楊經(jīng)緯, 張 寧, 王 毅, 康重慶

(電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 清華大學(xué), 北京市 100084)

0 引言

推動(dòng)以可再生能源為主體的綠色、低碳、清潔的能源體系建設(shè)是中國(guó)乃至全世界大多數(shù)國(guó)家的戰(zhàn)略選擇。然而,受可再生能源隨機(jī)性和間歇性影響,中國(guó)的可再生能源消納問(wèn)題凸顯,且僅依靠挖掘既有電力系統(tǒng)內(nèi)部的潛力,難以走出可再生能源消納困境。在中國(guó)北方的冬季,傳統(tǒng)的電—熱分立運(yùn)行模式嚴(yán)重地制約了熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)機(jī)組的發(fā)電區(qū)間,擠占了風(fēng)電的接入空間,是造成棄風(fēng)最主要的原因。電力無(wú)法長(zhǎng)期有效地存儲(chǔ)是可再生能源難以消納的重要因素之一,如果能利用天然氣、熱力等系統(tǒng)的慣性將電力轉(zhuǎn)化成其他形式的能源存儲(chǔ),棄風(fēng)棄光問(wèn)題必將很大程度上得以改善。而中國(guó)當(dāng)前各能源系統(tǒng)分立運(yùn)行,相互協(xié)調(diào)能力弱,嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性,并未真正挖掘出能源系統(tǒng)的潛力。因此,發(fā)展多能源系統(tǒng)集成理論與方法,是解決可再生能源消納問(wèn)題的有效途徑。

廣義的多能源系統(tǒng)是指煤炭、天然氣、石油、核能、水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等多種形式能源的開(kāi)發(fā)、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)備、運(yùn)輸、調(diào)度、控制、管理、使用等環(huán)節(jié)所組成的大系統(tǒng)。不同種類(lèi)的能源在流轉(zhuǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)存在復(fù)雜的耦合關(guān)系,進(jìn)而形成了相互關(guān)聯(lián)的有機(jī)整體,因此可稱(chēng)為多能源系統(tǒng)。從科學(xué)研究來(lái)看,煤炭、石油等能源極易存儲(chǔ)和運(yùn)輸,而熱力、燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)傳輸較為復(fù)雜,且可與電力通過(guò)多種方式相互轉(zhuǎn)換,因此學(xué)者通常將電力、熱力、燃?xì)庀到y(tǒng)作為多能源(或稱(chēng)為綜合能源系統(tǒng))的研究主體,聚焦三者內(nèi)部的問(wèn)題及相互協(xié)調(diào)優(yōu)化[1]。

目前,國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)和政府已經(jīng)在多能源系統(tǒng)集成方面展開(kāi)了一些前期工作。為應(yīng)對(duì)當(dāng)下能源危機(jī)與低碳發(fā)展問(wèn)題,國(guó)際上的專(zhuān)家學(xué)者在2014年成立了能源系統(tǒng)集成國(guó)際聯(lián)合研究會(huì),目的是為了解決能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與優(yōu)化問(wèn)題,在國(guó)際上得到了迅速的發(fā)展與認(rèn)可。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室于2008年成了多能源系統(tǒng)集成部門(mén),專(zhuān)門(mén)針對(duì)該方面的問(wèn)題展開(kāi)研究。中國(guó)也于2015年在《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》中提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的戰(zhàn)略構(gòu)想,強(qiáng)調(diào)了電、熱、氣等不同形式能源之間的耦合與協(xié)調(diào),促進(jìn)能源系統(tǒng)的清潔高效是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)[2]。2017年,首批“多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程”獲得發(fā)改委和能源局的批準(zhǔn),終端功能一體化系統(tǒng)、風(fēng)光水火儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)等23個(gè)項(xiàng)目開(kāi)始建設(shè)和推動(dòng)[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者就多能源系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)展了詳細(xì)的研究,包括多能源系統(tǒng)的建模、運(yùn)行、優(yōu)化和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等,一些文章也對(duì)多能源系統(tǒng)的研究進(jìn)行了綜述。文獻(xiàn)[4]聚焦于區(qū)域綜合能源系統(tǒng),介紹了其通用建模技術(shù)與綜合仿真方法。文獻(xiàn)[5]介紹了典型區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),并綜述了多能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析的相關(guān)方法和問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]從多能源系統(tǒng)中“低碳”問(wèn)題出發(fā),指出了多能源系統(tǒng)的環(huán)境效益,展望了低碳多能源系統(tǒng)的研究框架。文獻(xiàn)[7-8]綜述了多能源系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究,從多能源系統(tǒng)元件可靠性建模、多能源網(wǎng)絡(luò)健壯性分析等方面介紹了多能源系統(tǒng)耦合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵問(wèn)題與方法。事實(shí)上,多能源系統(tǒng)是一個(gè)多空間尺度、多時(shí)間尺度的復(fù)雜系統(tǒng),既有區(qū)域耦合也有跨區(qū)協(xié)調(diào),既有穩(wěn)態(tài)特性也有動(dòng)態(tài)特性,如何合理規(guī)劃多能源系統(tǒng)的研究框架和脈絡(luò)仍然是重要的問(wèn)題之一。特別是在面向可再生能源消納的場(chǎng)景下,多能源系統(tǒng)面臨的問(wèn)題可能不再是局部?jī)?yōu)化,而是廣域的多時(shí)空協(xié)調(diào),因此其建模、運(yùn)行、規(guī)劃存在新的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

本文將針對(duì)多能源系統(tǒng)消納可再生能源這一問(wèn)題對(duì)現(xiàn)有研究進(jìn)行綜述并給出對(duì)其研究的思考。提出了面向可再生能源消納的多能源系統(tǒng)研究框架?；谶@一框架梳理已有文獻(xiàn),總結(jié)該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外,本文還總結(jié)面向可再生能源消納的多能源系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和挑戰(zhàn),對(duì)多能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化建模、多能源系統(tǒng)多時(shí)間尺度分析方法、多能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)研究等多個(gè)方面進(jìn)行了展望,以期為學(xué)者未來(lái)的研究提供參考。

1 多能源系統(tǒng)的研究框架

多能源系統(tǒng)具有復(fù)雜的時(shí)空特性,對(duì)于不同的時(shí)間尺度、空間尺度,多能源系統(tǒng)都有不同的研究對(duì)象、研究問(wèn)題和研究方法。因此,在研究多能源系統(tǒng)時(shí),首先需要指明研究對(duì)象的空間尺度及其耦合關(guān)系,例如是研究單個(gè)元件、多個(gè)元件還是多組元件。其次是確定研究問(wèn)題的時(shí)間尺度,例如秒、小時(shí),日乃至多日、年等時(shí)間尺度。

在空間尺度上,多能源系統(tǒng)的研究可以遵循“多能源元件—多能源元件集成—多能源網(wǎng)絡(luò)”這一從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的思路,并建立多能源系統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理模型。多能源系統(tǒng)的研究可以在空間上分為“以電—熱耦合為主的區(qū)域多能源系統(tǒng)”和“以電—?dú)怦詈蠟橹鞯目鐓^(qū)多能源系統(tǒng)”兩個(gè)主要問(wèn)題。在時(shí)間尺度上,多能源系統(tǒng)的研究可以分為在秒、分鐘等短時(shí)間尺度上的動(dòng)態(tài)問(wèn)題,以及在小時(shí)、日、月等長(zhǎng)時(shí)間尺度的穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。前者多用于運(yùn)行控制層面的研究,而后者在運(yùn)行層面及規(guī)劃層面均有涉及。在不同的問(wèn)題類(lèi)型和背景下,需要選用適當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行研究。

多能源元件是多能源系統(tǒng)最底層的組件,包括CHP機(jī)組、電鍋爐、燃?xì)怆姀S、電轉(zhuǎn)氣(P2G)裝置等多種耦合元件,是構(gòu)建多能源系統(tǒng)、多能耦合的物理基礎(chǔ),也是研究工作的第一步。然而,多能源系統(tǒng)中的主體不僅包含熱電廠、電鍋爐等單個(gè)元件,更多的是這些元件的組合,例如一個(gè)商業(yè)樓宇可能包含了分布式天然氣發(fā)電裝置、分布式光伏裝置、電鍋爐、熱泵等多種元件。因此,我們需要在元件特性的基礎(chǔ)上研究其集成特性,在學(xué)術(shù)界,多能源元件的集成通常被稱(chēng)為能量樞紐[9-11]。此外,多能源系統(tǒng)需要能量網(wǎng)絡(luò)連接元件和能量樞紐,而不同類(lèi)型的能源網(wǎng)絡(luò)具有不同的物理特性,數(shù)學(xué)模型也差異巨大,這也是多能源系統(tǒng)建模的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

盡管多能源元件、能量樞紐和能量網(wǎng)絡(luò)可組成多能源系統(tǒng)的物理模型,但實(shí)際問(wèn)題很少面面俱到,涉及整個(gè)系統(tǒng)的所有細(xì)節(jié)。事實(shí)上我們注意到,熱力系統(tǒng)一般為區(qū)域系統(tǒng),與配電網(wǎng)規(guī)模相當(dāng);燃?xì)庀到y(tǒng)一般為跨區(qū)系統(tǒng),與輸電網(wǎng)規(guī)模相當(dāng)。因此，多能源系統(tǒng)問(wèn)題可按照“以電—熱耦合為主的區(qū)域多能源系統(tǒng)”和“以電—?dú)怦詈蠟橹鞯目鐓^(qū)多能源系統(tǒng)”為空間分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn),研究相應(yīng)運(yùn)行與規(guī)劃問(wèn)題。

多能源系統(tǒng)還存在多時(shí)間尺度問(wèn)題,即熱力、燃?xì)庀到y(tǒng)的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電力系統(tǒng),存在不可忽略的動(dòng)態(tài)特性。因此，多能源系統(tǒng)可根據(jù)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)模型的應(yīng)用場(chǎng)景分為“以多能源系統(tǒng)規(guī)劃、評(píng)估等應(yīng)用為主的穩(wěn)態(tài)問(wèn)題”和“以多能源系統(tǒng)運(yùn)行、控制等應(yīng)用為主的動(dòng)態(tài)問(wèn)題”兩大類(lèi),對(duì)于不同應(yīng)用場(chǎng)景需要選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M(jìn)行分析。

結(jié)合多能源的時(shí)空特性,其研究框架可總結(jié)為圖1。這也是本文評(píng)述多能源系統(tǒng)的思路。

圖1 多能源系統(tǒng)研究框架Fig.1 Research frame of multi-energy system

2 多能源系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2.1 多能耦合元件模型

2.1.1電—熱系統(tǒng)關(guān)鍵元件

1)CHP機(jī)組

CHP機(jī)組是指能夠同時(shí)供應(yīng)電力與熱力兩種能源的機(jī)組,是電熱系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一,也是中國(guó)工業(yè)供熱、居民供熱的核心主體。

CHP機(jī)組本質(zhì)上是利用汽輪機(jī)發(fā)電后的蒸汽熱能,為工業(yè)居民用戶(hù)提供熱能,從而提升能源綜合利用效率。根據(jù)蒸汽利用方式的不同,CHP機(jī)組一般分為背壓式和抽汽式機(jī)組兩種類(lèi)型。背壓式機(jī)組僅利用最后一級(jí)汽輪機(jī)的排氣進(jìn)行供熱,低溫低壓蒸汽直接進(jìn)入熱網(wǎng)交換器,釋放熱量后冷凝并回到鍋爐加熱進(jìn)入下一循環(huán)。在背壓機(jī)組中,用于供熱的蒸汽完全是汽輪機(jī)發(fā)電后的乏汽,蒸汽比例不可調(diào)節(jié),因此發(fā)電和供熱存在線性依賴(lài)關(guān)系,一般可以表示為:

p1=cm(h1-h0)

(1)

式中:p1為CHP機(jī)組發(fā)電量;h1為CHP機(jī)組供熱量;h0為蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功的熱量閾值;cm為背壓式機(jī)組曲線的斜率[12]。

背壓式機(jī)組的效率較高,利用了廢棄蒸汽的大部分熱能。然而由于電—熱為剛性依賴(lài)關(guān)系,機(jī)組調(diào)節(jié)性能較差,在冬季供暖時(shí)“以熱定電”,大大壓縮了可再生能源的消納空間。

抽汽式機(jī)組則打破了背壓式機(jī)組的線性依賴(lài)關(guān)系,一定程度上改善了供電供熱靈活性。抽汽式機(jī)組可以看成一臺(tái)背壓式汽輪機(jī)和一臺(tái)凝汽式汽輪機(jī)串聯(lián)而成,高溫高壓蒸汽首先通過(guò)背壓式汽輪機(jī)做功,然后部分蒸汽被抽取送入熱網(wǎng)交換器,另一部分則送入凝汽式汽輪機(jī)繼續(xù)做功,隨后直接進(jìn)入冷凝系統(tǒng)。由于抽汽量可調(diào),抽汽式機(jī)組的運(yùn)行區(qū)間較為靈活。抽汽式機(jī)組的運(yùn)行區(qū)間一般可用三組線性約束表示[6]，即

(2)

式中:pmax和pmin分別為發(fā)電量的最大值和最小值;cv為凝汽式機(jī)組曲線的斜率。

針對(duì)抽汽式機(jī)組的靈活運(yùn)行,文獻(xiàn)[13]提出了邊界點(diǎn)加權(quán)平均表征運(yùn)行區(qū)間的方法,指出增加儲(chǔ)熱裝置或電鍋爐后,熱電廠將在一個(gè)非凸區(qū)間內(nèi)運(yùn)行,并針對(duì)此問(wèn)題提出了分區(qū)優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[12,14]分析了配置儲(chǔ)熱裝置后,CHP機(jī)組運(yùn)行區(qū)間的變化情況及變化原理,指出配置儲(chǔ)熱裝置后,CHP機(jī)組的等效運(yùn)行區(qū)間會(huì)在式(2)對(duì)應(yīng)的不同曲線段擴(kuò)大,CHP機(jī)組電熱出力更為靈活。

2)電鍋爐和蓄熱裝置

電鍋爐和蓄熱裝置也是熱力系統(tǒng)的重要元件,提供輔助供熱和削峰填谷的服務(wù)。電鍋爐一般利用風(fēng)電等新能源作為電源,通過(guò)電磁感應(yīng)或電阻方式發(fā)熱,輸出熱水或高溫蒸汽。電鍋爐的數(shù)學(xué)模型為:

h2=ηp2η<1

(3)

式中:η為轉(zhuǎn)換系數(shù);p2為電鍋爐輸入電能;h2為電鍋爐輸出熱能。

使用電鍋爐進(jìn)行熱力系統(tǒng)的控制優(yōu)化及電力系統(tǒng)的風(fēng)電消納是學(xué)者研究的重點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]將電鍋爐和熱電廠視為一個(gè)整體,研究了綜合供熱的運(yùn)行區(qū)間及靈活性。文獻(xiàn)[15-16]研究了電鍋爐消納風(fēng)電的潛力,對(duì)風(fēng)電供暖的可行性進(jìn)行了論證。文獻(xiàn)[17]研究了電鍋爐在二級(jí)供熱網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用及調(diào)峰和啟停優(yōu)化,文獻(xiàn)[18]則研究了動(dòng)態(tài)熱負(fù)荷下電鍋爐的比例—積分—微分控制方法。除了傳統(tǒng)的調(diào)峰電鍋爐,部分學(xué)者還研究了高壓電鍋爐的應(yīng)用潛力。高壓電鍋爐是一種體積小、調(diào)節(jié)速度快的高性能鍋爐,通常在幾十秒內(nèi)可以完成零負(fù)載到滿負(fù)載的調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[19]認(rèn)為高壓電鍋爐系統(tǒng)可以看成是一種在不同時(shí)間尺度靈活響應(yīng)特性的“電力負(fù)載”,不但能實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”,同時(shí)還能提供較為復(fù)雜的電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié),有助于可再生能源的進(jìn)一步消納。目前,德國(guó)紐倫堡市就建設(shè)了以高壓電鍋爐和可再生能源為核心的城市供熱系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了可再生能源的有效使用。

熱力系統(tǒng)的儲(chǔ)熱形式分為熱水儲(chǔ)熱、熔鹽儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱等多種類(lèi)型,文獻(xiàn)[20]對(duì)不同儲(chǔ)熱形式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析?，F(xiàn)有的熱力系統(tǒng)的儲(chǔ)熱形式多以熱水儲(chǔ)熱為主。熱水儲(chǔ)熱系統(tǒng)連接在城市熱網(wǎng)的高溫供水管道與低溫回水管道之間,通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水與出水速率來(lái)控制熱量的存儲(chǔ)和釋放。熱水儲(chǔ)熱的基本數(shù)學(xué)原理可以表示為:

(4)

式中:H為熱水罐儲(chǔ)熱量;Qin(Qout)和Tin(Tout)分別為進(jìn)(出)水的流量和溫度;Hloss為單位時(shí)間的熱損失;c為水的比熱容;ρ為水的密度。

熱水罐儲(chǔ)熱量H難以直接計(jì)算,需要用近似方法進(jìn)行估算。文獻(xiàn)[14]將儲(chǔ)熱罐分成了熱水層、過(guò)渡層、冷水層,分別計(jì)算每一層的儲(chǔ)熱,以此逼近儲(chǔ)熱罐總儲(chǔ)熱量。文獻(xiàn)[13]考慮了冷熱水混合層的溫差對(duì)流及混合層的體積擴(kuò)張,建立了更為精細(xì)的熱水儲(chǔ)熱模型。

2.1.2電—?dú)庀到y(tǒng)關(guān)鍵元件

1)燃?xì)怆姀S

燃?xì)怆姀S通常以天然氣為一次能源,通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)或者燃?xì)狻⒄羝?lián)合循環(huán)發(fā)電(供熱)。燃?xì)怆姀S是電—?dú)庀到y(tǒng)中體量最大的耦合元件,也是電—?dú)庀到y(tǒng)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

為了提高效率,燃?xì)怆姀S一般采用燃?xì)?、蒸汽?lián)合循環(huán)發(fā)電,其核心組件包括燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)將天然氣和壓縮空氣共同注入燃燒室,通過(guò)燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)馀蛎涀龉?推動(dòng)透平發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度很高,一般使用余熱鍋爐二次利用，余熱鍋爐加熱產(chǎn)生的水蒸氣推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電。由于天然氣能量的梯級(jí)利用,聯(lián)合循環(huán)燃?xì)怆姀S的發(fā)電效率通常能達(dá)到60%甚至更高。

燃?xì)怆姀S比火電廠具有更優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能和靈活性,被視為減少可再生能源不確定性影響的重要環(huán)節(jié)之一。但是,聯(lián)合循環(huán)燃?xì)怆姀S的燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)有單軸、多軸等多種連接方式,也有“一拖一”、“二拖一”等多種組合關(guān)系,不同方式下的性能也不盡相同。文獻(xiàn)[21]研究了不同布置方式下燃?xì)怆姀S的靈活性、調(diào)節(jié)率和可靠性。文獻(xiàn)[22]建立了燃?xì)怆姀S的細(xì)化數(shù)學(xué)模型,考慮了聯(lián)合循環(huán)和單燃?xì)庋h(huán)兩種發(fā)電方式及兩種狀態(tài)的切換,指出合理的優(yōu)化燃?xì)怆姀S發(fā)電模式可在靈活性和發(fā)電效率上取得最優(yōu)平衡。

燃?xì)怆姀S的污染物排放(氮氧化物、二氧化硫等)也少于火電廠,被認(rèn)為是一種環(huán)境較為友好的傳統(tǒng)電源。事實(shí)上,燃?xì)怆姀S的污染物排放與負(fù)載水平有很強(qiáng)的相關(guān)性。當(dāng)燃?xì)怆姀S高負(fù)載時(shí),其單位發(fā)電的氮氧化物排放濃度很低;當(dāng)燃?xì)怆姀S低負(fù)載時(shí),其污染物排放濃度很高,不亞于傳統(tǒng)火電站。文獻(xiàn)[23-24]量化了燃?xì)怆姀S的污染物排放,建立了燃?xì)怆姀S污染物排放的數(shù)學(xué)模型,提出了考慮環(huán)境因素的電力優(yōu)化調(diào)度概念。本文所提的燃?xì)怆姀S的污染物排放是一個(gè)不連續(xù)的分段函數(shù),在數(shù)學(xué)上需要做特殊處理。

2)P2G技術(shù)

P2G技術(shù)是將電力能源轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,以天然氣或氫氣的方式存儲(chǔ),是電力能源轉(zhuǎn)化為燃?xì)獾闹匾夹g(shù),也是未來(lái)長(zhǎng)期大規(guī)模存儲(chǔ)電能的非常有前景的方式之一。P2G技術(shù)的核心步驟是電解水,即通過(guò)電解槽分解水得到氫氣,這一步驟也被稱(chēng)為電制氫。如果要進(jìn)一步得到天然氣,則需要將電解水產(chǎn)生的氫氣與外部輸入的二氧化碳進(jìn)行過(guò)甲烷化反應(yīng)。P2G技術(shù)的化學(xué)反應(yīng)式為:

(5)

CO2+4H2→CH4+2H2O

(6)

式(5)為電制氫的化學(xué)反應(yīng)步驟;式(6)為甲烷化反應(yīng)的步驟[25]。

P2G技術(shù)得到的氫氣可用于燃料電池、工業(yè)或交通領(lǐng)域,是一種環(huán)境友好的功能方式。P2G技術(shù)還可以將電能轉(zhuǎn)化為易于長(zhǎng)期存儲(chǔ)的天然氣,削弱可再生能源間歇性強(qiáng)的影響,為可再生能源提供消納空間。P2G技術(shù)甚至可以循環(huán)利用電廠排放的二氧化碳,作為一種潛在的“碳補(bǔ)集”裝置。

各國(guó)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都很重視P2G技術(shù)的潛力,并進(jìn)行了廣泛的試點(diǎn)和試驗(yàn),例如奧迪公司在德國(guó)建設(shè)了一組6 MW的P2G裝置,并做了P2G技術(shù)參與電網(wǎng)調(diào)頻、氫氣直接注入天然氣管網(wǎng)等多項(xiàng)嘗試,取得了很好的實(shí)驗(yàn)效果[26]。研究人員也對(duì)P2G技術(shù)的建模、控制、應(yīng)用做了多方面的研究。文獻(xiàn)[27]建立了P2G技術(shù)的動(dòng)態(tài)模型和狀態(tài)空間模型,為P2G技術(shù)參與電網(wǎng)調(diào)頻奠定了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[28]研究了P2G技術(shù)—燃料電池串聯(lián)的運(yùn)作方式。文獻(xiàn)[29]量化了P2G技術(shù)對(duì)于電網(wǎng)的削峰填谷能力,指出P2G技術(shù)的應(yīng)用有利于能源系統(tǒng)的低碳運(yùn)行。

2.2 能量樞紐模型

2.2.1能量樞紐的概念和數(shù)學(xué)模型

多能源系統(tǒng)中的主體不僅包含熱電廠、電鍋爐等單個(gè)元件,更多的是這些元件的高一級(jí)封裝和組合,這些元件互相耦合,連接關(guān)系復(fù)雜,往往難以分析。事實(shí)上,一個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的是其輸入輸出特性,即“外端口”特性。對(duì)于多能源系統(tǒng),需要解決的問(wèn)題就是如何等效內(nèi)部元件耦合轉(zhuǎn)化關(guān)系,建立映射電、氣、熱輸入輸出的外端口模型。

為了解決這個(gè)問(wèn)題,學(xué)者提出了使用能量樞紐模型,使用一個(gè)耦合矩陣來(lái)描述多能源的輸入輸出關(guān)系。即

(7)

式中:Pj和Li分別為輸入、輸出的不同形式能量,i∈{1,2,…,n},j∈{1,2,…,m};cij為耦合因子。

能量樞紐將復(fù)雜的多能源元件耦合關(guān)系抽象為簡(jiǎn)單的矩陣,使得后續(xù)的計(jì)算、優(yōu)化等可以直接使用該矩陣進(jìn)行,大大簡(jiǎn)化了多能源系統(tǒng)的分析流程。

能量樞紐概念最早出現(xiàn)在瑞士的“未來(lái)能源愿景”項(xiàng)目中,文獻(xiàn)[9]詳細(xì)地描述了構(gòu)建能量樞紐的動(dòng)機(jī)與方法。文獻(xiàn)[10]綜述了幾種典型的能量樞紐模型,包括冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、國(guó)家級(jí)能源系統(tǒng)等;還介紹了特殊元件的能量樞紐建模方法,包括對(duì)于儲(chǔ)能設(shè)備、需求響應(yīng)、電動(dòng)汽車(chē)、新能源并網(wǎng)的處理。文獻(xiàn)[30]介紹了能量樞紐的應(yīng)用,以及基于能量樞紐的優(yōu)化配置方法。文獻(xiàn)[31]則另辟蹊徑,提出了虛擬能源母線的概念,研究了虛擬能源母線的架構(gòu)方法,與能量樞紐異曲同工。

2.2.2能量樞紐耦合矩陣的自動(dòng)化建模方法

能量樞紐建模的核心問(wèn)題是耦合矩陣的生成,即如何根據(jù)多能源元件特性及其關(guān)聯(lián)關(guān)系生成耦合矩陣。耦合矩陣的生成方法也與多能源系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)建模息息相關(guān),如果可以通過(guò)矩陣運(yùn)算的方式生成耦合矩陣,那么計(jì)算機(jī)將能自動(dòng)地構(gòu)建能量樞紐模型,為科研及實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)巨大的便利。

耦合矩陣的自動(dòng)生成是能源樞紐研究的難點(diǎn),現(xiàn)有研究還不多見(jiàn)。文獻(xiàn)[32]首次提出了耦合矩陣自動(dòng)生成的問(wèn)題,并提出了一種類(lèi)似電力潮流計(jì)算“前推回代”的生成方法;文獻(xiàn)[33]將能量樞紐分解成了“輸入—存儲(chǔ)—轉(zhuǎn)換—存儲(chǔ)—輸出”這5個(gè)串行模塊,并首先生成各個(gè)模塊的輸入—輸出矩陣,繼而相乘得到能量樞紐的耦合矩陣;文獻(xiàn)[34]則定義了多能源系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)、端口和支路,通過(guò)節(jié)點(diǎn)—支路矩陣、端口—支路矩陣運(yùn)算可以自動(dòng)生成耦合矩陣。

2.3 能源網(wǎng)絡(luò)模型

2.3.1電網(wǎng)模型

電力網(wǎng)絡(luò)是電力系統(tǒng)傳輸能量的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是電力系統(tǒng)研究的重要對(duì)象之一。對(duì)于以交流網(wǎng)為主的電力系統(tǒng),其模型可分為動(dòng)態(tài)模型和穩(wěn)態(tài)模型。由于熱網(wǎng)和氣網(wǎng)不存在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的問(wèn)題,因此在多能源系統(tǒng)分析的范疇中同樣無(wú)需考慮電力系統(tǒng)部分的動(dòng)態(tài)特性,只需要使用電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型。電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型通常含有的變量如附錄A表A1所示。

電力流在交流電網(wǎng)中遵循基爾霍夫第一定律和第二定律,即節(jié)點(diǎn)電流平衡和環(huán)路電壓降為零,在電網(wǎng)支路上滿足的支路特性方程為:

(8)

(9)

式中:Vi和Vj分別為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j的電壓;θij為支路(i,j)的相角差;Pij和Qij分別為支路首端的有功功率和無(wú)功功率；gij為支路電導(dǎo);bij為支路電納。

雖然電力系統(tǒng)模型已被學(xué)者廣泛研究,但仍然存在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:①電力電子化電力網(wǎng)絡(luò)的建模問(wèn)題,在未來(lái)高比例新能源接入電網(wǎng)時(shí),大量的逆變器、整流器會(huì)對(duì)電網(wǎng)的特性產(chǎn)生影響[35],而統(tǒng)一的潮流控制器、能量路由器等電力電子器件的應(yīng)用甚至可以打破電力潮流的不可控性,如何對(duì)電力電子化電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理建模,這一部分現(xiàn)有研究仍不多見(jiàn);②電力網(wǎng)絡(luò)模型的非線性問(wèn)題,在大規(guī)模電網(wǎng)乃至多能源系統(tǒng)的分析中,電力網(wǎng)絡(luò)模型的非線性會(huì)對(duì)計(jì)算、優(yōu)化造成很大的困難,對(duì)于電網(wǎng)的合理近似和線性化顯得尤為重要。部分學(xué)者對(duì)電網(wǎng)模型線性化做了初步的探索,例如文獻(xiàn)[36-37]研究交流電網(wǎng)的線性化模型,并在直流潮流方程的基礎(chǔ)上研究了電壓和無(wú)功功率的近似方法;文獻(xiàn)[38-39]則研究了如何在最優(yōu)潮流問(wèn)題中使用線性的電網(wǎng)模型并同時(shí)考慮非線性的網(wǎng)損。

2.3.2熱網(wǎng)模型

熱網(wǎng)是熱力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。熱網(wǎng)連接熱源和用戶(hù),將熱源產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱水、蒸汽等工質(zhì)傳遞到用戶(hù)。熱網(wǎng)的本質(zhì)是管道流體系統(tǒng),在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,由于工質(zhì)的散熱和傳熱,形成系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)溫度的差別。熱網(wǎng)存在熱力損耗、傳輸時(shí)延、水泵電耗,這些損耗、時(shí)延與熱網(wǎng)的運(yùn)行方式密切相關(guān)。而熱網(wǎng)的運(yùn)行方式又一定程度上決定了熱力系統(tǒng)的整體效率、熱源的運(yùn)行方式,繼而影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行、風(fēng)電消納等。因此,建立熱網(wǎng)的模型是多能源系統(tǒng)優(yōu)化的必要環(huán)節(jié)。

熱網(wǎng)模型可分為穩(wěn)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型,穩(wěn)態(tài)模型用于長(zhǎng)時(shí)間尺度的效率分析、優(yōu)化規(guī)劃等,動(dòng)態(tài)模型則用于短時(shí)間尺度的運(yùn)行和控制。其模型通常含有的變量如附錄A表A2所示。

文獻(xiàn)[40-41]詳細(xì)地研究了熱網(wǎng)穩(wěn)態(tài)模型,定義了熱網(wǎng)基本變量,給出了基本方程。文獻(xiàn)[42]則仿照電力系統(tǒng)模型,建立了熱阻、熱流等概念?？傮w上,穩(wěn)態(tài)熱網(wǎng)模型一般以熱媒流量、溫度為變量。穩(wěn)態(tài)熱網(wǎng)模型同時(shí)滿足基爾霍夫第一定律和第二定律,即節(jié)點(diǎn)流量平衡、零環(huán)路壓降。其與電力系統(tǒng)模型的不同點(diǎn)在于支路水力方程、支路熱力方程和節(jié)點(diǎn)工質(zhì)混合方程,分別為式(10)至式(12)。

πi-πj=Chfij|fij|

(10)

(11)

(12)

支路水力方程描述了熱力網(wǎng)絡(luò)的流量傳輸特性;支路熱力方程描述了熱力管網(wǎng)工質(zhì)傳輸?shù)臒釗p耗;節(jié)點(diǎn)工質(zhì)混合方程則描述了不同支路的工質(zhì)在節(jié)點(diǎn)的混合過(guò)程。

需要注意的是,熱網(wǎng)的管道流體方程與溫度體系方程是解耦的,即熱網(wǎng)管道的邊界條件可完全確定熱網(wǎng)各支路的流速和壓力,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)熱源溫度、熱負(fù)荷及各支路散熱的情況可以求得各支路的首末溫度,這是熱網(wǎng)模型和電網(wǎng)模型的本質(zhì)區(qū)別。此外,式(10)至式(12)均含有非線性項(xiàng),這對(duì)熱網(wǎng)模型的應(yīng)用帶來(lái)了一定困難。文獻(xiàn)[41]利用已知點(diǎn)信息將式(10)和式(12)進(jìn)行了線性化,并詳細(xì)分析了不同管道長(zhǎng)度和熱媒溫度對(duì)熱耗的影響,采用近似的方法線將式(11)進(jìn)行了線性化。不過(guò),現(xiàn)有模型線性化均需利用已有運(yùn)行點(diǎn)信息或迭代方式對(duì)熱網(wǎng)線性化,尚未見(jiàn)到如直流潮流方程的直接線性化方法,該領(lǐng)域還有待繼續(xù)探索。

穩(wěn)態(tài)熱網(wǎng)模型無(wú)法考慮熱網(wǎng)傳輸時(shí)延,其假設(shè)條件是熱網(wǎng)某節(jié)點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生變化會(huì)立刻反映到全網(wǎng)中。實(shí)際上,熱網(wǎng)傳輸時(shí)延非常明顯,典型的城市熱網(wǎng)一般為幾小時(shí)甚至數(shù)十小時(shí),與電力系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)相差甚遠(yuǎn)。因此,有必要研究熱網(wǎng)的動(dòng)態(tài)模型,為熱力系統(tǒng)乃至多能源系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度奠定基礎(chǔ)。

動(dòng)態(tài)熱網(wǎng)模型與穩(wěn)態(tài)模型的關(guān)鍵不同在于支路熱力方程。在動(dòng)態(tài)方程中,支路工質(zhì)溫度是一個(gè)關(guān)于時(shí)間、位置的函數(shù),具體可表示為:

(13)

式中:T為支路工質(zhì)溫度，是關(guān)于時(shí)間t和空間位置x的函數(shù);α是管道的熱損耗系數(shù)[43]。

式(13)是一個(gè)時(shí)空偏微分方程,難以求解,且與其他部分的代數(shù)方程不同,難以統(tǒng)一。為解決這個(gè)問(wèn)題,部分學(xué)者提出了一種稱(chēng)為B-Node的方法[43]。該方法將熱網(wǎng)工質(zhì)流離散為數(shù)個(gè)“水包”,并根據(jù)各個(gè)“水包”溫度、傳輸時(shí)間的不同,計(jì)算節(jié)點(diǎn)的溫度動(dòng)態(tài)變化。具體模型可參見(jiàn)文獻(xiàn)[44]。

2.3.3氣網(wǎng)模型

天然氣系統(tǒng)的運(yùn)輸方式包括燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)、船舶、汽車(chē)等,其中燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)是體量最大、最為重要的傳輸方式。燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)可分為高壓跨區(qū)輸氣網(wǎng)和低壓區(qū)域配氣網(wǎng),其中高壓網(wǎng)絡(luò)一般將燃?xì)鈴臍庠摧斔椭寥細(xì)怆姀S或城市門(mén)站;而低壓網(wǎng)絡(luò)則作為高壓網(wǎng)絡(luò)的“負(fù)荷節(jié)點(diǎn)”,從城市門(mén)站將燃?xì)廨斔椭粮鱾€(gè)用戶(hù)。低壓燃?xì)饩W(wǎng)主要為用戶(hù)供氣,與其他能源系統(tǒng)相關(guān)性較小,且模型簡(jiǎn)單,可視為網(wǎng)絡(luò)流,僅考慮節(jié)點(diǎn)氣量平衡;高壓燃?xì)饩W(wǎng)則需為燃?xì)怆姀S供氣,與電力系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)系密切。高壓燃?xì)饩W(wǎng)一般為跨區(qū)長(zhǎng)距離管道,存在傳輸時(shí)延長(zhǎng)、管道壓力變化大、管道儲(chǔ)氣大的特點(diǎn),因此需要詳細(xì)建模分析。燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)同熱力網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似,一樣可以分成穩(wěn)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。穩(wěn)態(tài)模型一般以流量、壓力作為變量如附錄A表A3所示。

燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)同熱力網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似,一樣可以分成穩(wěn)態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型。文獻(xiàn)[45-46]描述了燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)模型?？傮w上,穩(wěn)態(tài)模型一般以流量、壓力作為變量,穩(wěn)態(tài)氣網(wǎng)模型同時(shí)滿足基爾霍夫第一定律和第二定律,即節(jié)點(diǎn)流量平衡、零環(huán)路壓降。其與電力系統(tǒng)模型不同點(diǎn)在于支路流量方程,支路流量與管道兩端氣壓為非線性關(guān)系,即

(14)

式中:Cg為與管道特性相關(guān)的常數(shù)[45]。

壓縮機(jī)是氣網(wǎng)中的重要元件,其功能類(lèi)似于電力系統(tǒng)的變壓器,即增加管網(wǎng)氣壓,可提高管網(wǎng)運(yùn)輸能力?？紤]壓縮機(jī)后,氣網(wǎng)的支路流量方程將發(fā)生變化。例如假設(shè)支路(i,j)上j節(jié)點(diǎn)附近有變比為r的壓縮機(jī),則式(14)將變?yōu)?

(15)

穩(wěn)態(tài)氣網(wǎng)模型與穩(wěn)態(tài)熱網(wǎng)模型類(lèi)似,也假設(shè)了某節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)變化會(huì)瞬時(shí)反映到全網(wǎng)。事實(shí)上,燃?xì)庠诠艿乐袀鬏斔俾屎苈?一個(gè)節(jié)點(diǎn)的變化通常經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)才會(huì)完全反映到全網(wǎng),這為其他節(jié)點(diǎn)的調(diào)整,例如燃?xì)鈾C(jī)組的運(yùn)行方式,提供了額外的優(yōu)化空間和時(shí)間。另外,天然氣可壓縮,壓力越大則密度越高,存儲(chǔ)在氣網(wǎng)中的天然氣也越多。為了反映氣網(wǎng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及氣網(wǎng)的能量存儲(chǔ),有必要研究氣網(wǎng)的動(dòng)態(tài)模型。

氣網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型可表示為:

(16)

式中:D和f分別為管道氣壓和燃?xì)饬髁?，是關(guān)于時(shí)間t和空間位置x的函數(shù);Cg1和Cg2分別為與管道特性相關(guān)的常數(shù)[47-48]。

動(dòng)態(tài)模型與穩(wěn)態(tài)模型關(guān)鍵的不同在于額外的氣壓時(shí)變方程,即式(16)的第1行。式(16)的第2行表征氣壓降流量的關(guān)系。事實(shí)上,動(dòng)態(tài)氣網(wǎng)模型與穩(wěn)態(tài)模型一脈相承。在式(16)第2行的左右兩邊對(duì)x積分,并忽略流量隨x的變化,可推導(dǎo)至穩(wěn)態(tài)方程,即

(17)

2.3.4統(tǒng)一能量傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)模型及多網(wǎng)耦合模型

多能源網(wǎng)絡(luò)是否可以“同質(zhì)化”建模是部分學(xué)者研究的重要問(wèn)題之一。即熱力、燃?xì)?、電力網(wǎng)絡(luò)是否可以采用通用的數(shù)學(xué)公式表達(dá),而不采用式(8)至式(15)的公式。文獻(xiàn)[42]對(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行了分析,建立了熱阻的概念,嘗試采用電路的模型描述熱力網(wǎng)絡(luò);文獻(xiàn)[49]則從電能、熱能等能量傳輸?shù)幕疚锢矸匠倘胧痔岢隽四芰烤W(wǎng)絡(luò)基本方程的概念,總結(jié)了基于強(qiáng)度量和廣延量的廣義基爾霍夫方程,認(rèn)為不同能源網(wǎng)絡(luò)中強(qiáng)度量與廣延量均有具體的對(duì)應(yīng)方式(例如:電力系統(tǒng)中強(qiáng)度量為電壓,廣延量為電流)。但是該理論沒(méi)有考慮到熱網(wǎng)中流體流動(dòng)與溫度分布的解耦關(guān)系,同時(shí)也難以考慮熱網(wǎng)中水泵和氣網(wǎng)中壓縮機(jī)等特殊元件的模型。文獻(xiàn)[50]在能量樞紐概念的基礎(chǔ)上提出了能量傳導(dǎo)器的概念,但仍局限于能量網(wǎng)絡(luò)流模型,即不考慮回路壓力、支路特性等方程,僅考慮節(jié)點(diǎn)平衡方程。本文認(rèn)為,電力、熱力、燃?xì)饽Ｐ妥裱煌奈锢硪?guī)律,表達(dá)形式在本質(zhì)上是不同的,難以在細(xì)節(jié)上進(jìn)行“同質(zhì)化”。因此在對(duì)計(jì)算精度要求較高的場(chǎng)合,應(yīng)使用電—熱—?dú)饩W(wǎng)絡(luò)各自的特有模型。從另外一個(gè)角度,三個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型均遵循基爾霍夫第一定律和第二定律,因此可使用網(wǎng)絡(luò)流模型描述三個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量的流動(dòng)與分配,可應(yīng)用在規(guī)劃等精度要求不高的領(lǐng)域。

多能源網(wǎng)絡(luò)耦合建模及分析也是多能源系統(tǒng)的重要問(wèn)題之一。以多能源網(wǎng)絡(luò)耦合模型為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)不同能源網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行聯(lián)立可以進(jìn)行多能源系統(tǒng)綜合潮流分析。文獻(xiàn)[40]研究了電—熱耦合網(wǎng)絡(luò)模型,給出了電熱網(wǎng)絡(luò)綜合潮流分析中牛頓—拉夫遜迭代法中雅可比矩陣的結(jié)構(gòu),說(shuō)明了電鍋爐、CHP機(jī)組等元件對(duì)雅可比矩陣的貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[51]研究了電—?dú)怦詈暇W(wǎng)絡(luò)模型,指出天然氣溫度變化對(duì)天然氣管道儲(chǔ)氣及氣流分析均有影響,并提出了考慮天然氣溫度變化的電—?dú)獬绷鞣治瞿Ｐ?。文獻(xiàn)[52-54]則研究了電—?dú)狻獰岬鸟詈暇W(wǎng)絡(luò)模型,并以此為基礎(chǔ)采用牛頓—拉夫遜法進(jìn)行綜合潮流分析,其中文獻(xiàn)[52]劃分了多能源系統(tǒng)中不同能源網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)類(lèi)型,并詳細(xì)地研究了綜合潮流分析中雅可比矩陣的結(jié)構(gòu),指出了其中的零元素部分、稀疏部分和非稀疏部分及各個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)。除了確定性的多能源網(wǎng)絡(luò)耦合建模外,文獻(xiàn)[55-56]還研究了多能源網(wǎng)絡(luò)的概率潮流建模和計(jì)算方法,在電力系統(tǒng)概率潮流的概念上進(jìn)行了延拓。

3 以電—熱耦合為主的區(qū)域多能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行和規(guī)劃

3.1 基于電熱系統(tǒng)靈活運(yùn)行的可再生能源消納

CHP機(jī)組“以熱定電”使系統(tǒng)難以靈活地應(yīng)對(duì)可再生能源的波動(dòng)性和不確定性,熱力系統(tǒng)中可以引入蓄熱裝置、電鍋爐等可以提供靈活性的設(shè)備,打破“以熱定電”運(yùn)行約束,通過(guò)熱力系統(tǒng)的靈活運(yùn)行為電力系統(tǒng)提供靈活性。具體而言,在CHP機(jī)組側(cè)加裝集中式儲(chǔ)熱裝置或在用戶(hù)側(cè)加裝分布式儲(chǔ)熱裝置,能夠使熱負(fù)荷在一定的時(shí)間范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移,可以在電負(fù)荷較高時(shí)，提高CHP機(jī)組供電量與供熱量同時(shí)蓄熱;而在可再生能源出力較大時(shí),降低CHP機(jī)組發(fā)電量與供熱量。而熱負(fù)荷主要通過(guò)儲(chǔ)熱系統(tǒng)釋放熱量來(lái)供應(yīng),進(jìn)而提高了可再生能源的消納空間。在此基礎(chǔ)上,增加熱泵、集中式或分布式電鍋爐,能夠在可再生能源出力較大時(shí),利用電加熱裝置供熱,并且與儲(chǔ)熱裝置進(jìn)行協(xié)同,進(jìn)一步增加了可再生能源的消納空間。

基于CHP機(jī)組、電鍋爐、熱泵等靈活運(yùn)行的可再生能源消納場(chǎng)景可抽象為數(shù)學(xué)模型，即

(18)

式中:Pc,t和Hc,t分別為t時(shí)刻CHP機(jī)組的發(fā)電功率和供熱功率;Wt為風(fēng)電出力;Ho,t為電鍋爐、熱泵等元件的熱出力;Le,t為區(qū)域電力需求,包括用戶(hù)、電鍋爐和熱泵電負(fù)荷;Lh,t為區(qū)域熱力需求。

區(qū)域多能源系統(tǒng)運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)一般為成本最小,也可以是棄風(fēng)最少、碳排放最少等;約束條件中的Pc,t+Wt=Le,t表示電力負(fù)荷的平衡;Hc,t+Ho,t=Lh,t表示熱力負(fù)荷的平衡,用戶(hù)熱力負(fù)荷由CHP機(jī)組、電鍋爐、熱泵共同提供;g(Pc,t,Hc,t,Ho,t)≤0表示CHP機(jī)組、電鍋爐、熱泵的運(yùn)行約束,此約束為非等式約束,描述了CHP機(jī)組的可行運(yùn)行區(qū)間,給區(qū)域多能源系統(tǒng)的運(yùn)行創(chuàng)造了靈活的調(diào)節(jié)空間。

文獻(xiàn)[57]建立了結(jié)合熱泵與儲(chǔ)熱裝置的能源集成優(yōu)化模型,并通過(guò)研究2020年丹麥在50%風(fēng)電接入率情況下的場(chǎng)景,表明分散式熱泵與儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)對(duì)風(fēng)電的消納十分有利。文獻(xiàn)[58]利用EnergyPLAN仿真分析軟件,分析了丹麥城市發(fā)展熱泵技術(shù)的可行性和對(duì)風(fēng)電消納的價(jià)值。文獻(xiàn)[15]研究了中國(guó)利用電鍋爐消納風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)性,分析了風(fēng)電供暖模式的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益和系統(tǒng)風(fēng)電消納能力。研究表明,相比于“以熱定電”的供能方式,采用電鍋爐、供熱機(jī)組的靈活調(diào)節(jié),能夠?yàn)榭稍偕茉吹牟▌?dòng)性及不確定性留有調(diào)節(jié)裕度,也能夠增強(qiáng)可再生能源的消納能力。

3.2 考慮熱網(wǎng)慣性和儲(chǔ)熱的可再生能源消納

供熱系統(tǒng)存在較大的熱慣性,使其在供熱時(shí)無(wú)需實(shí)時(shí)滿足供需平衡。例如,對(duì)于居民供暖或生活熱水的供應(yīng),僅需要滿足熱定溫度在某一區(qū)間內(nèi),通過(guò)靈活安排CHP機(jī)組、電鍋爐、熱泵的供熱,能夠在滿足設(shè)定溫度的同時(shí)為電力系統(tǒng)提供靈活性。

式(18)描述了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的基本方式,是一個(gè)“單時(shí)間斷面”的模型。事實(shí)上,熱力系統(tǒng)慣性很大,且有多種蓄熱裝置,考慮熱力系統(tǒng)的時(shí)間效應(yīng)會(huì)給區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)更大的優(yōu)化空間。熱網(wǎng)慣性和儲(chǔ)熱的效果反應(yīng)在模型上都是時(shí)序的耦合,因此考慮熱網(wǎng)慣性和儲(chǔ)熱后,區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化模型可修改為:

(19)

式中:Hs,t為熱力系統(tǒng)和儲(chǔ)熱裝置t時(shí)刻的熱出力,數(shù)值為正表示供熱,數(shù)值為負(fù)表示儲(chǔ)熱;約束h(Hs,1,Hs,1,…,Hs,T)≤0為熱網(wǎng)和儲(chǔ)熱裝置的時(shí)序耦合約束,例如熱網(wǎng)的時(shí)延特性約束、儲(chǔ)熱裝置的始末狀態(tài)約束等等。

文獻(xiàn)[59]研究了熱網(wǎng)儲(chǔ)熱裝置的優(yōu)化運(yùn)行方式,指出儲(chǔ)熱裝置可顯著提高區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行可行域,提高風(fēng)電消納比例。文獻(xiàn)[60]研究了熱網(wǎng)慣性對(duì)區(qū)域風(fēng)電消納的影響,研究顯示考慮區(qū)域熱網(wǎng)2～3 h的熱力傳輸時(shí)延可進(jìn)一步優(yōu)化區(qū)域系統(tǒng)運(yùn)行,提高約2%的風(fēng)電消納。文獻(xiàn)[16]則研究了建筑物儲(chǔ)熱和人體舒適度慣性,將其視為虛擬的儲(chǔ)熱裝置,量化了其對(duì)可再生能源消納的影響。

3.3 基于多能源系統(tǒng)綜合需求響應(yīng)可再生能源消納

負(fù)荷側(cè)的綜合能源需求具有一定彈性,用戶(hù)不僅可以根據(jù)價(jià)格激勵(lì)或其他獎(jiǎng)勵(lì)調(diào)整用電、用熱負(fù)荷,還可以在不改變需求的前提下,通過(guò)調(diào)整能源生產(chǎn)及轉(zhuǎn)換方式,使用戶(hù)等效地具備需求響應(yīng)的能力。例如,在電、熱、氣集成的系統(tǒng)中,微型CHP機(jī)組與電鍋爐聯(lián)合實(shí)現(xiàn)供電與供熱,當(dāng)電力供需緊張時(shí),可通過(guò)提高CHP機(jī)組出力、降低電鍋爐負(fù)荷的方式,降低整個(gè)能源系統(tǒng)電力需求。但從用戶(hù)的角度而言,用戶(hù)的用電需求與用熱需求并沒(méi)有被壓縮。文獻(xiàn)[61-62]首次提出了綜合需求響應(yīng)的概念。綜合需求響應(yīng)中,能源消費(fèi)者不僅僅通過(guò)削減能源消費(fèi)量進(jìn)行需求響應(yīng),還可以通過(guò)改變能源消費(fèi)類(lèi)型來(lái)進(jìn)行響應(yīng)。隨著多能源系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,包括基礎(chǔ)負(fù)荷在內(nèi)的所有能源負(fù)荷都可以通過(guò)其他形式能源與電能之間的轉(zhuǎn)換來(lái)參與需求響應(yīng)。

式(18)描述了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的基本方式,其潛在假設(shè)是“剛性”的用能負(fù)荷。事實(shí)上,在考慮綜合能源需求響應(yīng)后,用戶(hù)用能會(huì)進(jìn)行相應(yīng)變化,區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化模型也變化為:

(20)

式中:ΔLe,t和ΔLh,t分別為電力、熱力的主動(dòng)響應(yīng)量,可以是簡(jiǎn)單的數(shù)值,也可以是關(guān)于某個(gè)變量的函數(shù);約束h(ΔLe,t,ΔLh,t)≤0表示電力、熱力的主動(dòng)響應(yīng)量需滿足一定的約束條件,例如元件特性約束、響應(yīng)量上下限約束等等。

文獻(xiàn)[63]分析了CHP機(jī)組、電鍋爐及光伏發(fā)電裝置組成的家庭小型供能系統(tǒng)的綜合需求響應(yīng)能力,通過(guò)CHP機(jī)組和與電鍋爐系統(tǒng)通過(guò)靈活需求響應(yīng)能夠應(yīng)對(duì)光伏出力的不確定性,考慮綜合需求響應(yīng)后,系統(tǒng)供熱運(yùn)行成本將會(huì)上升,但是由于光伏引起的電力不平衡的成本將會(huì)降低很多,進(jìn)而降低整體的成本。文獻(xiàn)[64]研究了多能源系統(tǒng)的可移峰負(fù)荷的概念,給出了多能源系統(tǒng)移峰潛力評(píng)價(jià)解析化模型,評(píng)估了多能源系統(tǒng)不同移峰深度下的成本及效益。研究表明,多能源系統(tǒng)邊際移峰成本隨移峰深度的增加而上升。文獻(xiàn)[65]建立了多能源系統(tǒng)綜合需求響應(yīng)的隨機(jī)性模型,考慮了環(huán)境溫度、熱水消耗及電力系統(tǒng)備用成本的不確定性模型,給出了綜合能源系統(tǒng)響應(yīng)系統(tǒng)不平衡量的控制方法。

3.4 面向可再生能源消納的區(qū)域多能源系統(tǒng)規(guī)劃

提高可再生能源的消納不僅需要區(qū)域綜合能源系統(tǒng)靈活運(yùn)行,還需要在運(yùn)行前做好區(qū)域多能源系統(tǒng)的規(guī)劃?？茖W(xué)的多能源系統(tǒng)規(guī)劃可以彌補(bǔ)各能源系統(tǒng)單獨(dú)規(guī)劃的不足,充分考慮耦合和互補(bǔ)關(guān)系,從而提高資產(chǎn)利用效率,從根本上為可再生能源消納提供空間。文獻(xiàn)[10]指出,區(qū)域多能源系統(tǒng)的規(guī)劃主要解決在何時(shí)、何地、建立多少容量、具有何種結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換單元,各能源系統(tǒng)元件如何連接組合的問(wèn)題。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的設(shè)備包括CHP供電廠、電鍋爐、儲(chǔ)熱裝置、P2G裝置等,其中以電熱元件為主。

區(qū)域多能源系統(tǒng)的規(guī)劃模型包含投資決策0-1變量,是典型的混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。由于可再生能源出力具有不確定性,區(qū)域多能源系統(tǒng)的規(guī)劃往往還要考慮可再生能源處理場(chǎng)景,建立機(jī)會(huì)約束規(guī)劃、隨機(jī)優(yōu)化、魯棒優(yōu)化等模型。

文獻(xiàn)[66]建立了區(qū)域電熱系統(tǒng)的投資規(guī)劃模型,研究了滿足區(qū)域電熱需求的最優(yōu)設(shè)備組合;文獻(xiàn)[67]以電力系統(tǒng)可靠性為基礎(chǔ)建立了多能源設(shè)備的可靠性模型,并在規(guī)劃中考慮了多能源設(shè)備的可靠性;文獻(xiàn)[68]不僅考慮了設(shè)備容量選擇,還在規(guī)劃模型中考慮了多能耦合設(shè)備的連接關(guān)系。該文獻(xiàn)還研究了一個(gè)區(qū)域多能源系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)元件的選擇及結(jié)構(gòu)聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題,即多能源系統(tǒng)“從無(wú)到有”的規(guī)劃。

4 以電—?dú)怦詈蠟橹鞯目鐓^(qū)多能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行和規(guī)劃

4.1 考慮供氣系統(tǒng)安全性的可再生能源消納

燃?xì)鈾C(jī)組作為一種調(diào)節(jié)性能強(qiáng)、啟停靈活快速的機(jī)組,被視為可再生能源消納的重要手段之一。然而,燃?xì)鈾C(jī)組需要從輸氣管網(wǎng)中抽取天然氣作為原料,因此受到氣源不確定性的影響和氣網(wǎng)安全性的影響。氣源不確定性指供氣端可能因突發(fā)事故中斷供氣,例如海上油田管道斷裂、運(yùn)輸液化天然氣的郵輪未能按時(shí)抵達(dá)港口等等。氣網(wǎng)安全性則是指氣網(wǎng)的管道壓力限制,即壓力不能過(guò)大以致威脅氣網(wǎng)安全,也不能過(guò)小以致影響末端配氣網(wǎng)的運(yùn)行。如果氣源發(fā)生斷供或氣網(wǎng)出現(xiàn)安全事故,則燃?xì)怆姀S無(wú)法正常運(yùn)行,不僅會(huì)影響可再生能源的消納,更會(huì)威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此,有必要在電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行時(shí)考慮供氣系統(tǒng)的安全性。

考慮供氣系統(tǒng)安全性的可再生能源消納模型以電力系統(tǒng)本身的運(yùn)行為主,供氣系統(tǒng)僅作為約束條件,不出現(xiàn)在目標(biāo)函數(shù)中,其模型可抽象為:

(21)

文獻(xiàn)[69]研究了氣源不確定性的建模,并建立了考慮氣源不確定性的電力系統(tǒng)機(jī)組組合模型。文獻(xiàn)[47]建立了燃?xì)夤芫W(wǎng)的穩(wěn)態(tài)模型,并研究了考慮氣網(wǎng)安全性的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題,該論文使用連續(xù)線性規(guī)劃法處理了燃?xì)夤芫W(wǎng)約束的非線性,結(jié)果顯示考慮天然氣安全約束可以有效避免天然氣管網(wǎng)故障發(fā)生,保障電力系統(tǒng)安全。文獻(xiàn)[70]則進(jìn)一步考慮燃?xì)夤芫W(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性,精細(xì)化地分析了動(dòng)態(tài)與靜態(tài)約束下電力系統(tǒng)運(yùn)行可行域的區(qū)別。文獻(xiàn)[48]使用節(jié)點(diǎn)—支路矩陣建立了標(biāo)準(zhǔn)化的燃?xì)夤芫W(wǎng)動(dòng)態(tài)方程,并指出風(fēng)電的波動(dòng)性可能進(jìn)一步加劇燃?xì)夤芫W(wǎng)壓力的波動(dòng),采用魯棒優(yōu)化方法確保電—?dú)庀到y(tǒng)的安全運(yùn)行。

4.2 考慮P2G技術(shù)和儲(chǔ)氣的可再生能源消納

考慮供氣系統(tǒng)安全性的可再生能源消納只是單方面地考慮了燃?xì)庀到y(tǒng)對(duì)電力運(yùn)行的限制,并未考慮燃?xì)庀到y(tǒng)給電力運(yùn)行帶來(lái)的“福利”。事實(shí)上,天然氣可大規(guī)模、長(zhǎng)期存儲(chǔ),例如直接壓縮存儲(chǔ)于大型儲(chǔ)氣罐,或液化為液化天然氣進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)優(yōu)化天然氣系統(tǒng)的存儲(chǔ)行為,可以更好地為燃?xì)怆姀S提供服務(wù),使其在電力系統(tǒng)重負(fù)荷條件下“有氣可用”。另外,P2G技術(shù)也為可再生能源消納提供了新的空間。在可再生能源出力較大、無(wú)法消納的時(shí)段,可通過(guò)P2G裝置轉(zhuǎn)換為燃?xì)獯鎯?chǔ)在儲(chǔ)氣罐內(nèi),在必要的時(shí)段供給燃?xì)怆姀S進(jìn)行發(fā)電。

文獻(xiàn)[71]采用考慮燃?xì)饩W(wǎng)輸氣模型及電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流模型的中長(zhǎng)期運(yùn)行模擬評(píng)估了P2G技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)和燃?xì)庀到y(tǒng)的影響。結(jié)果表明,采用P2G技術(shù)能夠有效地存儲(chǔ)并消納一部分可再生能源,如果P2G站建立在氣網(wǎng)末端,對(duì)氣網(wǎng)運(yùn)行的影響是很小的。同時(shí),P2G技術(shù)也可以延緩輸氣網(wǎng)絡(luò)的翻新，同時(shí)能夠降低電網(wǎng)及燃?xì)饩W(wǎng)的阻塞。文獻(xiàn)[72]指出目前P2G技術(shù)的成本仍然較高,能量轉(zhuǎn)換效率相比其他類(lèi)型的儲(chǔ)能相對(duì)較低,僅在可再生能源裝機(jī)比例很高的情況下才能具有經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[73]研究了含有P2G技術(shù)的微電網(wǎng)系統(tǒng),指出P2G技術(shù)將電力系統(tǒng)中的不確定性轉(zhuǎn)移到了更容易接納不確定性的供氣系統(tǒng)中,可以作為微電網(wǎng)儲(chǔ)能的解決方案。

4.3 面向可再生能源消納的電—?dú)饴?lián)合規(guī)劃

電—?dú)庀到y(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化規(guī)劃有助于從根本上協(xié)調(diào)兩個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),充分考慮耦合和互補(bǔ)關(guān)系,從而提高能源利用效率,從根本上為可再生能源消納提供空間。電—?dú)饴?lián)合規(guī)劃主要包括設(shè)備規(guī)劃與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃兩個(gè)方面,設(shè)備規(guī)劃包括燃?xì)怆姀S、P2G裝置、氣網(wǎng)壓縮機(jī)的規(guī)劃,主要解決在何時(shí)、何地、建立多大容量的設(shè)備;網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃則指電網(wǎng)—?dú)饩W(wǎng)的協(xié)同規(guī)劃,主要解決如何協(xié)同建設(shè)電網(wǎng)和氣網(wǎng),減小網(wǎng)絡(luò)故障的概率,提高可再生能源的消納水平。

文獻(xiàn)[74]詳細(xì)描述了電—?dú)鈪f(xié)同長(zhǎng)期多區(qū)域多階段規(guī)劃問(wèn)題,指出該問(wèn)題是一個(gè)多場(chǎng)景多階段的混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。論文研究了電網(wǎng)、電源、氣網(wǎng)、氣源的聯(lián)合規(guī)劃方法,以巴西電力和燃?xì)庀到y(tǒng)為例進(jìn)行了算例分析。研究結(jié)果表明在正常負(fù)荷水平下電—?dú)鈪f(xié)同規(guī)劃并沒(méi)有降低運(yùn)行費(fèi)用,但在極端場(chǎng)景下(例如水電故障),電—?dú)鈪f(xié)同規(guī)劃可顯著降低運(yùn)行費(fèi)用。文獻(xiàn)[75]建立了電—?dú)饩W(wǎng)絡(luò)聯(lián)合規(guī)劃問(wèn)題,指出氣網(wǎng)的非線性是規(guī)劃問(wèn)題的難點(diǎn)所在。論文分別將網(wǎng)絡(luò)流模型、非線性氣網(wǎng)模型和近似線性氣網(wǎng)模型嵌入了規(guī)劃問(wèn)題,并介紹了相應(yīng)的求解算法。

5 面向可再生能源消納的多能源系統(tǒng)關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題

5.1 多能源系統(tǒng)多時(shí)間常數(shù)耦合問(wèn)題

多能源系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的時(shí)間常數(shù)差異很大。電力系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)一般為秒級(jí),而熱力系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)通常為小時(shí)級(jí)。在這種情況下,電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析時(shí)間尺度對(duì)于熱力、燃?xì)庀到y(tǒng)而言是動(dòng)態(tài)過(guò)程,而熱力、燃?xì)庀到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程又包含了多個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過(guò)程,兩者互相耦合。具有不同時(shí)間常數(shù)的能源系統(tǒng)相互耦合的機(jī)理是多能源系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。另外,熱力、燃?xì)庀到y(tǒng)與電力系統(tǒng)相異的時(shí)間常數(shù)也為可再生能源的消納、大規(guī)模和長(zhǎng)期存儲(chǔ)提供了可能,如何利用多能源系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)差異也是研究者需要聚焦的問(wèn)題之一。

5.2 多能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)理論

多能源系統(tǒng)的運(yùn)行需要受到科學(xué)的市場(chǎng)機(jī)制和價(jià)格理論指導(dǎo)。在電力系統(tǒng)中,等微增率理論給出了發(fā)電機(jī)煤耗和最優(yōu)發(fā)電功率的關(guān)系,節(jié)點(diǎn)電價(jià)理論則運(yùn)用價(jià)格的概念描述了電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的約束等等。那么多能源系統(tǒng)及其子系統(tǒng)是否有對(duì)應(yīng)的“等微增率理論”、“節(jié)點(diǎn)能價(jià)理論”,以描述能源生產(chǎn)成本和能源傳輸成本?這是多能源系統(tǒng)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

5.3 多能源系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化及自動(dòng)化建模問(wèn)題

多能源系統(tǒng)涉及電、氣、熱等多個(gè)系統(tǒng),不同系統(tǒng)遵循不同的物理規(guī)律,有不同的數(shù)學(xué)模型,且不同的能源系統(tǒng)互相耦合。在這種情況下,需要一套標(biāo)準(zhǔn)化的定義去描述這種復(fù)雜耦合關(guān)系,提出多能源系統(tǒng)的“節(jié)點(diǎn)—導(dǎo)納矩陣”、“標(biāo)準(zhǔn)支路模型”、“基于矩陣運(yùn)算的系統(tǒng)分析方法”等等。采用以矩陣為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化多能源元件、能量樞紐、網(wǎng)絡(luò)模型及以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的多能源系統(tǒng)分析方法是大規(guī)模多能源系統(tǒng)計(jì)算機(jī)分析的基礎(chǔ),也是多能源系統(tǒng)面臨的重要技術(shù)問(wèn)題之一。如何采用標(biāo)準(zhǔn)化的建模技術(shù)處理多能源系統(tǒng)中的非線性問(wèn)題,是自動(dòng)化建模問(wèn)題中的難點(diǎn)。目前的研究多基于某個(gè)典型的多能源系統(tǒng)進(jìn)行建模,模型可擴(kuò)展性不強(qiáng),難以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化的建模和分析。

5.4 多能源系統(tǒng)的分解協(xié)調(diào)方法

目前大部分文獻(xiàn)對(duì)多能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行和規(guī)劃問(wèn)題的研究都采用集中式的優(yōu)化方法,即將電、氣、熱模型統(tǒng)一優(yōu)化。事實(shí)上,現(xiàn)實(shí)中不同能源系統(tǒng)通常是分散決策的,集中優(yōu)化并不符合多能源系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景。另外我們注意到,不同能源系統(tǒng)之間并非“強(qiáng)耦合”關(guān)系,例如熱力與電力系統(tǒng)的耦合元件通常只有CHP機(jī)組、電鍋爐、熱泵,燃?xì)馀c電力系統(tǒng)的耦合元件只有燃?xì)怆姀S、P2G裝置等,這為多能源系統(tǒng)的分解協(xié)調(diào)提供了可能。那么,是否有可能類(lèi)比電力系統(tǒng)多區(qū)域分解算法,采用多系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)優(yōu)化多能源系統(tǒng)的運(yùn)行,從而減少計(jì)算壓力和計(jì)算時(shí)間?這也是多能源系統(tǒng)研究需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。

6 面向可再生能源消納的多能源系統(tǒng)研究展望

6.1 多能源系統(tǒng)的等值模型研究

等值是電力系統(tǒng)重要的思想之一,可將復(fù)雜系統(tǒng)簡(jiǎn)單化,例如戴維南等值、諾頓等值等。對(duì)于面向可再生能源的多能源系統(tǒng)研究,其主體仍為電力系統(tǒng),那么是否可以采用等值的思想,將燃?xì)狻崃ο到y(tǒng)等值為電力系統(tǒng)的一個(gè)外部約束,簡(jiǎn)化多能源系統(tǒng)的分析難度。例如燃?xì)?、熱力系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)較大,有儲(chǔ)能的效果,那么是否可以將其等值為電力系統(tǒng)中具有儲(chǔ)能效益的“電容”、“電抗”,并看成電力系統(tǒng)的一個(gè)外部組件進(jìn)行分析?這些問(wèn)題尚未有學(xué)者進(jìn)行深入研究,但作者認(rèn)為這是多能源系統(tǒng)未來(lái)可以挖掘的重要研究點(diǎn)之一。

6.2 多能源系統(tǒng)的多維數(shù)據(jù)分析

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)已應(yīng)用在電力系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域,例如負(fù)荷預(yù)測(cè)、拓?fù)浔孀R(shí)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定判斷等,是現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析的重要技術(shù)之一。而對(duì)于多能源系統(tǒng),我們同樣可以整合各個(gè)能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù),用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)各個(gè)能源系統(tǒng)進(jìn)行分析。更為重要的是,由于多能耦合的普遍存在,不同能源系統(tǒng)類(lèi)型的數(shù)據(jù)一定具有較強(qiáng)的相關(guān)性或關(guān)聯(lián)特性,對(duì)此深入挖掘或許能帶來(lái)單個(gè)能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析不能發(fā)現(xiàn)的信息。不過(guò)現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有對(duì)多能源數(shù)據(jù)問(wèn)題的研究,也鮮有公開(kāi)的多能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)集,仍是一塊“價(jià)值洼地”。

6.3 多能源系統(tǒng)的市場(chǎng)研究

合理的市場(chǎng)機(jī)制是促進(jìn)可再生能源消納的關(guān)鍵要素之一。對(duì)于多能源系統(tǒng),不同類(lèi)型能源市場(chǎng)的耦合方式也同樣影響多能源系統(tǒng)的運(yùn)行及可再生能源的消納。美國(guó)的新英格蘭州就曾因?yàn)殡娏腿細(xì)馐袌?chǎng)日前出清時(shí)間的不同,出現(xiàn)了冬季早高峰燃?xì)鈾C(jī)組無(wú)氣可用、無(wú)電可發(fā)的問(wèn)題。因此,在多能源系統(tǒng)的發(fā)展中,如何設(shè)計(jì)每個(gè)能源市場(chǎng)的機(jī)制,如何協(xié)調(diào)不同類(lèi)型能源市場(chǎng)的組織[76],都是值得研究的重要問(wèn)題。

6.4 利用多能源系統(tǒng)消納可再生能源的新場(chǎng)景探索

多能源系統(tǒng)為可再生能源的消納提供了新的可能性,例如前文所述利用電鍋爐、熱泵等打破“以熱定電”,利用P2G技術(shù)和儲(chǔ)氣裝置提供可再生能源的長(zhǎng)期存儲(chǔ)等等。不過(guò)上文綜述的場(chǎng)景依然有限,如何挖掘多能源系統(tǒng)新的潛力,為可再生能源消納提供新的場(chǎng)景,這是多能源系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題之一,也是進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化運(yùn)行、規(guī)劃的基礎(chǔ)。

7 結(jié)語(yǔ)

在中國(guó)可再生能源消納問(wèn)題突出的大背景下,發(fā)展多能源系統(tǒng)有利于突破電力系統(tǒng)本身的能力瓶頸,從能源的角度給予可再生能源消納更大的優(yōu)化空間。本文分析了多能源系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和時(shí)空特性,給出了多能源系統(tǒng)的研究框架。本文還根據(jù)給定的研究框架,從“多能源系統(tǒng)建模”、“以電—熱耦合為主的區(qū)域多能源系統(tǒng)分析”、“以電—?dú)怦詈蠟橹鞯目鐓^(qū)多能源系統(tǒng)分析”三條主線,綜述、總結(jié)了已有文獻(xiàn),并給出了本文的思考。除此之外,本文還總結(jié)了面向可再生能源的多能源系統(tǒng)分析面臨的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,并展望了多能源系統(tǒng)幾個(gè)潛在的研究方向,以期為學(xué)者未來(lái)的研究提供參考。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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