1、研究背景
綜合能源系統(tǒng)根據(jù)地理因素與能源發(fā)/輸/配/用特性可分為跨區(qū)級(jí)、區(qū)域級(jí)和用戶級(jí)，而區(qū)域級(jí)綜合能源系統(tǒng)作為承上啟下的重要環(huán)節(jié)，涵蓋電/氣/熱/冷等多種能源形式，并涉及能源的生產(chǎn)、傳輸、分配、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、消費(fèi)等各種環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)（district integrated energy system, DIES）規(guī)劃需要打破行業(yè)壁壘，由各形式能源分產(chǎn)分供、獨(dú)立規(guī)劃模式轉(zhuǎn)向多種形式能源聯(lián)合規(guī)劃，不僅要實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，也要破除政策、地域等界限。本文從多能耦合理論、負(fù)荷預(yù)測(cè)方法、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析、規(guī)劃優(yōu)化建模與求解4個(gè)環(huán)節(jié)上對(duì)目前DIES規(guī)劃研究工作進(jìn)行歸納總結(jié)，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。
圖1 全文架構(gòu)體系圖
2、主要難點(diǎn)
DIES規(guī)劃主要存在以下難點(diǎn)：
1) 多能耦合建模。DIES多能源間的耦合復(fù)雜，并廣泛存在于源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等各個(gè)環(huán)節(jié)。準(zhǔn)確、有效的多能耦合理論是支撐IES規(guī)劃的關(guān)鍵，且需滿足靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、時(shí)延特性等多方面建模需求。
2) 多元負(fù)荷預(yù)測(cè)方法。DIES負(fù)荷預(yù)測(cè)需兼顧考慮電、氣、熱、冷等類型負(fù)荷及其相互耦合，且受到經(jīng)濟(jì)、氣候、建筑布局、人口密度等多種因素影響，其預(yù)測(cè)難度遠(yuǎn)超任何單一形式能源系統(tǒng)預(yù)測(cè)。
3) 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。DIES是由多種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、供能管線及用戶等組成的有機(jī)整體，需要對(duì)系統(tǒng)的整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行重新評(píng)估。如電解制氫等電轉(zhuǎn)氣(P2G)技術(shù)，單純以燃?xì)庀到y(tǒng)角度其不具備投資經(jīng)濟(jì)性，但在DIES中則可由于輔助可再生能源消納的而產(chǎn)生附加價(jià)值。另外，DIES運(yùn)營(yíng)模式的多元化也會(huì)使技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估更加復(fù)雜。
4) 規(guī)劃優(yōu)化模型與求解。 DIES規(guī)劃是多元素、多維度、多目標(biāo)、多層次、非線性的復(fù)雜規(guī)劃問題，建模與求解時(shí)需考慮連續(xù)、非連續(xù)、時(shí)變等特性，以及廣泛存在于能源生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換、消費(fèi)等環(huán)節(jié)的各種不確定性。
3、算例與仿真
1）多種形式能源耦合理論研究
多種形式能源的耦合機(jī)理是實(shí)現(xiàn)DIES規(guī)劃的首要問題。國(guó)際上對(duì)多能耦合模型理論的研究最早始于ETH Zurich在2005年IEEE PES Conference& Exposition上所提出的Energy Hub(譯為能源集線器或能源樞紐)理論。該模型完整地構(gòu)建了包含源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等各個(gè)環(huán)節(jié)的DIES多能耦合靜態(tài)線性模型，并對(duì)耦合過程中的優(yōu)化潛力進(jìn)行了分析。
能源路由器 (Energy Router) 概念是由美國(guó)北卡州立大學(xué) FREEDM中心的Alex Q. Huang提出的用于解決DIES能源耦合過程中信息流問題的模型。Energy Router側(cè)重于DIES的通信、控制與管理。Energy Router從信息層面對(duì)Energy Hub提供支持，有利于促進(jìn)未來(lái)DIES的進(jìn)一步發(fā)展。
其他學(xué)者在DIES的非線性、動(dòng)態(tài)特性、多時(shí)間尺度、不確定性等諸多方面進(jìn)行了研究探索，對(duì)Energy Hub模型和Energy Router模型進(jìn)行了發(fā)展。但目前總體尚處于探索階段。
圖2 多能耦合建模
2）負(fù)荷預(yù)測(cè)方法研究
DIES的用能需求是所有分散于區(qū)域內(nèi)的能源消費(fèi)用戶用能需求的總和，因此對(duì)單個(gè)用戶單元的影響因素往往也會(huì)對(duì)整個(gè)區(qū)域用能情況造成類似影響，比如建筑的物理特性、照明、用戶行為、用能類型、建筑密度、布局、人口密度等?？蓪⑺锌赡軐?duì)DIES負(fù)荷造成影響的因素歸納為五大類:建筑室內(nèi)條件、建筑設(shè)計(jì)特性、區(qū)域布局、本地微氣候和社會(huì)經(jīng)濟(jì)性。
DIES負(fù)荷預(yù)測(cè)方法的研究成果歸納總結(jié)并劃分為宏觀類預(yù)測(cè)方法(top-down methods)和微觀類預(yù)測(cè)方法(bottom-up methods)。兩類方法相輔相成，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可依據(jù)具體規(guī)劃對(duì)象選用合適的預(yù)測(cè)方法，或組合預(yù)測(cè)方法。
圖3 DIES負(fù)荷預(yù)測(cè)影響因素
3）DIES技術(shù)經(jīng)濟(jì)性研究
目前，有關(guān)DIES技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的研究熱點(diǎn)主要集中在一些典型的設(shè)備，或者由兩個(gè)及以上設(shè)備所組成的小型供能系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。其技術(shù)性評(píng)價(jià)的重點(diǎn)在于能源利用效率的改善與能量品位的提高，其分析方法基于熱力學(xué)第一定律與第二定律。而經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的重點(diǎn)則在于經(jīng)濟(jì)效益與節(jié)能減排，一般引用工程經(jīng)濟(jì)學(xué)理論進(jìn)行評(píng)估。
在技術(shù)性方面，本文重點(diǎn)對(duì)能源利用效率、能量品位、污染物）排放量等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。在經(jīng)濟(jì)性方面，則重點(diǎn)對(duì)CHP、CHP、P2G技術(shù)、能管線共通道等DIES最新的研究熱點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。
4）DIES規(guī)劃優(yōu)化建模與求解研究
由于多能耦合密切，DIES的優(yōu)化空間廣泛。存在于源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)等 各個(gè)環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)外對(duì) DIES規(guī)劃的早期探索主要集中于以某一種典型耦合設(shè)備(CHP和CCHP等)為核心或少數(shù)幾種確定的設(shè)備組成的小型供能系統(tǒng)，以及“以熱定電”等相關(guān)運(yùn)行策略的制定，未充分考慮系統(tǒng)設(shè)備選型的優(yōu)化空間。后續(xù)DIES規(guī)劃一般基于Energy Hub理論，并通過分層建模求解實(shí)現(xiàn)設(shè)備選型選址定容與運(yùn)行調(diào)度方案的協(xié)同優(yōu)化。目前對(duì)DIES的規(guī)劃工作基本上側(cè)重于某一點(diǎn)，如能源站規(guī)劃、能源網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、儲(chǔ)能規(guī)劃或綜合需求側(cè)管理等，尚未形成較成熟的源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)一體化規(guī)劃，對(duì)于各環(huán)節(jié)間的耦合與優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)挖掘不足。綜合目前的研究工作，完整的DIES規(guī)劃應(yīng)如下圖所示。
圖4 DIES源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)一體化規(guī)劃
4、總結(jié)與展望
DIES規(guī)劃本質(zhì)上是多元素、多維度、多目標(biāo)、多層次、非線性的復(fù)雜規(guī)劃問題。要破除行業(yè)壁壘，由過去分產(chǎn)分供、獨(dú)立規(guī)劃的模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄芟到y(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃，未來(lái)的研究任重而道遠(yuǎn)。未來(lái)的研究工作仍需在以下幾方面進(jìn)行深入探索：
動(dòng)態(tài)特性、多時(shí)間尺度特性
多重不確定性分析與建模
多能流安全分析與控制
市場(chǎng)機(jī)制與交易架構(gòu)
原文發(fā)表在《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》2019年第43卷第7期，歡迎品讀！
