2.4設備容量選擇

當原動機及供熱、供冷設備的類型確定后，需要合理選擇設備的容量，以最大化設備容量的利用率，這需要考慮到多個影響因素，包括：用戶的冷熱電負荷需求、選用的原動機特性、一年中電價與能源價格的波動等等，處理該問題可使用最大矩形面積法。這種方法源于數(shù)學中計算積分的方法，即將所研究的函數(shù)值作為矩形的高度來計算一系列矩形的面積。在綜合能源系統(tǒng)的初步規(guī)劃階段，在已知時間-負載曲線為前提的條件下，可以使用最大矩形面積法來估計設備的容量以及運行的時間。Sanaye等[14]使用最大矩形法(MRM)估算了不同場景下綜合能源系統(tǒng)的燃機容量。鄭衛(wèi)東[6]在已知日常運行負荷的前提下，使用最大矩形法得到了不同運行策略下原動機的容量配置。鄒丹等[15]以蘇州某CBD區(qū)域建筑為例，根據(jù)相同類型的建筑實測數(shù)據(jù)獲得了建筑冷熱電8760 h逐時負荷曲線，使用最大面積法確定三聯(lián)供系統(tǒng)的最佳容量。分析結(jié)果表明使用最大面積法確定的設備容量具有較好的一次能源利用效率和經(jīng)濟性。

2.5運行策略

綜合能源系統(tǒng)的運行策略將直接影響系統(tǒng)的性能。Kavvadias等[16]總結(jié)了幾種最常用的運行策略：

1)以熱定電：系統(tǒng)首先滿足用戶的熱需求，發(fā)出的電提供給用戶，如果電量不足或剩余，則從電網(wǎng)補充或上網(wǎng)售電

2)以電定熱：系統(tǒng)首先保證滿足用戶的電需求，所發(fā)出的熱量提供給用戶以滿足熱需求，如果熱量不足，則采用鍋爐補燃，如果熱量過剩則廢棄或采用一個蓄熱罐儲存。

3)持續(xù)運行：系統(tǒng)在預定時間內(nèi)持續(xù)運行，不考慮能源需求的變化，這種運行策略適用于原動機不能夠靈活調(diào)節(jié)功率的情況，如果系統(tǒng)所生產(chǎn)的能源能滿足覆蓋用戶的需求，則余電長期上網(wǎng)，反之，則長期從電網(wǎng)購電。

4)調(diào)峰運行：系統(tǒng)僅在負荷高峰期間運行，以降低用能高峰期間從電網(wǎng)購得的電能。

康書碩等[17]從熱電輸出和燃料消耗量方面比較了以燃氣輪機作為原動機的聯(lián)供系統(tǒng)“以熱定電”和“以電定熱”兩種常用運行模式下的性能差異。該研究通過Aspen Plus軟件實現(xiàn)系統(tǒng)性能的計算，研究結(jié)果表明當實際熱電輸出等于終端的熱電需求時，其最佳熱電比HPR為1.75;當1HPR1.75,“以熱定電”為最佳的運行方式;1.75HPR2.5時，“以電定熱”為最佳的系統(tǒng)運行方式。

3、綜合能源系統(tǒng)評價

對綜合能源系統(tǒng)進行準確有效的評價是進行系統(tǒng)改進優(yōu)化的重要依據(jù)，對綜合能源系統(tǒng)的評價研究主要從熱力學、經(jīng)濟性、環(huán)保性以及綜合評價這4個方面進行[18]。

4、綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化

在進行初步設計以后，須對系統(tǒng)進行優(yōu)化。對系統(tǒng)優(yōu)化能夠顯著提升設備利用效率、系統(tǒng)經(jīng)濟性及環(huán)境效益。優(yōu)化變量通常包括原動機的類型、容量，系統(tǒng)的運行策略等。

通常從運行現(xiàn)場采集得到的數(shù)據(jù)一般更準確、真實，基于這些數(shù)據(jù)進行優(yōu)化也更為可靠，但獲得實際運行數(shù)據(jù)需要花費大量的時間并需要高昂的運行費用作為支撐，并且只能對具體的某個系統(tǒng)進行研究。使用瞬態(tài)仿真方法對系統(tǒng)進行優(yōu)化，效率高，費用低，系統(tǒng)運行條件(包括原動機類型、容量、當?shù)貧夂虻?更改簡便，因此目前大部分現(xiàn)有研究均采用計算機仿真對多能系統(tǒng)進行優(yōu)化。常用的優(yōu)化算法有混合整數(shù)線性規(guī)劃法、混合整數(shù)非線性規(guī)劃法、隨機優(yōu)化法、遺傳算法等。

4.1設備容量優(yōu)化

MRM方法在確定綜合能源系統(tǒng)時簡單便捷，但只考慮了用戶的負荷需求，并沒有考慮到設備成本、運行費用等因素，因此需要對多能聯(lián)供系統(tǒng)作進一步優(yōu)化。

鄭衛(wèi)東[6]使用基于MRM的遺傳算法優(yōu)化方法對綜合能源系統(tǒng)進行優(yōu)化，優(yōu)化變量為原動機容量、電制冷比系數(shù)、太陽能發(fā)電面積占比。流程如圖2所示。

優(yōu)化結(jié)果表明，多能互補系統(tǒng)的全年綜合指標相比傳統(tǒng)分供系統(tǒng)有了顯著提高。高峻[32]以聯(lián)供系統(tǒng)凈年值最大作為優(yōu)化目標，建立聯(lián)供系統(tǒng)設備優(yōu)化模型，對分別配置兩種額定發(fā)電功率的燃氣內(nèi)燃機發(fā)電機組的聯(lián)供系統(tǒng)進行經(jīng)濟性比選，確定設備的最優(yōu)容量。何桂雄等[33]應用解析法，結(jié)合各負荷區(qū)間出現(xiàn)的頻數(shù)統(tǒng)計，得到不同容量匹配方案下設備年等效滿負荷運行時數(shù)及相應收益，通過比較凈現(xiàn)值確定燃氣三聯(lián)供和熱泵設備的最優(yōu)容量匹配方案，并結(jié)合案例進行了驗證。黃子碩等[34]提出了計算系統(tǒng)綜合能效的量綱表達式以辨析各影響因素與綜合能效間的關系，并展示了如何通過綜合能效分析確定系統(tǒng)配置方案。衛(wèi)志農(nóng)等[35]以投資及運行成本最小化為優(yōu)化目標，引入了條件風險價值作為風險亮度的指標，建立了基于投資理論中考慮到風險量度的虛擬電廠容量優(yōu)化配置模型，研究了風險偏好、環(huán)境成本自然資源及負荷對虛擬電廠容量配置的影響。該文獻還以美國德州某地區(qū)的風、光、電價及負荷數(shù)據(jù)為實例進行了模擬，模擬結(jié)果驗證了模型的正確性，為投資商在規(guī)劃建設時解決多能源容量配置問題提供了依據(jù)。

4.2運行策略優(yōu)化

王成山[36]按電、煙氣、蒸汽、水和空氣5種能量傳遞形式進行分類，采用集中母線的方式搭建基本框架，對各個設備進行建模，建立了冷熱電聯(lián)供系微網(wǎng)系統(tǒng)日前動態(tài)經(jīng)濟調(diào)度的0-1混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)中各設備運行方式和工作狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟運行。任洪波等[37]對基于光伏電池、燃料電池和蓄電池的住宅能源系統(tǒng)為研究對象，使用混合整數(shù)線性規(guī)劃理論構(gòu)建運行優(yōu)化數(shù)學模型。模型以年運行費用最小化作為目標函數(shù)，以能源供需平衡和設備容量為約束條件，使用LINGO進行建模求解得到年運行費用最小的運行策略。孫可[38]對針對工廠綜合能源系統(tǒng)提出一種考慮冰蓄冷空調(diào)多種工作模式的多能協(xié)同優(yōu)化模型，以綜合日運行費用最低為優(yōu)化目標建立優(yōu)化模型，根據(jù)工廠設備工作模式的不同，提供更加準確的優(yōu)化策略。錢虹[39]建立了一個在調(diào)度周期內(nèi)完成功能設備出力組合的優(yōu)化運行策略的數(shù)學模型，優(yōu)化目標為調(diào)度周期內(nèi)供能機組總出力與各時段負荷需求差值，通過matlab編程對混合整數(shù)規(guī)劃進行求解，算法為遺傳算法，從而獲得調(diào)度周期內(nèi)最經(jīng)濟的運行方式。

4.3設備容量與運行策略協(xié)同優(yōu)化

張杰[40]以年費用最小為目標函數(shù)，對典型三聯(lián)供系統(tǒng)建立了混合整數(shù)非線性規(guī)劃計算模型，并使用LINGO軟件用分支界定法結(jié)合順序線性規(guī)劃得到不同地區(qū)不同建筑最優(yōu)的系統(tǒng)配置和運行策略。林怡[41]對微型燃機和地下水源熱泵組成的復合供能系統(tǒng)，以年總費用和天然氣年節(jié)能率為優(yōu)化目標，對系統(tǒng)在經(jīng)濟最優(yōu)、以熱定電和節(jié)能最優(yōu)3種運行策略下的優(yōu)化配置和運行規(guī)律進行了研究。趙峰[42]設計了一種三級協(xié)同整體優(yōu)化方法，第一級以年一次能源利用率最高為目標求解最優(yōu)設備選型問題，第二級以二氧化碳排放最少為目標求解最優(yōu)設備容量問題;第三級以年運行成本最低為目標，求解最優(yōu)運行參數(shù)問題。荊有印等[43]基于生命周期法，以傳統(tǒng)系統(tǒng)為參照對象，建立了能源、環(huán)境和經(jīng)濟效益的多目標優(yōu)化模型，對聯(lián)供系統(tǒng)的設備容量和運行策略進行了優(yōu)化。研究還以北京市某綜合辦公樓為例，分析了不同目標函數(shù)下的最優(yōu)配置方案和運行策略。劉星月等[44]設計了一種能夠綜合利用太陽能光伏光熱且同時能滿足冷熱電需要的聯(lián)供系統(tǒng)，使用判斷矩陣法將能源、環(huán)境、經(jīng)濟評價三個指標綜合成一個綜合評估指標，就以熱定電和以電定熱兩種運行方式下各制定了三種運行控制策略，分別對系統(tǒng)進行容量配置和控制策略的優(yōu)化。

曾飛[45]建立了以燃氣輪機容量為優(yōu)化變量，多目標評價指標為目標函數(shù)的系統(tǒng)最優(yōu)運行策略模型，利用南方地區(qū)某賓館日逐時負荷進行算例分析，采用模式搜索算法求解得到基于負荷特征的系統(tǒng)最優(yōu)容量配置及其對應的運行策略。

微網(wǎng)優(yōu)化方面，巴林[10]給出了燃氣輪機、風機光伏、燃料電池以及蓄能裝置的數(shù)學模型，以系統(tǒng)經(jīng)濟性為優(yōu)化目標，對冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)進行優(yōu)化配置與優(yōu)化運行研究。研究運用粒子群算法求解，得到三種運行方案下系統(tǒng)的配置結(jié)果。王銳[46]對含多種可再生能源的熱電聯(lián)供型微網(wǎng)應用機會約束規(guī)劃理論建立經(jīng)濟運行優(yōu)化模型，提出一種基于隨機模擬技術的粒子群優(yōu)化算法求解模型。根據(jù)不同的原動機配置對運行方案進行優(yōu)化。

以上研究基本涵蓋了各種結(jié)構(gòu)的綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃及優(yōu)化問題，多數(shù)研究還結(jié)合案例驗證了優(yōu)化方法的有效性。

5、結(jié)論與展望

多能互補綜合能源系統(tǒng)由于具備經(jīng)濟、環(huán)保、高效等優(yōu)點，在發(fā)達國家已經(jīng)得到成熟的應用，然而由于技術障礙、政策限制等原因，在我國尚處于萌芽階段。隨著技術進步及國家鼓勵性政策的密集落地，多能互補綜合能源系統(tǒng)將迎來巨大的發(fā)展空間。

本文從負荷預測、系統(tǒng)配置、設備種類及容量、運行策略、系統(tǒng)評價、系統(tǒng)優(yōu)化的角度梳理了已有的綜合能源系統(tǒng)設計及優(yōu)化研究。總體而言，國內(nèi)外學者就綜合能源系統(tǒng)進行了大量研究并獲得了豐富的成果。但國內(nèi)已經(jīng)建成的綜合能源項目數(shù)量較少，且落地的項目由于各種原因沒有實現(xiàn)預計的供能目標，缺乏試驗數(shù)據(jù)為已有研究提供補充與支撐，也缺乏一致的評價標準來比較系統(tǒng)的優(yōu)劣，這對綜合能源系統(tǒng)的推廣構(gòu)成了阻礙。隨著綜合能源服務業(yè)務的開展，亟待一套完整、客觀的評價體系為綜合能源項目的規(guī)劃與評價提供參考。