綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計平臺應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

文_馮逸夫 徐以洋 張吉

1 中科華躍能源互聯(lián)網(wǎng)研究院 2 中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司 3 清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心

經(jīng)濟發(fā)展和社會進步使人類對能源的需求日益增加，能源方面的需求已經(jīng)不再局限于單一的冷、熱、氣、電等，能源供應(yīng)的形式也逐漸地從傳統(tǒng)化石能源向新型可再生能源轉(zhuǎn)變。中國政府提出力爭在2030年前達到二氧化碳排量峰值，力爭在2060年前實現(xiàn)碳中和。國家正在全面構(gòu)建綠色、清潔、低碳和生態(tài)化的能源結(jié)構(gòu)體系，可有效提升電力系統(tǒng)運行效率和能源清潔利用水平。本文對綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計平臺的研究現(xiàn)狀進行綜述，分析相關(guān)軟件的關(guān)鍵技術(shù)和適用場景，并對其功能的進一步完善提出展望。

1 綜合能源系統(tǒng)

綜合能源系統(tǒng)是指一體化地協(xié)調(diào)和優(yōu)化各類型能源的生產(chǎn)、傳輸、分配、儲存、轉(zhuǎn)換以及消費等環(huán)節(jié)，是能源互聯(lián)及物聯(lián)的基礎(chǔ)架構(gòu)。綜合能源系統(tǒng)的主要特點：①跨環(huán)節(jié)的“源-網(wǎng)-荷-儲-用”協(xié)調(diào)，打破了源、網(wǎng)、荷、儲和用不同環(huán)節(jié)間的壁壘，實現(xiàn)能源供需關(guān)系能夠雙向互動，不再是供應(yīng)依靠于需求，而是能源需求側(cè)也可以主動調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)雙向靈活優(yōu)化；②跨越單一系統(tǒng)的多能耦合互補，可以打破冷、熱、電和氣等不同能源系統(tǒng)的壁壘，實現(xiàn)多種類型能源互補，主要利用熱和氣易存儲和時間慣性大的特點，實現(xiàn)熱、電和氣不同能源種類之間的互相補給替代，從而增強電力系統(tǒng)的交互性和靈活性。

2 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計平臺

綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計首先需要能源價格和政策、氣象和負荷數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)支持，之后確定合理的能源類型、設(shè)備系統(tǒng)形式、能源輸配網(wǎng)絡(luò)形式和儲能形式，最后按照能源耦合和傳輸規(guī)則進行模擬計算分析。規(guī)劃設(shè)計還可以按照具體的約束條件和數(shù)學(xué)模型算法對項目的投資或運行按照不同的時間或者階段進行規(guī)劃設(shè)計模擬分析。其中，部分平臺系統(tǒng)可以提供環(huán)保性、經(jīng)濟性和能效性的評估。因此，此類平臺軟件貫穿整個綜合能源系統(tǒng)項目的規(guī)劃、設(shè)計、投資、建設(shè)和運行。

3 典型平臺軟件介紹

3.1 國外

3.1.1 RETScreen

RETScreen是由加拿大環(huán)保部基于 Microsoft Excel開發(fā)的清潔能源管理軟件，主要適用于分析各類可再生能源系統(tǒng)包含風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、水力發(fā)電、生物質(zhì)能、太陽能、地源熱能、水源熱能等獨立的系統(tǒng)模塊；可針對性地分析投資運行節(jié)能收益、可再生能源生產(chǎn)量、能源系統(tǒng)壽命周期以及減排量等；每個系統(tǒng)模塊包含模型設(shè)定、設(shè)備數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)定、成本分析、溫室氣體排放設(shè)定、財務(wù)信息總結(jié)等。但RETScreen只能對單一資源系統(tǒng)進行運算分析，無法對多種混合的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)進行仿真模擬。

3.1.2 EnergyPLAN

EnergyPLAN是由丹麥奧爾堡大學(xué)開發(fā)的綜合能源仿真計算模擬軟件，適用于并網(wǎng)型和獨立性的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。該軟件主要包括光伏發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）、波浪能發(fā)電、風(fēng)機發(fā)電等系統(tǒng)，模擬儲能系統(tǒng)類型包括抽水儲能和電解槽儲能。EnergyPLAN可以適用于分析地塊、城市到國家尺度中的自然環(huán)境資源、經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顟B(tài)以及能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上給出相應(yīng)能源環(huán)境系統(tǒng)的優(yōu)化建議以及政策機制，但是優(yōu)化范圍只限于給定系統(tǒng)的運行并不包括投資決策。

3.1.3 DER-CAM

DER-CAM由美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發(fā)的針對分布式能源系統(tǒng)進行策略優(yōu)化的軟件。DER-CAM主要包括熱電聯(lián)產(chǎn)、光伏發(fā)電和傳統(tǒng)的燃料燃燒技術(shù)發(fā)電；儲能技術(shù)包括電動汽車電池形式的移動儲存、固定儲存和熱儲罐等形式。軟件分為系統(tǒng)規(guī)劃和運行分析兩個板塊，系統(tǒng)規(guī)劃板塊適用于分析規(guī)劃階段項目的可行性，提出最優(yōu)的分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃方案；運行分析版本只考慮能源系統(tǒng)運行的維護成本，為能源系統(tǒng)提供最佳的優(yōu)化運行策略。

3.1.4 HOMER

HOMER廣泛應(yīng)用于分析離網(wǎng)的能源系統(tǒng)，是由美國國家可再生能源實驗室研發(fā)的軟件平臺。HOMER主要功能包括系統(tǒng)仿真模擬運算、系統(tǒng)設(shè)計及運行策略優(yōu)化方案分析以及能源系統(tǒng)敏感性分析。軟件分析的能源類型包括太陽能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、傳統(tǒng)水力發(fā)電、河流水力發(fā)電、電力公用電網(wǎng)、風(fēng)電、共燃發(fā)電機和燃料電池等，軟件分析的負荷類型包括熱、電和氫。該軟件可以測算不同方案的可行性和經(jīng)濟效益，可以分析計算凈現(xiàn)值成本達到最低的能源系統(tǒng)策略，為區(qū)域內(nèi)不用種類的能源形式實現(xiàn)并網(wǎng)、多級能源利用進行熱力供給以及氫能源使用規(guī)劃設(shè)計方案。該軟件主要適用于小功率類型的可再生能源系統(tǒng)。

3.2 國內(nèi)

3.2.1 IEMS 軟件

IEMS是由清華大學(xué)開發(fā)的一套適應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)需求的綜合支撐平臺。該平臺以中間件技術(shù)為核心，采用多層體系結(jié)構(gòu)，包括硬件、軟件、數(shù)據(jù)庫以及應(yīng)用。其主要功能包括：現(xiàn)多能流數(shù)據(jù)的監(jiān)測、狀態(tài)估計、安全評估與控制、優(yōu)化調(diào)度、節(jié)點能價和虛擬電廠六部分，屬于多能流能量管理系統(tǒng)。

3.2.2 CloudEIP 軟件

CloudEIP是由清華大學(xué)開發(fā)的一款平臺軟件，主要應(yīng)用的規(guī)模在地塊尺度、園區(qū)級別到城市尺度，可規(guī)劃及評估的系統(tǒng)包含微型能源系統(tǒng)、分布式能源系統(tǒng)以及綜合能源系統(tǒng)。其主要功能為多類型能源系統(tǒng)規(guī)劃和評估，包括能源需求負荷分析、能源系統(tǒng)經(jīng)濟性分析、綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化及評估。

3.2.3 CloudPSS 平臺

CloudPSS平臺是由清華大學(xué)開發(fā)的綜合能源系統(tǒng)模擬分析運算平臺，該軟件支持數(shù)十種常見的能源系統(tǒng)設(shè)備模型。該系統(tǒng)主要包括建模仿真模塊和規(guī)劃設(shè)計模塊。其中，建模仿真模塊可對綜合能源系統(tǒng)的設(shè)計數(shù)據(jù)進行高效管理，同時靈活便捷地搭建綜合能源系統(tǒng)拓撲，實現(xiàn)全生命周期的能量流仿真計算；規(guī)劃設(shè)計模塊可輔助用戶實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的設(shè)備選型配置、運行方式優(yōu)化和經(jīng)濟/環(huán)保效益評估。

3.2.4 華北電力大學(xué)綜合能源系統(tǒng)模擬軟件

華北電力大學(xué)開發(fā)的綜合能源系統(tǒng)模擬軟件包括設(shè)計和運維平臺兩部分組成，主要包括四大功能，即規(guī)劃優(yōu)化，可以優(yōu)化頂層設(shè)計規(guī)劃方案，為勘測設(shè)計部門提供設(shè)計支持；運行優(yōu)化，通過搭建運維平臺，對各類型能源的出力根據(jù)不同時間段進行優(yōu)化；效益評估，包括對經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益進行評估；市場交易，主要實現(xiàn)能源微網(wǎng)、綜合能源、分布式能源等多種類能源之間的交易。

3.2.5 IES-Plan 軟件

IES-Plan是由東南大學(xué)開發(fā)的一款軟件，主要應(yīng)用系統(tǒng)包括鍋爐、熱電聯(lián)供機組、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電機等多種能源設(shè)備，支持多能互補及綜合能源系統(tǒng)并行規(guī)劃和比較。IES-Plan通過自然資源評估算法對當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源進行分析模擬，按照核心設(shè)備、業(yè)務(wù)類型和細分行業(yè)分別對應(yīng)的用戶需求來提供不同種類的負荷估算。

3.2.6 PIES 軟件

PIES是由國網(wǎng)能源研究院能源互聯(lián)網(wǎng)研究所開發(fā)的綜合能源規(guī)劃設(shè)計與仿真工具，該軟件以投資成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)組合與設(shè)備容量最優(yōu)。軟件包括15類能源轉(zhuǎn)換設(shè)備和3類能源網(wǎng)絡(luò)，主要功能包括負荷預(yù)測、資源評估、優(yōu)化規(guī)劃、生產(chǎn)模擬和財務(wù)評價。

3.3 結(jié)語

本節(jié)分析了國內(nèi)外典型綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計軟件的研究現(xiàn)狀，上述軟件均有各自不同的功能和特點，對比情況詳見如表1，以期對綜合能源系統(tǒng)仿真與規(guī)劃平臺的選擇提供一定參考價值，并為綜合能源系統(tǒng)的未來發(fā)展積累相關(guān)借鑒經(jīng)驗。

表 1 典型綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計軟件的對比分析

4 結(jié)語

市場上現(xiàn)有的規(guī)劃設(shè)計軟件種類繁多，但各自具有不同的功能和特點，對用戶進行綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方面的研究能夠起到輔助作用，并且能夠滿足在不同領(lǐng)域的設(shè)計需求，可以一定程度地提高設(shè)計的智能化以及決策水平。在以后的綜合能源規(guī)劃設(shè)計軟件的開發(fā)過程中可以考慮實現(xiàn)成本、經(jīng)濟、環(huán)境、能源效率等方面的多目標(biāo)優(yōu)化；實現(xiàn)用戶自主設(shè)置，雙向透明的可操作決策軟件；與此同時，進一步擴充和完善數(shù)據(jù)庫和參數(shù)庫，為用戶提供功能更加完備的功能模塊。