多能互補綜合能源電力系統的建設模式初探

時盟，莊鎮宇，姚晶

（1.徐州供電公司配電運檢室；2.國網徐州供電公司，江蘇 徐州 221000；3.江蘇徐電建設集團有限公司，江蘇 徐州 221005）

在科技助推下，我國經濟發展速度迅猛，電力行業趁勢也取得了矚目成就。在社會用電資源總量逐年攀升的背景下，電力企業要走高效能源利用之路，需要在電力系統建設中尋求新技術的應用。多能互補能源電力系統的出現，為提高多能源協同利用率，促進可再生資源的最大化應用，提供了新的契機。

1 多能互補綜合能源系統概述

傳統能源開發利用受制于自然環境因素，在能源總量及能源生產消費上逐漸式微，而以太陽能、風能為代表的可再生能源，在能源產業轉型升級及能源供需體系構建方面開始發揮其引導作用。在二次能源及可再生能源的生產及輸配中，電能占據核心樞紐作用?；诖耍娔芟到y由傳統模式走向多能互補綜合能源電力系統模式，成為能源革命的目標方向。

多能互補綜合能源系統以分布式能源技術為支撐，對電能、太陽能、水能、燃氣能源等進行整合，從而達到多區域多能源同步供應的效果，在多能源互補優化中，使可再生能源最大化利用。各種能源的綜合利用均可以轉化為電能，以緩解電力系統能源供應缺口。但從技術性上看，多能互補能源系統帶有多特性，強隨機性及復雜變量屬性，在范疇上歸屬于非線性系統。綜合能源電力系統與各類能源之間存在耦合關系，也深入融合了能源及信息系統。因而，多能互補能源系統在規劃層面上更加復雜，涉及了一系列理論及實踐研究。概言之，多能互補綜合能源電力系統與多能源耦合系統及能源互聯網等存在相關性，但在側重點及面臨的問題難點上有所差異。綜合能源電力系統主要技術應用范圍及聚焦點應放在電力系統建設層面，在電力系統網絡及技術進步中，研究綜合能源電力系統建設模式的多場景性。

2 多能互補綜合能源電力系統建設的可行性

多能互補綜合能源電力系統構成類型多樣，涵蓋了供熱、供水、供電及其他基礎能源供給系統模塊。多能互補技術與能源領域技術發展保持同步性，如隨著能源監控技術的發展進步，多能互補技術在實施中就可以獲取大量數據參數。此外，在多能源能量生產、匯集、存儲、傳輸、應用過程中，集成技術及自控化技術的引入，可以在穩定能源系統、加強能源系統協同效果以及提高能源利用率方面起到技術保障作用，為電力行業生產成本控制提供便利。

3 多能互補綜合能源電力系統建設的主要考慮因素

電力系統覆蓋的電力服務半徑極為廣泛，除了對社會企業組織及工農業生產園區進行電能供給外，還需要圍繞城市區間開展優質電能傳輸服務。在建設多能互補綜合能源電力系統時，對城市能源結構進行分析應作為主要參考因素。城市供能環節，多能互補綜合能源電力系統在使用輸電系統線路傳導電能外，對城市周邊樓宇可再生能源進行機組并網，然后，借助熱電聯產機組供熱而輸出電功率，也是實現電能供應的重要形式。但由于城市體量大，綜合能源電力系統需要承擔日常用電、工業用電及商業用電，電力負荷壓力不小。為此，對城市能源結構進行分析，在此基礎上測算電力系統及可再生能源系統的電能消耗，據此來判定城市熱力負荷規律，這對是否建設多能互補綜合能源電力系統有直接影響。

4 多能互補綜合能源電力系統的建設模式相關思考

4.1 城市多能互補綜合能源電力系統建設模式

城市日內能源負荷通過測量電負荷最大值、熱負荷最大值、冷負荷最大值及氣負荷最大值，然后采用歸一化處理方式，可以得出負荷曲線。在負荷曲線中找出不同能源負荷存在的時間耦合關聯。經研究，在日間時段，電負荷及熱負荷能源需求高峰時間具備較高的重疊度；在晚間時段，氣負荷能源需求用量攀升到最高值。從中可見，電負荷及熱負荷能夠在能源供應及使用時間上進行互相補充協調，在日間時段，在電力系統熱電負荷供給上，可以采用燃氣機組，在晚間時段，可以通過天然氣儲存能源進行電轉氣，或者設置電采暖設備進行供暖。在城市多能互補綜合能源電力系統建設模式上，為了節約成本，提高效率，可以在當下變電站基礎上設置綜合能源站，從而降低電力系統與可再生能源系統網絡之間的耦合難度。一方面，在原有電力系統內部設置變壓器區、可再生能源發電區、熱量能轉化耦合區、電動汽車充電區、電熱氣能源儲備區等，綜合多種能源形式，通過集中建站模式，確保在不對電力系統做較大改造的基礎上，融合傳統電能及其他多種能源；另一方面，加設安裝信息化控制系統模塊，如數據信息采集系統及自動化監控控制系統等，實現對多種能源的有效調度。

4.2 工業園區多能互補綜合能源電力系統建設模式

在城市經濟發展過程中，工業及農業生產起到了基本的推動作用，在國家及地方大力優化產業結構的背景下，工業園區及業態結合體在數量及規模上迎來了高速擴展。工業園區相比城市，在能源需求上不遑多讓，特別是在水資源、電資源、氣資源及其他配套資源的應用上體量較為龐大。為此，應對區域工業園區發展規模及能源需求進行分析。首先，從園區生產供能方式上看，電能資源可以做到持續穩定供給，但資源的利用率達不到最優化。在園區能源使用量持續增加下，除了園區在產業結構上進行優化外，還可以借助風能、太陽能、天然氣等可再生資源，結合冷熱電聯供技術，構建綜合能源電力系統。其次，工業園區在能源需求上存在用能較為集中，對電能質量要求較高的基本特點，通過獲取園區電負荷及熱負荷的高峰時段曲線，根據時段來界定能源利用類型，然后，在電及熱等能源負荷上進行協調互補。例如，白日時段可以采用光伏發電技術，同步使用冷熱電聯產機組實現電熱能源的供給，夜間時段采用燃氣機組及電轉氣裝置進行分布式風電資源的調取和使用，達到取暖效果。第三，工業園區多能互補綜合能源電力系統建設規劃中，主要通過冷熱電聯供對可再生能源進行發電，如此能夠極大地保障園區內所用能源的清潔性。具體到綜合能源電力系統的架構設計上，主要綜合多能源供給，如風電機組、光電機組、配電系統等；多元儲能，如熱、電、氣儲存裝置；多能流耦合，如電轉氣、燃氣鍋爐、冷熱電聯產機組等幾個部分，實現對電負荷、熱負荷、冷負荷、氣負荷的調度及使用。

4.3 做好多能互補綜合能源系統的優化

多能互補綜合能源系統在系統容量的確定上主要采用了MRM方法，這一方法主要考慮到能源用戶的負荷需求，但少有對運行成本要素的考量，為此，應優化MRM方法。從相關研究上看，隨著遺傳算法的成熟，將之結合應用到MRM法中，可以獲取原動機容量、電制冷比系數、太陽能發電面積占比等變量，進而對多能互補能源系統設備容量進行優化。例如，在多能互補能源系統不同負荷區間選取參數，如頻數等，使用解析法進行統計，可以得到綜合能源系統滿負荷運行的時數，然后結合經濟效益等因素，再確定相應的優化方案，實現對多能互補能源系統中熱泵與燃氣三聯供設備最優化容量設計。而在多能互補綜合能源系統模型的構建及優化上，可以參考相關研究理論。例如，根據能量類別，以不同類別能量傳遞形式作為依據，然后使用集中母線形成多能互補綜合能源系統，借助混合整數線性規劃，靈活調節多能互補能源系統各設備運行狀態及運行方式，在保證系統技術穩定性的同時可以提高運行經濟性。再比如，使用Matlab軟件對多能互補綜合能源系統混合整數規劃進行求解，確定各供能機組在調度周期的最佳運行方案等。隨著科技進步，如機器學習技術、人工智能技術、人工神經元網絡技術、機器學習技術、智能控制技術、大數據技術等，在多能互補綜合能源系統的非線性及多目標需求滿足上提供了可靠支撐。在多技術輔助下，準確預測電、氣、冷、熱等負荷需求就不再困難，在復雜大數據的處理上也會相對更加容易。

5 結語

多能互補綜合能源電力系統對提高能源利用率，促進綠色經濟發展及加快能源轉型有重要戰略意義。在建設多能互補綜合能源電力系統時，應圍繞能源利用結構，對多種可再生能源進行協同應用，然后借助各類先進技術，在城市、工業園區及多種場景下有效發揮出綜合能源電力系統的技術潛力價值。