2019年05月10日 | 区域综合能源系统规划研究综述

1、研究背景

综合能源系统根据地理因素与能源发/输/配/用特性可分为跨区级、区域级和用户级，而区域级综合能源系统作为承上启下的重要环节，涵盖电/气/热/冷等多种能源形式，并涉及能源的生产、传输、分配、转换、存储、消费等各种环节，是实现综合能源系统建设的关键。区域综合能源系统（district integrated energy system, DIES）规划需要打破行业壁垒，由各形式能源分产分供、独立规划模式转向多种形式能源联合规划，不仅要实现技术突破，也要破除政策、地域等界限。本文从多能耦合理论、负荷预测方法、技术经济性分析、规划优化建模与求解4个环节上对目前DIES规划研究工作进行归纳总结，并对未来的研究方向进行了展望。

图1  全文架构体系图

2、主要难点

DIES规划主要存在以下难点：

1) 多能耦合建模。DIES多能源间的耦合复杂，并广泛存在于源、网、荷、储等各个环节。准确、有效的多能耦合理论是支撑IES规划的关键，且需满足静态、动态、时延特性等多方面建模需求。

2) 多元负荷预测方法。DIES负荷预测需兼顾考虑电、气、热、冷等类型负荷及其相互耦合，且受到经济、气候、建筑布局、人口密度等多种因素影响，其预测难度远超任何单一形式能源系统预测。

3) 技术经济性评估。DIES是由多种能源转换设备、储能设备、供能管线及用户等组成的有机整体，需要对系统的整体技术经济性进行重新评估。如电解制氢等电转气(P2G)技术，单纯以燃气系统角度其不具备投资经济性，但在DIES中则可由于辅助可再生能源消纳的而产生附加价值。另外，DIES运营模式的多元化也会使技术经济性评估更加复杂。

4) 规划优化模型与求解。 DIES规划是多元素、多维度、多目标、多层次、非线性的复杂规划问题，建模与求解时需考虑连续、非连续、时变等特性，以及广泛存在于能源生产、传输、转换、消费等环节的各种不确定性。

3、算例与仿真

1）多种形式能源耦合理论研究

多种形式能源的耦合机理是实现DIES规划的首要问题。国际上对多能耦合模型理论的研究最早始于ETH Zurich在2005年IEEE PES Conference& Exposition上所提出的Energy Hub(译为能源集线器或能源枢纽)理论。该模型完整地构建了包含源、网、荷、储等各个环节的DIES多能耦合静态线性模型，并对耦合过程中的优化潜力进行了分析。

能源路由器 (Energy Router) 概念是由美国北卡州立大学 FREEDM中心的Alex Q. Huang提出的用于解决DIES能源耦合过程中信息流问题的模型。Energy Router侧重于DIES的通信、控制与管理。Energy Router从信息层面对Energy Hub提供支持，有利于促进未来DIES的进一步发展。

其他学者在DIES的非线性、动态特性、多时间尺度、不确定性等诸多方面进行了研究探索，对Energy Hub模型和Energy Router模型进行了发展。但目前总体尚处于探索阶段。

图2  多能耦合建模

2）负荷预测方法研究

DIES的用能需求是所有分散于区域内的能源消费用户用能需求的总和，因此对单个用户单元的影响因素往往也会对整个区域用能情况造成类似影响，比如建筑的物理特性、照明、用户行为、用能类型、建筑密度、布局、人口密度等。可将所有可能对DIES负荷造成影响的因素归纳为五大类:建筑室内条件、建筑设计特性、区域布局、本地微气候和社会经济性。

DIES负荷预测方法的研究成果归纳总结并划分为宏观类预测方法(top-down methods)和微观类预测方法(bottom-up methods)。两类方法相辅相成，优势互补，可依据具体规划对象选用合适的预测方法，或组合预测方法。

图3  DIES负荷预测影响因素

3）DIES技术经济性研究

目前，有关DIES技术经济性的研究热点主要集中在一些典型的设备，或者由两个及以上设备所组成的小型供能系统的技术经济性评估。其技术性评价的重点在于能源利用效率的改善与能量品位的提高，其分析方法基于热力学第一定律与第二定律。而经济性评估的重点则在于经济效益与节能减排，一般引用工程经济学理论进行评估。

在技术性方面，本文重点对能源利用效率、能量品位、污染物）排放量等方面的研究现状进行了总结。在经济性方面，则重点对CHP、CHP、P2G技术、能管线共通道等DIES最新的研究热点进行了总结。

4）DIES规划优化建模与求解研究

由于多能耦合密切，DIES的优化空间广泛。存在于源、网、荷、储等 各个环节。国内外对 DIES规划的早期探索主要集中于以某一种典型耦合设备(CHP和CCHP等)为核心或少数几种确定的设备组成的小型供能系统，以及“以热定电”等相关运行策略的制定，未充分考虑系统设备选型的优化空间。后续DIES规划一般基于Energy Hub理论，并通过分层建模求解实现设备选型选址定容与运行调度方案的协同优化。目前对DIES的规划工作基本上侧重于某一点，如能源站规划、能源网络规划、储能规划或综合需求侧管理等，尚未形成较成熟的源、网、荷、储一体化规划，对于各环节间的耦合与优势互补挖掘不足。综合目前的研究工作，完整的DIES规划应如下图所示。

图4  DIES源、网、荷、储一体化规划

4、总结与展望

DIES规划本质上是多元素、多维度、多目标、多层次、非线性的复杂规划问题。要破除行业壁垒，由过去分产分供、独立规划的模式转变为多能系统联合规划，未来的研究任重而道远。未来的研究工作仍需在以下几方面进行深入探索：

动态特性、多时间尺度特性

多重不确定性分析与建模

多能流安全分析与控制

市场机制与交易架构

原文发表在《电力系统自动化》2019年第43卷第7期，欢迎品读！