摘要

構建清潔低碳、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》的共同目標和要求。在此背景下,綜合能源系統(tǒng)的理念應運而生,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。在已有研究基礎上,提出了區(qū)域型綜合能源系統(tǒng)的典型物理架構,圍繞系統(tǒng)中的獨立型設備和耦合型設備構建了對應的物理和經(jīng)濟模型,并對當前綜合能源系統(tǒng)的效益評價指標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域的研究重點和發(fā)展方向,以期為相關研究和項目落地提供參考和借鑒。

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

0引言

當前,我國能源轉型面臨著需求放緩、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)應運而生[2],其理念突破了傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的技術、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),對于推動能源結構轉型,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)。

當前,國內(nèi)外對綜合能源系統(tǒng)的概念、物理架構及相關模型已經(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)中各類典型物理設備及其數(shù)學模型并未進行系統(tǒng)性的梳理和總結。同時,當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想階段。為此,本文在國內(nèi)外相關研究和探索的基礎上,對綜合能源系統(tǒng)的基本架構、系統(tǒng)模型和綜合效益評價體系等方面總結分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及理論成果,梳理當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鍵問題。

1 綜合能源系統(tǒng)典型物理架構及設備

當前,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)的基本物理架構和設備層面,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、存儲和消費設備。根據(jù)已有研究中各類綜合能源系統(tǒng)架構,可歸納出綜合能源系統(tǒng)的基本物理架構如圖1所示。

圖1 綜合能源系統(tǒng)結構框架示意圖

Fig. 1 Framework schematic diagram of integrated energy system

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

2.1.1 獨立型電力設備單元建模

綜合能源系統(tǒng)中的獨立型電力設備單元主要包括光伏DG、輸配電網(wǎng)絡、儲能電池等,此類設備只生產(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)典型設備單元及其物理指標

2)輸配電網(wǎng)絡模型。

輸配電網(wǎng)絡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)效益評價指標體系

現(xiàn)階段,關于綜合能源系統(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。該文構建的能源綜合效益評價指標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,但二級指標設置較少,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)效益評價指標體系,并將反映經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益等指標融入各環(huán)節(jié)中,具體評價指標如表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,但是該指標體系選取指標的顆粒度還不夠細,涵蓋的效益指標還不夠

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]將評價指標分為外部性指標和內(nèi)部性指標,外部性指標主要從環(huán)境外部性指標(包括供電電壓合格率、供電頻率合格率等)、社會外部性指標(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(包括電壓分布改善、線路損失降低等)和能耗效率指標(包括物理—熱量、經(jīng)濟—熱量等)4個方面進行劃分;內(nèi)部性指標主要根據(jù)財務指標(包括凈現(xiàn)值、內(nèi)部收益率等)的標準選擇。但該文獻所提指標體系的問題在于較多的選取了綜合能源系統(tǒng)中與電力相關的指標,對天然氣、熱力、冷等其他能源相關效益指標考慮不足。

相較于國內(nèi)考慮的各環(huán)節(jié)、各類型效益指標,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,即以綜合能源系統(tǒng)的技術經(jīng)濟指標(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(CO2、SO2、NOX排放量)和化石能源消耗量等指標衡量綜合能源系統(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,采用技術經(jīng)濟評價方法,構建了相對完整的投資效益評價指標體系,提出了各評價指標的計算公式、表征含義和應用局限性。

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

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計方面,國內(nèi)外常用的綜合評價方法包括灰色關聯(lián)TOPSIS法、AHP法、熵權法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法、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確定的指標權重值)與客觀(ωj2ωj2表示熵權法確定的指標權重值)賦權后引入熵值(HjHj表示指標熵值),對AHP法進行修正,確定組合權重,構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領域的研究熱點,概率分析法通過將定量分析與定性分析相結合的賦權方式對評價指標的權重系數(shù)進行確定,能夠使評價結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對綜合能源系統(tǒng)的預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,在此基礎上,根據(jù)最優(yōu)屬性權重處理屬性矩陣R=(βij)m×nR=(βij)m×n,求出第i個評價指標綜合屬性值,并基于期望-方差準則對綜合能源系統(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,評價結果依賴于指標區(qū)間數(shù)的上限和下限的范圍,不同的取值可能會導致評價結果不夠理想。

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

當前圍繞綜合能源系統(tǒng)的建模大多是對各類設備的靜態(tài)建模,對部分新型設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,有必要構建含熱泵、電制氫、冰蓄冷等新型設備的綜合能源系統(tǒng)物理設備靜態(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)劃建設將帶動能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和變革,相關項目從投資建設到生產(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,有必要構建綜合能源系統(tǒng)投資收益評估機制,設計科學的評估指標、方法和標準,對綜合能源系統(tǒng)投資、建設、運行和效益進行系統(tǒng)科學的評估。同時,也應盡快制定、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電、熱、氣、冷負荷的調(diào)度價值,研究考慮需求側各類負荷響應能力的綜合能源協(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 結論

隨著新技術、新設備的不斷發(fā)展和應用,綜合能源系統(tǒng)的基本架構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。基于本文對綜合能源系統(tǒng)基本架構、獨立型和耦合型設備單元的物理、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、運行控制的物理邊界和效益情況,以期為相關項目落地和仿真平臺研發(fā)提供參考和借鑒。