2017年10月，國(guó)家電網(wǎng)發(fā)布了《關(guān)于在各省公司開(kāi)展綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)的意見(jiàn)》，指出開(kāi)展綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)的重要意義，并提出了開(kāi)展綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)的總體要求。其中，提供多元化分布式能源服務(wù)，構(gòu)建終端一體化多能互補(bǔ)的能源供應(yīng)體系是綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)的重點(diǎn)任務(wù)。
多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)綜合能源系統(tǒng))的核心是分布式能源及圍繞其開(kāi)展的區(qū)域能源供應(yīng)，是一種將公共冷、熱、電、燃?xì)饽酥了畡?wù)整合在一起的形式[1]。綜合能源系統(tǒng)一方面通過(guò)實(shí)現(xiàn)多能源協(xié)同優(yōu)化和互補(bǔ)提高可再生能源的利用率；另一方面通過(guò)實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，提高能源的綜合利用水平。然而，由于綜合能源系統(tǒng)是一種有較多變量，特性復(fù)雜、隨機(jī)性強(qiáng)，多時(shí)間尺度的非線(xiàn)性系統(tǒng)，其規(guī)劃問(wèn)題較傳統(tǒng)能源規(guī)劃問(wèn)題更為復(fù)雜。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃問(wèn)題展開(kāi)了研究，獲得了豐富的研究成果。本文針對(duì)綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化問(wèn)題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，同時(shí)在對(duì)既有研究進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃問(wèn)題提出了展望。
1、綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
綜合能源系統(tǒng)集成多種能源輸入輸出以及多種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，能夠通過(guò)信息通信將電力系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)和供冷系統(tǒng)建立對(duì)應(yīng)耦合關(guān)系，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 、綜合能源系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)
綜合能源系統(tǒng)的配置牽涉到確定系統(tǒng)部件的類(lèi)型和大小問(wèn)題，系統(tǒng)配置是影響聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)性的核心因素[2]。設(shè)計(jì)過(guò)程需要充分考慮單個(gè)設(shè)備的效率，系統(tǒng)的運(yùn)行策略，用戶(hù)的冷熱電需求等多個(gè)因素。此外，一個(gè)設(shè)計(jì)完善的綜合能源系統(tǒng)還須在經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境效益之間作出平衡。在綜合能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)先選擇系統(tǒng)的主要設(shè)備及容量，再選擇與之匹配系統(tǒng)的運(yùn)行策略。
2.1負(fù)荷預(yù)測(cè)與分析
冷熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)根據(jù)電力負(fù)荷、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、氣象等歷史數(shù)據(jù)，尋求電力負(fù)荷與各種相關(guān)因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而對(duì)未來(lái)的負(fù)荷進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)[3]。負(fù)荷預(yù)測(cè)是綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃初期進(jìn)行方案比較的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確度直接影響系統(tǒng)的配置。討論初投資、年運(yùn)行費(fèi)用、回收年限等問(wèn)題均建立在相對(duì)準(zhǔn)確的全年負(fù)荷預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上。
幾種常見(jiàn)的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法[3]包括基于建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)典計(jì)算方法、基于建筑結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)約計(jì)算方法、基于軟件模擬的逐時(shí)負(fù)荷因子法、基于歷史數(shù)據(jù)的逐時(shí)能源負(fù)荷分?jǐn)偙壤?。目前?yīng)用比較成熟的是基于軟件模擬的逐時(shí)負(fù)荷因子法和基于歷史數(shù)據(jù)的逐時(shí)能源負(fù)荷分?jǐn)偙壤?。吳金順[4]使用DeST軟件計(jì)算了窗墻比、玻璃類(lèi)型、墻的傳熱系數(shù)等多個(gè)因素對(duì)冷負(fù)荷的影響規(guī)律，并使用最小二乘法得到了冷負(fù)荷關(guān)于不同因素變化的具體關(guān)系式。王國(guó)弟等[5]結(jié)合了上海某能源中心項(xiàng)目的情況，采用空調(diào)負(fù)荷計(jì)算軟件HDY-SMAD和DeST軟件對(duì)功能區(qū)域的設(shè)計(jì)日空調(diào)冷熱負(fù)荷及全年空調(diào)冷熱負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測(cè)。鄭衛(wèi)東[6]使用DeST軟件對(duì)北京地區(qū)某辦公樓和五星級(jí)賓館進(jìn)行了冷、熱、電負(fù)荷動(dòng)態(tài)模擬，并對(duì)其全年逐時(shí)、逐月和典型日的負(fù)荷及熱電比變化規(guī)律進(jìn)行了分析和總結(jié)。楊木和[7]基于對(duì)建筑冷熱電負(fù)荷調(diào)查研究的基礎(chǔ)，采用日本三聯(lián)供設(shè)計(jì)手冊(cè)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，使用逐時(shí)能源負(fù)荷分?jǐn)偙壤姆椒ǎ再e館建筑為研究對(duì)象，模擬了該賓館的全年逐時(shí)冷熱電負(fù)荷。
在負(fù)荷分析方面，梁哲誠(chéng)等[8]通過(guò)對(duì)商場(chǎng)、寫(xiě)字樓和酒店三種不同用途商業(yè)建筑的冷、熱、電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)研和測(cè)試，繪制得到典型日負(fù)荷曲線(xiàn)和全年延時(shí)負(fù)荷曲線(xiàn)，并對(duì)其負(fù)荷大小、變化范圍、變化規(guī)律以及變化同步性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，在建筑負(fù)荷特性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的綜合能源系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比更具節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益。
2.2系統(tǒng)配置
由于綜合能源系統(tǒng)向用戶(hù)直接供能，當(dāng)用戶(hù)負(fù)荷需求變化時(shí)，存在用戶(hù)負(fù)荷的熱(冷)電比與系統(tǒng)熱(冷)電比保持不一致的問(wèn)題。從滿(mǎn)足負(fù)荷需求的角度考慮，有四種常用的系統(tǒng)配置方法[9]即采用補(bǔ)電子系統(tǒng)集成方法、采用補(bǔ)熱子系統(tǒng)集成方法、電-熱轉(zhuǎn)換集成方法以及采用蓄能手段的集成方法。當(dāng)熱電比相對(duì)較小或用戶(hù)電負(fù)荷大于原動(dòng)機(jī)功率時(shí)，可以采用并網(wǎng)補(bǔ)充電能或使用可再生能源補(bǔ)充電能。當(dāng)綜合能源系統(tǒng)的供熱容量不能滿(mǎn)足需求時(shí)，則采用補(bǔ)熱子系統(tǒng)供熱。此外，當(dāng)用戶(hù)熱(冷)電比大于系統(tǒng)輸出比時(shí)，可以采用電-熱轉(zhuǎn)換，將熱需求轉(zhuǎn)換為電需求。當(dāng)用戶(hù)需求存在峰谷差時(shí)，將蓄能手段引入綜合能源系統(tǒng)，可有效緩解非同步引起的供需矛盾，提高系統(tǒng)變工況調(diào)節(jié)能力。
根據(jù)公共電網(wǎng)接入方式的不同可分為三種配置模式：孤島運(yùn)行模式、并網(wǎng)不上網(wǎng)模式、并網(wǎng)上網(wǎng)模式。孤島運(yùn)行模式下，綜合能源系統(tǒng)處于獨(dú)立運(yùn)行模式，與公共電網(wǎng)之間不架設(shè)連接線(xiàn)路，適用于具有豐富風(fēng)能或太陽(yáng)能等可再生能源地區(qū)，可為公共電力網(wǎng)絡(luò)尚未覆蓋完全的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供多種能量保證。第二種為并網(wǎng)不上網(wǎng)模式，即發(fā)電全部自用，不足時(shí)從公共電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)，已被廣泛應(yīng)用于大型工業(yè)園區(qū)、新型住宅區(qū)以及醫(yī)院等人流量較高的場(chǎng)所，是最為典型的冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)應(yīng)用模式。第三種為并網(wǎng)上網(wǎng)模式，不僅可從電網(wǎng)購(gòu)電，也可將富余電力出售給電網(wǎng)以獲取收益。此種模式對(duì)電能質(zhì)量、穩(wěn)定性及安全性要求高，且控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜，實(shí)際電網(wǎng)建設(shè)中尚未得到應(yīng)用[10]。
2.3綜合能源系統(tǒng)設(shè)備
綜合能源系統(tǒng)較傳統(tǒng)供能系統(tǒng)利用的能源種類(lèi)、供能形式多樣，可滿(mǎn)足冷熱電等多種用能需求，因此設(shè)備種類(lèi)也更為多樣化。
2.3.1原動(dòng)機(jī)
原動(dòng)機(jī)或發(fā)電單元是綜合能源系統(tǒng)的核心部件之一。為了實(shí)現(xiàn)多能系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，須謹(jǐn)慎選擇原動(dòng)機(jī)的類(lèi)型及容量。Al‐Sulaiman[11]詳細(xì)討論了分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中各種類(lèi)型的原動(dòng)機(jī)的使用特點(diǎn)，并給出了典型的使用案例。在設(shè)計(jì)的前期階段為原動(dòng)機(jī)選型提供前期參考。
常見(jiàn)的原動(dòng)機(jī)類(lèi)型有燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)，微型燃?xì)廨啓C(jī)，燃料電池，光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。
內(nèi)燃機(jī)將燃料與空氣注入氣缸混合壓縮，點(diǎn)火引其爆炸，產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馀蛎浲苿?dòng)活塞做功，通過(guò)氣缸連桿和曲軸等驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。內(nèi)燃機(jī)發(fā)電效率較高，功率范圍廣，適應(yīng)性能好，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，啟動(dòng)速度快，操作方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、大修周期間隔長(zhǎng)[12]。
燃?xì)廨啓C(jī)及微型燃?xì)廨啓C(jī)由壓氣機(jī)、透平，加熱工質(zhì)的設(shè)備(燃燒室)控制系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備等組成，壓氣機(jī)為燃燒室提供高壓空氣，燃料在燃燒室內(nèi)燃燒釋放出熱量加熱空氣，產(chǎn)生高溫高壓氣體在透平中膨脹做功，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。目前燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)成熟，商業(yè)化應(yīng)用廣，效率高，體積小，質(zhì)量輕，摩擦部件小、振動(dòng)小、噪聲低、污染少。
燃料電池將燃料中的化學(xué)能通過(guò)化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，效率高；沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，沒(méi)有噪聲。目前國(guó)內(nèi)燃料電池主要用于傳統(tǒng)發(fā)電，在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中尚未大規(guī)模使用[10]。
光伏電池將太陽(yáng)光照轉(zhuǎn)化為直流電能，無(wú)污染，不受資源分布地域的限制，可在用戶(hù)側(cè)就近發(fā)電；缺點(diǎn)是受到氣象條件限制，能量輸出不穩(wěn)定。光伏電池適用于光照資源充足、傳統(tǒng)電網(wǎng)接入困難的偏遠(yuǎn)地區(qū)。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，優(yōu)點(diǎn)是能源清潔、環(huán)境效益好，缺點(diǎn)是噪聲大，對(duì)風(fēng)場(chǎng)選址要求高，發(fā)電不穩(wěn)定。適用于風(fēng)能資源豐富、人口稀疏的地區(qū)。
2.3.2制冷設(shè)備及供暖設(shè)備
吸收式制冷機(jī)通過(guò)煙氣或熱水驅(qū)動(dòng)，采用溴化鋰或氨水等制冷工質(zhì)制冷，是余熱利用常用的制冷設(shè)備。表1根據(jù)工質(zhì)、驅(qū)動(dòng)熱源、利用方式和用途對(duì)吸收式制冷機(jī)進(jìn)行分類(lèi)[13]。
余熱鍋爐利用工業(yè)過(guò)程產(chǎn)生的余熱及可燃物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的熱量將水加熱，用于工業(yè)利用或采暖。分為一般型和補(bǔ)燃型，一般型余熱鍋爐與熱交換器類(lèi)似，不存在燃燒過(guò)程。
熱泵是一種利用低品位熱資源，既可供熱又可制冷的高效節(jié)能的空調(diào)技術(shù)。冬季時(shí)可通過(guò)熱泵機(jī)組將室外熱量輸送進(jìn)室內(nèi)供熱，夏季時(shí)可將室內(nèi)熱量輸送到室外降溫。根據(jù)熱源不同可將熱泵分為空氣源熱泵、地下水源熱泵、土壤源熱泵、雙源熱泵等。熱泵適用于具備常年恒溫冷熱源的地區(qū)。
2.4設(shè)備容量選擇
當(dāng)原動(dòng)機(jī)及供熱、供冷設(shè)備的類(lèi)型確定后，需要合理選擇設(shè)備的容量，以最大化設(shè)備容量的利用率，這需要考慮到多個(gè)影響因素，包括：用戶(hù)的冷熱電負(fù)荷需求、選用的原動(dòng)機(jī)特性、一年中電價(jià)與能源價(jià)格的波動(dòng)等等，處理該問(wèn)題可使用最大矩形面積法。這種方法源于數(shù)學(xué)中計(jì)算積分的方法，即將所研究的函數(shù)值作為矩形的高度來(lái)計(jì)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(shí)間-負(fù)載曲線(xiàn)為前提的條件下，可以使用最大矩形面積法來(lái)估計(jì)設(shè)備的容量以及運(yùn)行的時(shí)間。Sanaye等[14]使用最大矩形法(MRM)估算了不同場(chǎng)景下綜合能源系統(tǒng)的燃機(jī)容量。鄭衛(wèi)東[6]在已知日常運(yùn)行負(fù)荷的前提下，使用最大矩形法得到了不同運(yùn)行策略下原動(dòng)機(jī)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(lèi)型的建筑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得了建筑冷熱電8760 h逐時(shí)負(fù)荷曲線(xiàn)，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(shè)備容量具有較好的一次能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性。
2.5運(yùn)行策略
綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)行策略：
1)以熱定電：系統(tǒng)首先滿(mǎn)足用戶(hù)的熱需求，發(fā)出的電提供給用戶(hù)，如果電量不足或剩余，則從電網(wǎng)補(bǔ)充或上網(wǎng)售電
2)以電定熱：系統(tǒng)首先保證滿(mǎn)足用戶(hù)的電需求，所發(fā)出的熱量提供給用戶(hù)以滿(mǎn)足熱需求，如果熱量不足，則采用鍋爐補(bǔ)燃，如果熱量過(guò)剩則廢棄或采用一個(gè)蓄熱罐儲(chǔ)存。
3)持續(xù)運(yùn)行：系統(tǒng)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)持續(xù)運(yùn)行，不考慮能源需求的變化，這種運(yùn)行策略適用于原動(dòng)機(jī)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(mǎn)足覆蓋用戶(hù)的需求，則余電長(zhǎng)期上網(wǎng)，反之，則長(zhǎng)期從電網(wǎng)購(gòu)電。
4)調(diào)峰運(yùn)行：系統(tǒng)僅在負(fù)荷高峰期間運(yùn)行，以降低用能高峰期間從電網(wǎng)購(gòu)得的電能。
康書(shū)碩等[17]從熱電輸出和燃料消耗量方面比較了以燃?xì)廨啓C(jī)作為原動(dòng)機(jī)的聯(lián)供系統(tǒng)“以熱定電”和“以電定熱”兩種常用運(yùn)行模式下的性能差異。該研究通過(guò)Aspen Plus軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的計(jì)算，研究結(jié)果表明當(dāng)實(shí)際熱電輸出等于終端的熱電需求時(shí)，其最佳熱電比HPR為1.75；當(dāng)1HPR1.75,“以熱定電”為最佳的運(yùn)行方式；1.75HPR2.5時(shí)，“以電定熱”為最佳的系統(tǒng)運(yùn)行方式。
3、綜合能源系統(tǒng)評(píng)價(jià)
對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確有效的評(píng)價(jià)是進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化的重要依據(jù)，對(duì)綜合能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)研究主要從熱力學(xué)、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性以及綜合評(píng)價(jià)這4個(gè)方面進(jìn)行[18]。
3.1熱力學(xué)性能評(píng)價(jià)（略）
3.2經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)（略）
3.3環(huán)境效益評(píng)價(jià)（略）
3.4多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)（略）
4、綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化
在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)以后，須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化能夠顯著提升設(shè)備利用效率、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境效益。優(yōu)化變量通常包括原動(dòng)機(jī)的類(lèi)型、容量，系統(tǒng)的運(yùn)行策略等。
通常從運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)采集得到的數(shù)據(jù)一般更準(zhǔn)確、真實(shí)，基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化也更為可靠，但獲得實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)需要花費(fèi)大量的時(shí)間并需要高昂的運(yùn)行費(fèi)用作為支撐，并且只能對(duì)具體的某個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行研究。使用瞬態(tài)仿真方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，效率高，費(fèi)用低，系統(tǒng)運(yùn)行條件(包括原動(dòng)機(jī)類(lèi)型、容量、當(dāng)?shù)貧夂虻?更改簡(jiǎn)便，因此目前大部分現(xiàn)有研究均采用計(jì)算機(jī)仿真對(duì)多能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。常用的優(yōu)化算法有混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃法、混合整數(shù)非線(xiàn)性規(guī)劃法、隨機(jī)優(yōu)化法、遺傳算法等。
4.1設(shè)備容量?jī)?yōu)化
MRM方法在確定綜合能源系統(tǒng)時(shí)簡(jiǎn)單便捷，但只考慮了用戶(hù)的負(fù)荷需求，并沒(méi)有考慮到設(shè)備成本、運(yùn)行費(fèi)用等因素，因此需要對(duì)多能聯(lián)供系統(tǒng)作進(jìn)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(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化變量為原動(dòng)機(jī)容量、電制冷比系數(shù)、太陽(yáng)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(bǔ)系統(tǒng)的全年綜合指標(biāo)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(biāo)，建立聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化模型，對(duì)分別配置兩種額定發(fā)電功率的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比選，確定設(shè)備的最優(yōu)容量。何桂雄等[33]應(yīng)用解析法，結(jié)合各負(fù)荷區(qū)間出現(xiàn)的頻數(shù)統(tǒng)計(jì)，得到不同容量匹配方案下設(shè)備年等效滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)數(shù)及相應(yīng)收益，通過(guò)比較凈現(xiàn)值確定燃?xì)馊?lián)供和熱泵設(shè)備的最優(yōu)容量匹配方案，并結(jié)合案例進(jìn)行了驗(yàn)證。黃子碩等[34]提出了計(jì)算系統(tǒng)綜合能效的量綱表達(dá)式以辨析各影響因素與綜合能效間的關(guān)系，并展示了如何通過(guò)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(yùn)行成本最小化為優(yōu)化目標(biāo)，引入了條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值作為風(fēng)險(xiǎn)亮度的指標(biāo)，建立了基于投資理論中考慮到風(fēng)險(xiǎn)量度的虛擬電廠容量?jī)?yōu)化配置模型，研究了風(fēng)險(xiǎn)偏好、環(huán)境成本自然資源及負(fù)荷對(duì)虛擬電廠容量配置的影響。該文獻(xiàn)還以美國(guó)德州某地區(qū)的風(fēng)、光、電價(jià)及負(fù)荷數(shù)據(jù)為實(shí)例進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果驗(yàn)證了模型的正確性，為投資商在規(guī)劃建設(shè)時(shí)解決多能源容量配置問(wèn)題提供了依據(jù)。
4.2運(yùn)行策略?xún)?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(jìn)行分類(lèi)，采用集中母線(xiàn)的方式搭建基本框架，對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行建模，建立了冷熱電聯(lián)供系微網(wǎng)系統(tǒng)日前動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的0-1混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃模型，通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中各設(shè)備運(yùn)行方式和工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。任洪波等[37]對(duì)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(duì)象，使用混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃理論構(gòu)建運(yùn)行優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。模型以年運(yùn)行費(fèi)用最小化作為目標(biāo)函數(shù)，以能源供需平衡和設(shè)備容量為約束條件，使用LINGO進(jìn)行建模求解得到年運(yùn)行費(fèi)用最小的運(yùn)行策略。孫可[38]對(duì)針對(duì)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(yùn)行費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo)建立優(yōu)化模型，根據(jù)工廠設(shè)備工作模式的不同，提供更加準(zhǔn)確的優(yōu)化策略。錢(qián)虹[39]建立了一個(gè)在調(diào)度周期內(nèi)完成功能設(shè)備出力組合的優(yōu)化運(yùn)行策略的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化目標(biāo)為調(diào)度周期內(nèi)供能機(jī)組總出力與各時(shí)段負(fù)荷需求差值，通過(guò)matlab編程對(duì)混合整數(shù)規(guī)劃進(jìn)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(jì)的運(yùn)行方式。
4.3設(shè)備容量與運(yùn)行策略協(xié)同優(yōu)化
張杰[40]以年費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)典型三聯(lián)供系統(tǒng)建立了混合整數(shù)非線(xiàn)性規(guī)劃計(jì)算模型，并使用LINGO軟件用分支界定法結(jié)合順序線(xiàn)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(yùn)行策略。林怡[41]對(duì)微型燃機(jī)和地下水源熱泵組成的復(fù)合供能系統(tǒng)，以年總費(fèi)用和天然氣年節(jié)能率為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)最優(yōu)、以熱定電和節(jié)能最優(yōu)3種運(yùn)行策略下的優(yōu)化配置和運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行了研究。趙峰[42]設(shè)計(jì)了一種三級(jí)協(xié)同整體優(yōu)化方法，第一級(jí)以年一次能源利用率最高為目標(biāo)求解最優(yōu)設(shè)備選型問(wèn)題，第二級(jí)以二氧化碳排放最少為目標(biāo)求解最優(yōu)設(shè)備容量問(wèn)題；第三級(jí)以年運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，求解最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)問(wèn)題。荊有印等[43]基于生命周期法，以傳統(tǒng)系統(tǒng)為參照對(duì)象，建立了能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益的多目標(biāo)優(yōu)化模型，對(duì)聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)備容量和運(yùn)行策略進(jìn)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(biāo)函數(shù)下的最優(yōu)配置方案和運(yùn)行策略。劉星月等[44]設(shè)計(jì)了一種能夠綜合利用太陽(yáng)能光伏光熱且同時(shí)能滿(mǎn)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(jì)評(píng)價(jià)三個(gè)指標(biāo)綜合成一個(gè)綜合評(píng)估指標(biāo)，就以熱定電和以電定熱兩種運(yùn)行方式下各制定了三種運(yùn)行控制策略，分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行容量配置和控制策略的優(yōu)化。
曾飛[45]建立了以燃?xì)廨啓C(jī)容量為優(yōu)化變量，多目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)的系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行策略模型，利用南方地區(qū)某賓館日逐時(shí)負(fù)荷進(jìn)行算例分析，采用模式搜索算法求解得到基于負(fù)荷特征的系統(tǒng)最優(yōu)容量配置及其對(duì)應(yīng)的運(yùn)行策略。
微網(wǎng)優(yōu)化方面，巴林[10]給出了燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)機(jī)光伏、燃料電池以及蓄能裝置的數(shù)學(xué)模型，以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置與優(yōu)化運(yùn)行研究。研究運(yùn)用粒子群算法求解，得到三種運(yùn)行方案下系統(tǒng)的配置結(jié)果。王銳[46]對(duì)含多種可再生能源的熱電聯(lián)供型微網(wǎng)應(yīng)用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃理論建立經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化模型，提出一種基于隨機(jī)模擬技術(shù)的粒子群優(yōu)化算法求解模型。根據(jù)不同的原動(dòng)機(jī)配置對(duì)運(yùn)行方案進(jìn)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(wèn)題，多數(shù)研究還結(jié)合案例驗(yàn)證了優(yōu)化方法的有效性。
5 、結(jié)論與展望
多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)由于具備經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到成熟的應(yīng)用，然而由于技術(shù)障礙、政策限制等原因，在我國(guó)尚處于萌芽階段。隨著技術(shù)進(jìn)步及國(guó)家鼓勵(lì)性政策的密集落地，多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)將迎來(lái)巨大的發(fā)展空間。
本文從負(fù)荷預(yù)測(cè)、系統(tǒng)配置、設(shè)備種類(lèi)及容量、運(yùn)行策略、系統(tǒng)評(píng)價(jià)、系統(tǒng)優(yōu)化的角度梳理了已有的綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究?？傮w而言，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究并獲得了豐富的成果。但國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成的綜合能源項(xiàng)目數(shù)量較少，且落地的項(xiàng)目由于各種原因沒(méi)有實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的供能目標(biāo)，缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)為已有研究提供補(bǔ)充與支撐，也缺乏一致的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)比較系統(tǒng)的優(yōu)劣，這對(duì)綜合能源系統(tǒng)的推廣構(gòu)成了阻礙。隨著綜合能源服務(wù)業(yè)務(wù)的開(kāi)展，亟待一套完整、客觀的評(píng)價(jià)體系為綜合能源項(xiàng)目的規(guī)劃與評(píng)價(jià)提供參考。
來(lái)源：綜合能源技術(shù)
葉琪超、樓可煒、張寶/文 浙江電科院
