多能協(xié)同的規(guī)劃設(shè)計(jì)

清華大學(xué) 程林

現(xiàn)有能源系統(tǒng)中，各能源（電、氣、冷、熱、交通）的規(guī)劃設(shè)計(jì)是解耦進(jìn)行的。實(shí)際上，當(dāng)前一些技術(shù)已將各類能源系統(tǒng)緊密地聯(lián)合在一起，如燃?xì)饫錈犭娐?lián)供（氣、電和熱）、電動(dòng)汽車（電和交通）、熱泵（電和熱）、太陽能熱發(fā)電（電和熱）、燃料電池（氣和電）等。與獨(dú)立的能源供給系統(tǒng)相比，綜合能源系統(tǒng)在技術(shù)、環(huán)境、社會(huì)效益方面更有優(yōu)勢，體現(xiàn)在以下幾方面。

? 提高能源供應(yīng)充裕性和安全性；

? 提高系統(tǒng)能源的利用效率；

? 促進(jìn)可再生能源的利用；

? 從系統(tǒng)層面優(yōu)化集中和分布式資源。

本節(jié)將從規(guī)劃范疇、規(guī)劃方法、規(guī)劃方案評(píng)估幾個(gè)方面，對(duì)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行闡述。

1 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃范疇分類

從地理范圍看，綜合能源系統(tǒng)可以小到單個(gè)建筑物，大到一個(gè)區(qū)域、一個(gè)城市乃至一個(gè)國家。對(duì)于一個(gè)建筑物，其冷、熱、電、氣供應(yīng)存在多種解決方案，如采用屋頂光伏、燃?xì)獍l(fā)電或者購入市電，采用空氣源、地源熱泵或燃?xì)忮仩t供熱等，采取何種供能方案將影響建筑物的能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性。建筑物多能源的供應(yīng)和需求關(guān)系可用energy hub模型描述，如圖1所示，來自外部的電力、天然氣、太陽能經(jīng)變壓器、內(nèi)燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)、光伏發(fā)電裝置、熱泵轉(zhuǎn)換為建筑物所需的電、熱、冷需求，利用energy hub模型可以將建筑物的能源供應(yīng)表達(dá)為各負(fù)荷需求的線性函數(shù)，進(jìn)而用以確定建筑物內(nèi)各能源轉(zhuǎn)換裝置的配置方案和容量。

在用能密度較大的區(qū)域，規(guī)模效應(yīng)下，區(qū)域集中式的能源供應(yīng)在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益上通常優(yōu)于多個(gè)獨(dú)立的能源供應(yīng)系統(tǒng)。如百兆瓦（MW）級(jí)的區(qū)域集中供暖系統(tǒng)優(yōu)于小于10MW小鍋爐供暖系統(tǒng)；與單體建筑獨(dú)立配置中央空調(diào)系統(tǒng)相比，采用區(qū)域供冷系統(tǒng)可減少制冷機(jī)組總裝機(jī)容量約20%～30%。區(qū)域型綜合能源系統(tǒng)可覆蓋數(shù)十平方公里的范圍，如圖2所示為區(qū)域綜合能源系統(tǒng)示意圖。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)可包含相對(duì)集中的冷、熱、電供應(yīng)設(shè)施，同時(shí)也包含分布在各用戶的energy hub集合，集中式能源供應(yīng)和各分散的energy hub，通過配電線路、熱力管、天然氣管道等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。區(qū)域能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)受到各能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的制約，如表1所示為典型能源供應(yīng)的服務(wù)半徑，各能源的服務(wù)半徑與能量的品質(zhì)、供能密度、損耗特性等密切相關(guān)。同時(shí)，區(qū)域能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在多種形式，如環(huán)形或鏈?zhǔn)降呐潆娋W(wǎng)絡(luò)，單熱源枝狀熱網(wǎng)和多熱源環(huán)狀熱網(wǎng)，一級(jí)或多級(jí)氣網(wǎng)，如圖3（a）所示為包含多個(gè)分布式電源的鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3（b）所示為多源環(huán)狀熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。在energy hub模型基礎(chǔ)上，引入針對(duì)供能網(wǎng)絡(luò)約束的多能量混合潮流模型，可完整描述區(qū)域能源系統(tǒng)從能源輸入、轉(zhuǎn)換生產(chǎn)、傳輸?shù)较M(fèi)環(huán)節(jié)的關(guān)系。區(qū)域能源供應(yīng)系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換的方式、集中式能源供應(yīng)站的容量和布局、能源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和互聯(lián)方案等，都是區(qū)域能源系統(tǒng)規(guī)劃中需要考慮的內(nèi)容。

若干個(gè)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)構(gòu)成了智慧城市的能源系統(tǒng)，在城市能源系統(tǒng)中，區(qū)域系統(tǒng)可視為“多能源微網(wǎng)”，其具有獨(dú)立的能量管理平臺(tái)，并可與外部系統(tǒng)進(jìn)行能量交易，在城市能源系統(tǒng)規(guī)劃中，城市能源系統(tǒng)的規(guī)劃需重點(diǎn)考慮能源供應(yīng)的安全性和可持續(xù)性，建設(shè)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的能源供應(yīng)骨干網(wǎng)絡(luò)。

類似地，綜合能源系統(tǒng)可擴(kuò)展至一個(gè)國家或更大的地區(qū)，這些系統(tǒng)中能源的生產(chǎn)、傳輸和利用將采用更加宏觀的描述方法，其涉及大規(guī)模可再生能源的利用、遠(yuǎn)距離的能量傳輸、長期和廣域空間能源供應(yīng)和需求的匹配。

以上從地理范疇對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了基本描述，其可大致分為①建筑物能源系統(tǒng)；②區(qū)域能源系統(tǒng)；③城市能源系統(tǒng)；④國家和地區(qū)能源系統(tǒng)。

在地理劃分的基礎(chǔ)上，綜合能源系統(tǒng)還可按照提供輸入或輸出的能源類型進(jìn)行進(jìn)一步劃分。綜合能源系統(tǒng)的能源輸入可為風(fēng)能、太陽能、地?zé)帷⑸镔|(zhì)等新能源，也可為煤、天然氣、石油等化石能源，綜合能源系統(tǒng)的輸出即所提供的服務(wù)，可涵蓋電能、燃?xì)狻⒗?熱供應(yīng)、交通服務(wù)等。

2 自下而上的綜合能源系統(tǒng)一體化規(guī)劃方法

現(xiàn)有能源系統(tǒng)規(guī)劃通常從供需關(guān)系出發(fā)，分別進(jìn)行各能源的專項(xiàng)規(guī)劃。以城市規(guī)劃為例，如圖4所示，電、熱、氣、交通各項(xiàng)規(guī)劃獨(dú)立進(jìn)行。而實(shí)際過程中，各專項(xiàng)規(guī)劃交互影響，可能帶來負(fù)荷重復(fù)計(jì)算、占地沖突、能源結(jié)構(gòu)不合理等問題。

在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃中，各能源系統(tǒng)的規(guī)劃是一體的，如何在各能源交互影響和約束關(guān)系下，實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)和需求的優(yōu)化匹配是綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。該問題可描述為：在一個(gè)限定的地理區(qū)域和規(guī)劃周期內(nèi)，滿足用戶冷、熱、電、氣等多種用能需求下，確定各能源資源的優(yōu)化配置，各能源轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)技術(shù)類型和容量的組合，以及各能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的布局，使得系統(tǒng)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、能效、環(huán)境效益等方面的多個(gè)目標(biāo)下達(dá)到最優(yōu)。

與單一能源規(guī)劃相比，綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃不僅為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，還面臨著更多的復(fù)雜性和不確定性，包括：更多的優(yōu)化對(duì)象，如在CCHP系統(tǒng)中，熱電比例、蒸汽壓力、冷熱水溫度、管網(wǎng)的直徑和長度等都是待確定的變量；各能源耦合和轉(zhuǎn)換帶來復(fù)雜的約束關(guān)系；能源輸入和輸出中存在多重不確定性和相關(guān)性，如能源輸入中風(fēng)能、太陽能等能源的不確定性，以及能源服務(wù)中各種用能需求的不確定性，同時(shí)輸入輸出之間還可能存在時(shí)間或空間上的某種相關(guān)性，如氣象變化將同時(shí)對(duì)風(fēng)電、光伏發(fā)電和用戶的冷、熱需求造成影響；各能源的服務(wù)半徑和動(dòng)態(tài)特性的差異，使優(yōu)化模型在時(shí)間和空間尺度的選擇上難以把握。

上述因素使得綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃工作面臨很大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有規(guī)劃工作中通常采用自上而下（top down）的方法，即先進(jìn)行大范圍的主要能源產(chǎn)生和傳輸規(guī)劃，再進(jìn)行局部區(qū)域的能源供應(yīng)規(guī)劃。對(duì)于各種能源交互影響的綜合能源系統(tǒng)，這種方法難以進(jìn)行，此時(shí)宜采用自下而上（bottom up）的規(guī)劃方法。以區(qū)域綜合能源系統(tǒng)為例，其涉及各用戶本地能源供應(yīng)、區(qū)域供能網(wǎng)絡(luò)以及區(qū)域集中式供能裝置的協(xié)同規(guī)劃。如圖5所示，規(guī)劃工作分為兩層，首先基于區(qū)域內(nèi)各用戶的多種用能需求，結(jié)合用戶本地的資源條件，進(jìn)行各用戶本地能源供應(yīng)系統(tǒng)（可理解為一個(gè)energy hub）的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，明確各energy hub與外界的能量交互需求，再對(duì)區(qū)域集中式供能裝置和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化配置和布局，當(dāng)區(qū)域?qū)拥囊?guī)劃設(shè)計(jì)無法滿足一些用戶的需求時(shí)，再對(duì)用戶能源供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，如此往復(fù)，達(dá)到各用戶本地供能與區(qū)域集中式供能的協(xié)同規(guī)劃。

3 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案的評(píng)估

綜合能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)大體可從能源利用、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境三方面視角出發(fā)。不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)涉及的時(shí)間尺度不同（從小時(shí)到年），一些指標(biāo)可采用確定性方法計(jì)算，而一些需要對(duì)其概率進(jìn)行表述，一些指標(biāo)是絕對(duì)值，而一些指標(biāo)為相對(duì)值。在建立綜合能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，也需要對(duì)應(yīng)建立各指標(biāo)的計(jì)算方法。

能源利用指標(biāo)中，常見的輸入輸出能量轉(zhuǎn)換效率不足以反映綜合能源系統(tǒng)的整體性能，因此引入一些相對(duì)指標(biāo)。例如，在三聯(lián)供系統(tǒng)中，通常用一次能源利用率（PER）描述系統(tǒng)的能效，該指標(biāo)定義為系統(tǒng)所提供能量與系統(tǒng)所消耗一次能源能量的比值，但該指標(biāo)沒有區(qū)分系統(tǒng)所提供不同能量的品質(zhì)。因此，有文獻(xiàn)提出了能源節(jié)約率（PES），定義為系統(tǒng)相對(duì)于單獨(dú)提供冷、熱、電所節(jié)約的一次能源比率，對(duì)于季節(jié)性的冷、熱供應(yīng)，應(yīng)至少以年為時(shí)間尺度計(jì)算PES。另外，?效率也是綜合能源系統(tǒng)能源利用評(píng)估的重要指標(biāo)，?效率以熱力學(xué)第二定律為指導(dǎo)，既能反映能的數(shù)量，又能表示能的質(zhì)量的有效利用程度，可更恰當(dāng)?shù)乇硎鼍C合能源系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換和利用過程的特性。

經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)是綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案決策的重要依據(jù)，常見的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括投資回收年限、方案總費(fèi)用年值、凈現(xiàn)值等。在規(guī)劃階段，也需考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，以合理計(jì)算成本和收益。綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本和收益，很大程度上取決于各能源的市場價(jià)格，經(jīng)濟(jì)?效率指標(biāo)依據(jù)各能量的市場價(jià)格，計(jì)算系統(tǒng)提供能量的總價(jià)格和輸入能量總價(jià)格的比值，可粗略表征系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。能源市場價(jià)格、能源需求等都是經(jīng)濟(jì)性評(píng)估中的敏感因素，通常對(duì)這些因素進(jìn)行敏感性分析以掌握經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的不確定性。也可通過Monte Carlo仿真，計(jì)算系統(tǒng)在計(jì)算周期過程中的成本和收益，統(tǒng)計(jì)得到凈現(xiàn)值、回收周期等指標(biāo)的概率，對(duì)系統(tǒng)建設(shè)投資進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

綜合能源系統(tǒng)的環(huán)境指標(biāo)通常包括CO2排放量、CO2排放減少率、污染物排放量等，其中CO2排放減少率為相對(duì)性指標(biāo)。一般計(jì)算中，只考慮系統(tǒng)運(yùn)行階段對(duì)環(huán)境的影響，也有一些工作從生命周期角度對(duì)系統(tǒng)的環(huán)境影響做出評(píng)估。有些研究中將環(huán)保因素考慮在能源供應(yīng)成本中，將環(huán)境效益反映在系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性中。

對(duì)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案進(jìn)行決策時(shí)，應(yīng)從上述評(píng)價(jià)角度出發(fā)，對(duì)方案進(jìn)行綜合評(píng)估。另外，綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃涉及多方參與者，在尋求系統(tǒng)整體技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、能效等最優(yōu)的同時(shí)，還涉及多方利益訴求的均衡，涉及一些難以量化表述的因素，這增加了綜合能源系統(tǒng)評(píng)價(jià)的難度。

4 綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃流程

如同傳統(tǒng)規(guī)劃工作，綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃工作同樣包含調(diào)研收資、需求預(yù)測、制定規(guī)劃方案、規(guī)劃方案評(píng)估和決策幾個(gè)階段。以區(qū)域綜合能源系統(tǒng)為例，如圖6所示，首先收集規(guī)劃所需的經(jīng)濟(jì)環(huán)境、技術(shù)發(fā)展、能源政策等外部信息以及相關(guān)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，掌握用戶的用能特性，并對(duì)用能源需求做出預(yù)測；對(duì)區(qū)域內(nèi)各用戶本地的能源供應(yīng)設(shè)施的容量和類型進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)與其用能需求的匹配；掌握各本地能源供應(yīng)系統(tǒng)與外部網(wǎng)絡(luò)的交換功率特性，對(duì)區(qū)域供能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃，同時(shí)對(duì)區(qū)域內(nèi)相對(duì)集中的電源、熱源、儲(chǔ)能等進(jìn)行布局。在完成上述工作后，可基于規(guī)劃方案的運(yùn)行模擬結(jié)果對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行評(píng)估和決策。

綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃受到多方面因素的影響，包括規(guī)劃區(qū)域的地理?xiàng)l件、氣候特點(diǎn)、用能密度、能源價(jià)格、政策環(huán)境等。上述任何因素的變化，都會(huì)影響系統(tǒng)規(guī)劃方案的設(shè)計(jì)，需要具體問題具體分析。國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)已開發(fā)了綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的支持工具，如DER-CAM、HOMER、EnergyPLAN、eTransport、Balmorel等，這些工具適用于不同規(guī)模和能源類型的綜合能源系統(tǒng)，優(yōu)化方法、目標(biāo)及評(píng)估功能也不盡相同。綜合能源系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)和冷、熱、電、氣、交通需求的精細(xì)化匹配，并實(shí)現(xiàn)局部系統(tǒng)優(yōu)化和全局優(yōu)化的平衡，與傳統(tǒng)單一能源規(guī)劃相比具有高度的復(fù)雜性和不確定性。關(guān)于綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃理論和方法仍有待完善，在現(xiàn)有規(guī)劃模型中，多能源系統(tǒng)的耦合通常簡化為線性關(guān)系，忽略了大量的非線性因素，同時(shí)各能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的匹配也鮮有考慮，評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)估方法也未成體系。因此，綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃模型和評(píng)估方法仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

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