综合能源系统关键技术综述与展望

综合能源系统关键技术综述与展望

李海鑫

青岛腾远设计事务所有限公司 山东省青岛市 266000

摘要：全球至少有70多个国家先后开展了与综合能源系统相关的研究与应用。美国重点发展分布式能源、冷热电三联供技术，把提高电力系统灵活性作为需求侧管理的研究方向。德国从2011年开始，每年投入3亿欧元，从能源全供应链、产业链角度实施IES的优化协调。丹麦在能源消费地区布置光伏板、燃气轮机等小型发电设备来补充或者取代集中供电系统。英国2015年制定了能源弹射器计划。该计划通过每年3千万英镑的注资来支持国内企业在IES方面的研发。日本致力于智能社区的研究与示范，实现交通、供水、信息和医疗的一体化集成。东京燃气公司提出了建立覆盖全日本的供氢网络建议。我国国家电网公司，在国网客服中心南北园区建成了国内首个区域能源互联网工程，满足了园区27.88万m2，6000个呼叫座席的“电、冷、热、热水”等综合能源需求，实现了100%电能替代，可再生能源占比年平均值大于31%，最高值为64.17%，能源自给率最高达56.38%，峰谷电比值维持在1.01左右。南方电网综合能源有限公司开发利用生物质能、风、光等可再生能源，实施了广州超算中心分布式能源、佛山三水综合能源开发等多个项目。

关键词：综合能源系统；多能协同；能源转换；储能；电能替代

引言

综合能源系统由于在能源利用方面的优势，成为工业界与学术界新的探索领域。综合能源系统将是未来能源领域发展的方向，目前国外在IES方面研究比较深入，国外实施的IES项目有欧盟ELECTＲA示范项目、德国的E-Energy项、日本柏叶智慧城市等。在国内，目前已经实施的IES项目有首次采用GE分布式能源技术提供冷、热、电和压缩空气四联供的上海迪士尼度假区，以微网的形式实现冷/热/电高效利用的天津生态城示范项目和广州从化工业园区的综合能量管理系统研发和示范项目。近年的研究成果表明，多种能源的协调控制技术是综合能源系统实现能源优化、稳定运行的关键技术，是未来我国绿色、高效、可靠的新一代综合能源系统得以推广应用的核心关键技术，对未来我国能源领域技术发展具有重要的促进作用。

1多能协同规划设计技术

多能协同规划设计技术主要是指：帝国理工NilayShah团队研究了城市能源系统的混合整数线性/非线性优化方法，统筹考虑建筑选址布局、负荷需求以及能源技术选择之间的关系。西班牙Zaragoza大学JoseMYusta采用遗传算法对混合发电系统进行规划设计，并研究了蓄电池容量配置的优化方案。AliZangeneh提出了以基于帕累托方法的多目标优化算法，解决一个综合能源系统的规划问题。管霖把同时考虑“质”和“量”调节的方法运用到优化设计IES管网管径方案中，以年等值最小投资作为优化目标。王琪鑫把IES中的供、用暖系统作为研究对象，通过分析需求侧用户的行为，得到了同时对IES供、需侧进行优化的方法。管霖以优化能源站的容量作为研究目标，对多目标粒子群算法进行了改进。

2多能协同优化运行技术

多能协同优化运行技术主要是指：LauraTribioli设计了一套基于风光燃料电池的能源网络，采用规则库控制方法降低备用柴油机的利用率。CarlosBordons基于神经网络设计出用于微网的预测控制模型，以降低总线的退化速度延长微网寿命。AnthonyMGee提出一种适用于离网风电系统的滤波控制算法，可在一定程度上延长储电设备的寿命。

3综合能源管理系统研究现状

随着全球化的快速发展，中国积极向欧美国家引进这方面的先进技术，而这项技术也成为了各国综合实力竞争的重点。为了加快冷热电联供系统的发展速度，美国提供了相关的能源发展计划，并颁布和发布了安全法和独立法，提出了这项能源规划的重要性。另外，美国还投入了大量的研究经费支持综合能源规划方面的发展与实施。中国从1993年撤销能源部后，对各种能源的协调统一难以进行管理，使得中国在能源发展方面受到了很大的阻碍。近年来，中国对石油能源的使用量较大，而石油能源属于不可再生资源，这在很大程度上阻碍了中国经济环境的协调发展。因此，中国对于综合能源管理系统的研究是十分必要的，也是现阶段中国提高资源利用效率的重要途径之一。

4综合能源系统的技术挑战

综合能源系统在能源的生产和消费过程中，同时耦合了电能、热能、天然气等多种能源。在综合能源系统中，电能、热能、天然气等多种能源可以直接供用户使用，也可以通过热电联产机组、制冷压缩机等设备实现冷/热/电/气相互转化利用。多能流耦合系统最基本的特点是由不同能源种类的能流系统组成，各能流系统具有不同的模型和控制方法，传输和转换特性各不相同，难以准确描述多能流耦合系统的运行状态。各能流系统往往独立规划设计，相互间缺乏协调，由不同时间尺度的能流系统组成的多能流耦合系统也会具有多时间尺度的特点，导致不同能流系统间的相互作用变得更加复杂，影响整个系统的安全性和稳定性。多能流耦合系统由于在时间尺度上的差异，会影响多能流耦合系统的优化调度周期并增大求解难度，需要建立混合时间尺度优化调度模型，准确描述多能流耦合系统的运行状态，保证系统的安全高效运行。多能流耦合的综合能源系统是一个复杂的多输入、多输出系统，包含多种能源形式的相互转换，对综合能源系统进行建模必须考虑电、热、气等能源系统的特性差异和数学模型各异的能源设备，结合对多时间尺度动态特性的研究，进行能量传输和转化过程的动态描述，建立多能流耦合系统的统一模型。多种能源通过能源设备相互耦合，形成复杂的系统。随着综合能源系统的不断发展，各能源系统之间的耦合势必不断增强，系统建模将更加困难。因此需要深入研究多种能源耦合情况下的建模方法，建立可以描述多能系统运行和互补特性且具有可扩展性的综合能源系统模型，为多能系统的协调控制提供研究基础。

5综合能源系统外特性建模与评估方法

综合能源系统外特性建模与评估方法主要是：综合能源系统外特性建模与评估方法是研究综合能源系统协调控制技术的基础，需要研究含分布式能源、主动负荷的工商业综合能源控制外特性描述方法，建立其可调控能力评估模型与评估方法，为综合能源系统的协调控制提供模型与底层数据支持。针对综合能源系统内部负荷组成多样的问题，研究主动负荷分类以及各类负荷获得的效用与能源消耗之间的数量关系，建立用能效用函数，提出考虑用户满意度和负载能效水平的需求侧响应能力评估方法。针对综合能源系统内部可再生能源分散、可调控能力难以描述的问题，基于需求侧响应能力评估模型和分布式能源等设备的准稳态模型，建立含分布式能源的控制外特性模型，为上级调度提供优化基础数据。

结语

总之，多能协同综合能源系统相关技术研究已经得到国际社会的广泛关注，其协调控制技术研究仍处于起步阶段，尚缺乏系统性的研究和成熟的应用系统设计。

参考文献

[1]贾宏杰，穆云飞，余晓丹，等.对我国综合能源系统发展的思考[J].电力建设，2015，36（1）：16-25.

[2]魏晓霞，刘士玮.国外分布式发电发展情况分析及启示[J].能源技术经济，2010，22（9）：58-65.

[3]吴建中.欧洲综合能源系统发展的驱动与现状[J].电力系统自动化，2016，40（5）：1-7.