王 丹，周天爍，李家熙，賈宏杰

（1. 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)）,天津市 300072；2. 天津市智慧能源與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)）,天津市 300072）

0 引言

2022 年3 月,習(xí)近平總書記指出,要積極穩(wěn)妥推進(jìn)“碳達(dá)峰·碳中和”工作,立足富煤、貧油、少氣的基本國情,按照國家“雙碳”工作規(guī)劃部署,增強(qiáng)系統(tǒng)觀念,堅(jiān)持穩(wěn)中求進(jìn)、逐步實(shí)現(xiàn)［1］。當(dāng)前,全球能源轉(zhuǎn)型處于加速推進(jìn)時(shí)期,在“雙碳”背景下,中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生的系統(tǒng)性變革隨之而來,能源轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和碳排放脫鉤的關(guān)鍵因素之一,其根本任務(wù)是構(gòu)建清潔、低碳的新型能源體系［2-4］。隨著電力源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)一體化、多能互補(bǔ)、整縣屋頂分布式光伏等能源轉(zhuǎn)型新技術(shù)新模式的蓬勃興起,終端用戶能源需求的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提升,推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型、構(gòu)建具有量質(zhì)協(xié)同發(fā)展特點(diǎn)的能源系統(tǒng)勢(shì)在必行［5］。

Rant 于1956 年提出?（Exergy）的概念并確定了?值計(jì)算原則,在一定環(huán)境條件下將能量分成可轉(zhuǎn)換和不可轉(zhuǎn)換兩部分,可轉(zhuǎn)換部分稱為“?”,不可轉(zhuǎn)換部分稱為“?（Anergy）”［6］。?定義為在任意可逆過程中,系統(tǒng)與環(huán)境達(dá)到平衡（或系統(tǒng)達(dá)到其寂態(tài)）時(shí)所做的有用功［7-8］,即一種有效能。與能量分析法相比,?分析法是一種更為有效的節(jié)能診斷方法,與焓分析法［9］、熵分析法［9］、分析法［10］相比,?分析法更加深入、易于理解且適用范圍更廣,對(duì)能源品質(zhì)的研究具有重要意義［11］。對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行?分析,不僅可以追蹤有效能損失的位置、類型和真實(shí)大小,還能夠?qū)υO(shè)計(jì)、規(guī)劃、生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)、資源利用等多個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)［12］。

?作為一種可以評(píng)價(jià)做功能力和能量可用性的物理量［13］,在多個(gè)領(lǐng)域中已有大量研究和應(yīng)用,如附錄A 表A1 所示,從研究對(duì)象、研究層級(jí)、分析方法、研究目標(biāo)、研究方法、建模方法6 個(gè)方面綜合歸納了國內(nèi)外學(xué)者利用?分析方法在太陽能［14-15］、火力發(fā)電［16-17］、多能聯(lián)產(chǎn)［18］、可再生能源［19-20］、原油輸送［21］、內(nèi)燃機(jī)［22-23］、工業(yè)廢水處理［24］、污泥消化［25］、生物質(zhì)燃料［26］、有機(jī)化合物［27］、建筑［28］、人體機(jī)能［29］、食品干燥［30］、生態(tài)生物學(xué)［31］、資源規(guī)劃［32］以及綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system,IES）［33-34］等領(lǐng)域的研究概況,以上研究對(duì)象大多屬于單元級(jí)和設(shè)備級(jí),而針對(duì)網(wǎng)絡(luò)級(jí)對(duì)象的?分析較少。

IES 被國際能源界譽(yù)為30～50 年后人類社會(huì)能源供用最可能的承載方式［35-36］。傳統(tǒng)IES 相關(guān)研究中,普遍基于能量層面構(gòu)建IES 模型,重點(diǎn)關(guān)注能量的“數(shù)量”,忽視了不同能量“質(zhì)”的差異,即不同能源的品質(zhì)差異,例如,電能的能源品質(zhì)高于熱能,機(jī)械能的能源品質(zhì)高于天然氣,僅依靠能流分析［37］無法完全體現(xiàn)能量的價(jià)值。為構(gòu)建量質(zhì)協(xié)同發(fā)展的IES,更充分地體現(xiàn)能量價(jià)值特征,引入?作為衡量能源品質(zhì)的物理量,并將?分析法用于研究具有高效高品質(zhì)特征的IES 是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)途徑之一。目前,從能源品質(zhì)（?）方面對(duì)IES 開展研究尚屬起步階段,部分研究構(gòu)建IES 黑箱模型,將?效率［38-39］、?輸入［40］、?損［41-42］作為優(yōu)化目標(biāo),以提升系統(tǒng)性能,并構(gòu)建了基于?分析的IES 評(píng)價(jià)模型［43］和方法［44-45］。黑箱模型僅能進(jìn)行粗略分析,為清晰展示IES 內(nèi)部的?分布情況,部分研究針對(duì)單元級(jí)IES 構(gòu)建白箱模型,建立雙層規(guī)劃優(yōu)化模型［46］以及綜合運(yùn)行效率評(píng)價(jià)模型［47-48］,文獻(xiàn)［49］提出了IES ?集線器模型,文獻(xiàn)［50］進(jìn)一步建立了標(biāo)準(zhǔn)化?集線器模型。但是,針對(duì)網(wǎng)絡(luò)級(jí)IES 建立白箱模型進(jìn)行?分析研究較少,文獻(xiàn)［51］基于能量網(wǎng)絡(luò)理論建立了電-熱-氣網(wǎng)的統(tǒng)一模型；文獻(xiàn)［52］對(duì)分布式供能系統(tǒng)進(jìn)行?傳遞分析,但對(duì)IES 網(wǎng)絡(luò)中?“流”的特性考慮較少。文獻(xiàn)［53］將能源品質(zhì)“流”的特性與IES 網(wǎng)絡(luò)屬性相結(jié)合,提出了面向IES 的理論和分析方法,定義了?勢(shì)等概念,討論了IES 整體和局部的?平衡關(guān)系特性。

綜上所述,深入結(jié)合IES 的網(wǎng)絡(luò)屬性研究系統(tǒng)?流分布和特性,有助于優(yōu)化IES 的有效能供應(yīng)能力。本文提出了“高?綜合能源系統(tǒng)（high-exergy integrated energy system,HE-IES）”的概念,并分別詳細(xì)闡述了未來HE-IES 的規(guī)劃、運(yùn)行優(yōu)化與能量調(diào)度、?交易和市場化機(jī)制等核心應(yīng)用框架,以期為構(gòu)建量質(zhì)協(xié)同發(fā)展的IES 提供有益參考。

1 HE-IES 的概念

1.1 HE-IES 的內(nèi)涵

在能源生產(chǎn)、傳輸、分配、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、消費(fèi)等環(huán)節(jié)中,能夠?qū)崿F(xiàn)低?損、高終端能質(zhì)系數(shù)、高?效率、高有效能利用率等“一低三高”能源品質(zhì)目標(biāo)的IES,稱之為HE-IES,可以從能源品質(zhì)指標(biāo)的角度進(jìn)行分析:

1）從損耗的角度而言,定義未被用戶消耗的?為?損,?損越低則能源系統(tǒng)越趨近于高?系統(tǒng)；

2）從終端用戶的角度而言,定義輸送到用戶終端的?與輸送到用戶終端的能量的比值為終端能質(zhì)系數(shù),終端能質(zhì)系數(shù)越高,則該能源系統(tǒng)越趨近于高?系統(tǒng)；

3）從能源供應(yīng)的角度而言,定義輸出?與輸入?的比值為?效率,?效率越高,供應(yīng)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的?損占輸入?比例越低,則能源系統(tǒng)越趨近于高?系統(tǒng)；

4）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言,定義輸出?與輸入能量的比值為有效能利用率,有效能利用率越高,則能源系統(tǒng)越趨近于高?系統(tǒng)。

上述指標(biāo)從不同環(huán)節(jié)闡述了HE-IES 的特點(diǎn),結(jié)合設(shè)備約束等限制性因素,按照需求考慮提升IES 各個(gè)環(huán)節(jié)的能源品質(zhì),如圖1 所示,在規(guī)劃、運(yùn)行優(yōu)化與能量調(diào)度、?交易和市場化機(jī)制等應(yīng)用領(lǐng)域考慮高?化目標(biāo),通過供應(yīng)、轉(zhuǎn)換、傳輸、消費(fèi)等環(huán)節(jié)的有機(jī)協(xié)調(diào),綜合提升系統(tǒng)能源品質(zhì),推動(dòng)供應(yīng)-輸送-需求多環(huán)節(jié)的高?化發(fā)展,構(gòu)建HE-IES。

圖1 HE-IES 研究范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of research scope of HE-IES

1.2 HE-IES 的研究意義

首先,HE-IES 研究有利于實(shí)現(xiàn)供需兩側(cè)的能源“雙替代”效應(yīng),契合當(dāng)前能源系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì),在提高系統(tǒng)能源品質(zhì)的同時(shí),助力實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。

1）從消費(fèi)側(cè)的角度而言,終端能質(zhì)系數(shù)越高,能源系統(tǒng)越趨向于高?化系統(tǒng),終端能質(zhì)系數(shù)與消費(fèi)側(cè)的能源結(jié)構(gòu)密切相關(guān),電能作為終端消費(fèi)的高品質(zhì)能源,可全部視為??？紤]到電能的高品質(zhì)特征,高?化發(fā)展鼓勵(lì)消費(fèi)側(cè)電能替代,提高用戶側(cè)的用能品質(zhì),符合國家十部委聯(lián)合發(fā)文“推進(jìn)電能替代”中的要求［54］。

2）從供給側(cè)的角度而言,風(fēng)、光等可再生能源理論上取之不盡、用之不竭,可再生能源設(shè)備向IES供應(yīng)?,其從自然界所消耗的?可視為零［33］,促進(jìn)了供給側(cè)清潔能源替代,有利于提高整體IES 的?效率,使系統(tǒng)高?化發(fā)展,這與“十四五規(guī)劃”鼓勵(lì)發(fā)展新能源的理念相契合［55］,同時(shí)也與構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)目標(biāo)相契合。

其次,與傳統(tǒng)研究相比,HE-IES 考慮能源品質(zhì),以?作為統(tǒng)一研究對(duì)象,兼顧了能量的“量”和“質(zhì)”,相比于僅考慮能量,更能反映系統(tǒng)能源綜合利用的效果。目前相關(guān)研究較多基于熱力學(xué)第一定律,從能量“量”的角度考慮問題,而較少考慮有價(jià)值能量轉(zhuǎn)化問題,即“質(zhì)”的研究。舉例來說,理論上低溫?zé)峥梢赞D(zhuǎn)換為高品質(zhì)電能,但是其“沙里淘金”的思路勢(shì)必帶來大量的損失,反之,將大量電能轉(zhuǎn)換為低品質(zhì)熱能,則會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量的大幅度貶值,無疑是“大材小用”。因此,無論是“低質(zhì)能”干“高級(jí)活”,還是“高質(zhì)能”干“低級(jí)活”,都不利于能源的可持續(xù)發(fā)展［56］。此外,單純基于能量角度分析,可能會(huì)出現(xiàn)與常理相悖的結(jié)論,例如,在能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中,電鍋爐的能效一般高于燃?xì)忮仩t,但是電鍋爐將大量高品質(zhì)電能轉(zhuǎn)換為低品質(zhì)熱量,而燃?xì)忮仩t消耗的燃?xì)饽茉雌焚|(zhì)低于電能。因此,從有效能利用、能源品質(zhì)貶值程度來看,電鍋爐并不意味著優(yōu)于燃?xì)忮仩t［39］?；?分析,可以合理評(píng)估系統(tǒng)整體或局部有效能的利用程度,分析IES 有效能薄弱環(huán)節(jié),確定合理的IES 規(guī)劃、運(yùn)行優(yōu)化和能量調(diào)度方案,促進(jìn)系統(tǒng)的高?化發(fā)展,減少系統(tǒng)有效能損失,提升高品質(zhì)能量供應(yīng)能力,實(shí)現(xiàn)“量”和“質(zhì)”匹配。

再次,?是能量中理論上能轉(zhuǎn)換為其他形式能量的那部分能量,是最能反映能源價(jià)值的關(guān)鍵部分,相比于傳統(tǒng)意義上的傳輸介質(zhì)、能流而言,?更能統(tǒng)一表示不同形式能源,因此具有潛在的商品屬性。結(jié)合?經(jīng)濟(jì)學(xué)進(jìn)行成本分析,建立高?化場景下?交易或者?市場化機(jī)制研究,是未來能源交易市場化研究重點(diǎn)方向之一。

1.3 ?流的概念和研究范疇

如果采用“黑箱”模型,通過能量系統(tǒng)輸入和輸出端口的能量或?,可以大致判斷一個(gè)系統(tǒng)是否為HE-IES,但是無法采用有效的手段降低有效能在系統(tǒng)傳輸過程中的損失,也無法合理改善系統(tǒng)局部的能源品質(zhì)。因此,有必要深入系統(tǒng)內(nèi)部,將能源品質(zhì)“流”的特性與IES 網(wǎng)絡(luò)屬性相結(jié)合,建立HE-IES理論和研究方法,對(duì)推動(dòng)IES 實(shí)現(xiàn)高?轉(zhuǎn)型、能源高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。根據(jù)前人研究,能流計(jì)算［57］根據(jù)已知信息求取IES 能源節(jié)點(diǎn)和支路的狀態(tài)參數(shù),碳流［58］依附于能流存在,用于表征IES 中維持任一支路能流碳排放所形成的虛擬網(wǎng)絡(luò)流。與能流和碳流不同,已有研究中?流表征主要是設(shè)備有效能的流動(dòng)情況［11］,文獻(xiàn)［53］提出了IES ?流機(jī)理模型,IES ?流即為IES 負(fù)荷、多能耦合環(huán)節(jié)消耗的能量?在能源網(wǎng)絡(luò)中的分布。

在HE-IES 研究中,?流可將不同形式能源在統(tǒng)一框架下進(jìn)行量化表示?；诒? 所示的IES 層級(jí)劃分［59］,本文不涉及跨區(qū)級(jí)或用戶級(jí),不考慮源荷端及能源站等設(shè)施內(nèi)部具體?變化,不考慮沒有網(wǎng)絡(luò)屬性的?,諸如水、天然氣的壓強(qiáng)?和天然氣擴(kuò)散?等不被用戶生產(chǎn)生活的?,重點(diǎn)關(guān)注IES 源端向荷端提供能量,其所包含的?在網(wǎng)絡(luò)中的分布,即配電網(wǎng)電能?、配氣系統(tǒng)中燃?xì)鉄崃克娜剂?、熱力網(wǎng)絡(luò)中的熱量?和供冷網(wǎng)絡(luò)中的冷量?。

表1 IES 典型層級(jí)Table 1 Typical layers of IES

2 IES ?流建模

在能源系統(tǒng)或供用能設(shè)備的工程熱力學(xué)研究中［56,60］,定義了總輸入?EIn等于總輸出?EOut、?損失（外部?損）ELoss和?耗散（內(nèi)部?損）EDest之和,采用黑箱模型表示系統(tǒng)?平衡等式如式（1）所示。部分研究為簡化分析,將?損失和?耗散統(tǒng)一視為?損［61］,得到式（2）。

?平衡是?分析方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié),上述研究僅關(guān)注單獨(dú)能源系統(tǒng)且沒有考慮系統(tǒng)內(nèi)部特性,文獻(xiàn)［53］結(jié)合IES 網(wǎng)絡(luò)化特征,提出面向電力、天然氣、熱力系統(tǒng)及能源站的整體系統(tǒng)和局部節(jié)點(diǎn)?流平衡概念,用于IES 能源網(wǎng)絡(luò)?分析。整體系統(tǒng)?平衡定義為:輸入系統(tǒng)的?等于系統(tǒng)輸出的?和系統(tǒng)各種?損之和,這一部分與式（2）類似；局部節(jié)點(diǎn)?流平衡定義為:流入節(jié)點(diǎn)的元件首端?流與源端供應(yīng)的?之和,等于流出節(jié)點(diǎn)的元件末端?流、負(fù)荷消耗的?以及?損之和,適用于多能源網(wǎng)絡(luò)。

文獻(xiàn)［53］中定義電力系統(tǒng)以大地為?勢(shì)參考點(diǎn)、天然氣系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)以環(huán)境溫度為?勢(shì)參考點(diǎn),即零?勢(shì)點(diǎn),系統(tǒng)中某一點(diǎn)與零?勢(shì)點(diǎn)的?勢(shì)差定義為該點(diǎn)的?勢(shì),?勢(shì)反映電流、氣流、水流等單位流率介質(zhì)承載的?,?勢(shì)差反映了系統(tǒng)中單位流率介質(zhì)傳遞的?,電力、天然氣、熱力系統(tǒng)的?勢(shì)具體分別表示為:

式中:pe、ph、pg分別為電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)?勢(shì)；U?為電力支路首端的線電壓相量；T為節(jié)點(diǎn)溫度；Ta為環(huán)境溫度；cp為水的比熱容；Tb為天然氣的理論燃燒溫度；G為天然氣的熱值。

本文構(gòu)建了一種具有深度耦合特點(diǎn)的IES ?流分布,如圖2 所示。該圖直觀展示了IES 中電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、能源站以及多種可再生能源接入的?流、?損等關(guān)鍵參數(shù)的分布情況。

圖2 IES ?流示意圖Fig.2 Schematic diagram of IES exergy flow

2.1 電力系統(tǒng)?流模型[53]

電力系統(tǒng)的能源品質(zhì)最高,其能質(zhì)系數(shù)為1。因此,可將有功潮流視為?流,有功損耗視為?損［9,62］,如圖3 所示。電力支路?流、電力支路?損、電源?和電負(fù)荷?可表示為:

圖3 電力系統(tǒng)?流示意圖Fig.3 Schematic diagram of power system exergy flow

式中:ee和Δee分別為電力支路（線路/元件）的?流和?損；ee,S和ee,L分別為電源?和電力負(fù)荷?；real(·)為復(fù)數(shù)的實(shí)部；U?1和U?2分別為支路兩端的線電壓相量；I?、I?e,S、I?e,L分別為流過支路、電源和負(fù)荷的線電流相量的共軛。

2.2 天然氣系統(tǒng)?流模型[53]

與電力系統(tǒng)類似,天然氣系統(tǒng)滿足基爾霍夫氣體流量定律和基爾霍夫壓力定律［63］。負(fù)荷主要通過天然氣燃燒產(chǎn)生熱能,利用熱值研究天然氣網(wǎng)所含的能量,利用燃料?表示天然氣網(wǎng)向用戶提供?。負(fù)荷消耗的燃料?在天然氣網(wǎng)絡(luò)中的分布即為天然氣系統(tǒng)?流。燃料?等效為天然氣燃燒過程中從環(huán)境溫度變?yōu)槔碚撊紵郎囟确懦龅臒崃?［64］。該部分?流可由節(jié)點(diǎn)?勢(shì)與氣流率的乘積求解,其中,節(jié)點(diǎn)?勢(shì)可表示為天然氣能質(zhì)系數(shù)與熱值的乘積。

如圖4 所示,氫氣、甲烷等分布式氣源的注入使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)天然氣能質(zhì)系數(shù)與熱值發(fā)生改變,進(jìn)而導(dǎo)致管道兩端節(jié)點(diǎn)?勢(shì)存在差異,影響管道兩端?流。在穩(wěn)態(tài)條件下,該部分?流的變化可等效為管道?損,且該部分?損等于管道兩端節(jié)點(diǎn)?勢(shì)差與氣流率的乘積,天然氣系統(tǒng)?流、?損、氣源?、氣負(fù)荷?可表示為:

圖4 天然氣系統(tǒng)?流示意圖(考慮?損)Fig.4 Schematic diagram of gas system exergy flow(considering exergy loss)

2.3 熱力系統(tǒng)?流模型[53]

定義熱力系統(tǒng)中水從環(huán)境溫度Ta加熱到溫度T吸收的熱量?,該部分?隨水在網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng),稱為熱力系統(tǒng)的?流［53］。

如圖5 所示,熱力系統(tǒng)中的供回水管道、供回水節(jié)點(diǎn)、出口節(jié)點(diǎn)的?流可分別表示如下:

圖5 熱力系統(tǒng)?流示意圖Fig.5 Schematic diagram of heat system exergy flow

式中:eh,s、eh,r、eh,sL、eh,oL、eh,rS分別為供水管道?流、回水管道?流、流入負(fù)荷?流、流出負(fù)荷?流和流入熱源?流；ps、pr、po分別為供水節(jié)點(diǎn)?勢(shì)、回水節(jié)點(diǎn)?勢(shì)和出口節(jié)點(diǎn)?勢(shì)；mh、mh,qL、mh,qS分別為管道水流率、負(fù)荷水流率和熱源水流率。

熱力系統(tǒng)中各部位?損包括供水管道?損、回水管道?損和負(fù)荷?損,分別表示為:

式中:Δeh,S和Δeh,L分別為熱源?和負(fù)荷?。

2.4 能源站?流模型——?集線器

傳統(tǒng)IES 穩(wěn)態(tài)分析中,常用能源集線器（energy hub）對(duì)能源站建模［65］?；谀茉醇€器忽視了多能系統(tǒng)之間的能源品質(zhì)差異的問題,文獻(xiàn)［49］和文獻(xiàn)［50］均提出并建立了?集線器（exergy hub）的模型。

文獻(xiàn)［50］將標(biāo)準(zhǔn)化?集線器模型定義為:

式中:A為輸入?關(guān)聯(lián)矩陣,維數(shù)為nES,in×nES,e,其中nES,in為能源站輸入端口的能量形式數(shù)目,nES,e為能源站內(nèi)部?支路數(shù)；ein為能源站輸入?列向量,維數(shù)為nES,in；B為輸出?關(guān)聯(lián)矩陣,維數(shù)為nES,out×nES,e,其中nES,out為能源站輸出端口的能量形式數(shù)目；eout為能源站輸出?列向量,維數(shù)為nES,out；C為?轉(zhuǎn)換矩陣,維數(shù)為nES,c×nES,e,其中nES,c為能源站能量轉(zhuǎn)換路徑總數(shù)；e為能源站內(nèi)部?列向量,維數(shù)為nES,e。

表2 對(duì)基于能流和?流分析的能源站建模方法進(jìn)行對(duì)比,傳統(tǒng)能源集線器模型無法體現(xiàn)能源站內(nèi)部多能設(shè)備輸入輸出的有效能特性,?集線器模型可以客觀合理反映設(shè)備能源品質(zhì)轉(zhuǎn)化情況。文獻(xiàn)［50］在?集線器模型的基礎(chǔ)上引入圖論,基于輸入?矩陣、輸出?矩陣、?轉(zhuǎn)換矩陣,建立等效?節(jié)點(diǎn)和?支路,形成了標(biāo)準(zhǔn)化?集線器模型,如圖6 所示。相比于?集線器模型,標(biāo)準(zhǔn)化?集線器模型能夠適用于更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)化能源系統(tǒng),以能源品質(zhì)為目標(biāo)對(duì)能源站進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化策略研究,給定某一運(yùn)行狀態(tài)下的?分配矩陣可求解出穩(wěn)態(tài)?流分布,為后續(xù)IES 規(guī)劃、運(yùn)行等研究工作奠定模型基礎(chǔ)。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)化?集線器模型Fig.6 Typical exergy hub model

表2 基于能流和?流分析的能源站建模方法對(duì)比Table 2 Comparison of energy station modelling method based on energy flow and exergy flow analysis

2.5 可再生能源設(shè)備?流模型

為實(shí)現(xiàn)供能清潔化、提高能量綜合利用效率,越來越多的可再生能源設(shè)備接入IES,包括接入電力系統(tǒng)的光伏、風(fēng)機(jī)等新能源發(fā)電設(shè)備,以及接入熱力系統(tǒng)的地源熱泵等供熱設(shè)備。這些設(shè)備消耗的能量形式各不相同,舉例來說,光伏發(fā)電消耗的能量屬于太陽能、風(fēng)機(jī)消耗的能量來自空氣流動(dòng)的機(jī)械能,本質(zhì)也是屬于太陽能,地源熱泵消耗地?zé)崮?。這些能量均來源于自然界,理論上取之不盡、用之不竭,可認(rèn)為自然環(huán)境條件下的?為零,因此,可再生能源對(duì)系統(tǒng)供能,其從自然界消耗的支付?可視為零,輸送到系統(tǒng)中收益?為設(shè)備實(shí)際供應(yīng)?［11］。此外,部分可再生能源設(shè)備還消耗非可再生能源??；贗ES?流機(jī)理模型［53］,考慮負(fù)荷以及多能耦合環(huán)節(jié)消耗能量?類型,包括電力系統(tǒng)的電能?、天然氣系統(tǒng)的燃料?、熱力系統(tǒng)的熱量?等,可再生能源設(shè)備模型可表示為:

式中:ere,in和ere,out分別為可再生能源設(shè)備的輸入?和輸出?；en,in為設(shè)備從自然界消耗的支付?,可視為0；eS,in為設(shè)備消耗的非可再生能源?；eS,out為設(shè)備實(shí)際供應(yīng)到能源網(wǎng)絡(luò)的能量?。

基于式（11）,以光伏和地源熱泵為例進(jìn)行分析,理論上,光伏消耗能量來源于太陽能,即en,in=0,同時(shí)光伏不消耗非可再生能源,因此eS,in=0,eS,out為光伏實(shí)際供應(yīng)到能源網(wǎng)絡(luò)中的電能?；地源熱泵一部分能量來源于地?zé)?即en,in=0,除此之外,還需要消耗電能進(jìn)行驅(qū)動(dòng),因此eS,in≠0,為地源熱泵消耗的電能?,eS,out為地源熱泵供應(yīng)的熱量?。

3 HE-IES 規(guī)劃

3.1 ?分析相關(guān)的IES 規(guī)劃研究

IES 具有綜合性、就近性、互動(dòng)性,市場化、智能化、低碳化等特點(diǎn)。對(duì)其規(guī)劃不僅需要考慮解決能源系統(tǒng)元件的時(shí)空、形式、結(jié)構(gòu)、容量等問題,還需要考慮資源配置、經(jīng)濟(jì)效益等問題。傳統(tǒng)研究較多從能量角度考慮規(guī)劃問題,考慮提升能源品質(zhì)角度的研究較少。部分基于?分析進(jìn)行能源系統(tǒng)規(guī)劃的研究如表3 所示,文獻(xiàn)［33,46］均以?效率和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù),建立了IES 多目標(biāo)規(guī)劃模型；文獻(xiàn)［67］綜合考慮?效率和?損,將?平衡模型與EnergyPLAN 結(jié)合,以構(gòu)建完全脫碳的可再生智慧能源城市。大量的能源系統(tǒng)規(guī)劃研究較少從“量質(zhì)合一”的角度考慮該問題,以上研究雖然在規(guī)劃中結(jié)合了?分析方法,但是未能更深入地探究系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中?的實(shí)際分布情況。因此,面向IES 的規(guī)劃需在保證經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上,基于IES ?流機(jī)理模型,結(jié)合能源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)屬性,科學(xué)合理評(píng)估系統(tǒng)整體或局部的有效能利用程度和能源品質(zhì)分布,推動(dòng)IES 實(shí)現(xiàn)高?轉(zhuǎn)型。

表3 ?分析相關(guān)的代表性IES 規(guī)劃研究Table 3 Representative IES planning study related to exergy analysis

3.2 HE-IES 規(guī)劃研究框架

IES ?流模型既適應(yīng)于IES 整體的量質(zhì)協(xié)同分析,又能針對(duì)關(guān)鍵局部進(jìn)行優(yōu)化,使系統(tǒng)規(guī)劃更為高效和全面,如圖7 所示。未來如果全面以?直接作為能源交易對(duì)象,以及在生產(chǎn)制造中對(duì)?進(jìn)行廣泛應(yīng)用,甚至各種能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、交易環(huán)節(jié)以及工業(yè)產(chǎn)品的?流參數(shù)的定量測量成為可能,并作為一種商品提供給用戶,那么在目標(biāo)規(guī)劃周期內(nèi),將有助于獲得面向量質(zhì)協(xié)同的IES 最優(yōu)系統(tǒng)配置和結(jié)構(gòu)。

圖7 基于?流機(jī)理的HE-IES 規(guī)劃Fig.7 HE-IES planning based on exergy flow mechanism

此外,通過分析能源網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際?損分布情況,能夠快速、準(zhǔn)確地追蹤到有效能損失的位置、類型和真實(shí)大小,在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段全面了解高品質(zhì)能源在能源管廊、能源站、能源網(wǎng)絡(luò)等諸多環(huán)節(jié)的流失情況,那么可以使規(guī)劃方案的?損失率降到最低。同時(shí),對(duì)園區(qū)或具體設(shè)備進(jìn)行規(guī)劃分析時(shí)［68］,還需要考慮能量梯級(jí)利用特征,以提升系統(tǒng)能質(zhì)與能效。

最后,基于IES ?流模型的?效率計(jì)算為規(guī)劃方案提供了更加全面深入的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),一方面能夠針對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行?效率評(píng)價(jià),另一方面還能夠聚焦在源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)某一環(huán)節(jié)、單元或具體設(shè)備的局部?效率評(píng)價(jià),使規(guī)劃方案的性能評(píng)價(jià)趨于準(zhǔn)確和客觀。

3.2.1 負(fù)荷?預(yù)測

多能負(fù)荷預(yù)測是傳統(tǒng)IES 規(guī)劃基礎(chǔ)之一。IES供能和用能形式復(fù)雜多樣,利用負(fù)荷的特征獲取多能負(fù)荷演化趨勢(shì),是制定科學(xué)、合理規(guī)劃方案的關(guān)鍵,此外,傳統(tǒng)電力負(fù)荷預(yù)測還需要考慮儲(chǔ)能、柔性負(fù)荷、電動(dòng)汽車等靈活可調(diào)的負(fù)荷行為特征,建立相應(yīng)的預(yù)測方法,天然氣和熱力的負(fù)荷預(yù)測還需要考慮建筑保溫、結(jié)構(gòu)、人口密度等多種因素的影響［69］。

與傳統(tǒng)基于能量流的多能負(fù)荷預(yù)測不同,HEIES 直接以?作為分析對(duì)象,科學(xué)準(zhǔn)確地預(yù)測負(fù)荷?對(duì)IES ?流計(jì)算、系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行分析至關(guān)重要。根據(jù)IES ?流機(jī)理可知,負(fù)荷?是介質(zhì)流和節(jié)點(diǎn)?勢(shì)的實(shí)數(shù)乘積（天然氣、熱力）或者復(fù)數(shù)乘積（電力）,實(shí)際系統(tǒng)中源荷位置一般安裝量測裝置,可獲取介質(zhì)流（諸如電流、水流、氣流等）,或者節(jié)點(diǎn)?勢(shì)（諸如電壓或與?勢(shì)有關(guān)的溫度等歷史數(shù)據(jù)）,基于這些數(shù)據(jù)可對(duì)介質(zhì)流、節(jié)點(diǎn)?勢(shì)進(jìn)行合理預(yù)測,從而間接實(shí)現(xiàn)負(fù)荷?的預(yù)測?；谏鲜龇治?可采用宏觀和微觀兩類方法實(shí)現(xiàn)。

宏觀方法是基于系統(tǒng)用戶對(duì)能源品質(zhì)需求的歷史數(shù)據(jù),從宏觀角度分析?勢(shì)、介質(zhì)流等參數(shù)與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、人口等因素的內(nèi)在聯(lián)系,針對(duì)不同類型負(fù)荷物理特性的差異,分析電、氣、熱等系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)?勢(shì)、介質(zhì)流的自相關(guān)與互相關(guān)特性,利用時(shí)間序列法、回歸分析法等經(jīng)典方法進(jìn)行預(yù)測,間接實(shí)現(xiàn)負(fù)荷?的預(yù)測［70］。

微觀方法采用非聚合類模型,挖掘區(qū)域內(nèi)單體用戶的介質(zhì)流需求情況,分析用戶位置?勢(shì)機(jī)理,采用自上而下的方式得到IES 的聚合介質(zhì)流率需求、?勢(shì)機(jī)理預(yù)測,該方法需要利用?流機(jī)理挖掘介質(zhì)流率需求以及?勢(shì)分布特性,建立更為精細(xì)化?負(fù)荷預(yù)測模型。

?負(fù)荷預(yù)測存在多時(shí)間尺度、多重不確定性、負(fù)荷耦合關(guān)系復(fù)雜、數(shù)據(jù)收集處理困難、建模難度大等問題。人工智能［71］、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)［72］等技術(shù)可與?負(fù)荷預(yù)測相結(jié)合解決上述問題,提升多能?負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性。

3.2.2 基于?集線器模型的能源站規(guī)劃

集成多種能量耦合設(shè)備的能源站是IES 多能耦合的重要載體,傳統(tǒng)能源站規(guī)劃主要在于確定能源站內(nèi)部集成設(shè)備配置方式和建設(shè)位置,以及互聯(lián)多站的配置方案。HE-IES 的能源站規(guī)劃為了實(shí)現(xiàn)量質(zhì)協(xié)同的目標(biāo),主要以?效率、?損、建設(shè)成本等目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)進(jìn)行設(shè)備選型、定容以及選址。傳統(tǒng)能源站規(guī)劃中采用的能源站模型一般以標(biāo)準(zhǔn)矩陣化模型（如能源集線器或修正模型等）為基礎(chǔ),由于高?能源站規(guī)劃中涉及能源品質(zhì)的核心參數(shù),宜采用?集線器模型進(jìn)行描述。其典型基本規(guī)劃模型如下:

式中:x為決策變量；y為狀態(tài)變量；z為?參數(shù)相關(guān)變量；finv,ES(x,y)和foper,ES(y)分別為?集線器投資和運(yùn)行成本；floss,ES(z) 為?集線器的?損；fmt,ES(x,y)和fem,ES(y)分別為?集線器維護(hù)和碳排放成本；feff,ES(z) 為?集線器的?效率；ginv,ES(x,y)≤0 和goper,ES(y,z)≤0 分別為?集線器規(guī)劃、運(yùn)行約束；hES(z)=0 為?集線器?平衡約束。

上述模型中能源建設(shè)、運(yùn)行成本等能量流參數(shù)和?損、?效率等能源品質(zhì)參數(shù)往往構(gòu)成互斥目標(biāo),因此式（12）一般為多目標(biāo)優(yōu)化模型,典型求解方法包括Epsilon 約束法、快速非支配排序遺傳算法（NSGA-II）、基于分解的多目標(biāo)優(yōu)化算法（MOEA/D）［73］等。

3.2.3 HE-IES 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

能源網(wǎng)絡(luò)是能源運(yùn)輸?shù)奈锢黻P(guān)鍵載體,HE-IES網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃不僅需要滿足電力、天然氣、熱力網(wǎng)絡(luò)本身運(yùn)輸能源需求與運(yùn)行狀態(tài),還需要綜合考慮互聯(lián)耦合系統(tǒng)整體規(guī)劃需求以及各區(qū)域?流分布特點(diǎn),各能源網(wǎng)絡(luò)間互為約束和互濟(jì)補(bǔ)充。

本文提出的HE-IES 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃主要以?效率提升,?損、運(yùn)行成本及環(huán)境碳排放降低等量質(zhì)協(xié)同的需求為目標(biāo)函數(shù),滿足?平衡約束、電力系統(tǒng)電壓、功率約束,天然氣、熱力管網(wǎng)的管道壓力約束等安全性要求,其基本規(guī)劃模型如下式所示:

式中:finv,net(x)和foper,net(y)分別為能源網(wǎng)絡(luò)投資和運(yùn)行成本；floss,net(z)為能源網(wǎng)絡(luò)的?損；fmt,net(x,y)和fem,net(y)分別為能源網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和碳排放成本；feff,net(z) 為能源網(wǎng)絡(luò)的?效率；ginv,net(x)≤0 和goper,net(y)≤0 分別為能源網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃約束和運(yùn)行約束；hnet(z)=0 為系統(tǒng)?平衡約束。

基于上述模型,以投資、運(yùn)維、碳排放成本、?損和?效率為最優(yōu)目標(biāo),可實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、設(shè)備接入位置、管網(wǎng)管徑和容量、建設(shè)時(shí)間等規(guī)劃。上述模型也是多目標(biāo)優(yōu)化形式,相比于能源站規(guī)劃,其維數(shù)更多,非線性復(fù)雜程度更高,求解難度更大。此外,計(jì)及可調(diào)資源（柔性負(fù)荷、電動(dòng)汽車等）接入后帶來的靈活性和互動(dòng)性［69］,結(jié)合IES ?流機(jī)理,統(tǒng)籌考慮量質(zhì)協(xié)同的靈活性網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃將是未來研究的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

3.2.4 可再生能源接入對(duì)HE-IES 規(guī)劃的影響

隨著風(fēng)力、太陽能、地?zé)岬榷喾N形式的可再生新能源在IES 的接入比例提升,如2.5 節(jié)所述,從能源品質(zhì)的角度而言,可再生能源的?效率可視為無窮大,即認(rèn)為可再生能源的能源品質(zhì)最優(yōu),這為可再生能源接入后面向量質(zhì)協(xié)同的IES 規(guī)劃提供了新的優(yōu)化目標(biāo)和途徑?？稍偕茉吹慕尤雽?duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,如何在考慮“量質(zhì)協(xié)同”前提下,平衡經(jīng)濟(jì)性、能源品質(zhì)、可靠性等各項(xiàng)指標(biāo),提高可再生能源消納率,構(gòu)建安全清潔高效的高?系統(tǒng),也是規(guī)劃的一項(xiàng)重點(diǎn)。

含能源站、能源網(wǎng)絡(luò)、靈活性資源以及可再生能源的高?規(guī)劃問題,涉及網(wǎng)絡(luò)?平衡約束、能源品質(zhì)參數(shù)優(yōu)化的問題,因此大大地增加了建模和求解難度,具有強(qiáng)非線性、高維的問題,大型數(shù)學(xué)規(guī)劃算法或智能型算法可能是待選求解的方案。對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng),可通過降低系統(tǒng)規(guī)模,建立線性化模型的方式,采用線性求解器（YAMLIP、GUROBI 等）［69］進(jìn)行求解。因此,建立合理簡化的模型和尋找具有高求解效率的算法也是未來的研究重點(diǎn)。

3.2.5 HE-IES 規(guī)劃目標(biāo)

圖8 展示了HE-IES 規(guī)劃示意圖,在規(guī)劃過程中考慮高能源品質(zhì)目標(biāo),結(jié)合可再生能源新建、管線新建（虛線）、管線擴(kuò)容（粗線）、能源站內(nèi)部設(shè)備改造和增容等技術(shù),有利于改善系統(tǒng)的能源品質(zhì),引導(dǎo)系統(tǒng)朝高?化的趨勢(shì)發(fā)展。

節(jié)點(diǎn)?勢(shì)反映單位介質(zhì)流率承載的有效能,可作為反映局部能源品質(zhì)的合理指標(biāo)。選取節(jié)點(diǎn)?勢(shì)作為高能源品質(zhì)指標(biāo),基于高?規(guī)劃技術(shù),改善系統(tǒng)整體節(jié)點(diǎn)?勢(shì),有利于提高系統(tǒng)有效能供給能力,提升系統(tǒng)輸送到負(fù)荷終端的能源品質(zhì)。

在HE-IES 規(guī)劃過程中,應(yīng)該避免讓“低質(zhì)能”干“高級(jí)活”、讓“高質(zhì)能”干“低級(jí)活”等情況,綜合考慮終端能質(zhì)系數(shù)、系統(tǒng)有效能利用率、系統(tǒng)?損、系統(tǒng)?效率和系統(tǒng)能效等核心量質(zhì)評(píng)估指標(biāo),在網(wǎng)架中接入可再生能源等高?效率元件,促進(jìn)系統(tǒng)能質(zhì)評(píng)估指標(biāo)的整體提升,在規(guī)劃環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“量質(zhì)合一”。

此外,能源站作為IES 能源轉(zhuǎn)換的核心環(huán)節(jié),涉及大量高品質(zhì)能量的損失。選取合適的能源站規(guī)劃方案對(duì)系統(tǒng)的高?化發(fā)展意義重大?；诟?規(guī)劃技術(shù),考慮高?效率能源轉(zhuǎn)換設(shè)備,結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、能效、?效率等諸多參數(shù),對(duì)能源站設(shè)備進(jìn)行合理地選型與定容,有效提升系統(tǒng)各個(gè)能源站的?效率、有效能利用率,降低能源站?損,進(jìn)而改善能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能源品質(zhì)特征,以圖8 為例,選取比原有三聯(lián)供設(shè)備和電鍋爐?效率更高的燃?xì)忮仩t接入能源站ES1和ES2,有利于改善ES1 和ES2 的能源品質(zhì)特征。在改善系統(tǒng)整體和局部能源品質(zhì)的同時(shí),可能出現(xiàn)局部能效降低的情況,例如,電鍋爐和燃?xì)忮仩t具有相反的能效、?效率特征,如何充分考慮“量”與“質(zhì)”可能存在的互斥性,實(shí)現(xiàn)規(guī)劃方案的“量質(zhì)匹配”,也是部分高?規(guī)劃場景研究的重點(diǎn)。

圖8 HE-IES 規(guī)劃效果示意圖Fig.8 Schematic diagram of planned effect of HE-IES

4 HE-IES 運(yùn)行優(yōu)化和能量調(diào)度

4.1 ?分析相關(guān)的IES 運(yùn)行優(yōu)化和能量調(diào)度研究

IES 運(yùn)行優(yōu)化和能量調(diào)度過程中,既需要考慮不同能源種類的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行約束、能源品質(zhì)約束,也需要考慮如何平衡量質(zhì)協(xié)同的經(jīng)濟(jì)性［45］、安全性［59］、靈活性、韌性［74］以及可持續(xù)性之間的關(guān)系,以尋求最佳的能源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。如表4 所示,一些研究

表4 ?分析相關(guān)的代表性IES 運(yùn)行優(yōu)化和能量調(diào)度方法Table 4 Representative IES operational optimization and energy scheduling methods related to exergy analysis

4.2 HE-IES 運(yùn)行優(yōu)化和能量調(diào)度研究框架

采用IES ?流模型,可揭示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中諸如節(jié)點(diǎn)、管線等用能薄弱環(huán)節(jié),提供更為精準(zhǔn)和豐富的調(diào)節(jié)控制手段,同時(shí)也可綜合考慮網(wǎng)絡(luò)?流、?損分布等優(yōu)化目標(biāo),與?經(jīng)濟(jì)性和?效率等能源品質(zhì)需求相結(jié)合,確定量質(zhì)協(xié)同的系統(tǒng)架構(gòu)以及運(yùn)行方案。工作重點(diǎn)以?損、?效率作為運(yùn)行優(yōu)化和能量調(diào)度的目標(biāo)函數(shù),文獻(xiàn)［38］對(duì)多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)建立?分析黑箱模型,以最低運(yùn)行成本、最高?效率為目標(biāo)函數(shù),建立系統(tǒng)在供暖期的調(diào)度策略；文獻(xiàn)［39］提出了一種考慮?效率、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等IES 多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型,并分析了不同目標(biāo)函數(shù)主導(dǎo)的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果；文獻(xiàn)［41］以多能源樞紐的最小?損為目標(biāo)函數(shù),建立了單目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型,得到了?損和成本之間的關(guān)系；文獻(xiàn)［42］針對(duì)綜合能源三聯(lián)供系統(tǒng),從高效、低碳、經(jīng)濟(jì)3 個(gè)方面進(jìn)行綜合優(yōu)化；文獻(xiàn)［51］以?經(jīng)濟(jì)損失為目標(biāo)函數(shù)提出了一種IES 單周期運(yùn)行模型。以上研究考慮到了?和能源品質(zhì)因素對(duì)運(yùn)行優(yōu)化和能量調(diào)度問題的影響,主要仍然是針對(duì)于系統(tǒng)整體性的調(diào)整,或者局部能源樞紐的分析,缺乏對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中?元素的調(diào)控和分析。

網(wǎng)絡(luò)?流的變化隨時(shí)間段推移,會(huì)呈現(xiàn)出不用的分布特征,尤其是考慮存在能量梯級(jí)利用［75］、可再生能源滲透率較高等情況下更加顯著,因此,多時(shí)段控制將網(wǎng)絡(luò)?流分布的調(diào)整細(xì)化到不同的時(shí)間段,能源品質(zhì)的控制將會(huì)更加精準(zhǔn)。鑒于此,HE-IES 典型的優(yōu)化運(yùn)行問題可采用多時(shí)段優(yōu)化控制、分布式優(yōu)化控制和不確定性優(yōu)化控制等形式進(jìn)行描述。

多時(shí)間尺度的優(yōu)化控制一般可分為單一時(shí)段優(yōu)化、日前-日內(nèi)優(yōu)化、滾動(dòng)優(yōu)化和實(shí)時(shí)調(diào)度模型［76］；各系統(tǒng)采用分布式算法實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)行,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)?流和能量流的靈活協(xié)同調(diào)度；針對(duì)可再生能源、負(fù)荷及能價(jià)等不確定性因素對(duì)IES 運(yùn)行的影響,一般可采用隨機(jī)優(yōu)化［77］、魯棒優(yōu)化［78］、區(qū)間優(yōu)化［79］等方法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。針對(duì)以上框架,HE-IES 優(yōu)化調(diào)度典型模型如下式所示:

式中:foper(x,y)、fem(x,y)、fEx,loss(z)分別為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)函數(shù)、碳排放目標(biāo)函數(shù)和?損目標(biāo)函數(shù)；fEx,eff(z)、fRe(x)、fEn,eff(x,y)分別為?效率目標(biāo)函數(shù)、可再生能源消納容量目標(biāo)函數(shù)和綜合能效目標(biāo)函數(shù)。該多目標(biāo)優(yōu)化問題的約束條件主要包括?平衡約束hEx(z)、能量平衡約束hEn(z)、等式約束h(x,y)、不等式約束g(x,y)；xbase為基準(zhǔn)狀態(tài)場景；xFault為故障狀態(tài)場景；xramp為控制變量的最大爬坡量,可根據(jù)問題復(fù)雜度增加新的約束。

如圖9 所示,基于IES ?流模型的HE-IES 運(yùn)行優(yōu)化需重點(diǎn)考慮以下幾方面因素:

圖9 基于?流機(jī)理的HE-IES 運(yùn)行優(yōu)化思路Fig.9 Optimization of operation of HE-IES based on exergy flow mechanism

1）IES 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,傳感量測數(shù)據(jù)龐雜,如何建立合理的量測集合,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì),是運(yùn)行優(yōu)化和能量調(diào)度的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的多能流狀態(tài)估計(jì)主要是對(duì)能量流參數(shù)的估計(jì),包括電壓、功率、氣壓、水溫等,而量質(zhì)協(xié)同狀態(tài)估計(jì),需要在此基礎(chǔ)上考慮對(duì)?勢(shì)、管道?流、源荷?進(jìn)行估計(jì),從算法上講,可以先求解能量流狀態(tài)估計(jì),進(jìn)而獲得?流估計(jì),即間接算法,也可以將能量流量測方程和?平衡約束等約束條件結(jié)合在一起進(jìn)行聯(lián)立求解,即所謂直接算法,為進(jìn)一步的IES ?流計(jì)算提供狀態(tài)估計(jì)后熟數(shù)據(jù)支撐。?勢(shì)、?流及?損在IES 中的分布情況能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的故障位置和信息,并提前預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

2）在獲取IES 運(yùn)行狀態(tài)、故障、風(fēng)險(xiǎn)信息的前提下,結(jié)合多能?經(jīng)濟(jì)性參數(shù)如?成本/價(jià)格、?效益等,以IES 運(yùn)行安全穩(wěn)定要求、爬坡出力、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及?平衡等為約束條件,以量質(zhì)協(xié)同、經(jīng)濟(jì)成本、可再生能源（RE）消納能力、綜合能效等為優(yōu)化目標(biāo),建立面向智能調(diào)度的優(yōu)化模型,模型具有高維、強(qiáng)非線性和多時(shí)間尺度等復(fù)雜特征,調(diào)度方案輸出結(jié)果可用于調(diào)整設(shè)備出力、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?chǔ)能、可再生能源及多樣性負(fù)荷控制等。

3）通過控制后效果進(jìn)行IES 運(yùn)行效率評(píng)價(jià),計(jì)及有效能利用率、?效率、熱效率和節(jié)能率等核心指標(biāo)構(gòu)建量質(zhì)協(xié)同的多能運(yùn)行效率狀態(tài)評(píng)估體系,建立多能運(yùn)行效率評(píng)估模型,可采用聚類分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能等算法進(jìn)行求解。

5 HE-IES ?交易和市場化機(jī)制

5.1 ?分析相關(guān)的IES 交易和市場化機(jī)制研究

?既是能源品質(zhì)的參數(shù),又兼顧了能量流的特征。從市場和經(jīng)濟(jì)的角度來看,?反映了能量中的有效能部分,這決定了?能夠統(tǒng)一表示多能源的共有屬性,?這種普適屬性可作為一種商品特性,考慮到“能源品質(zhì)效益最大化”和“成本最小化”之間的內(nèi)在矛盾,結(jié)合?經(jīng)濟(jì)學(xué)等基礎(chǔ),可建立更為深入的?交易、?市場方面的研究理論。能源領(lǐng)域關(guān)于?經(jīng)濟(jì)和?成本分析已有部分研究,如表5 所示,文獻(xiàn)［80］基于符號(hào)?經(jīng)濟(jì)學(xué),將冷-熱-電三聯(lián)供的能量費(fèi)用進(jìn)行了能源產(chǎn)品成本分?jǐn)偅晃墨I(xiàn)［81］構(gòu)建了電、蒸汽、熱聯(lián)供系統(tǒng)的產(chǎn)品成本分配模型,并計(jì)算了產(chǎn)品的單位?經(jīng)濟(jì)成本；文獻(xiàn)［82］在分布式冷-熱-電聯(lián)供系統(tǒng)中驗(yàn)證了品味關(guān)聯(lián)分?jǐn)偡?。以上研究僅利用?經(jīng)濟(jì)分析法構(gòu)建了?經(jīng)濟(jì)成本分?jǐn)偰Ｐ?對(duì)?在市場化環(huán)境下商品屬性和交易機(jī)制討論較少。

表5 ?經(jīng)濟(jì)分析相關(guān)的代表性工作Table 5 Representative work related to exergy-economic analysis

5.2 HE-IES ?交易和市場化機(jī)制研究框架

5.2.1 基于?流追蹤的有效能(?)經(jīng)濟(jì)成本分?jǐn)?/p>

以?作為交易對(duì)象的能源市場交易體系,實(shí)現(xiàn)電、氣、熱、冷等多類型能源的自由交易,可統(tǒng)一以?的量綱“焦耳或瓦特”來計(jì)量能源的消費(fèi),代替以往“一度電”“一立方米燃?xì)狻钡认嗷オ?dú)立的計(jì)量方式。本文提出一種?經(jīng)濟(jì)成本分?jǐn)偟幕驹瓌t:源端輸入?成本和傳輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)?損的成本由負(fù)荷端承擔(dān)。

?經(jīng)濟(jì)成本分?jǐn)傂枰獙?duì)用戶側(cè)的有效能進(jìn)行溯源,根據(jù)用戶側(cè)有效能的來源和比例,該過程定義為?流追蹤。IES ?流機(jī)理模型可計(jì)算多能源荷及能源網(wǎng)絡(luò)的源端?、負(fù)荷?、節(jié)點(diǎn)?勢(shì)、支路?損等重要能源品質(zhì)參數(shù),能夠快速準(zhǔn)確追溯有效能的源頭和比例。?流追蹤的基本步驟如下:

步驟1:給定某一IES 系統(tǒng),其邊界（約束）條件是確定的,基于IES ?流模型計(jì)算系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)?流分布情況,獲得多能源荷及能源網(wǎng)絡(luò)的能源品質(zhì)參數(shù)；

步驟2:計(jì)算輸入負(fù)荷端所消耗的?中不同源端輸出?的比例；

步驟3:計(jì)算負(fù)荷端應(yīng)承擔(dān)的支路?損比例；

步驟4:根據(jù)不同源端?效率,計(jì)算負(fù)荷端應(yīng)分?jǐn)偟脑炊溯斎?的比例。

根據(jù)Valero 提出的?成本理論［83］,?經(jīng)濟(jì)成本概念考慮了設(shè)備折舊、人力成本等經(jīng)濟(jì)因素,可據(jù)此定義?交易機(jī)制的?價(jià)格,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)?成本定義的不足,將IES ?流模型與Valero 的?經(jīng)濟(jì)成本理論相結(jié)合,可得到如下?經(jīng)濟(jì)成本函數(shù):

Πs=csein,s（15）

式中:Πs為某一源端輸入?經(jīng)濟(jì)成本,是指該源端輸入?所消耗的現(xiàn)金值；cs為該源端輸入?單位?經(jīng)濟(jì)成本,表示生產(chǎn)該源端單位輸入?需要的現(xiàn)金值；ein,s為IES ?流模型計(jì)算得到的該源端輸入?。

根據(jù)步驟4計(jì)算得到的負(fù)荷端分?jǐn)傇炊溯斎?比例,結(jié)合式（15）可計(jì)算負(fù)荷端?經(jīng)濟(jì)成本分?jǐn)傤~度。

在各市場主體或設(shè)備元件中進(jìn)行?經(jīng)濟(jì)成本分?jǐn)?關(guān)系到?交易機(jī)制設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。此外,?流追蹤的原則是多樣化的,不同原則將會(huì)導(dǎo)致不同的?經(jīng)濟(jì)成本分?jǐn)偨Y(jié)果。同時(shí)還應(yīng)考慮到在系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)偤褪找娣謹(jǐn)偟葐栴},將是未來的研究重點(diǎn)。

5.2.2 基于?的市場交易機(jī)制

如果采用?進(jìn)行交易,能源生產(chǎn)成本和報(bào)價(jià)也會(huì)相應(yīng)改變,熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、熱鍋爐、可再生能源等參與?交易市場的主體,會(huì)根據(jù)?的產(chǎn)量申報(bào)新型競價(jià)方案,不同的申報(bào)方案對(duì)應(yīng)不同的市場出清結(jié)果和利潤。本文給出一種基于雙邊競價(jià)方式的典型?交易市場出清模型:

全面以?作為交易對(duì)象的能源市場交易主體包括供給側(cè)、綜合能源服務(wù)商和用戶側(cè),市場客體包括供應(yīng)到市場中的?商品和?相關(guān)服務(wù)。如圖10 所示,IES 供給側(cè)既可以向服務(wù)商出售?,也可以直接將?銷售至用戶側(cè),同時(shí),供給側(cè)的電力、燃?xì)?、冷熱和分布式能源之間也可以相互進(jìn)行?交易,例如分布式能源的熱量?可與熱力系統(tǒng)供給方進(jìn)行交易。IES 服務(wù)商在?交易市場主體中具有承上啟下的作用,可作為用戶側(cè)代理商批量參與?交易,或?yàn)橛脩艄?yīng)?及相關(guān)服務(wù)、維護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行等。伴隨著分布式屋頂光伏、家庭儲(chǔ)能等裝置的普及,用戶側(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心茉瓷a(chǎn)和交易能力的產(chǎn)消者,典型的能源產(chǎn)消者是供需融合的能源微網(wǎng),能源微網(wǎng)既可在其內(nèi)部進(jìn)行?交易,也可將?銷售給純粹的能源消費(fèi)者,同時(shí)也可由IES 服務(wù)商代理進(jìn)行?交易,實(shí)現(xiàn)高?經(jīng)濟(jì)雙贏的效果。

圖10 基于?經(jīng)濟(jì)學(xué)的HE-IES 交易和市場Fig.10 HE-IES trading and markets based on economics of exergy

以能源品質(zhì)（有效能）作為交易對(duì)象的能源市場可建立多種交易模式,包括中心化交易、多中心化交易、去中心化交易和一些衍生交易模式等。由于IES 中能源商品種類多樣,傳統(tǒng)中心化交易模式,多種能源類型的統(tǒng)一出清計(jì)算復(fù)雜,而以?作為交易對(duì)象的中心化或去中心化交易模式,在保持優(yōu)化資源分配的同時(shí),更有利于能源品質(zhì)商品的流通和自由性。

?經(jīng)濟(jì)學(xué)是一門在?分析理論上發(fā)展的新興學(xué)科,結(jié)合IES ?流模型可開展諸如IES 優(yōu)化設(shè)計(jì)、運(yùn)行分析、?價(jià)格制定、經(jīng)濟(jì)決策、?交易理論與機(jī)制等研究,助力推動(dòng)IES 實(shí)現(xiàn)高?轉(zhuǎn)型。

6 結(jié)語

能源品質(zhì)的量化分析對(duì)于IES 意義重大,結(jié)合IES 能源網(wǎng)絡(luò)屬性特點(diǎn)研究系統(tǒng)能源品質(zhì)分布和特性,對(duì)于優(yōu)化提升系統(tǒng)有效能的供應(yīng)能力十分重要,本文從量質(zhì)協(xié)同的角度提出了HE-IES 的概念,以IES ?流模型作為理論支撐,從多個(gè)層面討論了HE-IES 的研究:

1）提出了HE-IES 的概念,結(jié)合系統(tǒng)?勢(shì)、?流、?損等能源品質(zhì)參數(shù)討論電力、天然氣、熱力系統(tǒng)、能源站及可再生能源的?流機(jī)理模型構(gòu)建方法,形成IES 整體?流建模思路；

2）從規(guī)劃、運(yùn)行優(yōu)化和能量調(diào)度、?交易和市場化機(jī)制3 個(gè)核心方面分析了目前研究現(xiàn)狀,詳細(xì)論述了未來HE-IES 的核心研究內(nèi)容,并探討了相應(yīng)的典型數(shù)學(xué)模型示例和重點(diǎn)關(guān)注問題。

能源系統(tǒng)的能效與能源品質(zhì)協(xié)同提升是未來能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然趨勢(shì)之一,對(duì)HE-IES 開展系統(tǒng)性研究具有非常重要的意義。后續(xù)將會(huì)結(jié)合IES ?流機(jī)理模型,針對(duì)具體的應(yīng)用進(jìn)行深入量化分析。

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