蒋一博

国网(苏州)城市能源研究院


      近年来,随着能源与信息技术的革新,以及对清洁低碳、安全可靠、智能开放、高效互动等能源管理目标的不断追求,综合能源系统成为社会各界共同关注的热点领域。综合能源系统可按其供能范围分为区域级、园区级、建筑级系统。其中园区综合能源系统是能源互联网与智慧城市在地理和功能上的重要载体,当前综合能源系统的相关研究与工程示范也大多围绕着园区级系统展开。

      具体来看,园区综合能源系统一般以供能网络为骨架,以能源站为枢纽,在园区内实现源、网、荷、储互动,电、气、冷、热各类异质能源互补。近十年来,大量理论研究及工程实践证明,系统规划方案的科学与否将极大程度的影响未来系统运行性能。而系统规划需考虑园区功能、能源政策、能源价格、负荷水平、资源禀赋等一系列影响因素,是一项宏观统筹与微观优化相结合的复杂综合性工作。研究表明,通过数学计算与经验决策相结合的方式来实现综合能源系统规划是目前一种切实可行的实施路径。一方面通过数学方式刻画园区能源系统的基本特征,并采用优化算法确定系统供能技术路线与设备容量的理论最优值;另一方面通过能源政策、园区特征等宏观标准来判断数学规划方案的适用性,通过反馈完善,导出符合实际园区发展需求的最佳规划方案。在该技术方案中,基于数学优化的园区综合能源系统多能协同规划辅助决策方法是其中一项关键技术,需突破如下几点关键子技术。

      多能负荷预测与资源禀赋评估技术是“输入保障”。多能负荷预测与资源禀赋评估技术实质上是利用数学方法来描述系统规划的外部环境,负荷与资源预测的精准与否将直接影响最终规划方案的合理性。综合能源系统负荷预测的难点在于系统涉及电、气、冷、热等多种不同能源形式,一方面各类能源的物理特性存在差异;另一方面不同能源负荷之间会相互影响。因此在单一能源系统中采用的负荷预测方法往往难以直接在综合能源系统中套用。而资源禀赋评估技术则更加依赖历史数据挖掘与大数据分析,从而找到风能、辐照强度、地热等本地资源的规律。

      分布式能源设备建模技术是“数学基础”。园区综合能源系统可看作不同能源设备的有机结合。而系统规划辅助决策技术本质上是利用数学建模将实际物理系统转化为数学模型,并通过数学分析计算找到物理系统特征的过程。设备建模方法种类繁多,按模型是否随时间变化可分为稳态模型与动态模型两类。一般认为在系统规划工作中采用设备的稳态模型即可。综合能源系统中能源设备可被看作不同能源形式间的“转换器”,能源转化效率是其中的关键参数。目前多数研究为简化计算,将设备能源转化效率设置为定值。由于设备在不同的工作点具有差异化的效率,也有研究进一步建立了设备效率与运行状态间的关系。

      系统多能协同优化规划模型是“决策助手”。该模型以系统未来预测数据、能源供用设备参数、能源价格等数据为输入,在系统投资经济性、碳排放指标、综合能效等不同目标下,考虑区域内源、网、荷、储不同环节的相互影响,计算系统设备及网络的最优配置方案,其本质为数学优化问题。一般而言,园区能源系统规划分为设备规划与网络规划两个部分,二者统一优化才可获得理论最优方案。但由于综合能源系统网络模型相对复杂,并且实际工程的要求也难以完全嵌入数学模型中。因此目前的主流规划方法是首先根据系统能量平衡来选择供能设备并确定其容量,再根据实际工程要求确定各设备地理位置与电网、管网的分布。一般情况下该方法均可有效处理系统规划问题。但该方法目前无法直接分析园区集中式供能与分布式供能的区别,部分与网络之间关系密切的特殊供能设备,如第五代供热技术,也难以采用该方法分析。

      运行策略优化及仿真评估技术是“细节管理”。在系统规划方案确定后,还应对系统的运行策略进一步优化,从而充分体现系统的多能互补优势和供能灵活性。综合能源系统由于囊括了多种不同类别的能源设备,因此其运行优化的难点在于如何合理安排各类设备的配合原则以及设备和供能网络间如何衔接。传统能源站的运行模式一般为以热定电或以电定热,此类运行策略往往限制了系统的功率调节能力。因此近期的相关研究均打破了以热定电或以电定热的约束,转而采用数学优化模型来计算系统中各设备的最佳工作状态??梢匀衔低吃诵胁呗杂呕窃诙嗄苄婊呕∩系木富?,二者均不可缺失。由于在优化过程中,设备与网络模型均进行了一定程度的简化。因此在解得系统运行方式后,还应采用专业的运行仿真工具来检验结果的可靠性,并对系统性能进行综合评估。

      综上所述,园区综合能源系统多能协同规划辅助决策是一项包含负荷预测、资源评估、设备建模、规划优化、运行优化、仿真模拟等子领域的复杂技术。在未来能源互联的大背景下,园区综合能源系统作为城市能源精细化管理的重要载体,将会是社会持续关注的热点话题。系统多能协同规划辅助决策技术与经验决策的结合运用将成为园区综合能源系统规划的典型方法,服务城市能源系统整体发展。