多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

盧胤龍, 韓明新, 任洪波, 吳 瓊

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090; 2.青島北洋建筑設(shè)計(jì)有限公司, 山東 青島 250101)

傳統(tǒng)能源消費(fèi)模式所引發(fā)的能源危機(jī)和環(huán)境污染等問(wèn)題日益突出,人們開(kāi)始探究如何在環(huán)境友好的前提下對(duì)熱、電、氣等各種能源進(jìn)行協(xié)調(diào)利用[1]。針對(duì)該問(wèn)題,以能量梯級(jí)利用為基礎(chǔ),在需求側(cè)就地設(shè)置的分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)受到了廣泛關(guān)注,并在政策激勵(lì)下取得了爆發(fā)性增長(zhǎng)[2]。然而隨著分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大,系統(tǒng)供能單一、靈活性欠佳等局限性問(wèn)題持續(xù)暴露。此外,近年來(lái)可再生能源相關(guān)技術(shù)迅猛發(fā)展[3],分布式可再生能源系統(tǒng)與當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)特性相結(jié)合,可協(xié)同解決區(qū)域能源與環(huán)境問(wèn)題。但因太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源出力的波動(dòng)性、不連續(xù)性,以及儲(chǔ)能技術(shù)不夠成熟等諸多因素的存在,棄光、棄風(fēng)現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮,分布式可再生能源系統(tǒng)發(fā)展步履維艱。在此背景下,供需兩側(cè)能源多樣化發(fā)展以及能源傳輸與設(shè)備的革新促使能源系統(tǒng)進(jìn)一步耦合,以彌補(bǔ)常規(guī)單一性分布式能源系統(tǒng)的不足,多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)概念的提出,為能源分析提供了全新視角。其多種能源形式間的耦合,也促使人們對(duì)其展開(kāi)深入的研究和推廣。在我國(guó),無(wú)論傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)還是多能互補(bǔ)系統(tǒng),均處于發(fā)展初期,完全可以發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì),吸取國(guó)外經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),探索適合我國(guó)多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)發(fā)展的主要技術(shù)架構(gòu)。為此,國(guó)家發(fā)展改革委和能源局于2016年7月聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》[4],指出建成終端一體化集成供能系統(tǒng),因地制宜實(shí)施傳統(tǒng)能源與風(fēng)能、太陽(yáng)能等能源系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)利用,通過(guò)天然氣熱電冷聯(lián)供等方式實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)和協(xié)同供應(yīng),提高能源的綜合利用效率;并提出了“十三五”期間的建設(shè)目標(biāo),明確了開(kāi)展多能互補(bǔ)集成優(yōu)化項(xiàng)目的評(píng)審標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)惠政策,規(guī)范了項(xiàng)目實(shí)際核實(shí)與督查機(jī)制。

由此可見(jiàn),構(gòu)建多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng),對(duì)促進(jìn)建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系意義深遠(yuǎn)。

多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)耦合多種供能技術(shù),在形成互動(dòng)、互補(bǔ)、互助效應(yīng)的同時(shí),也使得系統(tǒng)復(fù)雜化。要使其充分發(fā)揮潛在的節(jié)能減排效益并實(shí)現(xiàn)多種能源間“1+1>2”的產(chǎn)出效果,基于系統(tǒng)科學(xué)理念下的規(guī)劃和設(shè)計(jì)至關(guān)重要。對(duì)比常規(guī)單體分布式能源系統(tǒng)的分析與優(yōu)化,多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)多尺度、復(fù)雜性的能源利用體系需遍歷從系統(tǒng)能流設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、容量配置到運(yùn)行方案優(yōu)化的全過(guò)程,同時(shí)還需引入全新的多元化的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的性能。

本文以多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)其供能類(lèi)型和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析,結(jié)合傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng),對(duì)兩者的供能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。在此基礎(chǔ)上,立足于多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),歸納分析優(yōu)化求解方法,并對(duì)未來(lái)研究進(jìn)行了展望。

1 多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)及典型案例

1.1 基本概念

多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)的衍生與拓展。它將電力、燃?xì)?、太?yáng)能、風(fēng)能等各種形式能源耦合輸入,通過(guò)能源與技術(shù)協(xié)同優(yōu)化整合,最終以較高的綜合能效向用戶(hù)提供冷量、熱量以及電力[5]。總體而言,多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)是一種具有多項(xiàng)產(chǎn)出功能和多種運(yùn)輸形式的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)[6]。

多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)由供給側(cè)、轉(zhuǎn)換側(cè)、需求側(cè)等基本單元構(gòu)成,供給側(cè)的電力、燃?xì)饧翱稍偕茉吹雀黝?lèi)能源通過(guò)技術(shù)轉(zhuǎn)換,變成用戶(hù)可直接消納的能量。

能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和技術(shù)多種多樣。在當(dāng)前技術(shù)條件下,多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)中供能類(lèi)型和技術(shù)轉(zhuǎn)換路徑如表1所示。表1中,○表示確立輸出形式;√表示能全天供應(yīng)。

表1 能源轉(zhuǎn)換技術(shù)路徑

基于用戶(hù)側(cè)能源需求,通過(guò)耦合各類(lèi)能源和轉(zhuǎn)換設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)定制化的高效能源供給。多能互補(bǔ)系統(tǒng)接入可再生能源,既減少了天然氣等化石能源的消耗,又削減了系統(tǒng)的碳排放量;此外,還能較好地彌補(bǔ)太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源輸出不連續(xù)的缺陷,平抑其出力波動(dòng)性[7]。對(duì)比傳統(tǒng)分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)利用“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”的方式將剩余電量出售給電網(wǎng),可以有效地處理電量冗余,提高能源利用率。傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)與多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)的能流圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)與多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)能流圖

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀與案例分析

多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展始于21世紀(jì)初,美國(guó)最先開(kāi)展相關(guān)理論和技術(shù)研究,并于2001年提出能源集成系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃,旨在保證能源系統(tǒng)可靠運(yùn)行的前提下,提高可再生能源在能源供應(yīng)鏈中的份額,推進(jìn)能源集成系統(tǒng)的發(fā)展[8-9]。其后,瑞士、丹麥等國(guó)也對(duì)多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)展開(kāi)了研究,并制定了相關(guān)的推廣政策[10-11]。

我國(guó)在“十三五”規(guī)劃新形勢(shì)下,能源發(fā)展的重點(diǎn)和主要矛盾從傳統(tǒng)的“保供”轉(zhuǎn)向提高能源發(fā)展的質(zhì)量和效益。伴隨國(guó)內(nèi)工業(yè)園區(qū)的建設(shè)和發(fā)展、微電網(wǎng)與新能源技術(shù)的革新以及投資模式的升級(jí),為滿足新形勢(shì)下的供能需求,各地多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)如火如荼。2016年12月26日,國(guó)家能源局公布了首批23個(gè)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程。從公布的優(yōu)化示范項(xiàng)目來(lái)看,目前項(xiàng)目集中于終端一體化集成供能系統(tǒng)建設(shè),示范項(xiàng)目達(dá)17個(gè),占比73.9%。在首批申報(bào)示范工程項(xiàng)目中,終端一體化集成供能系統(tǒng)達(dá)205個(gè),工程投資超3 000億元。

首批多能互補(bǔ)集成系統(tǒng)優(yōu)化示范項(xiàng)目中,終端一體化供能系統(tǒng)地理分布及能源互補(bǔ)形式如圖2所示。

圖2中,從地域分布來(lái)看,多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)在傳統(tǒng)能源大省應(yīng)用廣泛,其中陜西省首批入選的示范項(xiàng)目達(dá)4個(gè),其次是河北省入選的項(xiàng)目為3個(gè)。究其原因,主要是這些省份穩(wěn)定的能源需求、先天性的可再生能源優(yōu)勢(shì)和政策性?xún)?yōu)勢(shì),促使傳統(tǒng)熱(冷)電系統(tǒng)與分布式可再生能源系統(tǒng)相耦合,既可解決可再生能源就地消納問(wèn)題,又可平衡調(diào)節(jié)地方冷熱電負(fù)荷。從多能互補(bǔ)的形式來(lái)看,除新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十二師的多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程(采用耦合光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和生物質(zhì)發(fā)電的方式)外,其他16個(gè)項(xiàng)目均依托分布式熱(冷)電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)協(xié)同其他可再生能源技術(shù)供能,其主要是因?yàn)闊?冷)電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)發(fā)展已相對(duì)成熟,具有較好的供能穩(wěn)定性和供能種類(lèi)多樣性。此外,由于光伏發(fā)電技術(shù)水平的提高以及生產(chǎn)成本的下降,光照強(qiáng)度優(yōu)良的示范項(xiàng)目均有光伏技術(shù)的加入。

在國(guó)外,多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展以歐洲為首[12-13],其中太陽(yáng)能與其他能源耦合最為廣泛,如丹麥和瑞典主要采用太陽(yáng)能與生物質(zhì)能聯(lián)合供能,德國(guó)主要發(fā)展太陽(yáng)能與燃?xì)饣パa(bǔ)系統(tǒng)。歐洲多能互補(bǔ)和多網(wǎng)耦合項(xiàng)目試點(diǎn)具有良好的示范效應(yīng),其試點(diǎn)階段因地制宜地考慮了本地的發(fā)展情況、用戶(hù)需求和技術(shù)條件,推進(jìn)階段也具有較強(qiáng)的規(guī)劃性,注重經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。此外,就技術(shù)路線而言,歐洲在經(jīng)歷技術(shù)突破、注重本地需求、推行電力改革后,高比例新能源如何接入,以及交易調(diào)度機(jī)構(gòu)的設(shè)立等問(wèn)題均得到了很好的解決。這些也是國(guó)內(nèi)改革初期所面臨的特點(diǎn)和難點(diǎn),因此具有很好的借鑒意義。

圖2 首批多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程項(xiàng)目分布(僅終端一體化項(xiàng)目)

2 系統(tǒng)優(yōu)化分析

多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)是具有多元結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜用能體系,其規(guī)劃與設(shè)計(jì)過(guò)程既要考慮宏觀政策形勢(shì)、經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境收益等因素,又要從微觀技術(shù)上考慮能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)備、使用等環(huán)節(jié)間的相互承接關(guān)系,以及冷、熱、電等多形式能源的交互耦合。

多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化遵循系統(tǒng)使用率最大化和能源利用效率最大化兩個(gè)原則,即科學(xué)合理的系統(tǒng)容量配置與冷、熱、電等能源間良好的匹配關(guān)系,以保證能源利用效率達(dá)到較高水平。

2.1 優(yōu)化內(nèi)容及路徑

多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)旨在為決策者提供一個(gè)最佳供能方案。因此,對(duì)于這種具有多元化驅(qū)動(dòng)裝置和能源利用裝置的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),如何實(shí)現(xiàn)其最佳集成配置以滿足用戶(hù)冷、熱、電需求,并取得最大的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)等收益尤為關(guān)鍵。文獻(xiàn)[14]對(duì)含有微型燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)機(jī)、光伏電池、燃料電池等設(shè)備的微電網(wǎng)進(jìn)行了模擬分析,建立了混合整數(shù)線性規(guī)劃模型,并運(yùn)用優(yōu)化算法得到了微電網(wǎng)的最優(yōu)容量配置。文獻(xiàn)[15]在建立含太陽(yáng)能光伏光熱多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,以經(jīng)濟(jì)成本、節(jié)約能耗、環(huán)境影響為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置,結(jié)果表明,優(yōu)化配置后的多能互補(bǔ)系統(tǒng)具有全面的潛力優(yōu)勢(shì)。

由于是多種能源產(chǎn)品的耦合關(guān)系,所以多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)在運(yùn)行、管理、調(diào)節(jié)等方面較為復(fù)雜。系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的目的在于協(xié)調(diào)系統(tǒng)與用能單位之間的能量匹配關(guān)系,依據(jù)用能單位能量需求來(lái)調(diào)整或改變系統(tǒng)的運(yùn)行模式,達(dá)到多能互補(bǔ)、整體運(yùn)行最優(yōu)的目標(biāo)。對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成單元已確立的給定系統(tǒng),以機(jī)組特性、用能需求、經(jīng)濟(jì)條件等為參照,便可確定系統(tǒng)的運(yùn)行策略。文獻(xiàn)[16]運(yùn)用混合整數(shù)線性規(guī)劃理論,研究了基于光伏電池、燃料電池、蓄電池的多能互補(bǔ)型住宅分布式能源系統(tǒng)成本最小的運(yùn)行方案。文獻(xiàn)[17]為解決風(fēng)光并網(wǎng)消納問(wèn)題,通過(guò)搭建風(fēng)光互補(bǔ)理論模型并設(shè)置適宜的裝機(jī)容量比例,運(yùn)用多種算法相結(jié)合的模型求解算法,優(yōu)化得出了系統(tǒng)逐時(shí)運(yùn)行策略。

在實(shí)際優(yōu)化過(guò)程中,由于多能互補(bǔ)系統(tǒng)多元化的供能方式,會(huì)使多能流相互影響,因此孤立地考慮單一機(jī)組的運(yùn)行情況往往會(huì)導(dǎo)致其他機(jī)組出力冗余或過(guò)載。為實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)效益最大化,有必要對(duì)系統(tǒng)整體框架、設(shè)備容量以及運(yùn)行策略進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。文獻(xiàn)[18]基于生命周期法,從節(jié)能、環(huán)保、投資回收期的角度,對(duì)含光伏發(fā)電的分布式能源系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略進(jìn)行了協(xié)同優(yōu)化。文獻(xiàn)[19]針對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)和地源熱泵構(gòu)成的復(fù)合供能系統(tǒng),以年總費(fèi)用和天然氣節(jié)能率為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化配置和運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行了研究,并論證了復(fù)合供能系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢(shì)。

圖3為基于供需平衡的多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化流程。

圖3 多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化流程

首先,在建筑用能需求分析的基礎(chǔ)上提出系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題;其次,針對(duì)系統(tǒng)方案、結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)、運(yùn)行策略中的協(xié)同優(yōu)化變量進(jìn)行性能分析;再次,基于系統(tǒng)優(yōu)化所提出的評(píng)估目標(biāo)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模處理,在滿足約束條件的前提下,判斷是否為系統(tǒng)最優(yōu)化結(jié)果,若不能滿足條件,則采用尋優(yōu)算法對(duì)變量輸入進(jìn)行修正,如此循環(huán)直到得出協(xié)同優(yōu)化的最優(yōu)方案。由此可看出,多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化內(nèi)容主要包含優(yōu)化變量、優(yōu)化目標(biāo)、滿足約束條件、優(yōu)化算法4個(gè)方面,且在優(yōu)化過(guò)程中相互關(guān)聯(lián),相互制約,密不可分。

2.2 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

如上所述,多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化模塊由優(yōu)化變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件和求解算法構(gòu)成。一般而言,系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)決定了數(shù)學(xué)模型中的目標(biāo)函數(shù),其主要從熱力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)境性能3方面進(jìn)行考察。傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化決策通常只采用單一的目標(biāo)函數(shù)[20-21],但因單一決策指標(biāo)相對(duì)片面,致使系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果并不能獲得全面的理想效果;而多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)中可再生能源的引入,打破了原有分布式能源系統(tǒng)的評(píng)估結(jié)構(gòu),其免費(fèi)的可再生能源輸入、清潔的排放輸出、附加的政策補(bǔ)貼等特點(diǎn)都表明了多角度全方位評(píng)估決策方法的必要性。文獻(xiàn)[22]結(jié)合燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)與太陽(yáng)能電池,以一次能源節(jié)約率、當(dāng)量CO2排放量和全生命周期成本為目標(biāo),構(gòu)建了系統(tǒng)優(yōu)化模型,并對(duì)系統(tǒng)的一體化機(jī)組臺(tái)數(shù)和燃?xì)廨啓C(jī)容量進(jìn)行了優(yōu)化配置。文獻(xiàn)[23]以包含風(fēng)、光、儲(chǔ)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池的實(shí)際微電網(wǎng)為研究對(duì)象,運(yùn)用改進(jìn)的遺傳算法,對(duì)綜合經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性?xún)?yōu)化模型進(jìn)行了分析,并對(duì)比單目標(biāo)系統(tǒng)優(yōu)化值,驗(yàn)證了多目標(biāo)優(yōu)化方式的有效性。

模型的優(yōu)化變量取決于優(yōu)化內(nèi)容:一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,主要針對(duì)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方案的比選問(wèn)題以確定最佳系統(tǒng)流程和設(shè)備等[24];二是容量?jī)?yōu)化,主要是通過(guò)對(duì)設(shè)備容量配置以達(dá)到系統(tǒng)相互間的匹配,從而獲得最佳收益,優(yōu)化變量即為容量[25];三是運(yùn)行策略?xún)?yōu)化,其一般與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、配置、容量等協(xié)同優(yōu)化,其優(yōu)化變量既涉及上述優(yōu)化所含的變量,又包含單位時(shí)間內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行情況[26]。

系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中的變量選擇、目標(biāo)函數(shù)計(jì)算及算法求解均受制于約束條件。模型的約束條件包括可再生能源供能周期約束、系統(tǒng)能量供需平衡約束、設(shè)備轉(zhuǎn)換與出力約束、投資成本約束、環(huán)境排放約束和場(chǎng)地約束等?；诙嗄芑パa(bǔ)分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題的自身特性以及數(shù)學(xué)模型的精準(zhǔn)性,也是模型中所需考慮的約束條件之一。

2.3 優(yōu)化算法

優(yōu)化算法是多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中重要的求解工具,目前用于該領(lǐng)域優(yōu)化的算法很多。從時(shí)間發(fā)展角度來(lái)說(shuō),優(yōu)化算法可分為傳統(tǒng)經(jīng)典算法和現(xiàn)代智能算法;從目標(biāo)函數(shù)角度上說(shuō),可分為單目標(biāo)優(yōu)化算法和多目標(biāo)優(yōu)化算法。

傳統(tǒng)經(jīng)典算法一般圍繞單目標(biāo)優(yōu)化展開(kāi),具有明確的問(wèn)題和條件描述,以及有唯一的全局最優(yōu)解,如(非)線性規(guī)劃法、序列二次規(guī)劃算法、最大矩形法等。文獻(xiàn)[27]基于可再生能源與蓄能相耦合的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)優(yōu)化模型,以某區(qū)域供能系統(tǒng)為例,采用單純形法進(jìn)行了優(yōu)化求解。文獻(xiàn)[28]以運(yùn)行成本為優(yōu)化目標(biāo),采用線性規(guī)劃方法對(duì)某內(nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目進(jìn)行了優(yōu)化,并得出了年典型日的最佳運(yùn)行策略。傳統(tǒng)算法在處理系統(tǒng)單目標(biāo)優(yōu)化時(shí)性能較好,但在處理多目標(biāo)優(yōu)化時(shí),因各目標(biāo)函數(shù)間耦合矛盾的關(guān)系,則顯得捉襟見(jiàn)肘。

在處理多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題方面,常用的方法是將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù),典型的算法有權(quán)重法、主要目標(biāo)法等,但上述方法中權(quán)重設(shè)置的合理性、主要目標(biāo)選取的有效性等成為干擾優(yōu)化結(jié)果的關(guān)鍵問(wèn)題[29]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)算法的發(fā)展,一些現(xiàn)代啟發(fā)式智能算法逐步在多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用,如遺傳算法、模擬退火算法等。文獻(xiàn)[30]在考慮系統(tǒng)發(fā)電成本、環(huán)境成本和設(shè)備維護(hù)成本的基礎(chǔ)上,采用改進(jìn)的人工魚(yú)群算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行策略?xún)?yōu)化。文獻(xiàn)[31]基于粒子群算法,以運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo),研究了含多種能源的微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略。與傳統(tǒng)算法相比,智能算法求解優(yōu)化結(jié)果的精度較高、尋優(yōu)特性好,但其求解過(guò)程耗時(shí)較多,且控制參數(shù)不易調(diào)控,易陷入局部最優(yōu)。

3 多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)研究展望

多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)的核心是多種能源之間的銜接融合和調(diào)配——從能源供給側(cè)的多能協(xié)同到使用端的分配和響應(yīng),甚至能源網(wǎng)絡(luò)布局。目前,制約多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)發(fā)展的主要問(wèn)題在于技術(shù)水平和投資回報(bào)兩方面。由于各類(lèi)可再生能源尚未實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng),加之關(guān)鍵儲(chǔ)能技術(shù)成本不具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,經(jīng)濟(jì)成本成為多能互補(bǔ)系統(tǒng)的主要短板,其大規(guī)模推廣受到了阻礙。

從發(fā)展趨勢(shì)上看,推進(jìn)多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)建設(shè)依然很有必要。一方面,多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)可為園區(qū)建設(shè)提供靈活的解決方案,可以提高能源供給的安全性和穩(wěn)定性,也對(duì)大規(guī)模消納新能源背景下的電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻進(jìn)行補(bǔ)充。另一方面,結(jié)合國(guó)內(nèi)能源體制改革形勢(shì),在發(fā)電計(jì)劃放開(kāi)、現(xiàn)貨市場(chǎng)出現(xiàn)、終端電價(jià)調(diào)整的背景下,將逐漸打破電網(wǎng)、熱網(wǎng)、氣網(wǎng)單一的運(yùn)行模式,擺脫不同業(yè)務(wù)部門(mén)協(xié)調(diào)困難、規(guī)劃不一、效率低下的困境。因此,未來(lái)多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)不僅僅局限于微電網(wǎng),還將向綜合能源服務(wù)趨勢(shì)發(fā)展。

為順應(yīng)能源發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)對(duì)多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)即將面臨的諸多挑戰(zhàn),需要從技術(shù)創(chuàng)新、經(jīng)營(yíng)模式創(chuàng)新、政策創(chuàng)新等多方面開(kāi)展工作。具體而言,一是整合多種能源發(fā)電技術(shù),加大風(fēng)、光、儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)以及控制器等關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)力度;二是將系統(tǒng)與能源互聯(lián)網(wǎng)深度融合,與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、信息通信等前沿技術(shù)緊密結(jié)合,實(shí)現(xiàn)集成優(yōu)化、智慧融合的能源體系;三是與增量配電網(wǎng)銜接并參與市場(chǎng)化交易,通過(guò)擴(kuò)大服務(wù)體系和管理職能,提供差異化、定制化的增值服務(wù);四是要完善宏觀政策環(huán)境,加大扶持力度,加強(qiáng)跨部門(mén)、跨地區(qū)協(xié)調(diào),改革價(jià)格機(jī)制,以?xún)r(jià)格信號(hào)引導(dǎo)不同資源的開(kāi)發(fā)和利用。

4 結(jié) 語(yǔ)

多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)作為一種集成多元化供能方式、貼近用戶(hù)側(cè)的智慧化能源系統(tǒng),在當(dāng)前全球能源形勢(shì)下的發(fā)展方興未艾。國(guó)內(nèi)多能互補(bǔ)分布式能源的發(fā)展空間將逐漸擴(kuò)大,在多方面創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)并融合綜合能源服務(wù)、能源互聯(lián)網(wǎng)等理念后,多能互補(bǔ)分布式能源將成為未來(lái)重要的市場(chǎng)主體。

參考文獻(xiàn)：

[1] KRAUSE T,ANDERSSON G,FROHLICH K,et al.Multiple-energy carriers:modeling of production,delivery,and consumption[J].Proceedings of the IEEE,2010,99(1):15-27.

[2] 張莉,姚秀平,李永光,等.以天然氣為燃料的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào),2003,19(3):9-12.

[3] 任建興,劉青榮,楊涌文,等.主要可再生能源及其分布式系統(tǒng)的構(gòu)建[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào),2011,27(5):495-498.

[4] 國(guó)家發(fā)展改革委,國(guó)家能源局.國(guó)家發(fā)展改革委 國(guó)家能源局關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)[EB/OL].(2016-07-07)[2017-12-15].http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/201607/t20160706_810652.html.

[5] KOIRALA B P,KOLIOU E,FRIEGE J,et al.Energetic communities for community energy:a review of key issues and trends shaping integrated community energy systems[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews,2016,56:722-744.

[6] 任洪波,吳瓊,班銀銀,等.基于多目標(biāo)規(guī)劃的多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)優(yōu)化決策方法研究[C]//中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)第18屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,北京,2014.

[7] 譚忠富,譚清坤,趙蕊.多能互補(bǔ)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].分布式能源,2017(5):1-10.

[8] QUELHAS A,GIL E,MCCALLEY J D,et al.A multiperiod generalized network flow model of the U.S. integrated energy system:part I model description[J].IEEE Transactions on Power Systems,2007,22(2):829-836.

[9] QUELHAS A,McCALLEY J D.A multiperiod generalized network flow model of the U.S.integrated energy system:part II simulation results[J].IEEE Transactions on Power Systems,2007,22(2):837-844.

[10] GEIDL M.Integrated modeling and optimization of multicarrier energy systems[D].Zürich:Eidgen?ssische Technische Hochschule Zürich,2007.

[11] OMALLEY M,KROPOSKI B.Energy comes together:the integration of all systems[guest editorial][J].IEEE Power and Energy Magazine,2013,11(5):18-23.

[12] 吳建中.歐洲綜合能源系統(tǒng)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)與現(xiàn)狀[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016(3):1-7.

[13] 范征,管文琳.多能互補(bǔ)助力未來(lái)能源網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)[EB/OL].(2017-04-25)[2017-12-15].http://shupeidian.bjx.com.cn/news/20170425/822019.html.

[14] LIU G,STARKE M,XIAO B,et al.Microgrid optimal scheduling with chance-constrained islanding capability[J].Electric Power Systems Research,2017,145(1):197-206.

[15] CHUA K J,YANG W M,WONG T Z,et al.Integrating renewable energy technologies to support building trigeneration—a multi-criteria analysis[J].Renewable Energy,2012,41(2):358-367.

[16] 任洪波,吳瓊,任建興,等.基于燃料電池、太陽(yáng)能電池、蓄電池的住宅分布式能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化[J].可再生能源,2014,32(4):379-384.

[17] 秦澤宇,馬瑞,張強(qiáng),等.考慮風(fēng)光互補(bǔ)的電力系統(tǒng)多目標(biāo)隨機(jī)優(yōu)化發(fā)電方案研究[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2015(3):53-60.

[18] 荊有印,白鶴,張建良.太陽(yáng)能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行策略分析[J].中圍電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(20):82-87.

[19] 林怡,張士杰,肖云漢.復(fù)合供能系統(tǒng)優(yōu)化配置和運(yùn)行策略研究[J].暖通空調(diào),2011,41(10):84-90.

[20] 蔣大鵬.分布式發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

[21] 周雪松,宋代春,馬幼捷,等.光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)重復(fù)控制及仿真[J].電力電子技術(shù),2010,44(5):8-10.

[22] 吳紅斌,王東旭,劉星月.太陽(yáng)能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的策略評(píng)估和優(yōu)化配置[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(21):46-51.

[23] 陳潔,楊秀,朱蘭,等.微網(wǎng)多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(19):57-66.

[24] ZHU Q,LUO X,ZHANG B,et al.Mathematical modelling and optimization of a large-scale combined cooling,heat,and power system that incorporates unit changeover and time-of-use electricity price[J].Energy Conversion & Management,2017,133(1):385-398.

[25] SANAYE S,KHAKPAAY N.Simultaneous use of MRM (maximum rectangle method) and optimization methods in determining nominal capacity of gas engines in CCHP (combined cooling,heating and power) systems[J].Energy,2014,72(7):145-158.

[26] 薛海龍.含可再生能源的熱電聯(lián)供型微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法[J].電氣應(yīng)用,2015(11):114-119.

[27] WANG H,YIN W,ABDOLLAHI E,et al.Modelling and optimization of CHP based district heating system with renewable energy production and energy storage[J].Applied Energy,2015,159(1):401-421.

[28] 劉偉,古云蛟.基于線性規(guī)劃算法的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)三聯(lián)供系統(tǒng)運(yùn)行策略?xún)?yōu)化[J].上海電氣技術(shù),2016,9(1):9-13.

[29] 王向慧,連志春,徐志英,等.基于Pareto最優(yōu)概念的多目標(biāo)進(jìn)化算法研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2008,44(27):58-61.

[30] 李銳,李鵬.基于改進(jìn)人工魚(yú)群算法的冷熱電聯(lián)產(chǎn)微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行[J].電氣技術(shù),2014(6):63-68.

[31] 楊佩佩,艾欣,崔明勇,等.基于粒子群優(yōu)化算法的含多種供能系統(tǒng)的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2009(20):38-42.