探析多能协同下的综合能源系统协调调度策略

，

(南瑞集团国网电力科学研究院有限公司，南京 211100)

0 引 言

综合能源以其多能源耦合、集成化的方式，实现多种类型的能源供应，体现出能源供应可靠性高的优势，可以采用分布式控制手段实现多能系统的耦合、协同优化调度，实现电能、热能、天然气等多能源的综合集成化利用，打造绿色、高效、可靠的新一代综合能源系统。

1 多能源协同互补下的综合能源系统现状概述

传统以化石能源为主的能源消费引发雾霾、温室气体等环境问题，单一化的电、气、热(冷)能源系统缺乏灵活性，无法实现各能源系统的优化配置，为此有必要构建多能协同互补、能源梯形利用的现代可再生能源体系，以多能源综合协同利用物理平台为支撑和依托，突显不同能源形态的协同、互补特性，合理调整能源结构，促进能源体系的转型升级。在多能源综合协同的条件下，能够有机协调和优化能源传输、分配、转换、存储及消费等环节，利用各能源形式在时空上的耦合机制，实现能源产供销一体化系统。同时，还可以充分采集、挖掘用户参与综合需求响应的能力，获取大容量的“虚拟能量单元”，满足上级电网调峰需求。

对综合能源系统的国内外研究发展迅速，美国推进和实施了综合能源系统发展计划，对国内能源系统进行根本性改造，以推动冷热电联供系统的应用和发展。加拿大则构建国家性的社区综合能源系统(ICES)，开展社区计划、清洁能源基金等研究课题，以应对能源危机。欧洲最早提出综合能源系统的理念，实施了DGTREN、Intelligent Energy(FP7)等项目，对多能源协同优化互补和用户侧综合能源系统进行了深入的研究。我国面对各能源难以实现统一协调调度的问题，也逐渐加强对能源的集中调度管理，积极构建智能能源系统，开展能源互联网相关项目的研究，并致力于需求响应调控策略的研究，进行需求响应潜力、持续时间、响应频率的模型建构，提升电网、发电侧与需求侧的交互响应能力[1]。

2 综合能源系统准稳态建模分析

(1)分布式能源设备的准稳态模型构建。基于综合能源系统的多样性、能量流动复杂性的特点，可以构建分布式能源设备的准稳态模型，描述燃气轮机、燃气锅炉、吸收式制冷机、户用空调、冰蓄冷装置、电/热储能装置等设备的能量流状态，表达综合能源系统各设备的电平衡约束、热功率、冷功率约束关系，实现综合能源系统的品位对口、梯级利用。

(2)基于多能互补的系统协调调度模型构建。当前部分综合能源系统中的冷、热、电、气相分离，造成能源资源的极大消耗和浪费。为此，要加强对不同能源系统之间的多能协同互补研究，以更好地提升能源综合利用率。可以立足于目标函数、优化变量和约束条件等基本要素，构建多能互补的综合能源系统优化调度模型，运用智能算法、数学规划方法，分析不同能量系统之间的耦合互补关系，获取解决问题的最优解。

(3)基于能量梯级利用的系统协调调度模型构建。综合能源系统实现协同和互补，然而部分系统负荷需求量超出供给，加之负荷类型复杂多样，为此要注重系统内动力、中温、低温余热等不同品位能量的耦合、转换和梯级利用，可以构建能量梯级利用的综合能源系统优化调度模型，分析模型优化指标，考虑模型约束条件，如：交直流转换器效率约束、直流母线总负荷约束、负荷波动约束、设备运行约束等，从而实现热能的综合梯级利用，减少系统的不可逆损失，优化系统的总体性能。

(4)上下级电网互动系统综合需求响应模型构建。在构建智慧能源系统的背景下，要利用能源互联网为支撑，依托用户侧的多能源智能管理系统，由传统电力需求响应向综合需求响应转变，转移或替代不同类型负荷需求，挖掘需求侧调节负荷的潜力，实现能量流、信息流、价值流的交汇和融合。为此，可以构建综合需求响应能力优化模型，考虑非削峰时段用能关口功率约束、削峰时段削峰功率上限约束条件，计算出用户综合需求响应能力和用能策略，在尽可能降低用能成本的前提下，最大化地满足削峰需求[2]。

3 多能协同下的综合能源系统协调调度策略分析

以某工业园区工厂的IES系统为例，要实现不同能源系统之间的多能协同互补，解决能源结构不合理、利用率偏低、峰谷电力负荷差距明显的问题，可以采用如下协调调度策略。

(1)多能互补的综合能源系统协调调度策略。可以在谷时段采用电池充电储能，补充平时段的电量，并在峰时段放电，利用电池充放电的响应，实现电能在不同时段的转移。同时，IES系统采用外部购热和余热锅炉来提供热负荷。并以冷蓄冷空调作为主要供冷设备，利用冷蓄冷空调的蓄冰槽在夜间低谷时段蓄冷，在白天用电高峰时段供应冷负荷，提升制冷设备运行的平衡稳定性，提升系统综合用能效率。

(2)能量梯级利用的综合能源系统协调调度策略。可以构建能量梯级利用的综合能源系统架构，区分高、中、低品位热的不同品位和数量，向各能量循环子系统提供适宜品位的输入能流，实现各能量间的协同、转换和利用，并由阀门控制管道中的蒸汽流量，实现循环余热。其具体供能架构为：燃烧室内的天然气会生成超过1100℃的高品位热，进入到燃气轮机、发电机发电。而排放出来的530℃中品位热则可以由余热锅炉向外提供蒸汽，由分气缸配送到各管路，满足工业用汽、热水制备的需求。而排放出来的120℃低品位热则可以用于回收处理再利用，作为吸收式制冷机制冷/制热及热水制备的一种方式。

由此可见，综合能源系统的不同品位热能够实现对口梯级利用，具体表现为：(1)低品位热以满足热水负荷为首要任务，其次才成为吸收式制冷机的热源驱动。在不同的峰谷时段表现出不同的协调利用方式：谷时段的剩余低品位热较少，单一依赖吸收式制冷机无法满足冷负荷需求，此时户用空调则成为补充；峰时段的低品位热充盈，则以吸收式制冷机和冰蓄冷空调负责供冷，而户用空调则成为辅助调节的设备；平时段的制冷则主要依赖于吸收式制冷机和户用空调设备，而冰蓄冷制冷机的制冷效果相对较低。(2)外购的中品位蒸汽满足系统的热负荷需求，且不作为吸收式制冷机的补充热源。同时，在系统的中品位热供应设备中，燃气锅炉产热因天然气成本较高而被弃用。

对比多能互补和能量梯级利用的综合能源系统优化调度策略，可知：前者在平时段和谷时段，系统采用余热锅炉产热和外购的中品位蒸汽满足热负荷需求，主要采用户用空调和冰蓄冷空调制冷，而将吸收式制冷机设备排除在外。而后者则主要采用吸收式制冷机和户用空调制冷，其运行成本更低，制冷性能系数更高。通过对比发现，考虑热品位区别的优化调度策略，其日运行费用108193.4元；未考虑热品位区别的优化调度策略，日运行费用116598.5元；而全部采用调峰设备供能的未优化方式，其日运行费用为123191.4元。由此可见，考虑能量梯级利用的综合能源系统优化调度策略能够充分利用循环余热，提升综合能源系统的运行经济性和高效性。

(3)上下级电网互动系统综合需求响应策略。为了避免综合能源系统中的功率越限风险，还要研究上下级电网互动的系统综合需求响应策略，摒弃传统电网直接调度的模式，通过IES与上级配电网的互动，将IES控制系统日前自趋优关口用能曲线与上级配电网进行链接、上传的调度操作，当上级配电网没有削峰需求时，则仍旧依照各节点区域的协调调度策略运作；当判定上级配电网存在削峰需求时，IES系统则依据上级配电网的削峰需求量、关口功率约束，以最大可调控容量的不同比例为基准进行优化计算，向上级配电网上传需求侧的成本报价、电关口功率曲线、热关口功率曲线；上级配电网在考虑整体补偿费用的前提下，合理确定响应用户、调峰量，完成互动响应过程。

同时，为了提升用户参与IES与上级配电网互动的综合需求响应，还可以为用户提供一定的IDR补偿，以各个IES上报的调峰量、报价情况为依据，合理确定用户参与需求响应的调峰量，在保证整体补偿费用最小的前提下实现补偿费用最优，使各个区域的IES子站响应上级配电网的辅助服务需求。而当上述措施仍旧难以实现上级配电网的削峰需求时，可以针对部分可中断负荷采取中断措施，由此更好地激励用户通过多能协同转换的方法获取更大容量的“虚拟能量单元”，成为综合能源系统调节供需平衡的“软托盘”[3]。

4 结束语

综上所述，能源互联网快速发展的趋势下，要重视多能协同下的综合能源系统构建，分析分散化的能源市场和能源网络架构，研究不同能源系统间的多能协同和梯级利用，采用合理高效的系统协调调度优化策略，使传统的电力需求响应向综合需求响应转变。未来还要加强对外部环境中不确定因素的考虑，实现综合能源系统的优化能量管理，并有必要对较大规模的综合能源系统的网络拓扑部分进行计算和分析；而在综合需求响应方面的研究还要突破随机模型、模糊数、粗糙集等不确定分析方法的限制，将用户行为不确定性纳入到IES综合需求响应定量分析中。