综合能源系统建模仿真规划调度及效益评价综述与展望

周鹏程，吴南南，曾 鸣

（华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206）

0 引言

随着化石能源约束趋紧和自然环境问题恶化，推进国家能源转型、构建新型能源系统势在必行。为此，习近平总书记提出能源革命和供给侧改革发展理念，要求建设清洁、低碳、安全、高效的现代能源体系[1]。在能源革命和供给侧改革的大背景下，国家能源局发布的《能源发展“十三五”规划》指出，我国的能源转型发展要突出能源的清洁性、高效性、安全性和可持续性，着力推动现代能源体系建设。同时，随着新电改的不断深入，电网企业也将逐步向综合能源服务商转型。在此背景下，综合能源系统应运而生，其理念突破了传统能源系统的技术、市场和管理壁垒，是电、气、热、冷等各类能源统一规划、统一调度的综合性能源系统，旨在实现多能源的互补互济和协调优化，对于推动能源结构转型，推进我国能源革命具有重要意义。

综合能源系统是指一定区域内的能源系统利用先进的物理信息技术和创新管理模式，整合区域内天然气、电能、热能等多种能源资源，实现多异质能源子系统之间的协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济，在满足系统内多元化用能需求的同时，有效提升能源利用效率、促进能源可持续发展的新型一体化区域型能源系统[2-3]。

然而，要实现传统能源系统向综合能源系统的转型仍面临系列技术难题：

1）综合能源系统规划需要考虑多异质能源协同，涉及多能源管网选址定容，同时兼顾经济性、可靠性等多重目标，较之传统能源系统规划方法更加复杂。

2）综合能源系统运行调度需要满足用户的综合性能源需求，涉及多异质能量流、多能源主体的利益博弈，同时兼顾各种系统运行约束，较之传统能源调度优化更加困难。

3）尚未建立适用于综合能源综合效益评估的理论体系，对综合能源系统能够带来的经济效益、环境效益和社会效益还停留在概念设想阶段。

4）尚未开发出适用于综合能源运行可靠性、经济性评估的平台系统，综合能源系统规划、运行决策缺少科学有效的仿真工具支撑。

因此，开展综合能源系统建模仿真、规划运行、效益评价等方面的研究，具有较高的研究价值和实际意义[4]。

1 综合能源系统结构框架

当前，国内外已有研究中提出了能源互联网[5]、能源集线器[6]、泛能网[7]等均是综合能源系统的表现形态。综合能源系统包含区域电力子系统、区域天然气子系统、区域热力子系统（供热、制冷）等多个子系统模块。综合能源系统的基本结构框架如图1所示。

2 综合能源系统建模仿真

综合能源系统规划需要考虑多异质能源协同，同时兼顾经济性、可靠性等多重目标。因此，对综合能源系统进行建模分析必须考虑各子系统的物理特性和子系统之间的耦合机制。当前已有的综合能源系统建模研究主要围绕独立系统建模和耦合系统建模2个方面。综合能源系统中的典型设备单元及其主要物理参数如表1所示。

2.1 综合能源系统的独立系统建模

图1 综合能源系统结构框架

综合能源系统框架下的区域电力子系统表现形式主要以分布式微电网、含储能微电网为主。文献[8]对交直流混合分布式微电网中的光伏分布式发电设备、交直流混合微电网的电气设备部分进行了设备单元的建模和仿真分析，搭建的交直流混合分布式微电网模型能够很好地实现各单元之间的协调利用。文献[9]对含储能的孤岛型微电网进行了建模分析，指出储能系统的配置能够很好地提升微电网运行的安全稳定性和经济性。

表1 综合能源系统的设备单元及其物理参数

区域天然气子系统建模主要是围绕燃气轮机的天然气供应系统建模。文献[10]对燃气轮机的天然气供应系统在瞬态操作情景下的运行特性进行了建模分析。文献[11]基于模块化建模的概念建立了大型燃气轮机的天然气供应系统仿真模型，设计了流量输出型和压力输出型两类的天然气供应系统模块模型。

区域热力子系统建模主要是围绕用户侧的供热系统的水力建模和热力建模。文献[12]为实现区域综合能源系统中热网的协调规划，针对各区域CCHP系统之间的环状热网，建立了考虑节点流量平衡、热能流量约束和热损平衡约束的热网模型。

2.2 综合能源系统的耦合系统建模

国内外已有研究中的综合能源系统多能量流耦合实现形式主要是以能源集线器、能源互联网为主。文献[13]提出了全新的子能源集线器建模结构，包括集电器，集热器和集冷器；该结构考虑了储电、蓄冷、储热3种储能装置，可以实现能量的汇集、分配及存储。文献[14]提出了一种能源互联网宏观结构的统一网络拓扑模型。该模型考虑了能源互联网的组成特点和功能内涵，涵盖了主干网络为支架，分布式新能源自组织网络为主体的能源互联网各组成部分。

综合而言，以能源集线器的形式进行多能量流耦合建模能够将电—热耦合、气—热耦合、电—气耦合、电—热—气耦合等多种能源耦合形式综合考虑在内，能源互联网则重点偏向于电力和信息领域的交互建模。

3 综合能源系统规划调度

3.1 综合能源系统的规划运行

综合能源系统存在电、热、冷、气等多种能源形式，涉及多方利益主体，且用户对各类能源存在差异化的用能需求，如何统筹协调多种能源互补特性，通过“源—网—荷—储”等各环节灵活配置，实现各类能源的协调互补利用，提升可再生能源消纳水平和系统的综合能效，是综合能源规划所面临的关键问题。

在综合能源系统规划运行建模研究方面，国内外相关研究中的优化模型通常以系统整体的经济型最优即成本最低为目标函数[15]。为了实现对综合能源系统的协调规划优化，仅以经济性最优为目标是不能够满足要求的，还需要考虑系统可再生能源利用率及系统能效提升等多重目标，是一个包含多种变量、多重约束的多目标规划优化问题。

在综合能源系统规划优化问题求解算法研究方面，Benders解耦算法、粒子群优化算法、分支定界算法等在综合能源系统规划优化问题求解中展现了一定的适用性和科学性[16-17]。求解工具多以代数建模系统（GAMS）平台的CPLEX求解器和MATLAB的Yalmip工具箱为主，求解时间和精度上基本能够满足规划要求[18-19]。

3.2 综合能源系统的协同调度

综合能源系统中电、气、热等各能源子系统在实际规划运行、协调调度中的时间尺度、调度原则相差悬殊，在同一个时度、统一的调度原则下进行仿真分析和协调控制的难度较大；同时，用户侧的各类用能负荷及可再生能源出力的随机性对于综合能源系统调度运行优化也是一个不小的挑战，是实现综合能源系统各子模块统一、协同调度必须考虑的关键问题。

当前，国内外对综合能源系统的协同调度优化也进行了一定的探索。文献[20]以区域综合能源系统净收益最大化为目标，计及能源价格可控性，建立了区域综合能源系统日前优化调度的混合整数二次规划模型，并通过GAMS调用CPLEX进行求解。文献[21]将CVaR理论引入综合能源系统的运行调度问题，提出一种计及风、光出力和电、热负荷不确定性的综合能源系统经济调度模型。文献[6]针对时变电价且运行方法灵活的中小型区域综合能源系统，以综合用能成本较低和用能能效较高为目标建立了双层运行优化模型，并采用Lagrange乘子法将下层目标KKT条件作为上层优化的可行性度量进行求解。

4 综合能源系统效益评价

目前国内外关于综合能源系统的研究多集中于规划设计、运行控制和平台开发等方面，涉及效益评价的内容相对较少，这与当前并无成熟的综合能源系统案例可供研究有关，即使设计了较为完善的综合效益评估指标，也面临评估指标数据难以获得的问题。

在已有的研究中，文献[22-23]对CCHP系统、燃气轮机系统等进行效益评价，具体指标如表2所示。

表2 考虑各项效益的综合能源系统评价指标

随着我国各项能源互联网示范工程和多能互补示范项目的落地，开展综合能源系统的效益评估具备了一定的实施条件，有必要尽快建立起科学、合理的综合能源系统综合效益评估指标体系并提出适用的评估方法，以保障综合能源系统投资效益目标的顺利实现。

5 研究展望

5.1 基于动态模型的综合能源系统建模仿真

目前，国内外针对综合能源系统的物理模型通常采用是静态建模，对各类设备及能源耦合集成后系统的动态机理和优化特性有待深入研究。建模仿真设备少且难以代表未来综合能源系统的典型形态和运行特性。因此，有必要构建含热泵、电制氢、冰蓄冷等新型设备的综合能源系统物理设备静、动态模型集合，开发适用的能源耦合综合能源系统的规划运行仿真工具，以此推动综合能源系统的理论研究及示范工程落地。

5.2 多目标规划下的综合能源系统规划优化

为了实现对综合能源系统的协调规划优化，仅以经济性最优为目标是不能够满足要求的，还需要考虑系统可再生能源利用率及系统能效提升等多重目标，是一个包含多种变量、多重约束的多目标规划优化问题。目前，国内外在综合能源系统的多目标规划优化研究领域的模型成果相对较少，且适用于综合能源系统多目标规划优化问题求解的算法也有待进一步发掘，需要结合综合能源系统中各子系统结构及耦合条件，深入挖掘综合能源系统规划优化模型并探索适用的求解算法。

5.3 多主体博弈下的综合能源系统调度优化

在能源系统的调度运行中，必须考虑参与运行的主体间的利益博弈。综合能源系统更应如此，其调度优化涉及综合能源系统运营商、用户和政府之间的博弈、可再生能源机组与燃气机组的博弈、电力生产主体、天然气供应主体和热力供应主体之间的博弈，可能的博弈场景包括不同主体间的完全竞争博弈、不完全竞争博弈和正和博弈等。国内外对考虑多主体博弈的综合能源系统协同调度方法研究相对较少，只是在单个能源系统内部的调度中考虑了主体博弈的影响，考虑多主体博弈的综合能源调度优化没有成熟的模型可供借鉴。因此，未来有必要开展主体博弈下的综合能源系统调度优化方法研究。

5.4 投资收益评估机制的综合能源系统效益评价

综合能源系统的投资建设将带动能源产业的变革与发展，相关项目从投资、设计到建设、运营的全过程都将对能源的生产、利用和消费等带来显著效益。因此，有必要设计科学合理的评估标准和方法，建立综合能源系统的投资收益评估机制。同时，也应尽快制定、印发面向综合能源系统的财政补贴政策、税收减免政策、投融资政策，为开展综合能源系统的投资收益评估提供政策环境与市场环境。

6 结语

随着新技术、新设备的不断发展和应用，综合能源系统的结构框架也在不断衍变，能够带来的经济、环境和社会效益也将日益明显。在我国能源互联网、综合能源系统理论研究不断深入和试点项目有序落地的背景下，开展综合能源系统建模仿真、规划优化、调度优化、效益评价以及平台开发具备了良好的实施条件，也是未来需要进一步深入研究的重点方向。

基于国内外已有研究的基础上，对综合能源系统结构框架、建模仿真、规划运行、协同调度、效益评价进行梳理归纳与总结分析，为综合能源系统项目的投资规划、建设运营提供了参考与借鉴，为有效开展综合能源系统的效益评估机制和平台开发设计提供了保障与支撑。