PDF《区域综合能源系统规划研究综述》

区域综合能源系统规划研究综述 程浩忠1 ,胡枭1 ,王莉2 ,刘育权2 ,于琪2 ( 1.

电力传输与功率变换控制教育部重点实验室( 上海交通大学) ,上海市

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4 0;

2.广州供电局有限公司,广东省广州市

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2 0 ) 摘要:区域综合能源系统作为能源互联网的重要物理载体, 对提高综合能源利用效率、 消纳可再生 能源、 保障供能安全可靠及节能减排具有重要意义.对区域综合能源系统进行合理有效规划, 要打 破行业壁垒, 从技术、 政策、 地域等多方面实现突破.文中对区域综合能源系统规划中的多能耦合 理论、 负荷预测方法、 技术经济性分析、 规划优化建模与求解等关键问题进行了系统地总结归纳, 对 各问题所涉及的国内外研究现状、 存在问题及难点进行了分析与概括.结合目前最新研究进展, 概 括了全面涵盖区域综合能源系统源、 网、 荷、 储等环节的通用性能流模型、 规划模型及求解流程, 并 对未来的研究方向进行了展望. 关键词:区域综合能源系统;

能源系统规划;

多能耦合;

负荷预测;

技术经济性 收稿日期:

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修回日期:

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1 1. 上网日期:

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0 5. 国家重点研发计划资助项目(

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0 引言 传统的能源系统规划、 运行局限于电、 气、 热、 冷 等单一能源形式内部, 无法充分发挥能源间的优势 互补, 能源利用效率、 可再生能源消纳、 节能减排等 问题遭遇瓶 颈.针对此问题, 能源互联网( E n e r g y I n t e r n e t , E I ) [

1 ] 、 综合能源系统(integratede n e r g y s y s t e m, I E S ) [

2 ] 等概念相继被国内外学者提出并研 究, 构建了未来能源系统广泛互联、 平等 共享的愿 景, 正在推动新一轮的能源革命.E I基于 互联网 + 理念[

3 ] , 旨在利用先进的互联网思维和技术来改 造传统能源工业, 将能源与互联网深度融合;

I E S则 指在规划、 建设和运行等过程中, 通过对 能源的产 生、 传输、 转换分配、 存储、 消费等环节进行有机协调 与优化后, 形成的能源产供销一体化系统, 是EI的 物理载体[

4 ] .近年来, I E S已经得到了各国政府和 工业界的重视.瑞士于2

0 0 3年启动了 未来能源网 络愿景 项目, 提出未来能源网是电、 气、 热、 冷等形 式能源耦合[

5 ] ;

美国于2

0 0 7年颁布了能源独立和安 全法, 明确要求电力和天然气系统必须开展联合规 划[ 6] ;

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0 9年加拿大国会审议并通过了旨在助推该 国I E S相关研究的报告, 将构建覆盖加拿大全国的 社区综 合能源系统(integratedc o mm u n i t ye n e r g y s y s t e m, I C E S) , 将推进I C E S技术研究和工程建设 列为2

0 1 0―2

0 5 0年的国家能源战略, 同时启动了多 项重大课题[ 7] .而中国近年来随着 工业园区多元 用户互动的配用电系统关键技术研究与示范 等多 个国家重点研发计划项目立项, 已从国家层面正式 开启对I E S的全面探索.2

0 1 7年, 国家电网有限公 司和南方电网有限公司陆续发文, 明确提出推进由 电能供应商向综合能源服务商的全面转变. 根据地理因素与能源发/输/配/用特性, 可将综 合能源系统分为跨区级、 区域级和用户级[ 8] .跨区 级I E S以大型输电、 气等系统作为骨干网架, 主要 起能源远距离传输作用;

用户级I E S以智能用电系 统、 分布式/集中式供热系统、 供水系统等耦合而成, 主要关注能源的利用;

而区域级I E S则起到 承上 启下 作用, 由智能配电系统、 中低压天然气系统、 供热/冷/水系统等功能网络耦合而成, 实现能源的传 输、 分配、 转换、 平衡等, 是本文所讨论的重点. 对于区域综合能源系统(regionali n t e g r a t e d e n e r g ys y s y t e m, R I E S ) 规划, 需要打破行业壁垒, 由 过去电、 气、 热、 冷分产分供, 独立规划模式转向多种 形式能源联合规划, 不仅要实现技术突破, 更要破除 政策、 地域等界限.R I E S规划主要有以下难点.

1 ) 多能耦合建模.R I E S多能源间的耦合复杂, 并广泛存在于源、 网、 荷、 储等各个环节.准确、 有效 的多能耦合理论是支撑I E S规划的关键, 且需满足 静态、 动态、 时延特性等多方面建模需求.

2 ) 多元负荷预测.R I E S负荷预测需兼顾考虑 电、 气、 热、 冷等类型负荷及其相互耦合, 且受到经

2 第4 3卷第7期2019年4月1 0日Vol.43N o . 7A p r .

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6 h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 济、 气候、 建筑布局、 人口密度等多种因素影响, 其预 测难度远超任何单一形式能源系统预测[ 9] .

3 ) 技术经济性评估.R I E S是由多种能源转换 设备、 储能设备、 供能管线及用户等组成的 有机整 体, 需要对系统的整体技术经 济性进行重新评估. 如电解制氢等电―气( P

2 G) 技术, 单纯以燃气系统角 度其不具备投资经济性, 但在I E S中则可由于辅助 可再生能源消纳而产生附加价值.另外, R I E S运营 模式的多元化也会使技术经济性评估更加复杂[

1 0] .

4 ) 规划优化模型与求解.R I E S规划是多元素、 多维度、 多目标、 多层次、 非线性的复杂规划问题, 建 模与求解时需考虑连续、 非连续、 时变等特性, 以及 广泛存在于能源生产、 传输、 转换、 消费等环节的各 种不确定性. 本文以 R I E S为研究对象, 对其规划领域的若 干关键问题: ①多能耦合;

②负荷预测;

③技术经济 性分析;

④规划优化建模与求解的国内外研究现状 进行系统地总结与归纳, 并概括出了 R I E S通用性 的能流建模与规划模 型及求解流程, 为未来 R I E S 规划提供新思路, 并展望了其未来研究方向.

1 多种形式能源耦合理论研究 多种形式能源的耦合机理是实现 R I E S规划的 首要问题.国际上对多能耦合模型理论的研究最早 始于E THZ u r i c h在2

0 0 5年I E E E电力与能源协会 年会上所提出的E n e r g yH u b ( 译为能源集线器或能 源枢纽, 简称 EH) 理论.该模型完整地构建了包含 源、 网、 荷、 储等各个环节的 R I E S多能耦合静态线 性模型, 并对耦合过程中的优化潜力进行了分析[

1 1 ] .后续学者们基于 EH 模型在非线性、 动态等 多方面进行了探索, 对多能耦合理论进行了发展. 1.

1 能源集线器理论 能源集线器理论将 R I E S的能源形式归结到外 部供应和终端需求两端, 如图1所示. 图1 R I E S能源结构示意图 F i g .

1 B a s i ca r c h i t e c t u r eo fd i s t r i c tR I E S 终端需求的能源形式被抽象为电、 热、 冷三类, 而外部供应的能源形式则包括向区域内输入的所有 能源, 如电、 气、 热、 风、 光等.能源转换设备( e n e r g y c o n v e r t e r , E C) 将外部供应的能源形式转换为终端 需求的能源形式,并通过供能网络(energynetwork, E N) 传输给分散于区域内的各用户.此外, 区域内还可能存在多种形式的储能设备( e n e r g y s t o r a g e , E S ) 实现能源存储.从能源转换角度, 外部 供应能源对应于 EH 的输入 P α , Pβ, …, P χ , 而EH 的输出L α , Lβ, …, L ........