多能互补综合能源电力系统的建设模式初探

2021-04-03时盟庄镇宇姚晶

中国设备工程 2021年11期

时盟，庄镇宇，姚晶

（1.徐州供电公司配电运检室；2.国网徐州供电公司，江苏徐州 221000；3.江苏徐电建设集团有限公司，江苏徐州 221005）

在科技助推下，我国经济发展速度迅猛，电力行业趁势也取得了瞩目成就。在社会用电资源总量逐年攀升的背景下，电力企业要走高效能源利用之路，需要在电力系统建设中寻求新技术的应用。多能互补能源电力系统的出现，为提高多能源协同利用率，促进可再生资源的最大化应用，提供了新的契机。

1 多能互补综合能源系统概述

传统能源开发利用受制于自然环境因素，在能源总量及能源生产消费上逐渐式微，而以太阳能、风能为代表的可再生能源，在能源产业转型升级及能源供需体系构建方面开始发挥其引导作用。在二次能源及可再生能源的生产及输配中，电能占据核心枢纽作用。基于此，电能系统由传统模式走向多能互补综合能源电力系统模式，成为能源革命的目标方向。

多能互补综合能源系统以分布式能源技术为支撑，对电能、太阳能、水能、燃气能源等进行整合，从而达到多区域多能源同步供应的效果，在多能源互补优化中，使可再生能源最大化利用。各种能源的综合利用均可以转化为电能，以缓解电力系统能源供应缺口。但从技术性上看，多能互补能源系统带有多特性，强随机性及复杂变量属性，在范畴上归属于非线性系统。综合能源电力系统与各类能源之间存在耦合关系，也深入融合了能源及信息系统。因而，多能互补能源系统在规划层面上更加复杂，涉及了一系列理论及实践研究。概言之，多能互补综合能源电力系统与多能源耦合系统及能源互联网等存在相关性，但在侧重点及面临的问题难点上有所差异。综合能源电力系统主要技术应用范围及聚焦点应放在电力系统建设层面，在电力系统网络及技术进步中，研究综合能源电力系统建设模式的多场景性。

2 多能互补综合能源电力系统建设的可行性

多能互补综合能源电力系统构成类型多样，涵盖了供热、供水、供电及其他基础能源供给系统模块。多能互补技术与能源领域技术发展保持同步性，如随着能源监控技术的发展进步，多能互补技术在实施中就可以获取大量数据参数。此外，在多能源能量生产、汇集、存储、传输、应用过程中，集成技术及自控化技术的引入，可以在稳定能源系统、加强能源系统协同效果以及提高能源利用率方面起到技术保障作用，为电力行业生产成本控制提供便利。

3 多能互补综合能源电力系统建设的主要考虑因素

电力系统覆盖的电力服务半径极为广泛，除了对社会企业组织及工农业生产园区进行电能供给外，还需要围绕城市区间开展优质电能传输服务。在建设多能互补综合能源电力系统时，对城市能源结构进行分析应作为主要参考因素。城市供能环节，多能互补综合能源电力系统在使用输电系统线路传导电能外，对城市周边楼宇可再生能源进行机组并网，然后，借助热电联产机组供热而输出电功率，也是实现电能供应的重要形式。但由于城市体量大，综合能源电力系统需要承担日常用电、工业用电及商业用电，电力负荷压力不小。为此，对城市能源结构进行分析，在此基础上测算电力系统及可再生能源系统的电能消耗，据此来判定城市热力负荷规律，这对是否建设多能互补综合能源电力系统有直接影响。

4 多能互补综合能源电力系统的建设模式相关思考

4.1 城市多能互补综合能源电力系统建设模式

城市日内能源负荷通过测量电负荷最大值、热负荷最大值、冷负荷最大值及气负荷最大值，然后采用归一化处理方式，可以得出负荷曲线。在负荷曲线中找出不同能源负荷存在的时间耦合关联。经研究，在日间时段，电负荷及热负荷能源需求高峰时间具备较高的重叠度；在晚间时段，气负荷能源需求用量攀升到最高值。从中可见，电负荷及热负荷能够在能源供应及使用时间上进行互相补充协调，在日间时段，在电力系统热电负荷供给上，可以采用燃气机组，在晚间时段，可以通过天然气储存能源进行电转气，或者设置电采暖设备进行供暖。在城市多能互补综合能源电力系统建设模式上，为了节约成本，提高效率，可以在当下变电站基础上设置综合能源站，从而降低电力系统与可再生能源系统网络之间的耦合难度。一方面，在原有电力系统内部设置变压器区、可再生能源发电区、热量能转化耦合区、电动汽车充电区、电热气能源储备区等，综合多种能源形式，通过集中建站模式，确保在不对电力系统做较大改造的基础上，融合传统电能及其他多种能源；另一方面，加设安装信息化控制系统模块，如数据信息采集系统及自动化监控控制系统等，实现对多种能源的有效调度。

4.2 工业园区多能互补综合能源电力系统建设模式

在城市经济发展过程中，工业及农业生产起到了基本的推动作用，在国家及地方大力优化产业结构的背景下，工业园区及业态结合体在数量及规模上迎来了高速扩展。工业园区相比城市，在能源需求上不遑多让，特别是在水资源、电资源、气资源及其他配套资源的应用上体量较为庞大。为此，应对区域工业园区发展规模及能源需求进行分析。首先，从园区生产供能方式上看，电能资源可以做到持续稳定供给，但资源的利用率达不到最优化。在园区能源使用量持续增加下，除了园区在产业结构上进行优化外，还可以借助风能、太阳能、天然气等可再生资源，结合冷热电联供技术，构建综合能源电力系统。其次，工业园区在能源需求上存在用能较为集中，对电能质量要求较高的基本特点，通过获取园区电负荷及热负荷的高峰时段曲线，根据时段来界定能源利用类型，然后，在电及热等能源负荷上进行协调互补。例如，白日时段可以采用光伏发电技术，同步使用冷热电联产机组实现电热能源的供给，夜间时段采用燃气机组及电转气装置进行分布式风电资源的调取和使用，达到取暖效果。第三，工业园区多能互补综合能源电力系统建设规划中，主要通过冷热电联供对可再生能源进行发电，如此能够极大地保障园区内所用能源的清洁性。具体到综合能源电力系统的架构设计上，主要综合多能源供给，如风电机组、光电机组、配电系统等；多元储能，如热、电、气储存装置；多能流耦合，如电转气、燃气锅炉、冷热电联产机组等几个部分，实现对电负荷、热负荷、冷负荷、气负荷的调度及使用。

4.3 做好多能互补综合能源系统的优化

多能互补综合能源系统在系统容量的确定上主要采用了MRM方法，这一方法主要考虑到能源用户的负荷需求，但少有对运行成本要素的考量，为此，应优化MRM方法。从相关研究上看，随着遗传算法的成熟，将之结合应用到MRM法中，可以获取原动机容量、电制冷比系数、太阳能发电面积占比等变量，进而对多能互补能源系统设备容量进行优化。例如，在多能互补能源系统不同负荷区间选取参数，如频数等，使用解析法进行统计，可以得到综合能源系统满负荷运行的时数，然后结合经济效益等因素，再确定相应的优化方案，实现对多能互补能源系统中热泵与燃气三联供设备最优化容量设计。而在多能互补综合能源系统模型的构建及优化上，可以参考相关研究理论。例如，根据能量类别，以不同类别能量传递形式作为依据，然后使用集中母线形成多能互补综合能源系统，借助混合整数线性规划，灵活调节多能互补能源系统各设备运行状态及运行方式，在保证系统技术稳定性的同时可以提高运行经济性。再比如，使用Matlab软件对多能互补综合能源系统混合整数规划进行求解，确定各供能机组在调度周期的最佳运行方案等。随着科技进步，如机器学习技术、人工智能技术、人工神经元网络技术、机器学习技术、智能控制技术、大数据技术等，在多能互补综合能源系统的非线性及多目标需求满足上提供了可靠支撑。在多技术辅助下，准确预测电、气、冷、热等负荷需求就不再困难，在复杂大数据的处理上也会相对更加容易。