綜合能源系統調度優化綜述

文_丁海峰 陳培 陸啟亮 上海發電設備成套設計研究院有限責任公司

綜合能源系統（Integrated Energy System, IES）是指在規劃、設計、建設和運行等過程中，對各類能源的產生、傳輸、存儲、消費等環節進行有機協調與優化的社會綜合能源產供銷一體化系統。綜合能源系統以其靈活性、可靠性好，能源利用效率高，近年來在國內外應用愈加廣泛。

1 綜合能源系統結構

綜合能源系統并不是一個全新的系統，它以傳統電力系統為核心，利用風、光、氣等多種可再生資源，整合供冷/熱、供氣系統，從而實現了冷、熱、電、氣的協同供應。典型的綜合能源系統可以分為：能源供應端、能量轉換設備、能量儲存裝置、能量輸配系統和用戶終端，如圖1所示。

圖 1 綜合能源系統示意圖

其中，能源供應端通常包含不止一種形式的能量，以發電為例，能源供應可以通過風光發電、燃氣發電或傳統的化石燃料發電等方式。供應能源的多元化也保證了發電的可靠性，當某一能源供應端供能不足時，其他幾種供能端能夠實現能量的及時補足。能量轉換設備如電轉氣機組、燃氣輪機、熱泵、鍋爐等設備能夠實現不同形式的能量之間的轉換，在能量不斷從高品位到低品位降低的過程中，實現能量梯級利用的最大化。能量儲存設備的不斷發展，減少了能量的大量浪費現象，在能量過剩時將其儲存起來，便于后續能量短缺時的調節，提高了系統的靈活性。能源輸配系統通常指電網、氣網、熱網等連接能量產生端和用戶末端的管網系統，合理的規劃和布置管網系統，能夠降低能源系統的建設費用，在運行期間，也能很大程度上減少能量的不必要消耗。能源系統各個部分的協同作用，實現了不同能量間的轉換、替代、調節、補足等作用。

2 典型調度方法及步驟

2.1 負荷預測

用戶側對不同類型能源的需求決定了能源供應端應供應多少能量、儲存多少能量。而用戶負荷將受到各方面因素的影響而產生許多波動，例如天氣因素、電價因素、政策因素等。因此，對用戶負荷的準確預測是制定能源系統調度方案的先行條件之一，利用神經網絡等算法，根據歷史數據、氣象數據、運行屬性等相關因素建立負荷預測模型，從而提供較高精度的負荷數據。

2.2 建立能源系統數學模型

對能源系統各個設備建立數學模型，將抽象問題轉化為具體的數學、物理關系，簡化了問題的復雜程度。根據能源系統的結構劃分，需要建立4類模型：能源供應端設備出力模型，例如光伏、風力發電功率模型等；能量轉化設備模型，例如電轉氣設備模型、電鍋爐設備模型等；能量儲存裝置模型；能量輸配動態模型，例如熱網輸配熱損耗和延遲模型等。

2.3 目標函數及約束條件設置

多能系統的調度優化模型本質上是一個多目標的優化問題，根據調度的最終目的不同，可以設置不同的目標函數，例如：運行成本最小化、環境效益最大化（碳排放量最小）、可再生資源占比最高、棄風棄光量最小等。系統實際運行過程中，設備本身存在許多約束條件，主要分為等式約束和不等式約束。等式約束主要指電力平衡、天然氣平衡、熱量平衡；不等式約束主要指CHP機組、熱泵等設備熱出力的上下限、燃氣輪機等設備的爬坡約束、網絡傳輸能力約束等。

3 模型求解

調度模型是一個涵蓋了多種系統優化問題的多耦合模型，且多個目標函數之間存在著深度耦合或沖突，對于此類非線性、多目標復雜模型的求解，通常有兩種方式。一是對于不同目標設置權重系數，將其轉為多個單目標優化問題；二是將模型內存在的非線性部分分段線性化，進而采用合適的求解器進行求解。

4 國內外調度研究現狀

近幾年來，綜合能源系統在國內外建成的越來越多。但由于其與傳統各獨立的能源系統不同，不僅整合了電、熱、冷、氣等能源的供應系統，還充分結合了可再生能源，各子系統在調度中時間尺度、調度原則均存在許多差距，特別是風光系統等可再生能源在能源供應時存在很大的不確定性。綜合考慮各方面因素，制定經濟、合理的調度運行方案，已經成為國內外綜合能源系統研究的關鍵問題之一。

針對綜合能源系統的協調調度問題，國內外的研究均是從經濟性角度出發，以成本最小或收益最大為目標，研究該目標下各能源供應設備的機組出力情況，且已取得了大量的研究成果。

大量研究針對系統總的效益而制定方案，但對于綜合能源系統的運行來說，多個能源供應的參與者，也應保證自身的效益。研究學者根據此種又競爭又合作的關系特性，將博弈論的思想引入了綜合能源系統的調度優化中。

隨著可再生能源在能源供應側占比的不斷提高，風光等能源的出力不確定性對能源系統的穩定運行影響越來越大，近年來也有不少學者在考慮可再生清潔能源并網問題。

近幾年來國內外在多能源系統的優化運行策略的研究方面均有了很大的進展，從完善以經濟性為目標的最優能源供應機組出力方案，到綜合考慮系統各種不確定性因素調度方案的制定；從系統整體的效益達到最優，到引入博弈論使得每個能源供應子系統達到最佳效益，均有大量的研究成果。

5 未來發展趨勢

5.1 建立能源系統精細化模型

無論是能源系統哪一方面的研究，系統各設備的數學模型搭建均是基礎性工作。但是以往研究中，對于能源轉換設備，例如電轉氣設備的數學模型不夠詳細。電轉氣系統可以分為兩個步驟，制氫和制甲烷兩階段，設備轉化效率、設備裝機容量等參數均應在數學模型中有所體現。精準完整的數學模型將對系統運行結果產生較明顯的影響。

5.2 完善多目標優化模型

在調度模型的建立過程中，需要明確調度優化的目標。以往研究中，大多數是以經濟性指標例如投資成本、運行成本、燃料耗量等為目標函數，今后的研究中可更多地結合環保性指標，例如二氧化碳減排量、碳交易成本、可再生能源占比等，完善多目標的優化模型。

5.3 充分考慮包括網絡延遲特性等不確定參數對系統的影響

在系統的運行中，能源輸配網絡也是重要的一環。輸配系統，特別是熱網、冷水網具備一定的能量儲存能力，且在時間上存在明顯的滯后性質。在未來的研究中，也應考慮輸配系統的動態特性對穩定運行的影響。

5.4 積極調動需求側，推廣需求響應技術的應用

近年來，綜合能源需求側響應的思想逐漸被引入多能源系統。在運行調度中，利用價格信號、獎勵措施等機制充分調動需求側的積極性，讓負荷側主動參與到系統的調度過程，削峰填谷，從用戶角度輔助系統的穩定運行。在未來發展中，應大力推廣需求響應技術，增加系統運行的穩定性和高效性。

5.5 建立適應各國國情的綜合能源系統標準和體系

目前，國內外尚未有針對多能源系統的標準或規范，未來工作中，應考慮各國資源和氣候等國情，建立適應國情的綜合能源系統標準和評價體系。

6 結語

綜合能源系統在運行調度中，能全面考慮系統的各種不確定性，不僅追求系統總體的高效益，還引入博弈論追求各子系統的效率最優，并能逐漸完善模型預測控制，采用閉環控制的方式滾動優化調度模型。