多能互补综合能源系统运行优化建议

刘 宁，邵 山，罗玉琴

（1.河南平高集团有限公司，河南 平顶山 467001；2.湘潭电机股份有限公司技术中心，湖南 湘潭 411100）

多功能互补并非一个全新的概念，其实早在20世纪中后期就已被提出。随着能源开发力度的逐渐增加，世界范围内能源物质短缺愈加严重，人们开始探索更有效的能源利用方式，对于多能源互补的研究进度才逐渐加快。多功能互补是能源领域中的一个混合概念，贯穿于能源开发、利用和管理。在自然环境中，能源以多种多样的形式存在，其开发和利用思路基本一致，即通过能源形式的不断转化，使之成为可以直接利用的能源存在形式[1]。但是，单一能源的转化率是极为有限的，几乎不存在百分百的利用形式，因此通过多能源协调互补机制来提高能源利用效率，是缓解能源短缺和需求增加矛盾的重要途径。

每一种能源利用形式都具有自身的系统性，比如煤矿的利用系统就是通过受热后燃烧使化学能向内能转变，然后内能再向机械能或其他能源形式转变[2]。但是，单一的能源利用系统具有特异性，这使得各种独立的能源系统无法有效协调，进而导致整体协调性较差、能源利用效率偏低。多能源护理的核心理念就是通过协调各种能源供应系统的特异性，使彼此之间实现配合，降低或消除能源供应环节的不稳定性，从提高能源利用率，实现不可再生资源的安全消纳。

1 多功能互补的可行性分析

随着科学技术的不断发展，能源监控技术、控制技术和管理技术不断完善，各种新型的能源利用系统被开发和广泛应用，不同能源之间耦合越来越紧密，基本实现了多能源功能利用状态下的能源优势互补[3]。

综合能源系统是多能互补在区域能源供应中重要的实现形式，通过能源源、能源网、用能点等协调和紧密互动，实现功能系统的全面科学分析、设计和运行。这与计算机技术的发展有密切联系。

通常，综合能源系统一般涵盖供电系统、供热系统、供水系统以及其他基础能源供给系统[4]。多能互补系统的构建核心就相对单纯，通过优化能量生产、传输、存储和管理等几个方面，在充分考虑系统稳定性的基础上，实现各个能源系统的协调与配合，以集成化的方法提高能源利用效率，进而降低生产成本。

2 多能互补综合能源系统建模

2.1 静态建模

静态建模是反映多能互补综合能源系统运行的基本思路。在静态建模中，能源集线器模型极为重要，其是反映能源系统间能源形势静态转换、存储和传输的环节，最早由瑞士苏黎世联邦理工学院的研究团队提出[5]。静态建模能够将综合能源系统内各系统的耦合关系进行良好描述，同时可以直观地进行系统规划、分布式能源系统管理、地区能源供给需求管理、区域能源调度规划等，其是基于宏观模式下的一种系统建模思路，是系统设定前的规划。

2.2 动态建模

动态建模是基于综合能源利用系统中能源转化和使用监控管理的一种思路，与静态建模不同，动态建模针对的是微观的能源利用问题，其处理的是能源传输、利用过程中每一个点的管理和运用形式。其需要考虑到系统的特点和能源自身的特点，比较依赖集线器和连接器模型[6]。

动态建模描述的是能源系统中能源利用问题，比如在某一个节点能源的消耗量和能效，然后通过优化每一个节点的能源利用，促进整体能源能效的提高。

3 多能互补综合能源系统研究

3.1 区域多能互补

从整个能源系统出发，可以确定的是不同能源形式的耦合会对能效产生一定的影响，其中冗余能流路径提供的一定自由度为多能协同优化提供了空间。构建不同能量系统之间的协调机制，可有效改善不同能源在不同供能背景下的时空间平衡，从而提高能源的综合利用率，降低系统运行成本，保证能源供应系统的稳定性。其中，多能量载体的规模化和集成化管理可利用是实现区域多能互补的核心问题，也是近年来能源科学研究的重点问题。

3.2 家庭式能源智能管理

家庭式能源智能管理指的是从用户角度实现的多能互补方式，以家庭为例，家庭生产环境中需要运用到的能源形式有电气、冷、热、天然气，如果能够在用户端（用能端）实现多能源的交互和耦合，将极大地提高能源的利用效率，同时也为用户的能源利用提供了更多的可靠选择，这也推动了能量流、信息流、业务流等特性各异的物理对象的融合。

未来的综合能源系统不再是由供给侧到用户侧的单向能量传递，能源用户也由过去的能源使用者转换成能源消费者和服务商，传统能源系统中供给者、消费者的概念被淡化，取而代之的是综合能源系统供需双侧的智能交互[7]。

3.3 多种储能的控制方法和配置策略

现阶段，按照时间尺度来划分，电储能一般用于“低储高发”、联络线功率控制和电能质量治理三个方面，经济效益在峰谷电价差和延缓电网升级两方面。由于供冷是非时变的，储热没有套利空间，一般用于与CCHP 机组协调调度，优化CCHP 机组的运行状态，使以热定电的CCHP 机组可在用电峰时段多发电，燃气锅炉运行在效率较高的状态，在用电谷时段停机由储能供热，显著提高机组的经济效益。另外，对于电制冷机组，其经济效益与实时电价关系密切，加入蓄冷可以显著降低电空调的运行成本，减少电制冷机组的配置容量。

4 多能互补在综合能源系统中构建的重点

4.1 多能互补协同运行调度

多能互补综合能源系统中，能源的调度和优化配置一直是核心问题，是实现多能互补系统构建和市场效益的基础。通过多个能源系统的协同机制，人们可以实现能源的高效利用和高能产出，进而缓解区域能源紧张问题。

虽然多能互补的协同运行能够带来极高的经济效益，但是这也意味着风险的扩大，当多能互补耦合性较强时，多能互补的综合能源系统内能源的流动性不再是单向的，而是存在多向互动，如果某一环节出现问题，就会发生故障传递效应，使损害结果扩大。

因此，多能互补的协同运行调度是构建多能互补综合能源系统的核心问题之一，只有通过良好的调度，将故障发生率锁定在最小范围内才能最大限度发挥多能互补的优势。当然，相应的风险评估机制也是多能互补调度的重要环节。

4.2 多能互补协同风险评估机制

在多能互补协同综合能源系统构建过程中，由于故障风险具有可传递的特征，因此需要构建相应的风险评估机制。同单一能源供应系统相比，多能互补的能源风险评估机制相对复杂，需要综合各种能源系统、市场、管网等多方信息，严格计算投入、产出比以及风险发生率和风险发生后的损害范围、损害程度，在诸多方案中找到最符合经济性、安全性、可靠性、市场性特征的风险管理机制。当然，由于多能互补综合能源系统中不确定因素的增加，想要精确评估运行风险的难度较高，可以引入弹性概念，允许合理的风险存在。

4.3 用能替代的综合需求响应

对于多能互补系统，用户参与需求响应的手段不仅限于传统的电能削减和在时间上的平移。用能替代正逐渐成为综合需求响应的一个重要方式，能量的替代使用可降低用户侧的用能成本，在满足用能需求的前提下响应各个能源系统的调度期望，可观的响应收益为用户相应行为提供充足的驱动力。但是，当前调度、规划以及市场的研究中，很多都忽略了这种新的用户响应形式。

4.4 能流计算

能流计算是多能互补综合能源系统中静态模型和动态模型的共通点，也是系统构建和管理的核心内容之一。现阶段，实践作业一般采用改进的能源集线器模型，考虑耦合单元作为平衡节点对于电力网络和天然气网络潮流的影响，形成该系统适用的潮流求解算法。相应的研究可分为统一求解法和解耦求解法两类。采用统一求解法时，需要建多系统的混合模型，然后在统一的框架下建立包含多个能网状态的潮流方程，对系统综合潮流进行求解，在算法求解方面往往要求较高。而解耦求解法需分析不同模式下多个系统的耦合关系，将电力潮流与天然气以及热力系统解耦计算，因此可以在原有独立的潮流计算模块上增加能源耦合分析模块来实现，计算难度较小。

5 结论

随着能量需求呈现多样化和分布化趋势，以多能互补为中心的综合能源系统理论研究和工程实践也逐渐展开，然而在实践和研究过程中，各子系统通过大量的异质元件耦合，耦合元件在不同的管理模式、运行场景和控制策略下相互影响，呈现不同的电气、热力、水力特性，对所耦合的能源系统产生强烈的非线性、不确定的影响，综合能源系统无论在科学研究还是工程应用方面仍面临着巨大的挑战。为进一步提高用能效率，促进多种新能源的规模化利用，多种能源的源、网、荷深度融合和紧密互动又是未来能量系统发展的必然趋势，因此在未来的很长一段时间内，能源科学领域中，多能互补综合能源系统的研究将一直是热点问题。