面向工業(yè)生態(tài)園的多能流系統(tǒng)優(yōu)化與 綜合特性分析

孫 昭，榮文杰，王承陽，李寶寬，宋宸宇

（東北大學(xué)冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)單一化石能源供能系統(tǒng)由于其簡單低效、污染物嚴(yán)重等缺點(diǎn)[1]，不能滿足當(dāng)今低碳綠色發(fā)展的要求。可再生能源具有綠色環(huán)保、來源廣泛和可持續(xù)發(fā)展等特點(diǎn)，促進(jìn)了能源系統(tǒng)在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、效率等方面的革命[2]。但是，可再生能源受限于不可預(yù)測的外部環(huán)境，而且單一可再生能源由于其間歇性和隨機(jī)性難以向電網(wǎng)系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的電力，進(jìn)而無法滿足用電需求[3]。因此，未來的能源系統(tǒng)需要考慮耦合多種能源發(fā)電技術(shù)的供需平衡并考慮其擾動性、一致性以及可再生能源消納率，達(dá)到節(jié)能減排、充分利用可再生能源優(yōu)勢的目的。

多能流系統(tǒng)融合了多種可再生能源和不可再生能源的分布式發(fā)電及儲能裝置和需求響應(yīng)與可控負(fù)載等技術(shù)，在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、提高能源利用率以及減少二氧化碳排放方面具有突出特點(diǎn)[4]。同時應(yīng)用可再生能源和低碳清潔的技術(shù)來抵消其他行業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳即“碳中和”等方面擁有獨(dú)特優(yōu)勢。Chen C等[5]提出一種用于優(yōu)化微電網(wǎng)成本的智能能源管理系統(tǒng)并制定了最佳運(yùn)行策略，保證了經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度并滿足一定的設(shè)計(jì)需求。Geidl M等[6]提出了多能流系統(tǒng)的基本模型——能量樞紐（energy hub），分析了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性調(diào)度與最優(yōu)潮流的應(yīng)用?；谀芰繕屑~的概念，近十年來國內(nèi)外研究學(xué)者對多能流系統(tǒng)的建模和優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行了多方面的研究。Enrico Fabrizio等[7]提出了建筑多能源系統(tǒng)的建模方法。Samaneh Pazouki等[8]將風(fēng)能、電力和天然氣輸入能量樞紐，并考慮了系統(tǒng)中風(fēng)力、價格和需求的不確定性對能量樞紐的運(yùn)行成本與可靠性影響。Ma Tengfei等[9]基于圖論矩陣對多能流系統(tǒng)建模，構(gòu)建以最小化日運(yùn)行成本為目標(biāo)的多能流系統(tǒng)有向圖模型；該多能流系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、多種能源互補(bǔ)，提高了可再生能源消耗。Marek Jaszczur等[10]設(shè)計(jì)和優(yōu)化了一種家用混合可再生能源系統(tǒng)，基于遺傳算法對該系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的多目標(biāo)優(yōu)化，確定了二者之間的關(guān)系。對于多能流系統(tǒng)的能耗與排放分析，Ehsan Akrami等[11]用能量-?方法對一個多發(fā)電系統(tǒng)綜合分析，同時為了評估該系統(tǒng)的性能，并研究了系統(tǒng)中的相關(guān)變量對整個系統(tǒng)的相關(guān)能量效率和?效率的影響。Wang Jiangjiang等[12]對冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（CCHP）和太陽能集熱器耦合系統(tǒng)進(jìn)行一次能源利用率、?分析和碳排放分析，研究了兩者的互補(bǔ)關(guān)系。Paolo Gabrielli等[13]建立了一個包含季節(jié)性儲能在內(nèi)的多能源系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化框架，得到成本-排放的Pareto解集，確定了所研究的技術(shù)在不同排放條件和不同邊界條件下的潛力。Chen Lingmin等[14]建立了一個利用風(fēng)能和太陽能的冷熱電聯(lián)產(chǎn)的多能流系統(tǒng)的模型框架，以供電損失概率和供熱損失概率來評價系統(tǒng)能源供應(yīng)的可靠性，考慮可再生能源滲透的因素，提出相關(guān)的公式。Eliezer Zahid Gill等[15]對太陽能輔助的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行能量、?、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境分析，該系統(tǒng)的熱效率達(dá)到40%、?效率達(dá)到20%以上。對于多能流系統(tǒng)的整體性運(yùn)行特性分析，Si Fangyuan等[16]建立耦合多能源網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行約束的兩階段魯棒優(yōu)化模型來研究多能源系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性，除了經(jīng)濟(jì)性外，網(wǎng)絡(luò)多能量流、節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)與供需平衡也被考慮在不確定性因素對系統(tǒng)的敏感性分析。Nathaniel Pearre等[17]將間歇式可再生能源發(fā)電與能量儲存相結(jié)合，建立了一個基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制模型來平滑可再生能源發(fā)電進(jìn)而匹配負(fù)載擾動，經(jīng)濟(jì)有效地平衡能量儲存。以上文獻(xiàn)集中于對多能流系統(tǒng)的建模和優(yōu)化運(yùn)行及多能流系統(tǒng)部分整體性分析（如經(jīng)濟(jì)性與可靠性），而缺乏對于系統(tǒng)其他方面如可再生能源、余能循環(huán)的運(yùn)行特性，以及多能流系統(tǒng)的擾動性、一致性的整體研究。

本文針對上述問題提出了多能流系統(tǒng)的優(yōu)化模型，該模型以最小化系統(tǒng)的總運(yùn)行成本為目標(biāo)。同時提出對系統(tǒng)運(yùn)行特性多角度評價的新方法，包括且不限于面向多能流系統(tǒng)的能效評價模型、面向系統(tǒng)可再生能源的利用與棄置特性參數(shù)等。另外，本文從系統(tǒng)內(nèi)部擾動入手對多能流系統(tǒng)的擾動產(chǎn)生進(jìn)行分析，并提出了相關(guān)的評價公式。最后，本文對某工業(yè)生態(tài)園區(qū)的多能流系統(tǒng)用能網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行優(yōu)化分析及系統(tǒng)評價。

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)描述與系統(tǒng)邊界

多能流系統(tǒng)利用先進(jìn)的轉(zhuǎn)化技術(shù)將多種能源（電力、光伏、風(fēng)力、天然氣、水等）進(jìn)行結(jié)合，完成能量供應(yīng)、能量儲存、能量消耗、能量轉(zhuǎn)換的過程。

研究多能流系統(tǒng)，首先根據(jù)實(shí)際情況和研究目的劃定系統(tǒng)的邊界條件和定義有關(guān)的假設(shè)。在本文研究的多能流系統(tǒng)中，相關(guān)設(shè)備的初投資暫不考慮；根據(jù)能量樞紐概念，假設(shè)該能量樞紐的能量流動處于穩(wěn)定流動狀態(tài)，整個系統(tǒng)的能源管線內(nèi)無能量損失，損耗僅發(fā)生在能量轉(zhuǎn)換器內(nèi)部[18]。對于模型的應(yīng)用考慮以下邊界：

1）應(yīng)用的主體為工業(yè)園區(qū)內(nèi)部，包括供熱、供電和供冷設(shè)備以及園區(qū)辦公大樓內(nèi)冷熱電負(fù)載。

2）對于園區(qū)內(nèi)部的能源系統(tǒng)，將光伏、風(fēng)力發(fā)電引入園區(qū)能源系統(tǒng)，作為園區(qū)的主要供能。當(dāng)可再生能源不能滿足園區(qū)內(nèi)用能設(shè)備時，需要接入城市的電-天然氣網(wǎng)，除此之外不從外界引入任何能源。若可再生能源可以完全滿足園區(qū)內(nèi)的供能，可將該園區(qū)視作一個能源孤島。

3）對于園區(qū)辦公大樓等建筑，園區(qū)內(nèi)建筑物外墻及屋頂設(shè)置太陽能光伏板，同時引入儲電、儲熱、余熱回收裝置。

1.2 系統(tǒng)建模

在整個多能流系統(tǒng)能量樞紐內(nèi)部，根據(jù)“源-網(wǎng)-荷-儲”定義，將整個系統(tǒng)劃分為“系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)-能源管線-能流網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)，同時給出能源運(yùn)行過程的能阻定義。圖1多能流系統(tǒng)示意。

1.2.1 節(jié)點(diǎn)與管線編碼

對多能流系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和能源管線編碼編號，構(gòu)建輸入管線矩陣Pin和輸出管線矩陣Pout。

輸入管線功率的每個分量Pi,in對應(yīng)一個系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，也即輸入功率的每一行對應(yīng)系統(tǒng)“管線-節(jié)點(diǎn)”的輸入功率。而輸出管線功率矩陣每個向量Pk,out也對應(yīng)一個系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，但是輸出功率矩陣每一行對應(yīng)系統(tǒng)“節(jié)點(diǎn)-管線”的輸出功率，同時輸出管線功率矩陣部分向量代表了系統(tǒng)荷端需求功率。

1.2.2 關(guān)聯(lián)矩陣

為判斷和表達(dá)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和對應(yīng)能源管線的狀態(tài)，本文建立關(guān)聯(lián)矩陣Cm×n。該關(guān)聯(lián)矩陣的元素與輸入管線矩陣Pin和輸出管線矩陣Pout一一對應(yīng)，表達(dá)式為：

關(guān)聯(lián)矩陣Cm×n實(shí)際上是0-1矩陣，各元素表示系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)與對應(yīng)管線的連接狀態(tài)。若矩陣內(nèi)元素值為1表示該節(jié)點(diǎn)連接的能源管線為閉合狀態(tài)，反之表示斷開狀態(tài)。

1.2.3 能阻關(guān)聯(lián)矩陣

運(yùn)行能阻矩陣N的元素由不同能源管線運(yùn)行能阻組成，且與Pin中輸入管線相對應(yīng)，表達(dá)式為：

在能源系統(tǒng)運(yùn)行過程，會存在一定的能量損耗，包括流經(jīng)在能源管線與設(shè)備節(jié)點(diǎn)的損失以及能源轉(zhuǎn)換器和儲能節(jié)點(diǎn)設(shè)備自身損失。采用整體系統(tǒng)優(yōu)化模型“黑箱理論（black box）”[19]，將所有的損耗折算為能阻系數(shù)，對于在非電系統(tǒng)如制冷系統(tǒng)中采用制冷系數(shù)折算為能阻系數(shù)，熱能系統(tǒng)的能阻定義與電力系統(tǒng)相似。

1.3 構(gòu)建多能流系統(tǒng)優(yōu)化模型

多能流系統(tǒng)矩陣模型為：

式中：Pmax表示系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備的最大容量。同時在每個節(jié)點(diǎn)處需要滿足能量輸入輸出保持平衡狀態(tài)。除此之外，由于系統(tǒng)中包含儲能節(jié)點(diǎn)，需要包含儲能節(jié)點(diǎn)約束：

式中：Es,t為某時刻儲能裝置儲存的能量；ηc為儲能裝置的充能效率；Pc,i(t)為某時刻儲能裝置的充能功率；ηd為儲能裝置的放能效率；Pd,i(t)為儲能裝置的放能功率；Es,t+1為儲能裝置運(yùn)行至下一時間步長的剩余能量；γc,max和γd,max分別為儲能裝置的充、放能效率；Pc,es,max和Pd,es,max分別為儲能裝置的最大充、放能功率。

對于儲能約束，式(7)的第1和第2項(xiàng)代表儲能裝置的充放能不能超過其最大充放能功率，第3項(xiàng)表示充能和放能不能同時進(jìn)行，第4項(xiàng)表示儲能裝置在充放能的初始時刻與最終時刻儲存的能量相同。

1.3.1 目標(biāo)函數(shù)

構(gòu)建一個考慮冷熱電負(fù)荷和相關(guān)設(shè)備約束的優(yōu)化模型，旨在系統(tǒng)總運(yùn)行成本最低（包括二氧化碳的排放成本和系統(tǒng)運(yùn)行所需的能源成本）。

式中：α為碳排放成本因子，取0.038元/kg；βgrid為電網(wǎng)的碳排放因子，取0.889 kg/(kW·h)；βmt為燃?xì)廨啓C(jī)碳排放因子，取0.184 kg/(kW·h) ；βgb為燃?xì)忮仩t碳排放因子，取0.226 kg/(kW·h)[9]。

1.3.2 求解過程

本文建立的園區(qū)多能流系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型 （圖2）屬于混合整數(shù)線性優(yōu)化問題，采用Yamlip工具箱，在MATLAB軟件中建模，并調(diào)用CPLEX求解器進(jìn)行求解。

求解步驟為：

1）根據(jù)園區(qū)供能結(jié)構(gòu)以及設(shè)備的轉(zhuǎn)換形式建立多能流系統(tǒng)耦合模型；

2）考慮設(shè)備的運(yùn)行特性，建立關(guān)聯(lián)矩陣，設(shè)備效率設(shè)定為常數(shù)；

3）以購能成本和碳排放成本最小為目標(biāo)，求解在調(diào)度期間各個機(jī)組出力情況和相關(guān)成本，得到模型的最佳調(diào)度方案。

2 案例分析

2.1 情景描述

本研究工業(yè)園區(qū)含住宅區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)等?？傄?guī)劃面積10.80 km2，其中工業(yè)區(qū)面積是1.87 km2，商業(yè)區(qū)面積和住宅區(qū)面積共2.88 km2。

為了對比分析本文提出多能流系統(tǒng)優(yōu)化方法的通用性，設(shè)置3種情景進(jìn)行分析，具體情況如下：

情景1 采用傳統(tǒng)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（包含燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t和電制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)），以及外部供電網(wǎng)和天然氣管網(wǎng)。

情景2 在情景1的基礎(chǔ)上，引入可再生能源系統(tǒng)，包括光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電。

情景3 在情景2的基礎(chǔ)上，引入儲能系統(tǒng)，包括蓄電池和儲熱罐。

假設(shè)系統(tǒng)處于并網(wǎng)狀態(tài)，在園區(qū)內(nèi)部發(fā)電和可再生能源供應(yīng)不足時向外部電網(wǎng)購電；同時系統(tǒng)內(nèi)部無天然氣源，所需的天然氣由城市天然氣網(wǎng)供應(yīng)；系統(tǒng)中的熱負(fù)荷由燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t供給。園區(qū)電價和天然氣價格根據(jù)當(dāng)?shù)囟▋r見表1，園區(qū)內(nèi)相關(guān)設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表2，園區(qū)內(nèi)電熱冷負(fù)荷日前消耗功率如圖3所示，風(fēng)電、光伏日前預(yù)測功率如圖4所示。假設(shè)在仿真時間步長內(nèi)的負(fù)荷功率、各設(shè)備輸出功率保持不變；光伏、風(fēng)電以及電、熱、冷的日前預(yù)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確[20]。

表1 工業(yè)生態(tài)園區(qū)電價和天然氣價格 單位：元/(kW·h) Tab.1 Electricity and gas prices in industrial eco-parks

表2 相關(guān)設(shè)備的技術(shù)參數(shù) Tab.2 Technical parameters of the relevant equipment

2.2 優(yōu)化結(jié)果

本文提出的多能流優(yōu)化調(diào)度模型各個節(jié)點(diǎn)處均符合能量平衡方程，根據(jù)“節(jié)點(diǎn)-管線”定義結(jié)構(gòu)，包含電力節(jié)點(diǎn)、熱節(jié)點(diǎn)、冷節(jié)點(diǎn)等，用該方法對不同能源節(jié)點(diǎn)合理劃分，簡化了處理后系統(tǒng)特性分析的復(fù)雜度。以某標(biāo)準(zhǔn)月的日均值作為參考數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖5為不同情境下多能流系統(tǒng)電功率優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，不同情景下多能流系統(tǒng)日運(yùn)行成本見表3。

表3 不同情景下多能流系統(tǒng)日運(yùn)行成本 單位：元 Tab.3 The daily operating costs of multi-energy flow systems in different scenarios

由圖5可見：以電功率為例，在使用傳統(tǒng)的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)時（情景1），主要采用外部電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)供能，由于外部電網(wǎng)供電過多導(dǎo)致二氧化碳排放量增加，相應(yīng)的系統(tǒng)中碳排放成本增加；在引入可再生能源組件（情景2），優(yōu)化后單日分時能流中電力部分下降明顯，同時其峰值也有所平緩。情景3的結(jié)果表明，引入儲能設(shè)備節(jié)點(diǎn)的多能流系統(tǒng)優(yōu)化體現(xiàn)在對電能峰谷的遷移性以及降低可再生能源組件的棄風(fēng)率和棄光率上，將閑時用電儲備并輸送至峰值用電時段，從能效的角度上分析儲能系統(tǒng)增加了可再生能源的利用效率。

在3種情景下隨著可再生能源組件和儲能系統(tǒng)的引入，購電成本及碳排放成本逐漸降低。相比于情景1，情景3的碳排放成本降低7.33%，購電成本降低21.08%，總成本降低4.33%。但是情景3的購氣成本相對于情景1和情景2增加，主要是由于從電網(wǎng)購電的比例降低，同時需要滿足用戶端的用能以及儲能設(shè)備的儲能，因此需要用氣設(shè)備過多的出力，導(dǎo)致購氣成本增加。

從上文的優(yōu)化調(diào)度和成本分析發(fā)現(xiàn)，在多能流系統(tǒng)中引入儲能節(jié)點(diǎn)雖然降低了購電成本和碳排放成本，但是在一定程度上，閑時電網(wǎng)的電能利用過多，導(dǎo)致了電能的不穩(wěn)定性，因此在基礎(chǔ)目標(biāo)規(guī)劃的基礎(chǔ)上對優(yōu)化后的系統(tǒng)特性分析尤為重要。

3 多能流系統(tǒng)綜合特性分析

3.1 可再生能源消納率分析

在多能流系統(tǒng)耦合過程中，可再生能源的利用率是影響系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的重要因素，通過多能耦合節(jié)點(diǎn)的靈活調(diào)度和儲能設(shè)備節(jié)點(diǎn)的引入，促進(jìn)了可再生能源入網(wǎng)。對可再生能源而言，評價其在多能流系統(tǒng)中的特性不僅取決于源端可再生能源組件的供應(yīng)能力，而且與不同情景下荷端的應(yīng)用有關(guān)。本文定義可再生能源普遍消納系數(shù)ζREC為可再生能源的一次入網(wǎng)率，定義可再生能源滯留消納系數(shù)ζRSC為可再生能源入網(wǎng)及網(wǎng)內(nèi)儲能率，則有：

對于標(biāo)定系數(shù)θREC和θRSC，給出參考公式和參考值，取決于系統(tǒng)用能總量和可再生能源組件總量的核算在本文θREC=0.009 32，θRSC=0.030 8。

式中：γpv為光伏發(fā)電折損率；γwt為風(fēng)力發(fā)電的折損率；Ppvc為光伏發(fā)電的裝機(jī)容量；Pwtc為風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量；Eps為儲能設(shè)備的容量；ns為儲能設(shè)備的個數(shù)；Rk為第k條能源管線用能總量。將相關(guān)參數(shù)代入式(14)、式(15)中，即可計(jì)算θREC和θRSC。

定義可再生能源綜合棄置率ζRER為可再生能源在額定產(chǎn)能功率內(nèi)無法被利用部分的系數(shù)，由于儲能系統(tǒng)在一定程度上消納可再生能源和閑時電網(wǎng)功率，則有：

定義可再生能源滲透率ζREP為單位時間內(nèi)可再生能源額定輸出功率占調(diào)峰的比重，代表系統(tǒng)最高可再生能源占比：

不同情景下多能流系統(tǒng)可再生能源特性參數(shù)見表4。通過多能流系統(tǒng)耦合儲能節(jié)點(diǎn)和優(yōu)化可再生能源系統(tǒng)調(diào)度響應(yīng)速度，優(yōu)化后的情景2和情景3的可再生能源消納能力得到增強(qiáng)。同時可再生能源利用率提高意味著時段內(nèi)能源棄置率降低，被棄置的大量光伏和風(fēng)力發(fā)電重新流入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和儲能節(jié)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的能效，強(qiáng)化了多能流系統(tǒng)消峰填谷的能力。

表4 不同情景下多能流系統(tǒng)可再生能源特性參數(shù) 單位：% Tab.4 The renewable energy characteristics parameters for multi-stream systems in different scenarios

3.2 多能流系統(tǒng)復(fù)雜擾動

對于多能流系統(tǒng)而言，源端的擾動主要為可再生能源的不穩(wěn)定性和關(guān)聯(lián)可再生能源管線的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)輸入端和輸出端的不一致性，故給出新的評價系統(tǒng)能流擾動的特性參數(shù)，即擾動性δMFD和一致性θMFC。多能耦合的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的擾動性評價方法是在t時刻的時間尺度Δt內(nèi)，瞬時負(fù)載與平穩(wěn)負(fù)載的平均擾動信號，當(dāng)系統(tǒng)的能流擾動趨近于0時，內(nèi)部擾動趨于平穩(wěn)，即源端和荷端擾動性δMFD,P,t、δMFD,R,t分別為：

圖6為系統(tǒng)負(fù)載與光伏發(fā)電陣列的能流擾動性變化，圖7為系統(tǒng)負(fù)載與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能流擾動行變化。相較于風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電的擾動性更為集中，風(fēng)力發(fā)電的擾動性分布更為平均，這也是不同可再生能源系統(tǒng)的發(fā)電特性所決定的?？梢?，在隨著系統(tǒng)接入端有效產(chǎn)能單元的增減，造成的擾動性影響也會隨之增加，系統(tǒng)用能的不穩(wěn)定狀況更為頻繁。因此通過建模優(yōu)化對源端有效輸入合理控制是降低能流沖擊造成擾動性的最優(yōu)途徑。

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)輸入端和輸出端能源的能流一致性θMFC,t表示為：

對于系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)輸入端和輸出端能流擾動同調(diào)情況，給出發(fā)展系數(shù)θMFC,P,t、θMFC,R,t表達(dá)式：

對該實(shí)例的可再生能源入網(wǎng)組件和荷端負(fù)載進(jìn)行能流一致性分析，圖8為系統(tǒng)“負(fù)載-光伏”和“負(fù)載-風(fēng)力”的能流一致性變化。在多能流系統(tǒng)中的一致性為用能節(jié)點(diǎn)的源荷雙端的信號曲線特性相似程度。由圖8可見，光伏發(fā)電的能流一致性最優(yōu)出現(xiàn)在夜間，此時光伏系統(tǒng)的擾動性也最低，這是由光伏發(fā)電的發(fā)電時段特性決定的。而風(fēng)力發(fā)電在系統(tǒng)的一致性和擾動性或高或低，但其特性變化較為平均，相較于光伏系統(tǒng)，其在系統(tǒng)負(fù)載集中時段的一致性和擾動性評價最優(yōu)。

3.3 多能流系統(tǒng)余能循環(huán)率

本節(jié)提出新的面向多能流系統(tǒng)余能評價的一 系列參數(shù)，主要解決和分析系統(tǒng)輸出端余能回收率，系統(tǒng)余能節(jié)點(diǎn)的余能利用率和重新進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部的余能系統(tǒng)循環(huán)率等方面問題。因此，針對工業(yè)生態(tài)園區(qū)內(nèi)的多能流系統(tǒng)的余能單次利用程度和循環(huán)利用率提出余能的一次回收率ηCER、余能利用率ηCEU和余能系統(tǒng)循環(huán)率ηCEC等特性參數(shù)，其中ηCER指在工業(yè)區(qū)的生產(chǎn)過程中直接生成的余能與系統(tǒng)負(fù)載的比值，代表了在一個時間段內(nèi)的單向生產(chǎn)活動中回收余能的占比大小，同時定義余能的利用率ηCEU為附加修正系數(shù)ηCER的值。

式中：αy為設(shè)備余能回收系數(shù)；Py為余能系統(tǒng)產(chǎn)生的功率；Ry為系統(tǒng)輸出功率。

圖9為多能流系統(tǒng)的ηCER與ηCEU分布的散點(diǎn)圖。由圖9可見，本算例情景3的余能回收能力主要分布在25%~60%，余熱利用率分布在19%~48%。由于本算例中余能回收主要以燃?xì)廨啓C(jī)的余熱為主，采用余熱鍋爐回收，同時系統(tǒng)耦合了吸收式制冷機(jī)、儲熱罐等設(shè)備，導(dǎo)致余熱回收復(fù)雜性提高，因此系統(tǒng)在不同時段內(nèi)的余熱回收分布不同,導(dǎo)致余能的一次回收率ηCER與余能利用率ηCEU出現(xiàn)分散的現(xiàn)象。

在余能循環(huán)利用的系統(tǒng)中，定義余能系統(tǒng)循環(huán)率ηCEC，表示在一個用能時段中輸出總量來自上一時段回收余能的部分，即在完整周期能量循環(huán)的部分余能，表達(dá)式為：

圖10為余能系統(tǒng)循環(huán)率ηCEC分布散點(diǎn)圖。由圖9、圖10可見：00:00—05:00時余能的一次回收率小于10%，可循環(huán)利用的余能保持在10%以下；在10:00—15:00時余能的一次回收率增加，接近50%的占比，此時余能循環(huán)率達(dá)到50%以上，說明在一次回收率穩(wěn)定的前提下，余能循環(huán)率ηCEC表現(xiàn)出密集集中的特征；該算例由于用能設(shè)備的復(fù)雜性以及負(fù)荷端用能的波動性導(dǎo)致ηCEC分布跨度較大，ηCEC分布在19%~64%。

建立多能流系統(tǒng)可再生能源消納率、系統(tǒng)的擾動性與一致性與余能循環(huán)率的綜合評價模型，與傳統(tǒng)的評價指標(biāo)（如經(jīng)濟(jì)性評價、可靠性評價）相比，該評價方式更注重工業(yè)生態(tài)園區(qū)多能流系統(tǒng)的運(yùn)行特性，如園區(qū)可再生能源消納情況以及多能流系統(tǒng)在遭遇用能突變、能流波動等擾動時情況；同時考慮了多能流系統(tǒng)中余能利用情況。本文提出的評價指標(biāo)統(tǒng)一了不同主體之間的整體性能，闡明了系統(tǒng)中不同能源管線和設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)行特點(diǎn)，為建立節(jié)能減排、安全穩(wěn)定的多能流系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

1）通過對工業(yè)生態(tài)園區(qū)多能流系統(tǒng)實(shí)例分析，優(yōu)化后的算例在總運(yùn)行成本上最高可降低4.33%，二氧化碳排放成本最多可減少7.33%。驗(yàn)證了工業(yè)生態(tài)園多能流模型的有效性，實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)生態(tài)園區(qū)多能流系統(tǒng)的整體優(yōu)化。

2）提出了一系列對工業(yè)生態(tài)園區(qū)多能流網(wǎng)絡(luò)的全新的統(tǒng)一評估方法，從園區(qū)主體多能流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)分別定義可再生能源系統(tǒng)、余能系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的擾動性等。該評估方法對驗(yàn)證園區(qū)多能流系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果分析后表明，該模型是對多能流系統(tǒng)整體運(yùn)行狀況、節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等多方面優(yōu)化的一種行之有效的手段。

3）與傳統(tǒng)整體評價指標(biāo)相比，本文評估方法注重系統(tǒng)的運(yùn)行特性，統(tǒng)一了不同主體間的整體性能，可用于不同的多能流系統(tǒng)中，為建立節(jié)能減排、安全穩(wěn)定的多能流系統(tǒng)提供了重要的依據(jù)。