摘要

構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系是能源革命、《能源發展“十三五”規劃》的共同目標和要求。在此背景下,綜合能源系統的理念應運而生,它是電、氣、熱、冷等各類能源統一規劃、統一調度的綜合性能源系統。目前,綜合能源系統的系統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/假定的區域能源系統進行建模,對綜合能源系統的典型架構和系統模型尚缺乏統一的定義和梳理,同時對綜合能源系統的效益評價體系研究仍處在起步階段。在已有研究基礎上,提出了區域型綜合能源系統的典型物理架構,圍繞系統中的獨立型設備和耦合型設備構建了對應的物理和經濟模型,并對當前綜合能源系統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建模及效益評價體系研究領域的研究重點和發展方向,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; 獨立型設備; 耦合型設備; 物理和經濟模型; 效益評價;

0引言

當前,我國能源轉型面臨著需求放緩、傳統產能過剩、環境問題突出、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展理念,明確國家能源安全新戰略,要求建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系。在此背景下,綜合能源系統應運而生[2],其理念突破了傳統能源系統的技術、市場和管理壁壘,是電、氣、熱、冷等各類能源統一規劃、統一調度的綜合性能源系統,對于推動能源結構轉型,推進我國能源革命具有重要意義。綜合能源系統勢必將成為未來能源系統的主要形態。

當前,國內外對綜合能源系統的概念、物理架構及相關模型已經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/假定的區域能源系統進行建模,對綜合能源系統中各類典型物理設備及其數學模型并未進行系統性的梳理和總結。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,對系統能夠帶來的經濟、環境和社會效益還停留在概念設想階段。為此,本文在國內外相關研究和探索的基礎上,對綜合能源系統的基本架構、系統模型和綜合效益評價體系等方面總結分析了國內外研究現狀及理論成果,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 綜合能源系統典型物理架構及設備

當前,國內外已有研究中提出了能源互聯網[5]、能源集線器[6]、泛能網[7]等均是綜合能源系統的表現形態,在系統的基本物理架構和設備層面,各類形態的綜合能源系統基本一致,包括電、熱、冷、氣各類能源的生產、傳輸、存儲和消費設備。根據已有研究中各類綜合能源系統架構,可歸納出綜合能源系統的基本物理架構如圖1所示。

圖1 綜合能源系統結構框架示意圖

Fig. 1 Framework schematic diagram of integrated energy system

按照設備承載的能質類型進行分類,綜合能源系統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屬性,不存在異質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如表1所示。

2 綜合能源系統物理及經濟性建模

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

綜合能源系統中的獨立型電力設備單元主要包括光伏DG、輸配電網絡、儲能電池等,此類設備只生產、傳輸、存儲電能,是綜合能源系統重要的組成部分[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,包含發電上網收益(即上網電量EonPVEPVon乘以上網電價ponPVpPVon、賣電收益(即交易電量EsePVEPVse和交易電價psePVpPVse的乘積)以及節約的購電成本(即自發自用電量EconsPVEPVcons乘以購電電價ptpt)。

表1 綜合能源系統典型設備單元及其物理指標

2)輸配電網絡模型。

輸配電網絡傳輸電力的物理模型通常由下 式[12-13]表示

3 綜合能源系統效益評價模型

3.1 綜合能源系統效益評價指標體系

現階段,關于綜合能源系統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、燃氣輪機系統等進行效益評價,并分別選取系統投資費等、一次能源消耗量等、NOx等作為評估綜合能源系統的經濟、能耗、環境效益的評價指標。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能夠帶來的經濟、社會、環境效益等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能夠帶了的效益情況。文獻[51]分別從能源環節、裝置環節、配網環節和用戶環節建立了區域綜合能源系統效益評價指標體系,并將反映經濟效益、社會效益、環境效益等指標融入各環節中,具體評價指標如表2所示。

該文考慮了區域綜合能源系統內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帶來的經濟、環境和社會效益,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 考慮各項環節的綜合能源系統評價指標體系

Tab. 2 Evaluation index system of integrated energy system considering each step

全面,如并未考慮天然氣管網、熱力管網等的負載率,也未將投資收益等經濟性指標考慮在內,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部性指標,外部性指標主要從環境外部性指標(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人數、用電收入/支出的變化等)、經濟外部性指標(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、經濟—熱量等)4個方面進行劃分;內部性指標主要根據財務指標(包括凈現值、內部收益率等)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。

相較于國內考慮的各環節、各類型效益指標,國外對綜合能源系統的效益評價大多沿用傳統的評價指標,即以綜合能源系統的技術經濟指標(投資及運行成本、凈現值NPV、內部收益率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的投資價值和環保效益[53],簡潔明了且操作性強。文獻[54]以電-熱耦合利用的CHP熱電聯產系統為研究對象,采用技術經濟評價方法,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。

從現有的研究成果來看,國內外已對綜合能源系統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 綜合能源系統效益評價方法

在綜合效益評價方法設計方面,國內外常用的綜合評價方法包括灰色關聯TOPSIS法、AHP法、熵權法、神經網絡算法、支持向量機算法以及其他智能優化算法等[55-56]。

文獻[49]采用AHP-熵權法對綜合能源系統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效益評價模型,進行綜合能源系統效益評估與方案排序。

將概率分析法引入綜合能源系統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效益帶來的風險和影響[53]。文獻[57]統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產、蓄熱裝置和需求響應資源的綜合能源系統的凈現值期望,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為算例系統進行評價,具備一定的參考價值。

同時,國內已有研究對綜合能源系統綜合效益的概率評價方法進行了一定的探索。文獻[59]建立了基于正態分布區間數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間數屬性矩陣轉化為正態分布區間數屬性矩陣,并通過Lagrange函數求解該模型,在此基礎上,根據最優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間數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 綜合能源系統的動態建模和仿真

當前圍繞綜合能源系統的建模大多是對各類設備的靜態建模,對部分新型設備及各類能源耦合集成后系統的動態機理、控制規律和優化特性仍缺乏深入的研究,以至于在綜合能源系統的規劃設計、運行控制等方面均遇到一定的困難。雖然國內外已有研究人員開展了對綜合能源系統的動態建模及仿真研究[60],但目前仍主要是圍繞CHP/CCHP系統,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的典型形態和運行特性。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物理設備靜態、動態模型集合,并開發適用于各類能源耦合綜合能源系統的規劃、運行仿真工具,以推動綜合能源系統的科學研究和工程落地。

4.2 綜合能源系統的投資收益評估機制

綜合能源系統的規劃建設將帶動能源產業的發展和變革,相關項目從投資建設到生產運營的全過程都將對國民經濟、能源生產和利用方式、環境等帶來顯著效益[61]。因此,有必要構建綜合能源系統投資收益評估機制,設計科學的評估指標、方法和標準,對綜合能源系統投資、建設、運行和效益進行系統科學的評估。同時,也應盡快制定、落實面向綜合能源系統的財政補貼政策、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的投資收益評估提供明確的政策、市場環境。

4.3 考慮DR的綜合能源協同控制與調度優化

當前,國內外在綜合能源系統的控制調度與運行優化方面已經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]等多種能源調度控制優化方法,為綜合能源系統的調度控制提供了理論上的方法支撐。現有研究中綜合能源系統調度模型的目標函數主要包括以下3類。

然而,現有研究較少考慮需求側各類能源(demand response,DR)負荷的可調度性。事實上,DR的運用能夠提高電、熱、冷與天然氣生產出力同各類能源負荷消費的匹配程度[69],提升系統運行效率,電力系統中DR的運用已經印證了這一點。因此,有必要深入挖掘需求側電、熱、氣、冷負荷的調度價值,研究考慮需求側各類負荷響應能力的綜合能源協同控制與調度優化方法,從而實現各類能源資源的最優利用。

5 結論

隨著新技術、新設備的不斷發展和應用,綜合能源系統的基本架構也在不斷進步和衍變,其能夠帶來的經濟、環境和社會效益也將日益明顯。在我國綜合能源系統理論研究不斷深入和試點項目有序落地的背景下,開展綜合能源系統建模仿真、運行優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基本架構、獨立型和耦合型設備單元的物理、經濟建模及效益評價體系研究,旨在明確綜合能源系統規劃建設、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提供參考和借鑒。