能源互聯(lián)網(wǎng)下的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法探究

朱晨光 田媛 張悅 孫艷玲 管少鋒

摘 要：本文介紹了綜合能源系統(tǒng)的基本理念和構(gòu)架，并結(jié)合其各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)在生產(chǎn)、應(yīng)用、研發(fā)過程中的熱點(diǎn)問題，深入剖析了其優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，從而展望了綜合能源系統(tǒng)的未來研究方向和發(fā)展趨勢(shì)，為我國(guó)綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng);綜合能源系統(tǒng);規(guī)劃設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TK01文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）20-0148-03

Abstract： This paper introduced the basic concept and framework of the integrated energy system， combined with the hot issues of its key technologies in the process of production， application and research and development， and analyzed its optimization design means in depth， thus looking forward to the future research direction and development trend of integrated energy systems， and providing reference for the development of the integrated energy system in China.

Keywords： energy Internet;integrated energy system;planning and design

現(xiàn)代社會(huì)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平、工業(yè)生產(chǎn)水平的日益提高，人民群眾對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)，環(huán)境保護(hù)意識(shí)日益覺醒，與此同時(shí)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展，因此誕生了一種集靈活、高效、清潔為一體的新型綜合能源服務(wù)模式。新型綜合能源系統(tǒng)是一種利用區(qū)域微網(wǎng)技術(shù)，將傳統(tǒng)能源、可再生能源與清潔新能源結(jié)合起來，將風(fēng)能、電能、燃?xì)?、地?zé)崮堋⑻柲芗吧镔|(zhì)能等多種能源形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄M(fèi)者所需的電、氣、熱、冷等能量形式的新型供能體系[1-2]。它可以在保證較低成本及較高可靠性的同時(shí)，提高綜合能源利用效率，充分利用可再生能源，以滿足多元能源的需求，提升綜合能效。

因?yàn)榫C合能源系統(tǒng)建立起了互補(bǔ)耦合的電、氣、熱、冷等橫向多元能源與有機(jī)協(xié)調(diào)的縱向源、荷、儲(chǔ)、網(wǎng)等縱向各類環(huán)節(jié)的立體架構(gòu)，使得規(guī)劃設(shè)計(jì)初期綜合能源系統(tǒng)就已經(jīng)表現(xiàn)出其固有的復(fù)雜性。因此，如何對(duì)多種形式能源的互補(bǔ)性、相關(guān)性進(jìn)行有效利用，對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)[3-6]。此外，常規(guī)、單一的供能系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法已經(jīng)不再適合，急需進(jìn)行進(jìn)一步的創(chuàng)新和提升，這也是目前能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，有必要建立有效的綜合能源評(píng)價(jià)方法和體系，有效衡量綜合能源系統(tǒng)的實(shí)施效果。

本文綜合介紹了綜合能源系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)、作用及應(yīng)用，并結(jié)合其各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)在生產(chǎn)、應(yīng)用、研發(fā)過程中的熱點(diǎn)問題，深入剖析了其優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果，從而對(duì)綜合能源系統(tǒng)未來研究方向和發(fā)展趨勢(shì)提出了展望。

1 綜合能源系統(tǒng)概述

1.1 綜合能源系統(tǒng)理念

綜合能源系統(tǒng)，綜合是核心，具體是指以風(fēng)能、電能、地?zé)崮?、太陽能等為能源，包含?jié)能設(shè)備、電能替代設(shè)備及可再生能源設(shè)備的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)，其目的是滿足設(shè)計(jì)區(qū)域的熱負(fù)荷、冷負(fù)荷和電負(fù)荷。

綜合能源系統(tǒng)的系統(tǒng)全流程環(huán)節(jié)可概括為源、荷、儲(chǔ)、網(wǎng)四字。“源”指用于綜合利用的多元異質(zhì)能源，包括傳統(tǒng)能源（天然氣、石油等）、可再生能源（風(fēng)能、地?zé)崮?、太陽能、潮汐能等）和尚未開發(fā)利用的能源（地鐵排氣、淺層地?zé)?、城市污水等低品位溫差能?“荷”指用戶對(duì)電、氣、冷、熱等多元需求的實(shí)時(shí)響應(yīng);“儲(chǔ)”主要是指通過蓄冷、蓄熱、蓄電等多元儲(chǔ)能裝置，起承上啟下、實(shí)現(xiàn)多元能源的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)平衡的作用;“網(wǎng)”指的是熱網(wǎng)、氣網(wǎng)、電網(wǎng)等多元網(wǎng)絡(luò)的互動(dòng)耦合。

1.2 綜合能源系統(tǒng)的構(gòu)架

綜合能源系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)邊界與規(guī)模的差異，可分為用戶級(jí)、區(qū)域級(jí)和跨區(qū)級(jí)等層次。用戶級(jí)是指單個(gè)用戶產(chǎn)銷一體化的供能系統(tǒng)，因單個(gè)用戶的功能局限，其互補(bǔ)、互動(dòng)的靈活性也有限?？鐓^(qū)級(jí)是指廣域的能源互聯(lián)系統(tǒng)，以大型輸氣、電、油、煤等系統(tǒng)為骨干網(wǎng)架，可以有效破解廣域范圍上的能源供需失衡問題。綜合能源理念從夢(mèng)想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)，其在區(qū)域?qū)用嫔系木唧w化體現(xiàn)是區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，它既能有效保障系統(tǒng)的廣域擴(kuò)張，又可以有效發(fā)揮區(qū)域內(nèi)的多元產(chǎn)銷者的互補(bǔ)效應(yīng)。

2 綜合能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多能協(xié)同規(guī)劃設(shè)計(jì)及優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)

綜合能源系統(tǒng)的多能協(xié)同規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)，是指通過了解目前目標(biāo)區(qū)域的資源及經(jīng)濟(jì)情況，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多種能源資源的最佳組合方式和多種能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的最優(yōu)匹配手段的技術(shù)。

多功能協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)，是指通過負(fù)荷平準(zhǔn)化、總需求降低化等手段，使綜合能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度的技術(shù)。

2.2 智能化技術(shù)

綜合能源系統(tǒng)的智能化技術(shù)，是指智能采集、智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的能源信息，并且對(duì)相應(yīng)信息進(jìn)行智能分析處理的技術(shù)。目前，其先進(jìn)智能化技術(shù)主要包括非侵入式測(cè)量技術(shù)、群體化智能技術(shù)、支持綜合能源交易的智能合約技術(shù)等。

綜合能源系統(tǒng)的非侵入式測(cè)量技術(shù)中的非侵入式監(jiān)測(cè)終端，主要包括嵌入在智能網(wǎng)關(guān)或電表內(nèi)的終端、獨(dú)立非侵入式終端兩種。由于智能電表的傳輸容量和采樣頻率較低，因此嵌入在智能網(wǎng)關(guān)或電表內(nèi)的終端無法獲得高頻采樣數(shù)據(jù)，使其負(fù)荷分解精度比獨(dú)立非侵入式終端低。獨(dú)立非侵入式終端，實(shí)現(xiàn)高采樣頻率，以得到更完備的負(fù)荷特征，因此其分解精度更高，但其仍具有不可避免的缺點(diǎn)，施工成本較高。

群體化智能技術(shù)，是以用戶行為的智能推演技術(shù)為基礎(chǔ)，與智能化應(yīng)用場(chǎng)景相結(jié)合，對(duì)邊緣智能間的博弈與合作進(jìn)行充分利用所產(chǎn)生的智能化技術(shù)。

支持綜合能源交易的智能合約技術(shù)，是對(duì)用戶雙方間的任意交易行為中含有的義務(wù)與權(quán)利進(jìn)行劃分確定的技術(shù)，其以區(qū)塊鏈為基礎(chǔ)，由區(qū)塊鏈內(nèi)的多個(gè)用戶一同參與制定。

2.3 能源轉(zhuǎn)換技術(shù)

綜合能源系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，是指將一次能源轉(zhuǎn)變?yōu)槎文茉吹募夹g(shù)。其中的一次能源都是清潔能源，包括天然氣等非可再生能源和生物質(zhì)能、太陽能、風(fēng)能等可再生能源;而二次能源中最具代表性的是電能，它是最清潔方便、用途最廣的。其代表技術(shù)主要包括風(fēng)電轉(zhuǎn)換技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)和生物質(zhì)氣化技術(shù)、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)等。

2.4 儲(chǔ)能技術(shù)

綜合能源系統(tǒng)儲(chǔ)能技術(shù)，是一種能量高效存儲(chǔ)技術(shù)，其主要是指將一種能量通過儲(chǔ)能裝置轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N易于存儲(chǔ)的能量。綜合能源系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)主要有蓄冷技術(shù)、儲(chǔ)熱技術(shù)、儲(chǔ)氣技術(shù)、儲(chǔ)電技術(shù)四種。

2.5 能量梯級(jí)利用技術(shù)

能量梯級(jí)利用技術(shù)，是基于能源品位概念的“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”技術(shù)。常見的低品位能源主要包括工業(yè)余熱、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、太陽能等能源，低品位能源利用技術(shù)主要有生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)、溴化鋰吸收式熱泵技術(shù)、有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)、光伏光熱一體化技術(shù)等。

2.6 電能替代技術(shù)

電能替代技術(shù)主要包括以電代油、以電代氣、以電代煤等電能替代相關(guān)技術(shù)，其可以使清潔能源在能源消費(fèi)中的比例得到有效提升。近些年，電能替代技術(shù)在節(jié)能技術(shù)中的推廣正在快速發(fā)展。其主要可通過電極鍋爐、發(fā)熱電纜、空氣源熱泵、中深層地?zé)?干熱巖供暖等實(shí)現(xiàn)。

3 綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法

綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)以其內(nèi)在邏輯層次為基礎(chǔ)，首先確定規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)，其次調(diào)研和分析需求側(cè)和供給側(cè)層面的情況，然后對(duì)源、荷兩側(cè)的設(shè)備配置的系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行連接，最后對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面評(píng)估。

3.1 設(shè)計(jì)原則和規(guī)劃目標(biāo)的設(shè)定

綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定要因地而異、因需而定，并且應(yīng)遵循安全可靠、供需平衡、梯級(jí)利用和因地制宜等的基本原則，在滿足用戶訴求的基礎(chǔ)上，與區(qū)域政策環(huán)境、市場(chǎng)條件、能源結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)，而且與區(qū)域整體經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相適應(yīng)，既可立足于經(jīng)濟(jì)視角，又可立足于節(jié)能、減排等其他角度。

規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)的確定可為綜合能源系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)指明方向，建立能源規(guī)劃指標(biāo)體系。目標(biāo)的確定以區(qū)域能源系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以用戶人均能耗和相對(duì)值參數(shù)、能源消費(fèi)或碳排放率參數(shù)、區(qū)域能源結(jié)構(gòu)參數(shù)為依據(jù)，采用“金字塔”原則，結(jié)合區(qū)域情景分析用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法來確定城區(qū)減排目標(biāo)和規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.2 區(qū)域資源和氣候環(huán)境分析

區(qū)域氣候條件是負(fù)荷預(yù)測(cè)分析的一個(gè)重要影響因素，其主要體現(xiàn)為對(duì)需求側(cè)和供給側(cè)兩個(gè)方面的影響。其中，極端供冷負(fù)荷主要受氣溫和相對(duì)濕度因素影響，極端供熱負(fù)荷主要受氣溫參數(shù)影響。

區(qū)域可利用能源資源，尤其是可再生能源富存量的確定也在一定條件下受對(duì)氣象條件的深入分析的影響。一般情況下，區(qū)域內(nèi)可能存在多種可再生能源資源，因此其應(yīng)用應(yīng)考慮建設(shè)成本等因素，應(yīng)綜合考慮各類能源的分布、儲(chǔ)量和來源等情況，決定綜合能源系統(tǒng)對(duì)可再生能源利用類型的優(yōu)先級(jí)。在新區(qū)綜合能源系統(tǒng)的實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)過程中，一般以地?zé)豳Y源為核心，輔佐以光伏系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)。

3.3 需求側(cè)用能情況分析

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)供能的一個(gè)本質(zhì)特征是按需分配，因此系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是用戶狀況分析和需求側(cè)負(fù)荷預(yù)測(cè)。同一用戶的負(fù)荷需求類型在不同季節(jié)、不同時(shí)段上有所差異，而且不同類型用戶對(duì)不同能源負(fù)荷有不同需求。

在對(duì)區(qū)域整體負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，考慮到區(qū)域多類型用戶存在的不確定性，應(yīng)基于能量平衡原理，綜合考慮各種內(nèi)擾因素（用戶生產(chǎn)需求、生活需求和室內(nèi)人員數(shù)量等）和外擾因素（地理因素、太陽輻射和氣候條件等），建立符合動(dòng)態(tài)模擬法和應(yīng)用情景分析法的區(qū)域整體動(dòng)態(tài)負(fù)荷預(yù)測(cè)。

3.4 系統(tǒng)設(shè)備選型配置和技術(shù)架構(gòu)

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的設(shè)備選型配置和技術(shù)架構(gòu)是決定系統(tǒng)潛在節(jié)能減排效果的物理基礎(chǔ)，因此，其合理性和科學(xué)性至為重要，是當(dāng)前領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，因?yàn)閰^(qū)域綜合能源系統(tǒng)是多源-多荷-多儲(chǔ)-多網(wǎng)的耦合體，因此通過交叉匹配，其相互間可形成數(shù)量眾多的技術(shù)方案。近幾年，綜合能源系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化選型配置廣泛運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法。

3.5 綜合能源系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)

對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行客觀、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)是衡量系統(tǒng)優(yōu)越性和合理性的重要依據(jù)。但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的影響因素眾多，評(píng)價(jià)結(jié)果容易出現(xiàn)偏差，因此在建立系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系時(shí)確立全部評(píng)價(jià)指標(biāo)的切入點(diǎn)和確定合適的評(píng)價(jià)方法十分重要。

4 結(jié)論

綜合能源系統(tǒng)是源、荷、儲(chǔ)、網(wǎng)進(jìn)行耦合、互動(dòng)的一體化供能系統(tǒng)，其充分利用區(qū)域內(nèi)豐富的可再生能源和未被利用的能源，以需求側(cè)多元用能需求為出發(fā)點(diǎn)。其系統(tǒng)合理、科學(xué)的規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮多種因素的影響，注重人性化服務(wù)，滿足經(jīng)濟(jì)可行、結(jié)構(gòu)合理等要求，從而促進(jìn)其現(xiàn)代應(yīng)用和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]王偉亮，王丹，賈宏杰，等.能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的典型區(qū)域綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析研究綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016（12）：3292-3305.

[2]董瑞彪，劉永笑，黃武靖，等.基于綜合能源系統(tǒng)價(jià)值分析的能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商定價(jià)方法[J].電力建設(shè)，2019（11）：87-96.

[3]林曉明，張勇軍，陳伯達(dá)，等.計(jì)及多評(píng)價(jià)指標(biāo)的園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)雙層優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2019（20）：8-15.

[4]張洪陽，時(shí)振堂，張志鋒.電網(wǎng)故障下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制改進(jìn)與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2020（2）：299-305.

[5]程杉，趙孟雨，倪凱旋，等.考慮廣義需求側(cè)資源的微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電力，2020（2）：180-186.

[6]孫鵬，關(guān)琦，范元亮.計(jì)及綜合需求響應(yīng)的多能源系統(tǒng)調(diào)度研究綜述[J].節(jié)能技術(shù)，2019（5）：476-480.