摘要

構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系是能源革命、《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的共同目標(biāo)和要求。在此背景下,綜合能源系統(tǒng)的理念應(yīng)運而生,它是電、氣、熱、冷等各類能源統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一調(diào)度的綜合性能源系統(tǒng)。目前,綜合能源系統(tǒng)的系統(tǒng)建模是能源領(lǐng)域研究的熱點問題,但已有研究大多是圍繞某一特定/假定的區(qū)域能源系統(tǒng)進行建模,對綜合能源系統(tǒng)的典型架構(gòu)和系統(tǒng)模型尚缺乏統(tǒng)一的定義和梳理,同時對綜合能源系統(tǒng)的效益評價體系研究仍處在起步階段。在已有研究基礎(chǔ)上,提出了區(qū)域型綜合能源系統(tǒng)的典型物理架構(gòu),圍繞系統(tǒng)中的獨立型設(shè)備和耦合型設(shè)備構(gòu)建了對應(yīng)的物理和經(jīng)濟模型,并對當(dāng)前綜合能源系統(tǒng)的效益評價指標(biāo)體系和評價方法進行了梳理,提出了未來綜合能源系統(tǒng)建模及效益評價體系研究領(lǐng)域的研究重點和發(fā)展方向,以期為相關(guān)研究和項目落地提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 : 綜合能源系統(tǒng); 獨立型設(shè)備; 耦合型設(shè)備; 物理和經(jīng)濟模型; 效益評價;

0引言

當(dāng)前,我國能源轉(zhuǎn)型面臨著需求放緩、傳統(tǒng)產(chǎn)能過剩、環(huán)境問題突出、整體效率較低等問題[1]。為此,習(xí)近平總書記提出能源革命發(fā)展理念,明確國家能源安全新戰(zhàn)略,要求建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。在此背景下,綜合能源系統(tǒng)應(yīng)運而生[2],其理念突破了傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的技術(shù)、市場和管理壁壘,是電、氣、熱、冷等各類能源統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一調(diào)度的綜合性能源系統(tǒng),對于推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,推進我國能源革命具有重要意義。綜合能源系統(tǒng)勢必將成為未來能源系統(tǒng)的主要形態(tài)。

當(dāng)前,國內(nèi)外對綜合能源系統(tǒng)的概念、物理架構(gòu)及相關(guān)模型已經(jīng)進行了較為深入的研究[3-4],但已有研究大多是針對某一特定/假定的區(qū)域能源系統(tǒng)進行建模,對綜合能源系統(tǒng)中各類典型物理設(shè)備及其數(shù)學(xué)模型并未進行系統(tǒng)性的梳理和總結(jié)。同時,當(dāng)前還未建立起適用于綜合能源綜合效益評估的理論體系,對系統(tǒng)能夠帶來的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益還停留在概念設(shè)想階段。為此,本文在國內(nèi)外相關(guān)研究和探索的基礎(chǔ)上,對綜合能源系統(tǒng)的基本架構(gòu)、系統(tǒng)模型和綜合效益評價體系等方面總結(jié)分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及理論成果,梳理當(dāng)前研究的不足并展望未來綜合能源系統(tǒng)建模和綜合效益評價的重點研究方向和關(guān)鍵問題。

1 綜合能源系統(tǒng)典型物理架構(gòu)及設(shè)備

當(dāng)前,國內(nèi)外已有研究中提出了能源互聯(lián)網(wǎng)[5]、能源集線器[6]、泛能網(wǎng)[7]等均是綜合能源系統(tǒng)的表現(xiàn)形態(tài),在系統(tǒng)的基本物理架構(gòu)和設(shè)備層面,各類形態(tài)的綜合能源系統(tǒng)基本一致,包括電、熱、冷、氣各類能源的生產(chǎn)、傳輸、存儲和消費設(shè)備。根據(jù)已有研究中各類綜合能源系統(tǒng)架構(gòu),可歸納出綜合能源系統(tǒng)的基本物理架構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架示意圖

Fig. 1 Framework schematic diagram of integrated energy system

按照設(shè)備承載的能質(zhì)類型進行分類,綜合能源系統(tǒng)中各類設(shè)備可以分為獨立型設(shè)備單元和耦合型設(shè)備單元,獨立型設(shè)備單元中電/熱/氣/冷維持自身特有的能質(zhì)屬性,不存在異質(zhì)能流之間的耦合轉(zhuǎn)化和互補利用,耦合型設(shè)備單元則可以實現(xiàn)電/熱/氣/冷相互間的轉(zhuǎn)化利用,各類設(shè)備單元及其主要物理參數(shù)如表1所示。

2 綜合能源系統(tǒng)物理及經(jīng)濟性建模

2.1 獨立型設(shè)備單元建模

2.1.1 獨立型電力設(shè)備單元建模

綜合能源系統(tǒng)中的獨立型電力設(shè)備單元主要包括光伏DG、輸配電網(wǎng)絡(luò)、儲能電池等,此類設(shè)備只生產(chǎn)、傳輸、存儲電能,是綜合能源系統(tǒng)重要的組成部分[8-9]。

1)光伏DG模型。

光伏DG的物理模型[10]通常表示為

式中：CPVCPV表示光伏DG的成本項,包含初始投資成本CinvPVCPVinv、安裝成本CinsPVCPVins和運維成本CopePVCPVope;BPVBPV表示光伏DG的收益項,包含發(fā)電上網(wǎng)收益(即上網(wǎng)電量EonPVEPVon乘以上網(wǎng)電價ponPVpPVon、賣電收益(即交易電量EsePVEPVse和交易電價psePVpPVse的乘積)以及節(jié)約的購電成本(即自發(fā)自用電量EconsPVEPVcons乘以購電電價ptpt)。

表1 綜合能源系統(tǒng)典型設(shè)備單元及其物理指標(biāo)

2)輸配電網(wǎng)絡(luò)模型。

輸配電網(wǎng)絡(luò)傳輸電力的物理模型通常由下 式[12-13]表示

3 綜合能源系統(tǒng)效益評價模型

3.1 綜合能源系統(tǒng)效益評價指標(biāo)體系

現(xiàn)階段,關(guān)于綜合能源系統(tǒng)效益評價的研究還相對較少[47-48]。在已有的研究中,文獻[49-50]對CCHP系統(tǒng)、燃氣輪機系統(tǒng)等進行效益評價,并分別選取系統(tǒng)投資費等、一次能源消耗量等、NOx等作為評估綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟、能耗、環(huán)境效益的評價指標(biāo)。該文構(gòu)建的能源綜合效益評價指標(biāo)體系涵蓋了綜合能源系統(tǒng)能夠帶來的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益等3個方面的效益情況,但二級指標(biāo)設(shè)置較少,尚不能全面、深入地反映綜合能源系統(tǒng)能夠帶了的效益情況。文獻[51]分別從能源環(huán)節(jié)、裝置環(huán)節(jié)、配網(wǎng)環(huán)節(jié)和用戶環(huán)節(jié)建立了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)效益評價指標(biāo)體系,并將反映經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益等指標(biāo)融入各環(huán)節(jié)中,具體評價指標(biāo)如表2所示。

該文考慮了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部能源之間的耦合關(guān)系,且能夠比較全面的反映綜合能源系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益,但是該指標(biāo)體系選取指標(biāo)的顆粒度還不夠細,涵蓋的效益指標(biāo)還不夠

表2 考慮各項環(huán)節(jié)的綜合能源系統(tǒng)評價指標(biāo)體系

Tab. 2 Evaluation index system of integrated energy system considering each step

全面,如并未考慮天然氣管網(wǎng)、熱力管網(wǎng)等的負載率,也未將投資收益等經(jīng)濟性指標(biāo)考慮在內(nèi),仍有待進一步的豐富和完善。

此外,文獻[52]將評價指標(biāo)分為外部性指標(biāo)和內(nèi)部性指標(biāo),外部性指標(biāo)主要從環(huán)境外部性指標(biāo)(包括供電電壓合格率、供電頻率合格率等)、社會外部性指標(biāo)(包括單位投資的就業(yè)人數(shù)、用電收入/支出的變化等)、經(jīng)濟外部性指標(biāo)(包括電壓分布改善、線路損失降低等)和能耗效率指標(biāo)(包括物理—熱量、經(jīng)濟—熱量等)4個方面進行劃分;內(nèi)部性指標(biāo)主要根據(jù)財務(wù)指標(biāo)(包括凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率等)的標(biāo)準(zhǔn)選擇。但該文獻所提指標(biāo)體系的問題在于較多的選取了綜合能源系統(tǒng)中與電力相關(guān)的指標(biāo),對天然氣、熱力、冷等其他能源相關(guān)效益指標(biāo)考慮不足。

相較于國內(nèi)考慮的各環(huán)節(jié)、各類型效益指標(biāo),國外對綜合能源系統(tǒng)的效益評價大多沿用傳統(tǒng)的評價指標(biāo),即以綜合能源系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)(投資及運行成本、凈現(xiàn)值NPV、內(nèi)部收益率IRR、投資回收期PP等)、氣體減排指標(biāo)(CO2、SO2、NOX排放量)和化石能源消耗量等指標(biāo)衡量綜合能源系統(tǒng)的投資價值和環(huán)保效益[53],簡潔明了且操作性強。文獻[54]以電-熱耦合利用的CHP熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象,采用技術(shù)經(jīng)濟評價方法,構(gòu)建了相對完整的投資效益評價指標(biāo)體系,提出了各評價指標(biāo)的計算公式、表征含義和應(yīng)用局限性。

從現(xiàn)有的研究成果來看,國內(nèi)外已對綜合能源系統(tǒng)效益評價指標(biāo)體系展開研究,但能夠應(yīng)用于實際工程評價的綜合能源效益評價指標(biāo)體系及其評價標(biāo)準(zhǔn)尚未完全建立。

3.2 綜合能源系統(tǒng)效益評價方法

在綜合效益評價方法設(shè)計方面,國內(nèi)外常用的綜合評價方法包括灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS法、AHP法、熵權(quán)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、支持向量機算法以及其他智能優(yōu)化算法等[55-56]。

文獻[49]采用AHP-熵權(quán)法對綜合能源系統(tǒng)的綜合效益展開評價,即在主觀(ωj1ωj1表示AHP確定的指標(biāo)權(quán)重值)與客觀(ωj2ωj2表示熵權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)重值)賦權(quán)后引入熵值(HjHj表示指標(biāo)熵值),對AHP法進行修正,確定組合權(quán)重,構(gòu)建了多屬性綜合決策的綜合能源系統(tǒng)效益評價模型,進行綜合能源系統(tǒng)效益評估與方案排序。

將概率分析法引入綜合能源系統(tǒng)效益評價是近年來國外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點,概率分析法通過將定量分析與定性分析相結(jié)合的賦權(quán)方式對評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)進行確定,能夠使評價結(jié)果更加客觀地反映用戶需求、市場價格和可再生能源出力等不確定性因素對綜合能源系統(tǒng)效益帶來的風(fēng)險和影響[53]。文獻[57]統(tǒng)籌考慮用戶需求和市場價格的不確定性,采用基于蒙特卡洛模擬的方法來測算含熱電聯(lián)產(chǎn)、蓄熱裝置和需求響應(yīng)資源的綜合能源系統(tǒng)的凈現(xiàn)值期望,以評價不同投資方案下所能夠取得的收益。文獻[58]提出了一種面向綜合能源系統(tǒng)的均值—方差投資組合評價法,以項目的平均收益及其方差為主要指標(biāo)對綜合能源系統(tǒng)的預(yù)期投資效益進行評價,并以一個含可再生能源、熱、氫氣的綜合能源系統(tǒng)為算例系統(tǒng)進行評價,具備一定的參考價值。

同時,國內(nèi)已有研究對綜合能源系統(tǒng)綜合效益的概率評價方法進行了一定的探索。文獻[59]建立了基于正態(tài)分布區(qū)間數(shù)的權(quán)重信息不完全的綜合效益評價模型,以處理綜合能源系統(tǒng)效益評價中指標(biāo)的確定性及不確定性問題。該評價模型首先將區(qū)間數(shù)屬性矩陣轉(zhuǎn)化為正態(tài)分布區(qū)間數(shù)屬性矩陣,并通過Lagrange函數(shù)求解該模型,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)最優(yōu)屬性權(quán)重處理屬性矩陣R=(βij)m×nR=(βij)m×n,求出第i個評價指標(biāo)綜合屬性值,并基于期望-方差準(zhǔn)則對綜合能源系統(tǒng)的綜合效益進行評價。但文獻所提評價方法的計算過程比較繁瑣,評價結(jié)果依賴于指標(biāo)區(qū)間數(shù)的上限和下限的范圍,不同的取值可能會導(dǎo)致評價結(jié)果不夠理想。

上述文獻雖對綜合能源系統(tǒng)建立了不同的效益評價模型,但目前已有研究中的綜合評價方法尚停留于理論層面,支撐具體案例落地的實用性尚難以驗證。

4 研究展望

4.1 綜合能源系統(tǒng)的動態(tài)建模和仿真

當(dāng)前圍繞綜合能源系統(tǒng)的建模大多是對各類設(shè)備的靜態(tài)建模,對部分新型設(shè)備及各類能源耦合集成后系統(tǒng)的動態(tài)機理、控制規(guī)律和優(yōu)化特性仍缺乏深入的研究,以至于在綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計、運行控制等方面均遇到一定的困難。雖然國內(nèi)外已有研究人員開展了對綜合能源系統(tǒng)的動態(tài)建模及仿真研究[60],但目前仍主要是圍繞CHP/CCHP系統(tǒng),較少考慮熱泵、電制氫、冰蓄冷等更加高效、清潔的耦合形式,仿真的設(shè)備少且難以代表、仿真未來綜合能源系統(tǒng)的典型形態(tài)和運行特性。因此,有必要構(gòu)建含熱泵、電制氫、冰蓄冷等新型設(shè)備的綜合能源系統(tǒng)物理設(shè)備靜態(tài)、動態(tài)模型集合,并開發(fā)適用于各類能源耦合綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃、運行仿真工具,以推動綜合能源系統(tǒng)的科學(xué)研究和工程落地。

4.2 綜合能源系統(tǒng)的投資收益評估機制

綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)將帶動能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和變革,相關(guān)項目從投資建設(shè)到生產(chǎn)運營的全過程都將對國民經(jīng)濟、能源生產(chǎn)和利用方式、環(huán)境等帶來顯著效益[61]。因此,有必要構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)投資收益評估機制,設(shè)計科學(xué)的評估指標(biāo)、方法和標(biāo)準(zhǔn),對綜合能源系統(tǒng)投資、建設(shè)、運行和效益進行系統(tǒng)科學(xué)的評估。同時,也應(yīng)盡快制定、落實面向綜合能源系統(tǒng)的財政補貼政策、稅收減免政策、投融資政策和市場建設(shè)政策,為開展綜合能源系統(tǒng)的投資收益評估提供明確的政策、市場環(huán)境。

4.3 考慮DR的綜合能源協(xié)同控制與調(diào)度優(yōu)化

當(dāng)前,國內(nèi)外在綜合能源系統(tǒng)的控制調(diào)度與運行優(yōu)化方面已經(jīng)進行了較為豐富的研究,提出了一系列理論可行的電-熱[62-64]、電-氣[65]、電-熱-冷[66]、電-氣-熱[67]、電-氣-熱-冷[68]等多種能源調(diào)度控制優(yōu)化方法,為綜合能源系統(tǒng)的調(diào)度控制提供了理論上的方法支撐。現(xiàn)有研究中綜合能源系統(tǒng)調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)主要包括以下3類。

然而,現(xiàn)有研究較少考慮需求側(cè)各類能源(demand response,DR)負荷的可調(diào)度性。事實上,DR的運用能夠提高電、熱、冷與天然氣生產(chǎn)出力同各類能源負荷消費的匹配程度[69],提升系統(tǒng)運行效率,電力系統(tǒng)中DR的運用已經(jīng)印證了這一點。因此,有必要深入挖掘需求側(cè)電、熱、氣、冷負荷的調(diào)度價值,研究考慮需求側(cè)各類負荷響應(yīng)能力的綜合能源協(xié)同控制與調(diào)度優(yōu)化方法,從而實現(xiàn)各類能源資源的最優(yōu)利用。

5 結(jié)論

隨著新技術(shù)、新設(shè)備的不斷發(fā)展和應(yīng)用,綜合能源系統(tǒng)的基本架構(gòu)也在不斷進步和衍變,其能夠帶來的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益也將日益明顯。在我國綜合能源系統(tǒng)理論研究不斷深入和試點項目有序落地的背景下,開展綜合能源系統(tǒng)建模仿真、運行優(yōu)化與效益評價具備了良好的實施條件,是未來需要進一步深入研究的重點方向?；诒疚膶C合能源系統(tǒng)基本架構(gòu)、獨立型和耦合型設(shè)備單元的物理、經(jīng)濟建模及效益評價體系研究,旨在明確綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)、運行控制的物理邊界和效益情況,以期為相關(guān)項目落地和仿真平臺研發(fā)提供參考和借鑒。