深度 | 华北电力大学曾鸣等：全面了解区域综合能源系统

摘要

构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系是能源革命、《能源发展“十三五”规划》的共同目标和要求。在此背景下,综合能源系统的理念应运而生,它是电、气、热、冷等各类能源统一规划、统一调度的综合性能源系统。目前,综合能源系统的系统建模是能源领域研究的热点问题,但已有研究大多是围绕某一特定/假定的区域能源系统进行建模,对综合能源系统的典型架构和系统模型尚缺乏统一的定义和梳理,同时对综合能源系统的效益评价体系研究仍处在起步阶段。在已有研究基础上,提出了区域型综合能源系统的典型物理架构,围绕系统中的独立型设备和耦合型设备构建了对应的物理和经济模型,并对当前综合能源系统的效益评价指标体系和评价方法进行了梳理,提出了未来综合能源系统建模及效益评价体系研究领域的研究重点和发展方向,以期为相关研究和项目落地提供参考和借鉴。

关键词 : 综合能源系统; 独立型设备; 耦合型设备; 物理和经济模型; 效益评价;

0引言

当前,我国能源转型面临着需求放缓、传统产能过剩、环境问题突出、整体效率较低等问题[1]。为此,习近平总书记提出能源革命发展理念,明确国家能源安全新战略,要求建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系。在此背景下,综合能源系统应运而生[2],其理念突破了传统能源系统的技术、市场和管理壁垒,是电、气、热、冷等各类能源统一规划、统一调度的综合性能源系统,对于推动能源结构转型,推进我国能源革命具有重要意义。综合能源系统势必将成为未来能源系统的主要形态。

当前,国内外对综合能源系统的概念、物理架构及相关模型已经进行了较为深入的研究[3-4],但已有研究大多是针对某一特定/假定的区域能源系统进行建模,对综合能源系统中各类典型物理设备及其数学模型并未进行系统性的梳理和总结。同时,当前还未建立起适用于综合能源综合效益评估的理论体系,对系统能够带来的经济、环境和社会效益还停留在概念设想阶段。为此,本文在国内外相关研究和探索的基础上,对综合能源系统的基本架构、系统模型和综合效益评价体系等方面总结分析了国内外研究现状及理论成果,梳理当前研究的不足并展望未来综合能源系统建模和综合效益评价的重点研究方向和关键问题。

1 综合能源系统典型物理架构及设备

当前,国内外已有研究中提出了能源互联网[5]、能源集线器[6]、泛能网[7]等均是综合能源系统的表现形态,在系统的基本物理架构和设备层面,各类形态的综合能源系统基本一致,包括电、热、冷、气各类能源的生产、传输、存储和消费设备。根据已有研究中各类综合能源系统架构,可归纳出综合能源系统的基本物理架构如图1所示。

图1 综合能源系统结构框架示意图

Fig. 1 Framework schematic diagram of integrated energy system

按照设备承载的能质类型进行分类,综合能源系统中各类设备可以分为独立型设备单元和耦合型设备单元,独立型设备单元中电/热/气/冷维持自身特有的能质属性,不存在异质能流之间的耦合转化和互补利用,耦合型设备单元则可以实现电/热/气/冷相互间的转化利用,各类设备单元及其主要物理参数如表1所示。

2 综合能源系统物理及经济性建模

2.1 独立型设备单元建模

2.1.1 独立型电力设备单元建模

综合能源系统中的独立型电力设备单元主要包括光伏DG、输配电网络、储能电池等,此类设备只生产、传输、存储电能,是综合能源系统重要的组成部分[8-9]。

1)光伏DG模型。

光伏DG的物理模型[10]通常表示为

式中：CPVCPV表示光伏DG的成本项,包含初始投资成本CinvPVCPVinv、安装成本CinsPVCPVins和运维成本CopePVCPVope;BPVBPV表示光伏DG的收益项,包含发电上网收益(即上网电量EonPVEPVon乘以上网电价ponPVpPVon、卖电收益(即交易电量EsePVEPVse和交易电价psePVpPVse的乘积)以及节约的购电成本(即自发自用电量EconsPVEPVcons乘以购电电价ptpt)。

表1 综合能源系统典型设备单元及其物理指标

2)输配电网络模型。

输配电网络传输电力的物理模型通常由下 式[12-13]表示

3 综合能源系统效益评价模型

3.1 综合能源系统效益评价指标体系

现阶段,关于综合能源系统效益评价的研究还相对较少[47-48]。在已有的研究中,文献[49-50]对CCHP系统、燃气轮机系统等进行效益评价,并分别选取系统投资费等、一次能源消耗量等、NOx等作为评估综合能源系统的经济、能耗、环境效益的评价指标。该文构建的能源综合效益评价指标体系涵盖了综合能源系统能够带来的经济、社会、环境效益等3个方面的效益情况,但二级指标设置较少,尚不能全面、深入地反映综合能源系统能够带了的效益情况。文献[51]分别从能源环节、装置环节、配网环节和用户环节建立了区域综合能源系统效益评价指标体系,并将反映经济效益、社会效益、环境效益等指标融入各环节中,具体评价指标如表2所示。

该文考虑了区域综合能源系统内部能源之间的耦合关系,且能够比较全面的反映综合能源系统带来的经济、环境和社会效益,但是该指标体系选取指标的颗粒度还不够细,涵盖的效益指标还不够

表2 考虑各项环节的综合能源系统评价指标体系

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

全面,如并未考虑天然气管网、热力管网等的负载率,也未将投资收益等经济性指标考虑在内,仍有待进一步的丰富和完善。

此外,文献[52]将评价指标分为外部性指标和内部性指标,外部性指标主要从环境外部性指标(包括供电电压合格率、供电频率合格率等)、社会外部性指标(包括单位投资的就业人数、用电收入/支出的变化等)、经济外部性指标(包括电压分布改善、线路损失降低等)和能耗效率指标(包括物理—热量、经济—热量等)4个方面进行划分;内部性指标主要根据财务指标(包括净现值、内部收益率等)的标准选择。但该文献所提指标体系的问题在于较多的选取了综合能源系统中与电力相关的指标,对天然气、热力、冷等其他能源相关效益指标考虑不足。

相较于国内考虑的各环节、各类型效益指标,国外对综合能源系统的效益评价大多沿用传统的评价指标,即以综合能源系统的技术经济指标(投资及运行成本、净现值NPV、内部收益率IRR、投资回收期PP等)、气体减排指标(CO2、SO2、NOX排放量)和化石能源消耗量等指标衡量综合能源系统的投资价值和环保效益[53],简洁明了且操作性强。文献[54]以电-热耦合利用的CHP热电联产系统为研究对象,采用技术经济评价方法,构建了相对完整的投资效益评价指标体系,提出了各评价指标的计算公式、表征含义和应用局限性。

从现有的研究成果来看,国内外已对综合能源系统效益评价指标体系展开研究,但能够应用于实际工程评价的综合能源效益评价指标体系及其评价标准尚未完全建立。

3.2 综合能源系统效益评价方法

在综合效益评价方法设计方面,国内外常用的综合评价方法包括灰色关联TOPSIS法、AHP法、熵权法、神经网络算法、支持向量机算法以及其他智能优化算法等[55-56]。

文献[49]采用AHP-熵权法对综合能源系统的综合效益展开评价,即在主观(ωj1ωj1表示AHP确定的指标权重值)与客观(ωj2ωj2表示熵权法确定的指标权重值)赋权后引入熵值(HjHj表示指标熵值),对AHP法进行修正,确定组合权重,构建了多属性综合决策的综合能源系统效益评价模型,进行综合能源系统效益评估与方案排序。

将概率分析法引入综合能源系统效益评价是近年来国外相关领域的研究热点,概率分析法通过将定量分析与定性分析相结合的赋权方式对评价指标的权重系数进行确定,能够使评价结果更加客观地反映用户需求、市场价格和可再生能源出力等不确定性因素对综合能源系统效益带来的风险和影响[53]。文献[57]统筹考虑用户需求和市场价格的不确定性,采用基于蒙特卡洛模拟的方法来测算含热电联产、蓄热装置和需求响应资源的综合能源系统的净现值期望,以评价不同投资方案下所能够取得的收益。文献[58]提出了一种面向综合能源系统的均值—方差投资组合评价法,以项目的平均收益及其方差为主要指标对综合能源系统的预期投资效益进行评价,并以一个含可再生能源、热、氢气的综合能源系统为算例系统进行评价,具备一定的参考价值。

同时,国内已有研究对综合能源系统综合效益的概率评价方法进行了一定的探索。文献[59]建立了基于正态分布区间数的权重信息不完全的综合效益评价模型,以处理综合能源系统效益评价中指标的确定性及不确定性问题。该评价模型首先将区间数属性矩阵转化为正态分布区间数属性矩阵,并通过Lagrange函数求解该模型,在此基础上,根据最优属性权重处理属性矩阵R=(βij)m×nR=(βij)m×n,求出第i个评价指标综合属性值,并基于期望-方差准则对综合能源系统的综合效益进行评价。但文献所提评价方法的计算过程比较繁琐,评价结果依赖于指标区间数的上限和下限的范围,不同的取值可能会导致评价结果不够理想。

上述文献虽对综合能源系统建立了不同的效益评价模型,但目前已有研究中的综合评价方法尚停留于理论层面,支撑具体案例落地的实用性尚难以验证。

4 研究展望

4.1 综合能源系统的动态建模和仿真

当前围绕综合能源系统的建模大多是对各类设备的静态建模,对部分新型设备及各类能源耦合集成后系统的动态机理、控制规律和优化特性仍缺乏深入的研究,以至于在综合能源系统的规划设计、运行控制等方面均遇到一定的困难。虽然国内外已有研究人员开展了对综合能源系统的动态建模及仿真研究[60],但目前仍主要是围绕CHP/CCHP系统,较少考虑热泵、电制氢、冰蓄冷等更加高效、清洁的耦合形式,仿真的设备少且难以代表、仿真未来综合能源系统的典型形态和运行特性。因此,有必要构建含热泵、电制氢、冰蓄冷等新型设备的综合能源系统物理设备静态、动态模型集合,并开发适用于各类能源耦合综合能源系统的规划、运行仿真工具,以推动综合能源系统的科学研究和工程落地。

4.2 综合能源系统的投资收益评估机制

综合能源系统的规划建设将带动能源产业的发展和变革,相关项目从投资建设到生产运营的全过程都将对国民经济、能源生产和利用方式、环境等带来显著效益[61]。因此,有必要构建综合能源系统投资收益评估机制,设计科学的评估指标、方法和标准,对综合能源系统投资、建设、运行和效益进行系统科学的评估。同时,也应尽快制定、落实面向综合能源系统的财政补贴政策、税收减免政策、投融资政策和市场建设政策,为开展综合能源系统的投资收益评估提供明确的政策、市场环境。

4.3 考虑DR的综合能源协同控制与调度优化

当前,国内外在综合能源系统的控制调度与运行优化方面已经进行了较为丰富的研究,提出了一系列理论可行的电-热[62-64]、电-气[65]、电-热-冷[66]、电-气-热[67]、电-气-热-冷[68]等多种能源调度控制优化方法,为综合能源系统的调度控制提供了理论上的方法支撑。现有研究中综合能源系统调度模型的目标函数主要包括以下3类。

然而,现有研究较少考虑需求侧各类能源(demand response,DR)负荷的可调度性。事实上,DR的运用能够提高电、热、冷与天然气生产出力同各类能源负荷消费的匹配程度[69],提升系统运行效率,电力系统中DR的运用已经印证了这一点。因此,有必要深入挖掘需求侧电、热、气、冷负荷的调度价值,研究考虑需求侧各类负荷响应能力的综合能源协同控制与调度优化方法,从而实现各类能源资源的最优利用。

5 结论

随着新技术、新设备的不断发展和应用,综合能源系统的基本架构也在不断进步和衍变,其能够带来的经济、环境和社会效益也将日益明显。在我国综合能源系统理论研究不断深入和试点项目有序落地的背景下,开展综合能源系统建模仿真、运行优化与效益评价具备了良好的实施条件,是未来需要进一步深入研究的重点方向。基于本文对综合能源系统基本架构、独立型和耦合型设备单元的物理、经济建模及效益评价体系研究,旨在明确综合能源系统规划建设、运行控制的物理边界和效益情况,以期为相关项目落地和仿真平台研发提供参考和借鉴。