周鵬程，吳南南，曾 鳴

（華北電力大學 經(jīng)濟與管理學院，北京 102206）

0 引言

隨著化石能源約束趨緊和自然環(huán)境問題惡化，推進國家能源轉(zhuǎn)型、構(gòu)建新型能源系統(tǒng)勢在必行。為此，習近平總書記提出能源革命和供給側(cè)改革發(fā)展理念，要求建設(shè)清潔、低碳、安全、高效的現(xiàn)代能源體系[1]。在能源革命和供給側(cè)改革的大背景下，國家能源局發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，我國的能源轉(zhuǎn)型發(fā)展要突出能源的清潔性、高效性、安全性和可持續(xù)性，著力推動現(xiàn)代能源體系建設(shè)。同時，隨著新電改的不斷深入，電網(wǎng)企業(yè)也將逐步向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型。在此背景下，綜合能源系統(tǒng)應(yīng)運而生，其理念突破了傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的技術(shù)、市場和管理壁壘，是電、氣、熱、冷等各類能源統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一調(diào)度的綜合性能源系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)多能源的互補互濟和協(xié)調(diào)優(yōu)化，對于推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，推進我國能源革命具有重要意義。

綜合能源系統(tǒng)是指一定區(qū)域內(nèi)的能源系統(tǒng)利用先進的物理信息技術(shù)和創(chuàng)新管理模式，整合區(qū)域內(nèi)天然氣、電能、熱能等多種能源資源，實現(xiàn)多異質(zhì)能源子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)規(guī)劃、優(yōu)化運行、協(xié)同管理、交互響應(yīng)和互補互濟，在滿足系統(tǒng)內(nèi)多元化用能需求的同時，有效提升能源利用效率、促進能源可持續(xù)發(fā)展的新型一體化區(qū)域型能源系統(tǒng)[2-3]。

然而，要實現(xiàn)傳統(tǒng)能源系統(tǒng)向綜合能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型仍面臨系列技術(shù)難題：

1）綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃需要考慮多異質(zhì)能源協(xié)同，涉及多能源管網(wǎng)選址定容，同時兼顧經(jīng)濟性、可靠性等多重目標，較之傳統(tǒng)能源系統(tǒng)規(guī)劃方法更加復(fù)雜。

2）綜合能源系統(tǒng)運行調(diào)度需要滿足用戶的綜合性能源需求，涉及多異質(zhì)能量流、多能源主體的利益博弈，同時兼顧各種系統(tǒng)運行約束，較之傳統(tǒng)能源調(diào)度優(yōu)化更加困難。

3）尚未建立適用于綜合能源綜合效益評估的理論體系，對綜合能源系統(tǒng)能夠帶來的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益還停留在概念設(shè)想階段。

4）尚未開發(fā)出適用于綜合能源運行可靠性、經(jīng)濟性評估的平臺系統(tǒng)，綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃、運行決策缺少科學有效的仿真工具支撐。

因此，開展綜合能源系統(tǒng)建模仿真、規(guī)劃運行、效益評價等方面的研究，具有較高的研究價值和實際意義[4]。

1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

當前，國內(nèi)外已有研究中提出了能源互聯(lián)網(wǎng)[5]、能源集線器[6]、泛能網(wǎng)[7]等均是綜合能源系統(tǒng)的表現(xiàn)形態(tài)。綜合能源系統(tǒng)包含區(qū)域電力子系統(tǒng)、區(qū)域天然氣子系統(tǒng)、區(qū)域熱力子系統(tǒng)（供熱、制冷）等多個子系統(tǒng)模塊。綜合能源系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

2 綜合能源系統(tǒng)建模仿真

綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃需要考慮多異質(zhì)能源協(xié)同，同時兼顧經(jīng)濟性、可靠性等多重目標。因此，對綜合能源系統(tǒng)進行建模分析必須考慮各子系統(tǒng)的物理特性和子系統(tǒng)之間的耦合機制。當前已有的綜合能源系統(tǒng)建模研究主要圍繞獨立系統(tǒng)建模和耦合系統(tǒng)建模2個方面。綜合能源系統(tǒng)中的典型設(shè)備單元及其主要物理參數(shù)如表1所示。

2.1 綜合能源系統(tǒng)的獨立系統(tǒng)建模

圖1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

綜合能源系統(tǒng)框架下的區(qū)域電力子系統(tǒng)表現(xiàn)形式主要以分布式微電網(wǎng)、含儲能微電網(wǎng)為主。文獻[8]對交直流混合分布式微電網(wǎng)中的光伏分布式發(fā)電設(shè)備、交直流混合微電網(wǎng)的電氣設(shè)備部分進行了設(shè)備單元的建模和仿真分析，搭建的交直流混合分布式微電網(wǎng)模型能夠很好地實現(xiàn)各單元之間的協(xié)調(diào)利用。文獻[9]對含儲能的孤島型微電網(wǎng)進行了建模分析，指出儲能系統(tǒng)的配置能夠很好地提升微電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

表1 綜合能源系統(tǒng)的設(shè)備單元及其物理參數(shù)

區(qū)域天然氣子系統(tǒng)建模主要是圍繞燃氣輪機的天然氣供應(yīng)系統(tǒng)建模。文獻[10]對燃氣輪機的天然氣供應(yīng)系統(tǒng)在瞬態(tài)操作情景下的運行特性進行了建模分析。文獻[11]基于模塊化建模的概念建立了大型燃氣輪機的天然氣供應(yīng)系統(tǒng)仿真模型，設(shè)計了流量輸出型和壓力輸出型兩類的天然氣供應(yīng)系統(tǒng)模塊模型。

區(qū)域熱力子系統(tǒng)建模主要是圍繞用戶側(cè)的供熱系統(tǒng)的水力建模和熱力建模。文獻[12]為實現(xiàn)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中熱網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃，針對各區(qū)域CCHP系統(tǒng)之間的環(huán)狀熱網(wǎng)，建立了考慮節(jié)點流量平衡、熱能流量約束和熱損平衡約束的熱網(wǎng)模型。

2.2 綜合能源系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)建模

國內(nèi)外已有研究中的綜合能源系統(tǒng)多能量流耦合實現(xiàn)形式主要是以能源集線器、能源互聯(lián)網(wǎng)為主。文獻[13]提出了全新的子能源集線器建模結(jié)構(gòu)，包括集電器，集熱器和集冷器；該結(jié)構(gòu)考慮了儲電、蓄冷、儲熱3種儲能裝置，可以實現(xiàn)能量的匯集、分配及存儲。文獻[14]提出了一種能源互聯(lián)網(wǎng)宏觀結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)拓撲模型。該模型考慮了能源互聯(lián)網(wǎng)的組成特點和功能內(nèi)涵，涵蓋了主干網(wǎng)絡(luò)為支架，分布式新能源自組織網(wǎng)絡(luò)為主體的能源互聯(lián)網(wǎng)各組成部分。

綜合而言，以能源集線器的形式進行多能量流耦合建模能夠?qū)㈦姟獰狁詈?、氣—熱耦合、電—氣耦合、電—熱—氣耦合等多種能源耦合形式綜合考慮在內(nèi)，能源互聯(lián)網(wǎng)則重點偏向于電力和信息領(lǐng)域的交互建模。

3 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃調(diào)度

3.1 綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃運行

綜合能源系統(tǒng)存在電、熱、冷、氣等多種能源形式，涉及多方利益主體，且用戶對各類能源存在差異化的用能需求，如何統(tǒng)籌協(xié)調(diào)多種能源互補特性，通過“源—網(wǎng)—荷—儲”等各環(huán)節(jié)靈活配置，實現(xiàn)各類能源的協(xié)調(diào)互補利用，提升可再生能源消納水平和系統(tǒng)的綜合能效，是綜合能源規(guī)劃所面臨的關(guān)鍵問題。

在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃運行建模研究方面，國內(nèi)外相關(guān)研究中的優(yōu)化模型通常以系統(tǒng)整體的經(jīng)濟型最優(yōu)即成本最低為目標函數(shù)[15]。為了實現(xiàn)對綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃優(yōu)化，僅以經(jīng)濟性最優(yōu)為目標是不能夠滿足要求的，還需要考慮系統(tǒng)可再生能源利用率及系統(tǒng)能效提升等多重目標，是一個包含多種變量、多重約束的多目標規(guī)劃優(yōu)化問題。

在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化問題求解算法研究方面，Benders解耦算法、粒子群優(yōu)化算法、分支定界算法等在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化問題求解中展現(xiàn)了一定的適用性和科學性[16-17]。求解工具多以代數(shù)建模系統(tǒng)（GAMS）平臺的CPLEX求解器和MATLAB的Yalmip工具箱為主，求解時間和精度上基本能夠滿足規(guī)劃要求[18-19]。

3.2 綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)度

綜合能源系統(tǒng)中電、氣、熱等各能源子系統(tǒng)在實際規(guī)劃運行、協(xié)調(diào)調(diào)度中的時間尺度、調(diào)度原則相差懸殊，在同一個時度、統(tǒng)一的調(diào)度原則下進行仿真分析和協(xié)調(diào)控制的難度較大；同時，用戶側(cè)的各類用能負荷及可再生能源出力的隨機性對于綜合能源系統(tǒng)調(diào)度運行優(yōu)化也是一個不小的挑戰(zhàn)，是實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)各子模塊統(tǒng)一、協(xié)同調(diào)度必須考慮的關(guān)鍵問題。

當前，國內(nèi)外對綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)度優(yōu)化也進行了一定的探索。文獻[20]以區(qū)域綜合能源系統(tǒng)凈收益最大化為目標，計及能源價格可控性，建立了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度的混合整數(shù)二次規(guī)劃模型，并通過GAMS調(diào)用CPLEX進行求解。文獻[21]將CVaR理論引入綜合能源系統(tǒng)的運行調(diào)度問題，提出一種計及風、光出力和電、熱負荷不確定性的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模型。文獻[6]針對時變電價且運行方法靈活的中小型區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，以綜合用能成本較低和用能能效較高為目標建立了雙層運行優(yōu)化模型，并采用Lagrange乘子法將下層目標KKT條件作為上層優(yōu)化的可行性度量進行求解。

4 綜合能源系統(tǒng)效益評價

目前國內(nèi)外關(guān)于綜合能源系統(tǒng)的研究多集中于規(guī)劃設(shè)計、運行控制和平臺開發(fā)等方面，涉及效益評價的內(nèi)容相對較少，這與當前并無成熟的綜合能源系統(tǒng)案例可供研究有關(guān)，即使設(shè)計了較為完善的綜合效益評估指標，也面臨評估指標數(shù)據(jù)難以獲得的問題。

在已有的研究中，文獻[22-23]對CCHP系統(tǒng)、燃氣輪機系統(tǒng)等進行效益評價，具體指標如表2所示。

表2 考慮各項效益的綜合能源系統(tǒng)評價指標

隨著我國各項能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程和多能互補示范項目的落地，開展綜合能源系統(tǒng)的效益評估具備了一定的實施條件，有必要盡快建立起科學、合理的綜合能源系統(tǒng)綜合效益評估指標體系并提出適用的評估方法，以保障綜合能源系統(tǒng)投資效益目標的順利實現(xiàn)。

5 研究展望

5.1 基于動態(tài)模型的綜合能源系統(tǒng)建模仿真

目前，國內(nèi)外針對綜合能源系統(tǒng)的物理模型通常采用是靜態(tài)建模，對各類設(shè)備及能源耦合集成后系統(tǒng)的動態(tài)機理和優(yōu)化特性有待深入研究。建模仿真設(shè)備少且難以代表未來綜合能源系統(tǒng)的典型形態(tài)和運行特性。因此，有必要構(gòu)建含熱泵、電制氫、冰蓄冷等新型設(shè)備的綜合能源系統(tǒng)物理設(shè)備靜、動態(tài)模型集合，開發(fā)適用的能源耦合綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃運行仿真工具，以此推動綜合能源系統(tǒng)的理論研究及示范工程落地。

5.2 多目標規(guī)劃下的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化

為了實現(xiàn)對綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃優(yōu)化，僅以經(jīng)濟性最優(yōu)為目標是不能夠滿足要求的，還需要考慮系統(tǒng)可再生能源利用率及系統(tǒng)能效提升等多重目標，是一個包含多種變量、多重約束的多目標規(guī)劃優(yōu)化問題。目前，國內(nèi)外在綜合能源系統(tǒng)的多目標規(guī)劃優(yōu)化研究領(lǐng)域的模型成果相對較少，且適用于綜合能源系統(tǒng)多目標規(guī)劃優(yōu)化問題求解的算法也有待進一步發(fā)掘，需要結(jié)合綜合能源系統(tǒng)中各子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及耦合條件，深入挖掘綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化模型并探索適用的求解算法。

5.3 多主體博弈下的綜合能源系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化

在能源系統(tǒng)的調(diào)度運行中，必須考慮參與運行的主體間的利益博弈。綜合能源系統(tǒng)更應(yīng)如此，其調(diào)度優(yōu)化涉及綜合能源系統(tǒng)運營商、用戶和政府之間的博弈、可再生能源機組與燃氣機組的博弈、電力生產(chǎn)主體、天然氣供應(yīng)主體和熱力供應(yīng)主體之間的博弈，可能的博弈場景包括不同主體間的完全競爭博弈、不完全競爭博弈和正和博弈等。國內(nèi)外對考慮多主體博弈的綜合能源系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度方法研究相對較少，只是在單個能源系統(tǒng)內(nèi)部的調(diào)度中考慮了主體博弈的影響，考慮多主體博弈的綜合能源調(diào)度優(yōu)化沒有成熟的模型可供借鑒。因此，未來有必要開展主體博弈下的綜合能源系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化方法研究。

5.4 投資收益評估機制的綜合能源系統(tǒng)效益評價

綜合能源系統(tǒng)的投資建設(shè)將帶動能源產(chǎn)業(yè)的變革與發(fā)展，相關(guān)項目從投資、設(shè)計到建設(shè)、運營的全過程都將對能源的生產(chǎn)、利用和消費等帶來顯著效益。因此，有必要設(shè)計科學合理的評估標準和方法，建立綜合能源系統(tǒng)的投資收益評估機制。同時，也應(yīng)盡快制定、印發(fā)面向綜合能源系統(tǒng)的財政補貼政策、稅收減免政策、投融資政策，為開展綜合能源系統(tǒng)的投資收益評估提供政策環(huán)境與市場環(huán)境。

6 結(jié)語

隨著新技術(shù)、新設(shè)備的不斷發(fā)展和應(yīng)用，綜合能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架也在不斷衍變，能夠帶來的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益也將日益明顯。在我國能源互聯(lián)網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)理論研究不斷深入和試點項目有序落地的背景下，開展綜合能源系統(tǒng)建模仿真、規(guī)劃優(yōu)化、調(diào)度優(yōu)化、效益評價以及平臺開發(fā)具備了良好的實施條件，也是未來需要進一步深入研究的重點方向。

基于國內(nèi)外已有研究的基礎(chǔ)上，對綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架、建模仿真、規(guī)劃運行、協(xié)同調(diào)度、效益評價進行梳理歸納與總結(jié)分析，為綜合能源系統(tǒng)項目的投資規(guī)劃、建設(shè)運營提供了參考與借鑒，為有效開展綜合能源系統(tǒng)的效益評估機制和平臺開發(fā)設(shè)計提供了保障與支撐。