综合能源系统优化模型综述与文献计量分析

潘崇超，金 泰，李 娜，解玉磊

(1.北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083；2.国网综合能源服务集团有限公司，北京 100053；3.广东工业大学环境生态工程研究院，广州 510006)

综合能源系统是一种研究“电源、电网、负荷、储能”(源、网、储、荷)整体协调运行规划系统[1]，是中国乃至世界重要能源发展战略，是解决当前能源问题的最有效的办法。典型的综合能源系统主要由气储能装置、电制热/冷设备、冷热电联供设备、燃气锅炉、燃气轮机、热交换器、蓄电池、吸收式制冷机、储能装置等组成[2]，其结构如图1所示。综合能源系统可以有效地提高中国能源利用工作效率，实现可再生能源规模化开发，实现国家能源梯级利用，并稳健经济社会能源供用灵活性与安全性[3]。作为一种新型一体化能源系统，综合能源系统的发展对于破解世界所面临的能源需求激增、污染日趋严重等问题具有重要意义。

图1 综合能源系统基本结构示意图Fig.1 Basic structure diagram of integrated energy system

随着“互联网+与智慧能源”等技术的大力发展，美国发现综合能源系统(integrated energy system，IES)能够极大提高多能流协调转换效率，主要以冷热电联产(combined cooling heating and power，CCHP)技术的推广为目标[4]，提高清洁能源的使用比例，促进能源产业大力发展，这引起美国研究人员的高度重视[2]；在综合能源系统发展领域，加拿大承诺在2050年实现一个由综合能源系统关键技术支持的减排目标，但重点是在社区综合能源系统(integrated community energy system,ICES)研究和建设，为此，加拿大在2009年政府颁布一些法案来提高ICES研究、示范和发展[5]。欧洲各国通过欧盟框架计划在IES领域也开展了卓有成效的研究工作[6]，日本为了摆脱能源依赖进口的困境，也开始着力于IES相关研究，多能流协调转换解决了单一能源供应短缺的问题，缓解了能源供应压力；中国已经开展了一系列与IES相关的研发项目，且发行了一系列提倡发展综合能源的相关政策，并在这个领域与很多国家进行合作，包含应用到区级以及工业园区综合能源系统的技术及标准化研究[7]。

随着经济与科学技术飞速发展，中国的能源需求总量持续增长，现如今已成为世界第一能源需求国。但中国能源利用率，且一次能源使用占比较大，导致出现酸雨、雾霾、温室效应等诸多环境问题[8]。而且，中国现阶段仍处于工业化、城市化、大科技及经济发展的关键阶段，因此能源消费水平仍会持续增长，会逐渐形成能源危机[9]。因此，对综合能源系统进行仿真优化，探究经济环保、能效高的新型供能模式显得尤为重要[10]。首先，现总结中外的IES优化模型的研究，将其进行归纳整理，并进行适应性分析，探究建模方法的适应性「11」；其次，用文献计量分析法探究近10年IES研究领域期刊出版状况，掌握IES的热点研究问题[12]，对综合能源系统的未来发展做出展望。

1 中外IES优化模型研究进展

现阶段，IES优化研究主要集中在系统设备模型、运行策略选择、优化目标选择、优化方法等方面。针对不同地域、不同负荷，需选择合适的建模方法与运行模式[13]。目前中外很多学者对综合能源系统的优化做了深层次研究，分别对中外的研究进展进行阐述。

1.1 中国综合能源系统优化模型

在已提出的综合能源系统架构的基础上，中国学者展开大量研究工作。

以热电联供系统为代表的IES系统发展尤为迅速，热电联供模式可极大提高燃料利用效率，节省运行成本。张义志等[14]重点基于供热系统与热力管网特性，以电力系统为骨架，耦合供热系统稳态能流计算的精细化模型，以电热耦合综合能源系统运行成本最小为目标，建立电热耦合系统最优能流模型，并选取IEEE-33节点配电网与45节点热网组成的电热耦合系统开展典型案例研究。

能源互联网作为集成网络信息和智慧管理技术而架构电力网络、石油网络、天然气网络、热力网络等能源节点的多能流多向互动式能源系统，其优化运行方法和模型体系逐步受到重视。张宁[20]在系统分析能源互联网中能量枢纽中基本功能的基础上，建立了包含电、气、热三种能源的能量枢纽优化运行调度模型，获得了经济效益最佳，环保效果最佳，能源消耗最少的能量枢纽储能最优运行策略。

在未来综合能源系统场景应用过程，IES系统的标准化建模显得尤为重要。郑伟民等[21]分析了IES系统标准化建模流程，建立了以系统运行成本最小化为目标的区域综合能源系统优化运行模型，以某一区域的冷热电三联供系统进行案例分析[22]。侯瑞[23]考虑到当前的IES系统优化技术较为单一，提出了以年运营成本最低为目标涵盖运行层和规划层的区域综合能源系统的运行优化模型，运行层输出系统运行状态，规划层输出系统装备容量。魏大均[24-25]采用加权平均法构建考虑经济、环境、能源三个层面的IES模型，探究综合效益最优的运行模式；陈志彤[26]在原有IES系统的基础下，考虑可再生能源消纳对IES系统的影响，建立了计及光伏发电的IES经济调度优化模型，加入了光伏未完全消纳的成本，解决了可再生能源接入IES的管理及协调问题；文献[27]考虑到储能单元优化过程的静态转换问题，提出一种遗传算法与动态规划法结合的求解方案，根据综合能源系统在能源、环境、价格三个方面的性能特性评估构建目标函数，通过数值模拟验证了算法的有效性及高效性。

需求响应技术是综合能源系统的关键技术[28-29]，中国学者在此领域取得了突破性进展。王珺[30]考虑到需求侧响应，分别以能源供应商的收益最大，需求侧最小能耗为优化目标，采用两阶段优化方法构建规划运行模型。通过三种案例分析对比验证供需协调模型的优越性。杨海柱等[31]主要是利用弹性矩阵方法构建需求侧电气负荷响应模型，构建了以运行成本最优为目标的区域综合能源系统优化模型，通过五种运行方式进行案例分析，说明需求响应技术对于提高能源利用率具有巨大优势；许福鹿[32]也是利用弹性矩阵的方法构建电热负荷的需求响应模型，并通过试点案例的仿真分析验证了需求响应模型在供热效率及经济性指标方面的巨大优越性。

电转气(power to gas，P2G)设备实现了电-气的单向耦合，促进风电、光伏发电等可再生能源的消纳能力。文献[33]考虑到能源互联网的巨大优越性，将IES模型引入P2G设备，并以经济效益为优化指标，通过仿真案例，证明P2G装置提高了可再生能源的消纳能力与经济效益。文献[34]首先分析了P2G技术的运行机理，证明了P2G技术在IES领域的优越性，构建了经济效益调度优化模型，研究了储能等设备最佳调度方案。文献[35]主要研究P2G与CCHP，储能及可再生能源出力设备之间协同作用，讨论多种配置组合之间的经济性及高效性。通过粒子群算法对模型进行求解，求解结果证明电转气技术在一定程度上提高了可再生能源的消纳能力。文献[36]所研究的综合能源系统引入氢负荷需求，利用电解槽与甲烷反应器的实际运行特性，将P2G技术精细化处理，构建IES鲁棒精细化优化模型，展现了P2G技术与综合能源系统的耦合性。文献[37]通过分析P2G设备在不同应用场景下的经济效益。研究了P2G技术在未来能源领域的发展前景，证明P2G技术将更多的受益于国家能源政策。

1.2 国外综合能源系统优化模型

国外学者紧密围绕能源成本、一次能源消耗和二氧化碳排放等问题开展IES系统模型化研究。文献[38]提出综合能源服务系统在特定区域应以综合方式提供电能和热能，并建立了综合能源服务下城市能源系统多目标优化模型，以日本大阪市为案例从二氧化碳减排和化石能源减排的角度阐述了各种能源系统替代方案的作用；文献[39]构建了一个集成分布式多能源系统的优化模型，优化的目标是最小化简单回收期和最大化减少二氧化碳排放，并利用多目标粒子群算法进行求解分析；结果证明优化方法可用于确定分布式能源系统的优化设计，在不同建筑的经济性能和环境性能之间可以达成平衡。

为将区域综合能源系统的运行和维护成本降至最低，考虑时变负荷、电价和环境条件以及热CCHP系统设计框架，文献[40]提出冷热电联供系统短期运行规划模型，该模型以每日运营成本最小化为目标，以电能，冷热需求量及技术限制为约束，应用于工厂测试案例，并从解的质量、线性化精度和计算时间等方面证明该模型的有效性；文献[41]同时使用不同的原动机进行发电和供热及时变负荷、电价和环境等影响因素，提出了CCHP能源系统短期运行规划的详细优化模型,通过几家工厂案例测试，验证了模型在精度及时间上的巨大优势；文献[42]充分考虑了电厂设备运行和外部能源网络之间的相互作用，基于电厂设备具体效率矩阵，提出了小规模冷、热、电三联供系统自动耦合矩阵建模技术，应用于吸收式制冷机与电制冷机组合方案的动态规划优化运行案例。

2 优化模型与文献计量分析

根据综合能源系统优化研究领域一些典型优化模型的建模方法及求解方法[48-50]，了解各种优化模型适应性条件；通过文献计量分析方法探究该领域的研究热点，文献计量分析法作为收集期刊情报的重要工具，已被众多学者用来研究学科领域(大数据分析[51]、神经外科[52]、生态系统[53])的热点问题[54]。现以Web of Science及万方数据库为数据源，通过出版绩效分析获取领域内期刊数量变化,利用关键词分析把握热点研究话题；最重要的是通过合作关系展现各个国家或者机构之间耦合关系，形成合作团队可视化[55]。

2.1 优化模型分析

从目前中国外综合能源系统优化模型的研究现状可以看出，由于综合能源系统的复杂性，依靠经验理论的综合能源系统优化管理很难满足落地实施的要求。通过仿真模拟及数值计算架构综合能源系统模型已成为未来发展的必然选择[56]。依据经济效益最优、能源利用率最优、环保效率最优的基本原理，将综合能源系统的研究成果进行归纳整理。从研究方法来看，数值优化模型是利用计算机对综合能源系统目标函数及约束条件进行详细的描述，利用相关软件及算法确定可行域的最优解，从而做出最优决策。与启发式算法相比，混合整数线性或是非线性优化理论，求解速度更快，求解结果稳定性更高，利用支持向量机、深度学习等智能算法求解是必然选择，亦是大势所趋[57-58]；解析法是一种使用数学推导演绎来求解数学模型的方法，利用数学公式及数据进行求解，与计算机求解相比，解析法很难得到精确解。对已有综合能源系统模型归类整理如表1所示。

表1 综合能源系统优化模型归类Table 1 Integrated energy system optimization model classification

从IES数学优化模型及解析模型的建模特性可以看出，解析模型要想将IES中的CCHP、储能、转换及可再生能源出力设备之间耦合关系处理妥当，实现多能流的协调转换，必须在建模前对模型进行精细化及抽象化处理，将复杂的IES简单化。这也导致解析模型在IES优化领域应用范围有限，仅适用于设备及能流少的小模型，但也利于学者充分认识IES原理，了解系统内部变化情况，为后续深入研究打好基础；复杂的IES元素过多，元素之间的关系也过于密切，仍采用解析模型会导致求解精度低，实用价值差，研究意义不大；而数学优化模型虽然不能很好展现出系统最优调度的生成过程，不利于把握系统运行的变化规律。但它却可以完美适用于大型复杂的IES系统，将系统内部多元素耦合关系理顺。所以该领域的后续研究应综合利用两种建模方法，根据系统的复杂程度及求解对象选择适宜的建模方法。

2.2 出版绩效分析

过去10年在IES优化研究领域共发表期刊 2 601篇，包括英文2 227篇，中文344篇，其中核心期刊有929篇。图2显示了2010—2019年综合能源系统相关出版物的产出绩效特征，包括某一年的总出版量及总核心出版数量，核心期刊具有较大的影响力，且被索引次数最多，表2展示了核心出版的具体分布。总的来说，出版物总数的稳定增长趋势表明关于这一主题的研究有所增加；整个时期可分为两个阶段:第一阶段涵盖2010—2018年，出版物数量波动但仍稳定；第二阶段涵盖2019年及以后，该领域论文的发表数量在2019年出现明显下降。通过分析近年综合能源系统发展状况可以看出，虽然越来越多学者投入到IES优化研究领域，但随着研究不断深入，研究难度不断增大。例如能效提高效果不佳导致综合能源系统优化研究领域出现瓶颈，大部分优化研究背景过于理想化导致缺乏实用价值；同时，优化模型大多以经济效益为主，忽略了系统的协同性，适用范围有限，文献发表要求相应提高，出版数量相应变少。

图2 2010—2019年综合能源系统优化的出版产出绩效Fig.2 Publishing output performance of IES optimization in 2010—2019

2.3 期刊分布分析

表3展示了2010—2019年期间在IES优化研究领域最具影响力的前10种期刊的文献发表情况。可以发现，在过去的10年中，这10本期刊占了总出版物的30%左右，这表明它们是该领域的主流期刊。其中，AppliedEnergy一直是最具影响力的期刊，在该领域共出版180篇文献；其次是Energy(159篇)和EnergyConversion&Management(78篇)。Renewable&SustainableEnergyReviews虽然在总出版物数量上排在第9，但影响因子最高(10.556)。总的来说，以上4种期刊是对IES研究有重大影响的核心期刊，其他核心期刊对支持此类研究也很重要。此外，表2还提供了这些期刊在不同时期的变化情况。可以发现，这些期刊的总出版物在增加。一些已出版的期刊开始更多地关注这一领域，特别是JournalofCleanerProductio，在2010—2012年、2013—2016年和2017—2019年期间，其相关出版物分别为1、10和28种。相比之下，InternationalJournalofHydrogenEnerg的排名近年来有所下降；因为它是1990—1999年的第3名，2013—2016年的第10名，在2017—2019年间则降到了第15名。

2.4 合作网络分析

合作网络分析中的国家与机构分析是针对研究领域的学术互动，展现机构以及国家之间的合作关系。这里有来自世界各地不同国家和机构的众多研究人员，通过合作网络分析，可以观察该领域国际学术交流，了解IES优化领域科学界的组织。在合作网络中，节点可以是国家/机构/作者，链接代表它们之间的合作关系。本节的研究重点是关键机构和国家的合作网络。总共有242家机构在IES优化领域发表了超过5篇论文。其中有234家机构有合作关系。图3显示了这234家机构的合作网络。最大的集群由24个节点组成，其中最大的节点是华北电力大学，拥有108本出版物和41个合作伙伴。这个集群的成员主要是来自中国的机构。可以看出华北电力大学是该领域最具权威的机构，为中国IES研究提供理论基础，引领中国在该领域走上世界前沿。此外，排在第二的是清华大学，出版了103篇论文，还与65家机构有合作关系，与华北电力大学一样，为中国IES研究发展，提供巨大的帮助。

表2 核心期刊数据库详细出版状况Table 2 Detailed publishing status of core journals database

表3 前10名主要期刊Table 3 Top 10 key journals

近年来，越来越多的国家参与到综合能源系统的研究中来，各个国家相互合作极大地促进了综合能源系统的发展。全世界共有53个国家合作关系密切，图4展现了53个国家之间可视化合作网络图。其中，中国是最大节点，共发表476篇文献，且跟40个国家有合作关系；可以看出中国虽然不是率先提出IES的国家，但是中国研究人员，不断吸取中外学者在该领域的研究经验，在过往研究的基础上，不断取得突破，成为该领域的科研大国，为解决世界能源问题提供帮助，其次是英国和美国，分别有40和41个合作国家，与中国的合作关系也颇为密切，为IES研究提供理论指导，极大地推动了能源发展。

图3 机构合作网络图Fig.3 Organization cooperation network diagram

图4 国家合作网络Fig.4 Country cooperation network diagram

2.4.2 关键词共现分析

表4 前15个最常用的关键词Table 4 Top 15 most frequently used keywords

图5 关键词合作网络图Fig.5 Key words cooperation network diagram

表5 关键词集群研究主题Table 5 Keywords cluster research topic

3 优化模型展望

综合能源系统代表了能源发展的未来，虽然在提高能效、促进多能流协调运行及实现能源梯级利用等方面展现了巨大的优越性，但其多元化及可扩展性的特征，导致IES优化模型研究仍有很大的发展空间，通过上述的IES优化模型及文献计量分析，本节对IES研究未来趋势进行展望。

3.1 变效率优化模型研究

现阶段，大多数研究中的IES优化设备都采用定发热或发电效率的出力模型，虽然简化了求解难度，但是所求结果过于理想化，误差偏大；选择合适的原动机或者转化设备，探究出力效率与出力值的耦合关系。根据拟合函数构建变效率优化模型，提高求解精度是下阶段研究重点。

3.2 综合运行指标最优模式研究

目前多数IES优化研究仍局限于以“热定电”和“电定热”这两种运行模式，忽略了两种模式造成的经济成本过高、产能过剩引起能源浪费的现象。综合运行指标最优模式没有上述两种运行模式的刚性约束，系统各个时段的燃气发电机组功率、余热分配系数等运行参数完全由综合指标最优确定，整个系统由优化调度模块决策运行。在满足IES冷热电气负荷的基础上，以能源利用率、温室气体排放、经济性等效益最优为目标，通过启发式算法等优化调整得到各设备最佳出力策略，是该领域下一阶段的研究重点。

CTLA-4是一种表达于活化T细胞表面的跨膜蛋白,能够作用于免疫反应启动阶段，抑制T细胞免疫应答启动、T细胞增殖与活化，并降低机体抗肿瘤免疫反应[39]。目前抗CTLA-4的特异性单克隆抗体伊匹单抗和曲美木单抗已被FDA批准用于Ⅲ期黑色素瘤辅助治疗和晚期黑色素瘤治疗，伊匹单抗和曲美木单抗在肾癌、前列腺癌和肺癌等临床研究已广泛开展[40-43]。在治疗中伊匹单抗和曲美木单抗两种单抗无论是单药还是联合IL-2、PD-1/PD-L1抑制剂或化疗均显示安全有效。

3.3 储能设备容量模型研究

CCHP系统是综合能源系统的核心，大多数研究只是考虑到它可以实现冷热电等多能源协同供应，但忽略了储能设备对综合能源系统的影响，导致能源浪费、多能流耦合不稳定、需求侧负荷调度配置不灵活等问题。如何完善综合能源系统结构配置，利用储能设备协调各设备出力比例，实现多能源灵活调度，协调转换及供应，形成低能损、高能效、高灵活性的综合能源系统供能模式，是下阶段研究难点

3.4 多种可再生能源出力模型研究

可再生能源是中国能源领域的重点研究对象，以往的大多数研究忽略了可再生能源出力对综合能源系统的影响，部分研究学者也只是局限于风能和太阳能消纳出力。将生物质能与地热能等多种可再生能源融入IES，针对多种可再生能源出力进行详细建模，提高可再生能源的消纳能力是下一阶段研究难点。

3.5 综合能源系统模型的模块化开发

根据现有的技术及计算方法，已经建立了很多优化模型，但目标过于宽泛，定位不够明确，导致影响因素过多，结果过于理想化。对于庞大且复杂的综合能源系统，根据具体情况，针对某一点进行详细优化处理，从小模块做起，通过构建一个个“小”模型形成一个完善的综合能源系统，是下一阶段重点研究内容。

3.6 IES优化模型的低碳环保约束研究

现有的优化模型，多以运行成本最低或能耗最小为优化目标，将经济、能源两方面作为首要研究目的，很少考虑到环境污染的层面；现如今随着科技不断进步，一系列环境问题接踵而至；将环保(碳排放、CO2排放等)指标作为衡量标准进行建模优化，是下一阶段的研究重点。

3.7 综合能源系统的不确定分析模型研究

综合能源系统的优化模型是利用数据监测系统来收集数据，这个过程不确定因素较多，且为了模拟的正常运行，数据取值过于理想化，导致优化结果产生误差，实用性欠佳；研究误差的规律，从而尽可能地减小误差，开展综合能源系统模型的不确定性分析，是下一阶段的研究重点。

3.8 综合能源系统的供能模式提升

通过文献计量分析结果可以看出，中外越来越多学者研究开发CHP、CCHP等综合能源系统耦合装置，目的就是改善供能模式，提高能源利用率，实现能源梯次利用，这极大说明了供能模式提升的必要性。

3.9 综合能源系统的分析模型

4 结论

梳理了中外典型综合能源系统优化模型，并结合文献计量分析方法探究该领域的研究热点及发展趋势，从中可以看出综合能源系统的优越性及对综合能源系统进行模拟优化的必要性，并得到以下几点结论。

(1)从综合能源系统优化模型归纳中可以看出，大多数模型都属于计算机求解的数学优化，仅靠简单的数学公式计算及方程推导，已经满足不了综合能源系统研究的需求。随着研究深入，像非线性规划问题的这类复杂模型越来越普遍，必须依靠计算机软件进行仿真模拟或者编程计算来求解。

(3)文献计量分析方法仍存在一些局限性：①研究方向分析过于宽泛。例如，模型求解算法大体分为启发式算法及混合整数线性规划理论，可以针对各种求解算法展开精细化分析。②本文中研究的数据从WOS及万方数据库中收集的，数据来源的范围可以扩展到将来研究的任何语言和其他引用信息的选择，如Scopus和Google Scholar。进一步的研究应该会减少这些限制。