多能互补综合能源系统设计及优化

2017年10月，国家电网发布了《关于在各省公司开展综合能源服务业务的意见》，指出开展综合能源服务业务的重要意义，并提出了开展综合能源服务业务的总体要求。其中，提供多元化分布式能源服务，构建终端一体化多能互补的能源供应体系是综合能源服务业务的重点任务。

多能互补综合能源系统(以下简称综合能源系统)的核心是分布式能源及围绕其开展的区域能源供应，是一种将公共冷、热、电、燃气乃至水务整合在一起的形式[1]。综合能源系统一方面通过实现多能源协同优化和互补提高可再生能源的利用率;另一方面通过实现能源梯级利用，提高能源的综合利用水平。然而，由于综合能源系统是一种有较多变量，特性复杂、随机性强，多时间尺度的非线性系统，其规划问题较传统能源规划问题更为复杂。

国内外学者对综合能源系统的规划问题展开了研究，获得了丰富的研究成果。本文针对综合能源系统设计与优化问题的研究现状进行了梳理，同时在对既有研究进行综述的基础上，对未来综合能源系统规划问题提出了展望。

1、综合能源系统结构

综合能源系统集成多种能源输入输出以及多种能源转换设备，能够通过信息通信将电力系统、供气系统、供热系统和供冷系统建立对应耦合关系，其典型结构如图1所示。

2、综合能源系统初步设计

综合能源系统的配置牵涉到确定系统部件的类型和大小问题，系统配置是影响联供系统节能经济性的核心因素[2]。设计过程需要充分考虑单个设备的效率，系统的运行策略，用户的冷热电需求等多个因素。此外，一个设计完善的综合能源系统还须在经济性及环境效益之间作出平衡。在综合能源系统的设计初期，设计人员通常会先选择系统的主要设备及容量，再选择与之匹配系统的运行策略。

2.1负荷预测与分析

冷热电负荷预测根据电力负荷、经济、社会、气象等历史数据，寻求电力负荷与各种相关因素之间的内在联系，从而对未来的负荷进行科学预测[3]。负荷预测是综合能源系统规划初期进行方案比较的基础，其准确度直接影响系统的配置。讨论初投资、年运行费用、回收年限等问题均建立在相对准确的全年负荷预测的基础上。

几种常见的负荷预测方法[3]包括基于建筑结构的经典计算方法、基于建筑结构的简约计算方法、基于软件模拟的逐时负荷因子法、基于历史数据的逐时能源负荷分摊比例法。目前应用比较成熟的是基于软件模拟的逐时负荷因子法和基于历史数据的逐时能源负荷分摊比例法。吴金顺[4]使用DeST软件计算了窗墙比、玻璃类型、墙的传热系数等多个因素对冷负荷的影响规律，并使用最小二乘法得到了冷负荷关于不同因素变化的具体关系式。王国弟等[5]结合了上海某能源中心项目的情况，采用空调负荷计算软件HDY-SMAD和DeST软件对功能区域的设计日空调冷热负荷及全年空调冷热负荷进行了预测。郑卫东[6]使用DeST软件对北京地区某办公楼和五星级宾馆进行了冷、热、电负荷动态模拟，并对其全年逐时、逐月和典型日的负荷及热电比变化规律进行了分析和总结。杨木和[7]基于对建筑冷热电负荷调查研究的基础，采用日本三联供设计手册中的相关数据，使用逐时能源负荷分摊比例的方法，以宾馆建筑为研究对象，模拟了该宾馆的全年逐时冷热电负荷。

在负荷分析方面，梁哲诚等[8]通过对商场、写字楼和酒店三种不同用途商业建筑的冷、热、电负荷进行调研和测试，绘制得到典型日负荷曲线和全年延时负荷曲线，并对其负荷大小、变化范围、变化规律以及变化同步性进行了分析。分析结果表明，在建筑负荷特性的基础上设计的综合能源系统与常规系统相比更具节能效益和经济效益。

2.2系统配置

由于综合能源系统向用户直接供能，当用户负荷需求变化时，存在用户负荷的热(冷)电比与系统热(冷)电比保持不一致的问题。从满足负荷需求的角度考虑，有四种常用的系统配置方法[9]即采用补电子系统集成方法、采用补热子系统集成方法、电-热转换集成方法以及采用蓄能手段的集成方法。当热电比相对较小或用户电负荷大于原动机功率时，可以采用并网补充电能或使用可再生能源补充电能。当综合能源系统的供热容量不能满足需求时，则采用补热子系统供热。此外，当用户热(冷)电比大于系统输出比时，可以采用电-热转换，将热需求转换为电需求。当用户需求存在峰谷差时，将蓄能手段引入综合能源系统，可有效缓解非同步引起的供需矛盾，提高系统变工况调节能力。

根据公共电网接入方式的不同可分为三种配置模式：孤岛运行模式、并网不上网模式、并网上网模式。孤岛运行模式下，综合能源系统处于独立运行模式，与公共电网之间不架设连接线路，适用于具有丰富风能或太阳能等可再生能源地区，可为公共电力网络尚未覆盖完全的偏远地区提供多种能量保证。第二种为并网不上网模式，即发电全部自用，不足时从公共电网购买，已被广泛应用于大型工业园区、新型住宅区以及医院等人流量较高的场所，是最为典型的冷热电多联供系统应用模式。第三种为并网上网模式，不仅可从电网购电，也可将富余电力出售给电网以获取收益。此种模式对电能质量、稳定性及安全性要求高，且控制系统设计也较为复杂，实际电网建设中尚未得到应用[10]。

2.3综合能源系统设备

综合能源系统较传统供能系统利用的能源种类、供能形式多样，可满足冷热电等多种用能需求，因此设备种类也更为多样化。

2.3.1原动机

原动机或发电单元是综合能源系统的核心部件之一。为了实现多能系统所设计的性能指标，须谨慎选择原动机的类型及容量。Al‐Sulaiman[11]详细讨论了分布式冷热电联供系统中各种类型的原动机的使用特点，并给出了典型的使用案例。在设计的前期阶段为原动机选型提供前期参考。

常见的原动机类型有燃气内燃机，燃气轮机，微型燃气轮机，燃料电池，光伏电池、风力发电机等。

内燃机将燃料与空气注入气缸混合压缩，点火引其爆炸，产生的高温高压燃气膨胀推动活塞做功，通过气缸连杆和曲轴等驱动发电机发电。内燃机发电效率较高，功率范围广，适应性能好，结构紧凑、体积小、重量轻，启动速度快，操作方便、维护简单、大修周期间隔长[12]。

燃气轮机及微型燃气轮机由压气机、透平，加热工质的设备(燃烧室)控制系统和其他辅助设备等组成，压气机为燃烧室提供高压空气，燃料在燃烧室内燃烧释放出热量加热空气，产生高温高压气体在透平中膨胀做功，将热能转化为机械能。目前燃气轮机技术成熟，商业化应用广，效率高，体积小，质量轻，摩擦部件小、振动小、噪声低、污染少。

燃料电池将燃料中的化学能通过化学反应直接转化为电能，不经过燃烧过程，不受卡诺循环效应的限制，效率高;没有机械传动部件，没有噪声。目前国内燃料电池主要用于传统发电，在冷热电联供系统中尚未大规模使用[10]。

光伏电池将太阳光照转化为直流电能，无污染，不受资源分布地域的限制，可在用户侧就近发电;缺点是受到气象条件限制，能量输出不稳定。光伏电池适用于光照资源充足、传统电网接入困难的偏远地区。

风力发电机将风能转化为电能，优点是能源清洁、环境效益好，缺点是噪声大，对风场选址要求高，发电不稳定。适用于风能资源丰富、人口稀疏的地区。

2.3.2制冷设备及供暖设备

吸收式制冷机通过烟气或热水驱动，采用溴化锂或氨水等制冷工质制冷，是余热利用常用的制冷设备。表1根据工质、驱动热源、利用方式和用途对吸收式制冷机进行分类[13]。

余热锅炉利用工业过程产生的余热及可燃物质燃烧后产生的热量将水加热，用于工业利用或采暖。分为一般型和补燃型，一般型余热锅炉与热交换器类似，不存在燃烧过程。

热泵是一种利用低品位热资源，既可供热又可制冷的高效节能的空调技术。冬季时可通过热泵机组将室外热量输送进室内供热，夏季时可将室内热量输送到室外降温。根据热源不同可将热泵分为空气源热泵、地下水源热泵、土壤源热泵、双源热泵等。热泵适用于具备常年恒温冷热源的地区。