PDF《面向可再生能源消纳的多能源系统 ：述评与展望》

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a e p s G i n f o . c o m 面向可再生能源消纳的多能源系统: 述评与展望 杨经纬,张宁,王毅,康重庆 ( 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室,清华大学,北京市

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8 4 ) 摘要:打破不同能源系统之间相互分立的格局, 实现多能源系统的集成与协同是解决可再生能源 消纳问题的有效途径.首先, 分析了多能源系统理论与方法研究框架, 在此基础上从基本建模、 运 行优化、 系统规划等多个角度评述了现有的研究并提出相应的思考.然后, 将现有研究分为 以电―热耦合为主的区域多能源系统 和 以电―气耦合为主的跨区多能源系统 两个典型研究对象, 综述了面向新能源消纳的多能源系统的关键研究点.最后, 总结了面向可再生能源消纳的多能源 系统关键科学问题, 并对多能源系统未来的研究方向做了展望. 关键词:多能源系统;

综合能源系统;

能源互联网;

可再生能源;

电―热耦合;

电―气耦合 收稿日期:

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修回日期:

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0 4. 上网日期:

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1 0. 国家 自然科学基金国际(地区)合 作与交流项目(51620105007);

国家自然科学基金资助项目(

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0 引言 推动以可再生能源为主体的绿色、 低碳、 清洁的 能源体系建设是中国乃至全世界大多数国家的战略 选择.然而, 受可再生能源随机性和间歇性影响, 中 国的可再生能源消纳问题凸显, 且仅依靠挖掘既有 电力系统内部的潜力, 难以走出可再生能源消纳困 境.在中国北方的冬季, 传统的 电―热分 立运行模 式严重地制约了热电联产( CH P) 机组的发电区间, 挤占了风电的接入空间, 是造成弃风最主要的原因. 电力无法长期有效地存储是可再生能源难以消纳的 重要因素之一, 如果能利用天然气、 热力等系统的惯 性将电力转化成其他形式的能源存储, 弃风弃光问 题必将很大程度上得以改善.而中国当前各能源系 统分立运行, 相互协调能力弱, 严重影响电力系统运 行的灵活性, 并未真正挖掘出能源系统的潜力.因此, 发展多能源系统集成理论与方法, 是解决可再生 能源消纳问题的有效途径. 广义的多能源系统是指煤炭、 天然气、 石油、 核能、 水能、 风能、 太阳能等多种形式能源的开发、 转换、 储备、 运输、 调度、 控制、 管理、 使用等环节所组成 的大系统.不同种类的能源在流转的各个环节存在 复杂的耦合关系, 进而形成了相互关联的有机整体, 因此可称为多能源系统.从科学研究来看, 煤炭、 石 油等能源极易存储和运输, 而热力、 燃气网络传输较 为复杂, 且可与电力通过多种方式相互转换, 因此学 者通常将电力、 热力、 燃气系统作为多能源( 或称为 综合能源系统) 的研究主体, 聚焦三者内部的问题及 相互协调优化[ 1] . 目前, 国内外机构和政府已经在多能源系统集 成方面展开了一些前期工作.为应对当下能源危机 与低碳发展问题, 国际上的专家学者在2

0 1 4年成立 了能源系统集成国际联合研究会, 目的是为了解决 能源系统的协调与优化问题, 在国际上得到了迅速 的发 展与认可. 美国国家可再生能源实验室于2008年成了多能源系统集成部门, 专门针对该方面 的问题展开研究.中国也于2

0 1 5年在? 国务院关于 积极推进 互联网+ 行动的指导意见? 中提出了 互 联网+ 智慧能源的战略构想, 强调了电、 热、 气等不 同形式能源之间的耦合与协调, 促进能源系统的清 洁高效是构建能源互联网的重要基础[

2 ] .2

0 1 7年, 首批 多能互补集成优化示范工程 获得发改委和能 源局的批准, 终端功能一体化系统、 风光水火储多能 互补系统等2 3个项目开始建设和推动[ 3] . 国内外学者就多能源系统已经开展了详细的研 究, 包括多能源系统的建模、 运行、 优化和风险评估 等, 一些文章也对多能源系统的研究进行了综 述. 文献[

4 ] 聚焦于区域综合能源系统, 介绍了其通用建 模技术与综合仿真方法.文献[ 5] 介绍了典型区域 综合能源系统的结构, 并综述了多能源系统稳态分 析的相关方法和问题.文献[

6 ] 从多能源系统中 低碳 问题出发, 指出了多能源系统的环境效益, 展望 了低碳多能源系统的研究框架.文献[

7 G 8] 综述了 多能源系统风险评估的研究, 从多能源系统元件可

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4 靠性建模、 多能源网络健壮性分析等方面介绍了多 能源系统耦合风险评估的关键问题与方法.事实 上, 多能源系统是一个多空间尺度、 多时间尺度的复 杂系统, 既有区域耦合也有跨区协调, 既有稳态特性 也有动态特性, 如何合理规划多能源系统的研究框 架和脉络仍然是重要的问题之一.特别是在面向可 再生能源消纳的场景下, 多能源系统面临的问题可 能不再是局部优化, 而是广域的多时空协调, 因此其 建模、 运行、 规划存在新的问题与挑战. 本文将针对多能源系统消纳可再生能源这一问 题对现有研究进行综述并给出对其研究的思考.提 出了面向可再生能源消纳的多能源系统研究框架. 基于这一框架梳理已有文献, 总结该领域研究的重 点和难点.此外, 本文还总结面向可再生能源消纳 的多能源系统面临的关键科学问题和挑战, 对多能 源系统标准化建模、 多能源系统多时间尺度分析方 法、 多能源系统数据研究等多个方面进行了展望, 以 期为学者未来的研究提供参考.

1 多能源系统的研究框架 多能源系统具有复杂的时空特性, 对于不同的 时间尺度、 空间尺度, 多能源系统都有不同的研究对 象、 研究问题和研究方法.因此, 在研究多能源系统 时, 首先需要指明研究对象的空间尺度及其耦合关 系, 例如是研究单个元件、 多个元件还是多组元件. 其次是确定研究问题的时间尺度, 例如秒、 小时, 日 乃至多日、 年等时间尺度. 在空间尺度上, 多能源系统的研究可以遵循 多 能源元件―多能源元件集成―多能源网络 这一从简 单到复杂的思路, 并建立多能源系统的数学物理模 型.多能源系统的研究可以在空间上分为 以电― 热耦合为主的区域多能源系统 和 以电―气耦合为 主的跨区多能源系统 两个主要问题.在时间尺度 上, 多能源系统的研究可以分为在秒、 分钟等短时间 尺度上的动态问题, 以及在小时、 日、 月等长时间尺 度的稳态问题.前者多用于运行控制层面的研究, 而后者在运行层面及规划层面均有涉及.在不同的 问题类型和背景下, 需要选用适当的模型进行研究. 多能源元件是多能源系统最底层的组件, 包括 CH P机组、 电锅炉、 燃气电厂、 电转气( P

2 G) 装置等 多种耦合元件, 是构建多能源系统、 多能耦合的物理 基础, 也是研究工作的第一步.然而, 多能源系统中 的主体不仅包含热电厂、 电锅炉等单个元件, 更多的 是这些元件的组合, 例如一个商业楼宇可能包含了 分布式天然气发电装置、 分布式光伏装置、 电锅炉、 热泵等多种元件.因此, 我们需要在元件特性的基 础上研究其集成特性, 在学术界, 多能源元件的集成 通常被称为能量枢纽[

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1 1] .此外, 多能源系统需要 能量网络连接元件和能量枢纽, 而不同类型的能源 网络具有不同的物理特性, 数学模型也差异巨大, 这 也是多能源系统建模的关键问题之一. 尽管多能源元件、 能量枢纽和能量网络可组成 多能源系统的物理模型, 但实际问题很少面面俱到, 涉及整个系统的所有细节.事实上我们注意到, 热 力系统一般为区域系统, 与配电网规模相当;

燃气系 统一般为跨区系统, 与输电网规模相当.因此, 多能 源系统问题可按照 以电―热耦合为主的区域多能 源系统 和 以电―气耦合为主的跨区多能源系统 为空间分类标准, 研究相应运行与规划问题. 多能源系统还存在多时间尺度问题, 即热力、 燃 气系统的时间常数远远大于电力系统, 存在不可忽 略的动态特性.因此, 多能源系统可根据稳态、 动态 模型的应用场景分为 以多能源系统规划、 评估等应 用为主的稳态问题 和 以多能源系统运行、 控制等 应用为主的动态问题 两大类, 对于不同应用场景需 要选择适当的模型进行分析. 结合多能源的时空特性, 其研究框架可总结为 图1.这也是本文评述多能源系统的思路. 图1 多能源系统研究框架 F i g .

1 R e s e a r c hf r a m eo fm u l t i G e n e r g ys y s t e m

2 多能源系统的数学模型 2.

1 多能耦合元件模型 2. 1.

1 电―热系统关键元件

1 ) CH P机组 CH P机组是指能够同时供应电力与热力两种 能源的机组, 是电热系统的关键元件之一, 也是中国 工业供热、 居民供热的核心主体. CH P机组本质上是利用汽轮机发电后的蒸汽 热能, 为工业居民用户提供热能, 从而提升能源综合

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4 ) ?多能互补、 集成优化能源系统关键技术? h t t p : / / ww w. a e p s G i n f o . c o m 利用效率.根据蒸汽利用方式的不同, CH P机组一 般分为背压式和抽汽式机组两种类型.背压式机组 仅利用最后一级汽轮机的排气进行供热, 低温低压 蒸汽直接进入热网交换器, 释放热量后冷凝并回到 锅炉加热进入下一循环.在背压机组中, 用于供热 的蒸汽完全是汽轮机发电后的乏汽, 蒸汽比例不可 调节, 因此发电和供热存在线性依赖关系, 一般可以 表示为: p1= cm( h1- h0) (

1 ) 式中: p1 为CH P机组发电量;

h1 为CH P机组供热 量;

h0 为蒸汽推动汽轮机做功的热量阈值;

cm 为背 压式机组曲线的斜率[

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