配比優化設計，由于該模型供能側包括儲能，使模型在尋優過程中更易收斂，得到綜合成本最低的區域綜合能源規劃設計方案，滿足區域負荷需求。

上海交通大學的姜子卿、郝然等人對工業園區的冷熱電多能互補綜合能源系統模型進行研究，該模型考慮多能源在價格、用能、需求特性上的差異性和CCHP 機組的出力特性等，以系統裝機與運維成本最低為尋優目標，建立了聯系電網側、供能測、儲能測、需求側多方聯動的CCHP 綜合能源系統。結果表明，該模型能夠提升區域能源與負荷的聯動性，提升能源利用率，并且在滿足區域符合需求的情況下得到成本最低的能源配置方案，經濟效益好。

上海電氣集團研發了分布式能源系統優化規劃設計軟件DES-PSO，該軟件能夠與資源、負荷數據庫聯動，通過分析數據庫中區域資源配置與負荷需求情況，針對性的進行能源搭配與系統配置的優化設計，以投資成本、運行成本、購電量等為尋優目標，尋優過程中可能出現多種較優方案，對方案進行比選，最終得到最適用于該區域的綜合能源配置方案。該軟件已經產業化并且經過4 年的不斷研究與優化，已經形成第三代產品。

中科院廣州能源研究所研發了一款輔助設計軟件，軟件包括區域能源價格數據庫、冷/熱負荷數據庫、新能源數據庫、制熱/冷設備數據庫等設計輸入，還包括規劃設計核心算法，可自行選擇設備，軟件通過規劃設計計算得到成本最低的綜合能源配置方案，為綜合能源系統經濟性測算提供依據。

天津大學為南方電網兆瓦級儲能電站試點工程項目研發一款分布式儲能規劃系統。軟件針對新能源電廠面臨的并網難題（如平滑輸出、計劃發電等），為電廠進行儲能系統整體規劃、設計與經濟性分析。軟件主要輸入為電網側、電廠供電與儲能，更適用于解決新能源電廠的并網難題。

3.2 示范工程現狀

3.2.1 國家電網同里綜合能源服務中心

國家電網有限公司的同里綜合能源服務中心于2018年建成投運，能源供應類項目包括多能綜合互補利用項目、高溫相變光熱發電等；能源配置類項目包括微網路由器、源-網-荷-儲協調控制系統等；能源消費類項目，包括綠色充換電站、“三合一”電子公路等；能源服務類項目包括綜合能源服務平臺、綜合能源展示中心等。項目建成后，整體構成“電網為平臺、多能互補、智能配置”的新型區域能源互聯網，形成一個集能源生產、服務、展示、研發、辦公等為一體的綠色低碳園區。

3.2.2 東莞交直流混合綜合能源示范工程

國家重點研發計劃項目課題“交直流混合的分布式可再生能源系統示范驗證”，于2018 年建成國內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據中心、辦公生活園區、工業園區典型用能場景。工程包含風力發電、光伏發電、太陽能熱發電及熱利用、儲電、儲熱等多類型分布式可再生能源互補系統，預計系統總容量不小于5.14MW，直流負荷占比不小于35%、可再生能源占比不小于61.5%。

4 結論與展望

4.1 結論

綜合能源系統的核心是將區域內的能源進行合理的分配，以達到區域內能源裝機成本最低、運行成本最低、碳排放量最低的目標。面對全球環境形勢，各國都在尋求更高效、更環保的供能方式。由于新能源發電的不穩定性等因素面臨并網難題，利用新能源、儲能、聯供系統等能源進行綜合利用，形成區域綜合能源微電網，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。同時通過能源規劃模擬，將各類能源科學配置，能夠達到區域內投入最低、能源利用率提高的效果。

4.2 展望

目前我國綜合能源系統規劃示范工程多依賴區域電網、燃機系統以滿足區域負荷需求，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區域微電網，示范意義較強。雖然已有針對區域多能互補的綜合能源系統規劃設計關鍵技術研究，但是相應的示范工程較少。

國外對綜合能源規劃的研究已經較深入，針對綜合能源規劃設計關鍵技術已形成成熟的示范項目。國內需要對綜合能源系統規劃設計進行不斷迭代、優化，因此需要不斷結合工程經驗，不斷優化系統，為我國綜合能源技術與產業提供基礎。