多能互補綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化建議

劉 寧，邵 山，羅玉琴

（1.河南平高集團有限公司，河南 平頂山 467001；2.湘潭電機股份有限公司技術(shù)中心，湖南 湘潭 411100）

多功能互補并非一個全新的概念，其實早在20世紀(jì)中后期就已被提出。隨著能源開發(fā)力度的逐漸增加，世界范圍內(nèi)能源物質(zhì)短缺愈加嚴(yán)重，人們開始探索更有效的能源利用方式，對于多能源互補的研究進(jìn)度才逐漸加快。多功能互補是能源領(lǐng)域中的一個混合概念，貫穿于能源開發(fā)、利用和管理。在自然環(huán)境中，能源以多種多樣的形式存在，其開發(fā)和利用思路基本一致，即通過能源形式的不斷轉(zhuǎn)化，使之成為可以直接利用的能源存在形式[1]。但是，單一能源的轉(zhuǎn)化率是極為有限的，幾乎不存在百分百的利用形式，因此通過多能源協(xié)調(diào)互補機制來提高能源利用效率，是緩解能源短缺和需求增加矛盾的重要途徑。

每一種能源利用形式都具有自身的系統(tǒng)性，比如煤礦的利用系統(tǒng)就是通過受熱后燃燒使化學(xué)能向內(nèi)能轉(zhuǎn)變，然后內(nèi)能再向機械能或其他能源形式轉(zhuǎn)變[2]。但是，單一的能源利用系統(tǒng)具有特異性，這使得各種獨立的能源系統(tǒng)無法有效協(xié)調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致整體協(xié)調(diào)性較差、能源利用效率偏低。多能源護理的核心理念就是通過協(xié)調(diào)各種能源供應(yīng)系統(tǒng)的特異性，使彼此之間實現(xiàn)配合，降低或消除能源供應(yīng)環(huán)節(jié)的不穩(wěn)定性，從提高能源利用率，實現(xiàn)不可再生資源的安全消納。

1 多功能互補的可行性分析

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，能源監(jiān)控技術(shù)、控制技術(shù)和管理技術(shù)不斷完善，各種新型的能源利用系統(tǒng)被開發(fā)和廣泛應(yīng)用，不同能源之間耦合越來越緊密，基本實現(xiàn)了多能源功能利用狀態(tài)下的能源優(yōu)勢互補[3]。

綜合能源系統(tǒng)是多能互補在區(qū)域能源供應(yīng)中重要的實現(xiàn)形式，通過能源源、能源網(wǎng)、用能點等協(xié)調(diào)和緊密互動，實現(xiàn)功能系統(tǒng)的全面科學(xué)分析、設(shè)計和運行。這與計算機技術(shù)的發(fā)展有密切聯(lián)系。

通常，綜合能源系統(tǒng)一般涵蓋供電系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、供水系統(tǒng)以及其他基礎(chǔ)能源供給系統(tǒng)[4]。多能互補系統(tǒng)的構(gòu)建核心就相對單純，通過優(yōu)化能量生產(chǎn)、傳輸、存儲和管理等幾個方面，在充分考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)各個能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與配合，以集成化的方法提高能源利用效率，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。

2 多能互補綜合能源系統(tǒng)建模

2.1 靜態(tài)建模

靜態(tài)建模是反映多能互補綜合能源系統(tǒng)運行的基本思路。在靜態(tài)建模中，能源集線器模型極為重要，其是反映能源系統(tǒng)間能源形勢靜態(tài)轉(zhuǎn)換、存儲和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，最早由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團隊提出[5]。靜態(tài)建模能夠?qū)⒕C合能源系統(tǒng)內(nèi)各系統(tǒng)的耦合關(guān)系進(jìn)行良好描述，同時可以直觀地進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃、分布式能源系統(tǒng)管理、地區(qū)能源供給需求管理、區(qū)域能源調(diào)度規(guī)劃等，其是基于宏觀模式下的一種系統(tǒng)建模思路，是系統(tǒng)設(shè)定前的規(guī)劃。

2.2 動態(tài)建模

動態(tài)建模是基于綜合能源利用系統(tǒng)中能源轉(zhuǎn)化和使用監(jiān)控管理的一種思路，與靜態(tài)建模不同，動態(tài)建模針對的是微觀的能源利用問題，其處理的是能源傳輸、利用過程中每一個點的管理和運用形式。其需要考慮到系統(tǒng)的特點和能源自身的特點，比較依賴集線器和連接器模型[6]。

動態(tài)建模描述的是能源系統(tǒng)中能源利用問題，比如在某一個節(jié)點能源的消耗量和能效，然后通過優(yōu)化每一個節(jié)點的能源利用，促進(jìn)整體能源能效的提高。

3 多能互補綜合能源系統(tǒng)研究

3.1 區(qū)域多能互補

從整個能源系統(tǒng)出發(fā)，可以確定的是不同能源形式的耦合會對能效產(chǎn)生一定的影響，其中冗余能流路徑提供的一定自由度為多能協(xié)同優(yōu)化提供了空間。構(gòu)建不同能量系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)機制，可有效改善不同能源在不同供能背景下的時空間平衡，從而提高能源的綜合利用率，降低系統(tǒng)運行成本，保證能源供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其中，多能量載體的規(guī)模化和集成化管理可利用是實現(xiàn)區(qū)域多能互補的核心問題，也是近年來能源科學(xué)研究的重點問題。

3.2 家庭式能源智能管理

家庭式能源智能管理指的是從用戶角度實現(xiàn)的多能互補方式，以家庭為例，家庭生產(chǎn)環(huán)境中需要運用到的能源形式有電氣、冷、熱、天然氣，如果能夠在用戶端（用能端）實現(xiàn)多能源的交互和耦合，將極大地提高能源的利用效率，同時也為用戶的能源利用提供了更多的可靠選擇，這也推動了能量流、信息流、業(yè)務(wù)流等特性各異的物理對象的融合。

未來的綜合能源系統(tǒng)不再是由供給側(cè)到用戶側(cè)的單向能量傳遞，能源用戶也由過去的能源使用者轉(zhuǎn)換成能源消費者和服務(wù)商，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中供給者、消費者的概念被淡化，取而代之的是綜合能源系統(tǒng)供需雙側(cè)的智能交互[7]。

3.3 多種儲能的控制方法和配置策略

現(xiàn)階段，按照時間尺度來劃分，電儲能一般用于“低儲高發(fā)”、聯(lián)絡(luò)線功率控制和電能質(zhì)量治理三個方面，經(jīng)濟效益在峰谷電價差和延緩電網(wǎng)升級兩方面。由于供冷是非時變的，儲熱沒有套利空間，一般用于與CCHP 機組協(xié)調(diào)調(diào)度，優(yōu)化CCHP 機組的運行狀態(tài)，使以熱定電的CCHP 機組可在用電峰時段多發(fā)電，燃?xì)忮仩t運行在效率較高的狀態(tài)，在用電谷時段停機由儲能供熱，顯著提高機組的經(jīng)濟效益。另外，對于電制冷機組，其經(jīng)濟效益與實時電價關(guān)系密切，加入蓄冷可以顯著降低電空調(diào)的運行成本，減少電制冷機組的配置容量。

4 多能互補在綜合能源系統(tǒng)中構(gòu)建的重點

4.1 多能互補協(xié)同運行調(diào)度

多能互補綜合能源系統(tǒng)中，能源的調(diào)度和優(yōu)化配置一直是核心問題，是實現(xiàn)多能互補系統(tǒng)構(gòu)建和市場效益的基礎(chǔ)。通過多個能源系統(tǒng)的協(xié)同機制，人們可以實現(xiàn)能源的高效利用和高能產(chǎn)出，進(jìn)而緩解區(qū)域能源緊張問題。

雖然多能互補的協(xié)同運行能夠帶來極高的經(jīng)濟效益，但是這也意味著風(fēng)險的擴大，當(dāng)多能互補耦合性較強時，多能互補的綜合能源系統(tǒng)內(nèi)能源的流動性不再是單向的，而是存在多向互動，如果某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，就會發(fā)生故障傳遞效應(yīng)，使損害結(jié)果擴大。

因此，多能互補的協(xié)同運行調(diào)度是構(gòu)建多能互補綜合能源系統(tǒng)的核心問題之一，只有通過良好的調(diào)度，將故障發(fā)生率鎖定在最小范圍內(nèi)才能最大限度發(fā)揮多能互補的優(yōu)勢。當(dāng)然，相應(yīng)的風(fēng)險評估機制也是多能互補調(diào)度的重要環(huán)節(jié)。

4.2 多能互補協(xié)同風(fēng)險評估機制

在多能互補協(xié)同綜合能源系統(tǒng)構(gòu)建過程中，由于故障風(fēng)險具有可傳遞的特征，因此需要構(gòu)建相應(yīng)的風(fēng)險評估機制。同單一能源供應(yīng)系統(tǒng)相比，多能互補的能源風(fēng)險評估機制相對復(fù)雜，需要綜合各種能源系統(tǒng)、市場、管網(wǎng)等多方信息，嚴(yán)格計算投入、產(chǎn)出比以及風(fēng)險發(fā)生率和風(fēng)險發(fā)生后的損害范圍、損害程度，在諸多方案中找到最符合經(jīng)濟性、安全性、可靠性、市場性特征的風(fēng)險管理機制。當(dāng)然，由于多能互補綜合能源系統(tǒng)中不確定因素的增加，想要精確評估運行風(fēng)險的難度較高，可以引入彈性概念，允許合理的風(fēng)險存在。

4.3 用能替代的綜合需求響應(yīng)

對于多能互補系統(tǒng)，用戶參與需求響應(yīng)的手段不僅限于傳統(tǒng)的電能削減和在時間上的平移。用能替代正逐漸成為綜合需求響應(yīng)的一個重要方式，能量的替代使用可降低用戶側(cè)的用能成本，在滿足用能需求的前提下響應(yīng)各個能源系統(tǒng)的調(diào)度期望，可觀的響應(yīng)收益為用戶相應(yīng)行為提供充足的驅(qū)動力。但是，當(dāng)前調(diào)度、規(guī)劃以及市場的研究中，很多都忽略了這種新的用戶響應(yīng)形式。

4.4 能流計算

能流計算是多能互補綜合能源系統(tǒng)中靜態(tài)模型和動態(tài)模型的共通點，也是系統(tǒng)構(gòu)建和管理的核心內(nèi)容之一?，F(xiàn)階段，實踐作業(yè)一般采用改進(jìn)的能源集線器模型，考慮耦合單元作為平衡節(jié)點對于電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流的影響，形成該系統(tǒng)適用的潮流求解算法。相應(yīng)的研究可分為統(tǒng)一求解法和解耦求解法兩類。采用統(tǒng)一求解法時，需要建多系統(tǒng)的混合模型，然后在統(tǒng)一的框架下建立包含多個能網(wǎng)狀態(tài)的潮流方程，對系統(tǒng)綜合潮流進(jìn)行求解，在算法求解方面往往要求較高。而解耦求解法需分析不同模式下多個系統(tǒng)的耦合關(guān)系，將電力潮流與天然氣以及熱力系統(tǒng)解耦計算，因此可以在原有獨立的潮流計算模塊上增加能源耦合分析模塊來實現(xiàn)，計算難度較小。

5 結(jié)論

隨著能量需求呈現(xiàn)多樣化和分布化趨勢，以多能互補為中心的綜合能源系統(tǒng)理論研究和工程實踐也逐漸展開，然而在實踐和研究過程中，各子系統(tǒng)通過大量的異質(zhì)元件耦合，耦合元件在不同的管理模式、運行場景和控制策略下相互影響，呈現(xiàn)不同的電氣、熱力、水力特性，對所耦合的能源系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的非線性、不確定的影響，綜合能源系統(tǒng)無論在科學(xué)研究還是工程應(yīng)用方面仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為進(jìn)一步提高用能效率，促進(jìn)多種新能源的規(guī)模化利用，多種能源的源、網(wǎng)、荷深度融合和緊密互動又是未來能量系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，因此在未來的很長一段時間內(nèi)，能源科學(xué)領(lǐng)域中，多能互補綜合能源系統(tǒng)的研究將一直是熱點問題。