綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行研究現(xiàn)狀及展望

肖灑 彭程

【摘 要】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。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。

【關(guān)鍵詞】綜合能源;優(yōu)化;研究;分析

1導(dǎo)言

近年來，我國部分電網(wǎng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的“棄風(fēng)”現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計，2017年我國四個主要的新能源產(chǎn)業(yè)地區(qū)棄風(fēng)率均超過10%，其中甘肅、新疆棄風(fēng)率甚至達到30%以上。高棄風(fēng)使得綜合能源系統(tǒng)不能達到較高的新能源發(fā)電吸納水平，新能源滲透率低。而電轉(zhuǎn)氣技術(shù)（power to gas）可在一定程度上解決此問題，為綜合能源系統(tǒng)實現(xiàn)高新能源滲透率提供途徑。為了充分消納清潔能源、提高能源利用效率，綜合能源系統(tǒng)的概念應(yīng)運而生，相較于傳統(tǒng)的能源單級利用形式，綜合能源系統(tǒng)對電力、冷熱和天然氣等多種形式能源進行多級利用，通過多能互補提高綜合能源利用效率。但是綜合能源系統(tǒng)由于系統(tǒng)間耦合緊密，能源流動變化復(fù)雜，在優(yōu)化運行方面相較于傳統(tǒng)電網(wǎng)有較大差別。

2電轉(zhuǎn)氣技術(shù)簡介及其運行成本模型

電轉(zhuǎn)氣（power to gas，P2G）技術(shù)是在負(fù)荷低或可再生能源出力高峰期，將富余的電能轉(zhuǎn)化為天然氣或氫氣，存儲在天然氣管網(wǎng)或天然氣存儲設(shè)備中;在電力短缺時，將存儲的氣體轉(zhuǎn)化為電能或熱能提供給用戶，從而提高了微網(wǎng)系統(tǒng)在負(fù)荷低谷期消納可再生能源的能力。P2G技術(shù)增加了系統(tǒng)中電氣耦合環(huán)節(jié)的作用，增強了電力–天然氣系統(tǒng)之間的耦合性和系統(tǒng)的供能穩(wěn)定性。電轉(zhuǎn)氣過程原理如圖1所示。

圖1電轉(zhuǎn)氣過程原理

其化學(xué)原理是在電解水制氫的基礎(chǔ)上，在催化劑的作用下將電解水生成的氫氣和二氧化碳反應(yīng)生成甲烷和水，這個過程稱為甲烷化過程。甲烷化過程中所需的二氧化碳可以來自環(huán)境空氣、火電廠煙氣和厭氧細菌消化產(chǎn)生的生物氣體。通過上述兩個階段化學(xué)反應(yīng)，電轉(zhuǎn)天然氣綜合效率約在45%～60%之間。P2G運行成本包括固定運行成本與可變運行成本，前者包含設(shè)備維護費、勞動力成本等，本文所述P2G運行成本指包含P2G技術(shù)用電成本與原料成本的可變運行成本。

3綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行方法

3.1綜合能源系統(tǒng)的多時段優(yōu)化控制

從時間尺度來說，綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度方法研究經(jīng)歷了從單一時段優(yōu)化到日前-日內(nèi)優(yōu)化再到滾動優(yōu)化的階段。多時段的優(yōu)化具有較好的控制準(zhǔn)確性，但是會造成計算量增加，難以滿足實時性的要求。尤其是在實時滾動階段，對算法的時間復(fù)雜度提出了很高要求。若能對特定場景下的數(shù)學(xué)模型進行針對性優(yōu)化，從而提高算法效率以達到實時性的要求，多時段的優(yōu)化控制才能得到更好的應(yīng)用。

3.2綜合能源系統(tǒng)的分布式優(yōu)化控制

面向具有多個平級運營商的多能源系統(tǒng)，可采用分布式算法實現(xiàn)各系統(tǒng)間的協(xié)同運行，提升調(diào)度的自治性和靈活性。盡管綜合能源系統(tǒng)協(xié)同運行方法已有初步研究，但對綜合能源系統(tǒng)的刻畫還很基礎(chǔ)，在建模中既未考慮天然氣潮流的動態(tài)特性，也未考慮能源轉(zhuǎn)換設(shè)備（如電轉(zhuǎn)氣裝置）和需求響應(yīng)策略。

3.3綜合能源系統(tǒng)的不確定性優(yōu)化控制

綜合能源系統(tǒng)中包含大量的不確定性因素，包括可再生能源出力的不確定性，負(fù)荷預(yù)測誤差，量測信息誤差。隨機優(yōu)化基于預(yù)先假設(shè)的概率分布將不確定性優(yōu)化轉(zhuǎn)化為多個確定性優(yōu)化問題進行求解，然而在實際中隨機變量的概率分布往往難以準(zhǔn)確刻畫。魯棒和區(qū)間優(yōu)化則是假設(shè)隨機變量的變化區(qū)間，通過求取最惡劣的場景下的最優(yōu)結(jié)果，實現(xiàn)最優(yōu)控制，但是得到的結(jié)果往往會過于保守。

3.4綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化問題的求解方法

綜合能源復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和多種能源的相互耦合使優(yōu)化問題的求解困難。求解方法有啟發(fā)式算法和數(shù)學(xué)規(guī)劃方法2類。啟發(fā)式算法求解速度快，但得不到最優(yōu)解;數(shù)學(xué)規(guī)劃方法精準(zhǔn)，但是求解難度較高。

4綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行方法展望

4.1綜合能源系統(tǒng)建模理論

由于計及復(fù)雜約束的綜合能源系統(tǒng)建模理論的研究才剛剛起步，還有大量問題值得深入研究，如：如何對各能源的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)化、儲存和消費等環(huán)節(jié)進行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，建立含終端能源樞紐和外部能源供應(yīng)網(wǎng)架的綜合能源系統(tǒng)模型;如何基于凸優(yōu)化技術(shù)，對原復(fù)雜非線性的氣網(wǎng)模型進行嚴(yán)格凸化松弛，構(gòu)建考慮氣網(wǎng)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性的綜合能源系統(tǒng)綜合模型。

4.2綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化方法

在綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行方面，依然有以下的問題值得深入研究：一是如何考慮動態(tài)多能流和多類系統(tǒng)要素，基于分布式算法實現(xiàn)各能源網(wǎng)絡(luò)的分散協(xié)同控制;二是如何面向分區(qū)扁平化的多區(qū)互聯(lián)能源系統(tǒng)，實現(xiàn)各區(qū)域系統(tǒng)間的自治協(xié)調(diào)控制;三是如何精細刻畫需求響應(yīng)對綜合能源系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的提升，發(fā)揮用戶主觀能動性以促進能源的梯級利用。

4.3綜合能源系統(tǒng)的風(fēng)險調(diào)度

風(fēng)險調(diào)度旨在降低高危場景風(fēng)險水平，保障電力系統(tǒng)的安全可靠運行。目前，國際上對綜合能源系統(tǒng)的風(fēng)險評估和風(fēng)險調(diào)度理論方法研究仍處于起步階段，相關(guān)的研究領(lǐng)域還有以下工作值得開展：一是如何綜合考慮電力?天然氣?熱網(wǎng)能量流的損失，對綜合能源系統(tǒng)進行整體的風(fēng)險分析，構(gòu)建合理的風(fēng)險評估指標(biāo);二是如何面對多重不確定性因素，制定魯棒的綜合綜合能源系統(tǒng)日前風(fēng)險調(diào)度策略，提升風(fēng)險預(yù)控手段的安全性;三是如何制定快速有效的事后校正策略降低高危風(fēng)險場景的運行風(fēng)險。

5結(jié)論

綜合能源系統(tǒng)能提高能源利用效率和可再生能源的消納。但是由于高度耦合的特性，給綜合能源系統(tǒng)的調(diào)度運行帶來了困難。結(jié)合國內(nèi)外最新的研究進展，介紹了綜合能源系統(tǒng)的基本組成，電?熱?氣網(wǎng)絡(luò)潮流的的建模方法，以及考慮不同因素的優(yōu)化運行方法，分析了現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點和難點。最后指出了未來研究可從建模理論、優(yōu)化方法和風(fēng)險調(diào)度等方面開展工作。

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（作者單位：國網(wǎng)江蘇省電力有限公司丹陽市供電分公司）