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(南瑞集團(tuán)國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司，南京 211100)

0 引 言

綜合能源以其多能源耦合、集成化的方式，實(shí)現(xiàn)多種類型的能源供應(yīng)，體現(xiàn)出能源供應(yīng)可靠性高的優(yōu)勢，可以采用分布式控制手段實(shí)現(xiàn)多能系統(tǒng)的耦合、協(xié)同優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電能、熱能、天然氣等多能源的綜合集成化利用，打造綠色、高效、可靠的新一代綜合能源系統(tǒng)。

1 多能源協(xié)同互補(bǔ)下的綜合能源系統(tǒng)現(xiàn)狀概述

傳統(tǒng)以化石能源為主的能源消費(fèi)引發(fā)霧霾、溫室氣體等環(huán)境問題，單一化的電、氣、熱(冷)能源系統(tǒng)缺乏靈活性，無法實(shí)現(xiàn)各能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置，為此有必要構(gòu)建多能協(xié)同互補(bǔ)、能源梯形利用的現(xiàn)代可再生能源體系，以多能源綜合協(xié)同利用物理平臺為支撐和依托，突顯不同能源形態(tài)的協(xié)同、互補(bǔ)特性，合理調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)能源體系的轉(zhuǎn)型升級。在多能源綜合協(xié)同的條件下，能夠有機(jī)協(xié)調(diào)和優(yōu)化能源傳輸、分配、轉(zhuǎn)換、存儲及消費(fèi)等環(huán)節(jié)，利用各能源形式在時(shí)空上的耦合機(jī)制，實(shí)現(xiàn)能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)。同時(shí)，還可以充分采集、挖掘用戶參與綜合需求響應(yīng)的能力，獲取大容量的“虛擬能量單元”，滿足上級電網(wǎng)調(diào)峰需求。

對綜合能源系統(tǒng)的國內(nèi)外研究發(fā)展迅速，美國推進(jìn)和實(shí)施了綜合能源系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃，對國內(nèi)能源系統(tǒng)進(jìn)行根本性改造，以推動(dòng)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。加拿大則構(gòu)建國家性的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)(ICES)，開展社區(qū)計(jì)劃、清潔能源基金等研究課題，以應(yīng)對能源危機(jī)。歐洲最早提出綜合能源系統(tǒng)的理念，實(shí)施了DGTREN、Intelligent Energy(FP7)等項(xiàng)目，對多能源協(xié)同優(yōu)化互補(bǔ)和用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究。我國面對各能源難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度的問題，也逐漸加強(qiáng)對能源的集中調(diào)度管理，積極構(gòu)建智能能源系統(tǒng)，開展能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)項(xiàng)目的研究，并致力于需求響應(yīng)調(diào)控策略的研究，進(jìn)行需求響應(yīng)潛力、持續(xù)時(shí)間、響應(yīng)頻率的模型建構(gòu)，提升電網(wǎng)、發(fā)電側(cè)與需求側(cè)的交互響應(yīng)能力[1]。

2 綜合能源系統(tǒng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)建模分析

(1)分布式能源設(shè)備的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型構(gòu)建。基于綜合能源系統(tǒng)的多樣性、能量流動(dòng)復(fù)雜性的特點(diǎn)，可以構(gòu)建分布式能源設(shè)備的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，描述燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、吸收式制冷機(jī)、戶用空調(diào)、冰蓄冷裝置、電/熱儲能裝置等設(shè)備的能量流狀態(tài)，表達(dá)綜合能源系統(tǒng)各設(shè)備的電平衡約束、熱功率、冷功率約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的品位對口、梯級利用。

(2)基于多能互補(bǔ)的系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度模型構(gòu)建。當(dāng)前部分綜合能源系統(tǒng)中的冷、熱、電、氣相分離，造成能源資源的極大消耗和浪費(fèi)。為此，要加強(qiáng)對不同能源系統(tǒng)之間的多能協(xié)同互補(bǔ)研究，以更好地提升能源綜合利用率。可以立足于目標(biāo)函數(shù)、優(yōu)化變量和約束條件等基本要素，構(gòu)建多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，運(yùn)用智能算法、數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，分析不同能量系統(tǒng)之間的耦合互補(bǔ)關(guān)系，獲取解決問題的最優(yōu)解。

(3)基于能量梯級利用的系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度模型構(gòu)建。綜合能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)協(xié)同和互補(bǔ)，然而部分系統(tǒng)負(fù)荷需求量超出供給，加之負(fù)荷類型復(fù)雜多樣，為此要注重系統(tǒng)內(nèi)動(dòng)力、中溫、低溫余熱等不同品位能量的耦合、轉(zhuǎn)換和梯級利用，可以構(gòu)建能量梯級利用的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，分析模型優(yōu)化指標(biāo)，考慮模型約束條件，如：交直流轉(zhuǎn)換器效率約束、直流母線總負(fù)荷約束、負(fù)荷波動(dòng)約束、設(shè)備運(yùn)行約束等，從而實(shí)現(xiàn)熱能的綜合梯級利用，減少系統(tǒng)的不可逆損失，優(yōu)化系統(tǒng)的總體性能。

(4)上下級電網(wǎng)互動(dòng)系統(tǒng)綜合需求響應(yīng)模型構(gòu)建。在構(gòu)建智慧能源系統(tǒng)的背景下，要利用能源互聯(lián)網(wǎng)為支撐，依托用戶側(cè)的多能源智能管理系統(tǒng)，由傳統(tǒng)電力需求響應(yīng)向綜合需求響應(yīng)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)移或替代不同類型負(fù)荷需求，挖掘需求側(cè)調(diào)節(jié)負(fù)荷的潛力，實(shí)現(xiàn)能量流、信息流、價(jià)值流的交匯和融合。為此，可以構(gòu)建綜合需求響應(yīng)能力優(yōu)化模型，考慮非削峰時(shí)段用能關(guān)口功率約束、削峰時(shí)段削峰功率上限約束條件，計(jì)算出用戶綜合需求響應(yīng)能力和用能策略，在盡可能降低用能成本的前提下，最大化地滿足削峰需求[2]。

3 多能協(xié)同下的綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度策略分析

以某工業(yè)園區(qū)工廠的IES系統(tǒng)為例，要實(shí)現(xiàn)不同能源系統(tǒng)之間的多能協(xié)同互補(bǔ)，解決能源結(jié)構(gòu)不合理、利用率偏低、峰谷電力負(fù)荷差距明顯的問題，可以采用如下協(xié)調(diào)調(diào)度策略。

(1)多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度策略?？梢栽诠葧r(shí)段采用電池充電儲能，補(bǔ)充平時(shí)段的電量，并在峰時(shí)段放電，利用電池充放電的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能在不同時(shí)段的轉(zhuǎn)移。同時(shí)，IES系統(tǒng)采用外部購熱和余熱鍋爐來提供熱負(fù)荷。并以冷蓄冷空調(diào)作為主要供冷設(shè)備，利用冷蓄冷空調(diào)的蓄冰槽在夜間低谷時(shí)段蓄冷，在白天用電高峰時(shí)段供應(yīng)冷負(fù)荷，提升制冷設(shè)備運(yùn)行的平衡穩(wěn)定性，提升系統(tǒng)綜合用能效率。

(2)能量梯級利用的綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度策略?？梢詷?gòu)建能量梯級利用的綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)，區(qū)分高、中、低品位熱的不同品位和數(shù)量，向各能量循環(huán)子系統(tǒng)提供適宜品位的輸入能流，實(shí)現(xiàn)各能量間的協(xié)同、轉(zhuǎn)換和利用，并由閥門控制管道中的蒸汽流量，實(shí)現(xiàn)循環(huán)余熱。其具體供能架構(gòu)為：燃燒室內(nèi)的天然氣會生成超過1100℃的高品位熱，進(jìn)入到燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)發(fā)電。而排放出來的530℃中品位熱則可以由余熱鍋爐向外提供蒸汽，由分氣缸配送到各管路，滿足工業(yè)用汽、熱水制備的需求。而排放出來的120℃低品位熱則可以用于回收處理再利用，作為吸收式制冷機(jī)制冷/制熱及熱水制備的一種方式。

由此可見，綜合能源系統(tǒng)的不同品位熱能夠?qū)崿F(xiàn)對口梯級利用，具體表現(xiàn)為：(1)低品位熱以滿足熱水負(fù)荷為首要任務(wù)，其次才成為吸收式制冷機(jī)的熱源驅(qū)動(dòng)。在不同的峰谷時(shí)段表現(xiàn)出不同的協(xié)調(diào)利用方式：谷時(shí)段的剩余低品位熱較少，單一依賴吸收式制冷機(jī)無法滿足冷負(fù)荷需求，此時(shí)戶用空調(diào)則成為補(bǔ)充；峰時(shí)段的低品位熱充盈，則以吸收式制冷機(jī)和冰蓄冷空調(diào)負(fù)責(zé)供冷，而戶用空調(diào)則成為輔助調(diào)節(jié)的設(shè)備；平時(shí)段的制冷則主要依賴于吸收式制冷機(jī)和戶用空調(diào)設(shè)備，而冰蓄冷制冷機(jī)的制冷效果相對較低。(2)外購的中品位蒸汽滿足系統(tǒng)的熱負(fù)荷需求，且不作為吸收式制冷機(jī)的補(bǔ)充熱源。同時(shí)，在系統(tǒng)的中品位熱供應(yīng)設(shè)備中，燃?xì)忮仩t產(chǎn)熱因天然氣成本較高而被棄用。

對比多能互補(bǔ)和能量梯級利用的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度策略，可知：前者在平時(shí)段和谷時(shí)段，系統(tǒng)采用余熱鍋爐產(chǎn)熱和外購的中品位蒸汽滿足熱負(fù)荷需求，主要采用戶用空調(diào)和冰蓄冷空調(diào)制冷，而將吸收式制冷機(jī)設(shè)備排除在外。而后者則主要采用吸收式制冷機(jī)和戶用空調(diào)制冷，其運(yùn)行成本更低，制冷性能系數(shù)更高。通過對比發(fā)現(xiàn)，考慮熱品位區(qū)別的優(yōu)化調(diào)度策略，其日運(yùn)行費(fèi)用108193.4元；未考慮熱品位區(qū)別的優(yōu)化調(diào)度策略，日運(yùn)行費(fèi)用116598.5元；而全部采用調(diào)峰設(shè)備供能的未優(yōu)化方式，其日運(yùn)行費(fèi)用為123191.4元。由此可見，考慮能量梯級利用的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度策略能夠充分利用循環(huán)余熱，提升綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和高效性。

(3)上下級電網(wǎng)互動(dòng)系統(tǒng)綜合需求響應(yīng)策略。為了避免綜合能源系統(tǒng)中的功率越限風(fēng)險(xiǎn)，還要研究上下級電網(wǎng)互動(dòng)的系統(tǒng)綜合需求響應(yīng)策略，摒棄傳統(tǒng)電網(wǎng)直接調(diào)度的模式，通過IES與上級配電網(wǎng)的互動(dòng)，將IES控制系統(tǒng)日前自趨優(yōu)關(guān)口用能曲線與上級配電網(wǎng)進(jìn)行鏈接、上傳的調(diào)度操作，當(dāng)上級配電網(wǎng)沒有削峰需求時(shí)，則仍舊依照各節(jié)點(diǎn)區(qū)域的協(xié)調(diào)調(diào)度策略運(yùn)作；當(dāng)判定上級配電網(wǎng)存在削峰需求時(shí)，IES系統(tǒng)則依據(jù)上級配電網(wǎng)的削峰需求量、關(guān)口功率約束，以最大可調(diào)控容量的不同比例為基準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，向上級配電網(wǎng)上傳需求側(cè)的成本報(bào)價(jià)、電關(guān)口功率曲線、熱關(guān)口功率曲線；上級配電網(wǎng)在考慮整體補(bǔ)償費(fèi)用的前提下，合理確定響應(yīng)用戶、調(diào)峰量，完成互動(dòng)響應(yīng)過程。

同時(shí)，為了提升用戶參與IES與上級配電網(wǎng)互動(dòng)的綜合需求響應(yīng)，還可以為用戶提供一定的IDR補(bǔ)償，以各個(gè)IES上報(bào)的調(diào)峰量、報(bào)價(jià)情況為依據(jù)，合理確定用戶參與需求響應(yīng)的調(diào)峰量，在保證整體補(bǔ)償費(fèi)用最小的前提下實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償費(fèi)用最優(yōu)，使各個(gè)區(qū)域的IES子站響應(yīng)上級配電網(wǎng)的輔助服務(wù)需求。而當(dāng)上述措施仍舊難以實(shí)現(xiàn)上級配電網(wǎng)的削峰需求時(shí)，可以針對部分可中斷負(fù)荷采取中斷措施，由此更好地激勵(lì)用戶通過多能協(xié)同轉(zhuǎn)換的方法獲取更大容量的“虛擬能量單元”，成為綜合能源系統(tǒng)調(diào)節(jié)供需平衡的“軟托盤”[3]。

4 結(jié)束語

綜上所述，能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的趨勢下，要重視多能協(xié)同下的綜合能源系統(tǒng)構(gòu)建，分析分散化的能源市場和能源網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，研究不同能源系統(tǒng)間的多能協(xié)同和梯級利用，采用合理高效的系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化策略，使傳統(tǒng)的電力需求響應(yīng)向綜合需求響應(yīng)轉(zhuǎn)變。未來還要加強(qiáng)對外部環(huán)境中不確定因素的考慮，實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化能量管理，并有必要對較大規(guī)模的綜合能源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳糠诌M(jìn)行計(jì)算和分析；而在綜合需求響應(yīng)方面的研究還要突破隨機(jī)模型、模糊數(shù)、粗糙集等不確定分析方法的限制，將用戶行為不確定性納入到IES綜合需求響應(yīng)定量分析中。