郭 帥 任洪波 吳 瓊

上海電力大學(xué)能源與機械工程學(xué)院

0 引言

隨著社會經(jīng)濟高速發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)水平和居民消費水平日益增長，能源需求日益增長，并引發(fā)了大規(guī)模區(qū)域型和全球性環(huán)境問題。為破解日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境困局，美、日、歐等發(fā)達國家在本世紀(jì)初提出了綜合能源系統(tǒng)發(fā)展計劃，目的是促進分布式能源的推廣應(yīng)用并提高清潔能源滲透比[1]。

與常規(guī)能源系統(tǒng)相比，綜合能源系統(tǒng)確立了一個高度集成、靈活、高效的新型供能體系，它可確保以較高可靠性、較低成本滿足多元能源需求的同時，實現(xiàn)綜合能效提升并充分利用可再生能源。然而，正是這種橫向冷、熱、電、氣等多元能源互補耦合，縱向源、網(wǎng)、荷、儲等多類環(huán)節(jié)有機協(xié)調(diào)的立體架構(gòu)使綜合能源系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計初期便體現(xiàn)出其固有的復(fù)雜性[2-3]。為此，自綜合能源概念提出以來，系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并紛紛提出各自的理論和方法。此外，為有效衡量綜合能源系統(tǒng)的實施效果，有必要確立有效的評價體系和方法，同時，常規(guī)單一供能系統(tǒng)評價方法已不再適用，有待進一步提升和創(chuàng)新，這也是當(dāng)前本領(lǐng)域的研究重點。

本研究以綜合能源系統(tǒng)在區(qū)域?qū)用娴膽?yīng)用為基本立足點，在深入剖析其基本理念及架構(gòu)基礎(chǔ)上，針對系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計和評價的邏輯框架，梳理了國內(nèi)外既有研究成果，并提出未來的研究展望。

1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)理念及架構(gòu)

1.1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)理念

關(guān)于綜合能源系統(tǒng)，目前學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界并無清晰、明確的定義，不同機構(gòu)、不同學(xué)者從不同角度給出了若干敘述。類似概念也層出不窮，如混合能源系統(tǒng)[4]、能源系統(tǒng)集成[5]、泛能網(wǎng)、分布式能源互聯(lián)網(wǎng)、能源總線系統(tǒng)、微能源網(wǎng)等。

所謂綜合能源系統(tǒng)，其核心是綜合，具體體現(xiàn)在源、網(wǎng)、荷、儲等系統(tǒng)全流程環(huán)節(jié)。源側(cè)，包括傳統(tǒng)能源（石油、天然氣等）、可再生能源（太陽能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮艿龋┮约吧形蠢玫哪茉矗ㄈ鐪\層地?zé)?、地鐵排氣、城市污水等低品位溫差能）等多元異質(zhì)能源資源的綜合運用；網(wǎng)側(cè)，主要體現(xiàn)在電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱網(wǎng)等多元網(wǎng)絡(luò)的互動耦合；荷側(cè)則是對冷、熱、電、氣等多元需求的實時響應(yīng)；儲側(cè)則起到承上啟下的作用，通過蓄電、蓄熱、蓄冷等多元儲能裝置，實現(xiàn)多元能源的實時動態(tài)平衡。

1.2 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的構(gòu)架

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模及邊界的差異，綜合能源系統(tǒng)可分為跨區(qū)級、區(qū)域級、用戶級等多個層次?？鐓^(qū)級是以大型輸電、氣、煤、油等系統(tǒng)作為骨干網(wǎng)架確立的廣域能源互聯(lián)系統(tǒng)，作為破解廣域范圍內(nèi)能源供需失衡的有效手段，其實現(xiàn)還面臨諸多體制、機制和政策瓶頸。用戶級則是在單體用戶內(nèi)形成的產(chǎn)銷一體化供能體系，其受制于單體用戶的功能局限，互動、互補的靈活性有限。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)是綜合能源理念在區(qū)域（城市街區(qū)、工業(yè)園區(qū)等）層面的具體化，其既可發(fā)揮域內(nèi)多元產(chǎn)銷者的互補效應(yīng)，又能有效抑制系統(tǒng)廣域擴張所導(dǎo)致的系列問題，是綜合能源理念從夢想走進現(xiàn)實的最佳路徑。

如圖1所示，整合傳統(tǒng)化石能源供能以及新興可再生能源、未利用能源等多元能源，通過高效能源耦合裝置實現(xiàn)異種能源間的轉(zhuǎn)換，調(diào)整不同能源的時空分布，從而實現(xiàn)多能互補、能量梯級利用。同時，通過耦合儲能裝置，可破解由于可再生能源的不確定性所導(dǎo)致的供需兩側(cè)多元能源的實時平衡問題。

2 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計及評價

基于區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的內(nèi)在邏輯層次，首先需確立規(guī)劃設(shè)計目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，從供給側(cè)和需求側(cè)層面進行現(xiàn)狀調(diào)研與分析，進而形成連接源、荷兩側(cè)的系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)和設(shè)備配置，最后對方案進行全面評估。

圖1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)典型架構(gòu)

2.1 設(shè)計原則及規(guī)劃目標(biāo)的設(shè)定

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計要因需而定、因地而異，不僅要考慮業(yè)主的訴求，還要與區(qū)域整體經(jīng)濟社會發(fā)展戰(zhàn)略相協(xié)調(diào)，與區(qū)域能源結(jié)構(gòu)、市場條件、政策環(huán)境相適應(yīng)，總體上遵循因地制宜、梯級利用、供需平衡、可靠安全等基本原則[6]。

規(guī)劃目標(biāo)的設(shè)定將為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的實施指明方向，可立足于經(jīng)濟角度，也可是節(jié)能或減排等其他視角。文獻[7]從能源規(guī)劃目標(biāo)出發(fā)提出了能源規(guī)劃指標(biāo)體系，從能源總量、能源效率、能源結(jié)構(gòu)、環(huán)境保護等四個方面對規(guī)劃設(shè)計工作進行了細(xì)化和分解。文獻[8]以社區(qū)能源系統(tǒng)為研究對象，指出社區(qū)能源結(jié)構(gòu)參數(shù)、能源消費或碳排放率參數(shù)、人均能耗和相對值參數(shù)等指標(biāo)均可作為目標(biāo)設(shè)定的依據(jù)。文獻[9]提出綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計目標(biāo)設(shè)定的“金字塔”原則，同時又對能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計減排目標(biāo)進行細(xì)化，用統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)合情景分析的方法確定城區(qū)減排目標(biāo)。

2.2 區(qū)域氣候及資源環(huán)境分析

區(qū)域氣候條件對綜合能源系統(tǒng)的影響體現(xiàn)在供給側(cè)和需求側(cè)兩個方面。氣候資源已成為負(fù)荷預(yù)測分析中的一個重要影響因素。文獻[10]剔除每日極限溫度、風(fēng)力等對負(fù)荷預(yù)測產(chǎn)生影響的因素，得到只受溫度單一因素影響的負(fù)荷預(yù)測模型。文獻[11]對比城區(qū)負(fù)荷與溫升曲線圖，得出夏季最高氣溫與最高負(fù)荷的高度一致性結(jié)論。文獻[12]分析了熱島效應(yīng)在城市冬夏兩季的冷熱負(fù)荷需求預(yù)測中的影響。文獻[13]應(yīng)用TRNSYS模擬天津市五十年來的辦公建筑能耗，并對比同時期的氣象資料，結(jié)果表明極端供暖負(fù)荷主要與氣溫參數(shù)有關(guān)，而極端供冷負(fù)荷與氣溫與相對濕度有關(guān)。

區(qū)域可利用能源資源，特別是可再生能源富存量的確定也部分依賴于對氣象條件的深入分析。在某一地區(qū)往往存在多種可再生能源資源，但考慮到建設(shè)成本等原因，應(yīng)綜合考慮各類能源的來源、儲量與分布以確定系統(tǒng)對可再生能源利用類型的優(yōu)先級。文獻[14-15]充分考慮雄安新區(qū)內(nèi)豐富的地?zé)豳Y源，在新區(qū)建設(shè)中規(guī)劃建設(shè)以地?zé)豳Y源為核心，天然氣系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)為輔的綜合能源系統(tǒng)。在綜合能源系統(tǒng)設(shè)計中的“資源”并不單指可被利用的自然資源，同時也包含有利于系統(tǒng)節(jié)能減排的“虛擬資源”，如低溫未利用熱能、通過節(jié)能和能效提升所降低的負(fù)荷（也稱為負(fù)瓦特）等。在實際規(guī)劃設(shè)計過程中，可借助地理信息系統(tǒng)（GIS）等工具對區(qū)域能源資源環(huán)境進行可視化建模分析[16]。

2.3 需求側(cè)用能狀況分析

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的一個本質(zhì)特征就是按需供能，為此，需求側(cè)負(fù)荷預(yù)測與用能狀況分析是系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。不同類型用戶對異種能源負(fù)荷有不同的需求；同一用戶在不同時段、不同季節(jié)也會在負(fù)荷需求類型上有所差異。

目前，單體建筑用戶可從負(fù)荷產(chǎn)生的物理機理出發(fā)進行負(fù)荷預(yù)測。文獻[17]將建筑視作集總熱容系統(tǒng)，比擬RC電路原理建立負(fù)荷空間模型以此預(yù)測建筑冷熱負(fù)荷。同樣，基于能量平衡原理，動態(tài)負(fù)荷模擬軟件是負(fù)荷（特別是冷熱負(fù)荷）預(yù)測的主要手段。該方法綜合考慮各類外擾因素（如氣候條件、太陽輻射、地理信息等）和內(nèi)擾因素（如室內(nèi)人員數(shù)量、生活需求、生產(chǎn)需求等），實現(xiàn)全年逐時動態(tài)負(fù)荷模擬[18]。

區(qū)域整體負(fù)荷進行預(yù)測時，考慮區(qū)域?qū)用娑囝愋陀脩艨赡艽嬖诘牟淮_定性，可通過耦合應(yīng)用情景分析法與動態(tài)模擬法進行區(qū)域整體負(fù)荷預(yù)測[19]。情景分析法可通過定量和定性方法對各類可預(yù)測因素與不確定因素進行綜合分析，以有效降低負(fù)荷預(yù)測的不確定性，從而得到科學(xué)合理的負(fù)荷預(yù)測值。此外，除采取情景分析結(jié)合軟件模擬的方法外，若區(qū)域內(nèi)相似產(chǎn)業(yè)或建筑的用能負(fù)荷基本保持一致，基于經(jīng)驗的指標(biāo)法也是常見的負(fù)荷預(yù)測方法之一。

2.4 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)及選型配置

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)和設(shè)備選型配置是確立其潛在節(jié)能減排效果的物理基礎(chǔ)，因此，其科學(xué)性、合理性至關(guān)重要。然而，如前所述，由于區(qū)域綜合能源系統(tǒng)是多源-多網(wǎng)-多荷-多儲的耦合體，相互間通過交叉匹配可形成數(shù)量眾多的技術(shù)方案。若采用常規(guī)的案例枚舉、對比分析的方法，很難確定合理的配置方案。為此，近年來，數(shù)學(xué)規(guī)劃方法被廣泛應(yīng)用于綜合能源系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化選型配置研究中。文獻[20]通過構(gòu)建雙層優(yōu)化模型，實現(xiàn)了內(nèi)部機組高效運行與外部能源經(jīng)濟分配的協(xié)同優(yōu)化。文獻[21]綜合考慮經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保等多屬性指標(biāo)，提出了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法。文獻[22]基于P-中位模型建立了綜合能源系統(tǒng)選址與管網(wǎng)布局優(yōu)化框架，并提出了基于枚舉法的求解方法。文獻[23]耦合應(yīng)用混沌采樣、PSO算法、改進Kriging模型等方法確立了綜合能源系統(tǒng)的最佳配置與最優(yōu)運行策略。文獻[24]提出了一種確定電熱氣耦合綜合能源系統(tǒng)最佳設(shè)備選型及容量的規(guī)劃方法?？傮w而言，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)與選型配置問題依然是當(dāng)前本領(lǐng)域的研究熱點，主要是圍繞優(yōu)化方法的更新、優(yōu)化范疇的擴展、優(yōu)化模型的細(xì)化等方向發(fā)展。

2.5 系統(tǒng)綜合評價

對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進行準(zhǔn)確、客觀的評價是衡量系統(tǒng)合理性與優(yōu)越性的重要依據(jù)。綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，牽涉的影響因素繁雜，因此，在構(gòu)建綜合評價體系時各個評價指標(biāo)的權(quán)重不易確定，致使評價結(jié)果容易出現(xiàn)偏差。在構(gòu)建評價指標(biāo)體系時確立能夠涉及全部評價指標(biāo)的切入點和適宜的評價方法尤為重要。文獻[25]以綜合能源系統(tǒng)能流特點為切入點，建立了能源綜合利用效率評估指標(biāo)體系，采用基于優(yōu)勢度的多屬性層次分析法實現(xiàn)了能源綜合利用效率的量化評估。文獻[26]通過正態(tài)分布區(qū)間數(shù)的多屬性決策法解決評價指標(biāo)缺失問題，采用期望-方差準(zhǔn)則對備選方案排序優(yōu)選，以解決不確定性指標(biāo)評價的難題。文獻[27]通過AHP-改進熵權(quán)法解決各指標(biāo)權(quán)重賦值問題，并建立了VIKOR多準(zhǔn)則評價體系。

近年來，綜合能源系統(tǒng)導(dǎo)入的又一動因——可靠性評價越來越受到關(guān)注。相比傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的可靠性評價，綜合能源系統(tǒng)的可靠性評價因供需兩側(cè)的多元化配置和多能耦合協(xié)同調(diào)度，其可靠性評價更為復(fù)雜[28]。文獻[29]耦合應(yīng)用故障模式影響分析與蒙特卡羅模擬，為帶有不同配置及運行策略的多元儲能的綜合能源微網(wǎng)進行可靠性指標(biāo)量化分析。文獻[30]考慮需求側(cè)負(fù)荷的動態(tài)變化，建模并討論熱負(fù)荷的隨機變化對于系統(tǒng)可靠性評價的影響?？傮w而言，綜合能源系統(tǒng)由于其分散供能、多能耦合轉(zhuǎn)換及儲能等特性，提升了系統(tǒng)可靠性，但區(qū)域級系統(tǒng)通過優(yōu)化調(diào)度提高系統(tǒng)可靠性相關(guān)研究還相對薄弱。

3 研究展望

3.1 完善規(guī)劃設(shè)計方法

科學(xué)、合理的規(guī)劃設(shè)計應(yīng)充分考慮各種不確定性因素的影響，在滿足結(jié)構(gòu)合理、經(jīng)濟可行等要求的同時，更應(yīng)該注重人性化的發(fā)展，在決策中聽取多方意見，在技術(shù)合理的前提下充分體現(xiàn)以人為本。例如，電動汽車不僅可視為一種新型負(fù)荷，也可將其看作是一種新型的儲能方式，在進行綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計時應(yīng)充分考慮電動汽車與電網(wǎng)的雙向互動，合理安排充電樁的容量及布局，從而擴大綜合能源系統(tǒng)的服務(wù)范疇。

3.2 完善評價體系及方法

現(xiàn)有的評價體系往往將區(qū)域綜合能源系統(tǒng)所涉及的各利益相關(guān)者及綜合能源系統(tǒng)所產(chǎn)生的多元效益割裂分析，例如經(jīng)濟性評價往往針對終端用戶，而環(huán)境性評價則針對政府和社會。就其本質(zhì)，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)實施所產(chǎn)生的經(jīng)濟和社會效益應(yīng)由所有利益相關(guān)者共享。此外，除經(jīng)濟、節(jié)能、減排等直接效益，應(yīng)用區(qū)域綜合能源系統(tǒng)可能獲得土地增值、健康提升等附加效益還有待進一步挖掘。

4 結(jié)論

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)以需求側(cè)多元用能需求為出發(fā)點，充分利用區(qū)域內(nèi)豐富的可再生能源和未利用能源，構(gòu)建源、網(wǎng)、荷、儲互動、耦合的一體化供能體系。本研究從區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的基本理念出發(fā)，通過深入剖析其規(guī)劃設(shè)計和評價過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，全面梳理了當(dāng)前本領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并提出了未來進一步發(fā)展的思考?？傮w而言，未來區(qū)域分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展必須規(guī)劃先行，同時輔以有效的評價手段為保障。