综合能源系统优化模型综述与展望

李 娜 周喜超 王 冰 丛 琳 金 泰 潘崇超

1.国网综合能源服务集团有限公司

2.北京科技大学

0 引言

综合能源系统是“四个革命”和“一个合作”的重要载体，是能源互联网的物理载体，是我国乃至世界重要能源发展战略，是解决当前能源问题的最有效的办法；综合能源系统整合了冷热电，气等多种能源协同供应，促进能源利用平衡性，长期性；典型的综合能源系统主要由储气罐，电制热/冷设备，冷热电联供设备，燃气锅炉，热泵，蓄电池，吸收式制冷机，蓄冷蓄热装置组成[2]，其结构图如图1所示。综合能源系统研究目的是提高我国能源资源利用工作效率,实现可再生能源规模化开发,实现国家能源梯级利用[1],提高经济社会能源供用灵活性与安全性。它是促进能源可持续发展的新型一体化的能源系统。综合能源系统的发展对于世界所面临的能源需求激增，污染日趋严重等问题具有重要意义。

图1 综合能源系统基本结构示意图

随着信息互联网等技术的大力发展，美国很早提出了关于综合能源系统研究计划，主要以热电联产（Combined Heating and Power，CHP）技术的推广为目标，提高清洁能源的使用比例，促进国内能源产业大力发展，引起国内研究人员的高度重视[2]；加拿大将在2050年实施其综合能源系统的一个重要的技术支持的减排目标，但重点是在社区一级的综合能源系统（社区综合能源系统，ICES）研究和建设，为此，加拿大在2009年政府颁布一些法案来提高ICES研究，示范和发展。面临能源当下趋势，欧洲各国也开展了IES系统研究问题，大量企业研究人员付诸实施。通过欧盟框架计划，欧洲国家在这一领域进行了卓有成效的研究工作[4]。日本为了摆脱能源依赖进口的困境，也开始大力发展IES系统相关研究，并通过此方面一系列进展缓解了能源供应压力。在政府大力推动下，主要进行交通，供水等一体化集成方面能源研究。

我国已经开展了一系列综合能源系统研发项目，且发行了一系列提倡发展综合能源的相关政策，并在这个领域与很多国家进行合作研究，包含应用到区级综合能源系统的技术及标准化研究。而国内的电网公司和一些名牌大学在综合能源系统领域形成了专业的科研团队，确立了研究，凭借先进的科研技术取得了突破性的进展；随着综合能源系统的大力发展，随之而来的是能源利用率低，环境污染严重的问题，所以对综合能源系统进行模拟优化刻不容缓，本文主要归纳总结了国内外的综合能源系统优化模型的研究，并对综合能源系统的未来发展做出展望。

1 国内外综合能源系统优化模型

综合能源系统的优化研究主要集中在系统建模、运行策略选择、优化指标选择、优化方法等方面。目前国内外很多学者对综合能源系统的优化做了深层次研究。

1.1 国内综合能源系统优化模型

在已提出的综合能源系统模型的基础上，国内很多学者展开大量工作，其中热电联供系统代表IES系统发展尤为迅速。这种优化模式可以大大提高燃料利用效率，节省运行成本。张义军等[5]重点考率了供热系统与热力管网特性，建立了供热系统稳态能流计算的精细化模型，提出以电力系统为骨架，在供热系统模型的基础上，将供热系统能流方程采用热负荷和联供机组抽汽量的形式引入最优能流计算模型。同时此优化模型以电热耦合综合能源系统运行成本最小为目标，考虑电力，热力网络传输，电锅炉容量等约束及耦合元件特性等多方面约束条件，建立电热耦合系统最优能流模型，该模型构成一个线性规划问题，利用MATLAB编程计算求解；最后选取IEEE-33节点配电网与45节点热网组成的电热耦合系统作为研究案例，证明此方法的有效性。

IES系统中冷热电联供系统（CCHP）打破了单一供能模式，实现了能源高效利用及梯级利用[14]；顾伟等[6]针对此类问题,在原有的冷热电联供系统模型的基础上，考虑区域热网对能源利用率的影响，利用传热学的机理构建非线性热网约束模型，并通过推导将其线性化处理成热网模型以便于求解，最后,将CCHP运行优化模型与热网模型进行热功率耦合,建立含有热网的多区域IES优化模型。该模型的目标函数由电网购电费用、向电网售电所得费用、燃气费和热网运行费用四部分组成，要求费用最低，约束条件可分为CCHP约束,热网约束和耦合约束，构成了一个完整的混合整数线性规划问题，通过优化结果可知，此优化模型进一步提高系统运行经济性，但是本研究将IES作为确定性系统进行建模,未考虑IES中能源价格,负荷波动等随机性因素给热网运行带来的影响。

胡荣等[7]对装有蓄能装置的冷热电三联供系统进行优化研究。该系统考虑了以热定电，以电定热和多目标综合效益最优的3种运行模式，并以此为基础建立了多目标优化模型,这里特别指出目标函数包括（年运营成本节约率，年一次能源节约率，年温室气体减排率），最后是将3个优化目标函数加权相加,作为总的目标函数。约束条件同样由CCHP约束，热网约束及耦合约束组成；此目标函数综合考虑了经济，能源，环境等三个方面，优化结果更具说服力；最后利用遗传算法对系统设备容量和运行模式进行了优化，并通过运行结果可知CCHP系统采用多目标综合效益最优运行模式时环保效果更好，能源利用率更高；李智等[8]为解决CCHP系统因设备容量导致经济性变差的问题，以年运行费用成本最低为目标函数，以负荷平衡,设备运行和安全稳定性约束为约束条件，构建了CCHP系统的混合整数线性规划模拟对CCHP系统的设备容量进行优化分析，根据优化结果进行经济性最高设备选择，最后以江苏某小区为算法案例，验证了此方法的有效性及高效性。

李明等[9]提出“㶲”的概念并将其作为衡量用能质量的标准，以“㶲经济”损失最小的目标函数，不等式约束包括供能出力约束，耐受量及运行量约束，以及传输单元的容量约束，等式约束包含能量，热量，广延量及强度量平衡约束，构建一个完整的区域综合能源系统运行优化模型，使用带精英保留策略的遗传算法进行优化寻优求解，在此基础上，以IES系统能源网络中所有设备的运行成本最低为目标函数，以供能设备的爬坡约束为约束条件构建区域综合能源系统的优化调度模型，利用近似动态规划理论对此模型进行调度寻优；完成了某地区含32热力节点的电-热/冷耦合综合能源系统的运行优化，并就供冷以及供热两种运行模式的系统㶲损进行分析，得到当前时段的最佳运行策略；但是本研究也存在所建立模型相对简单等方面的不足；张宁[10]分析了能量枢纽在能源互联网中应该具备的功能，在此基础上建立包含电、气、热三种能源的能量枢纽模型，通过分析能量枢纽的优化运行模型以及能量枢纽的优化运行目标，考虑经济效益最佳，环保效果最佳，能源消耗最少三个方面，给出能量枢纽储能最优运行策略，最后使用粒子群算法进行优化，降低了能量枢纽的运行成本；在未来能源发展过程中，IES系统的计算机标准化建模尤为重要，郑伟民[11]等人开展IES系统的计算机标准化建模，以区域综合能源系统运维成本最低为优化目标函数，构成线性规划模型，求解器采用MATLAB软件自带的Fmincon函数求解函数，以某一区域的冷热电三联供系统进行案例分析[13]，通过此建模方法得到该区域综合能源系统设备的运行最优策略，证明了此标准化建模方法的有效性；侯瑞[20]考虑到当前的IES系统优化技术较为单一，提出了区域综合能源系统的运行优化模型，该模型以年运营成本最低为优化目标函数，在运行层以运行状态、输出功率以及能量平衡为约束条件，在规划层以额定功率为约束条件，利用粒子群算法对此模型进行优化求解，将优化结果与传统优化配置相比，此模型的经济效益更佳；文献[17]在考虑风力发电的随机性，提出了气电联合的多目标优化模型，在考虑N-1网络安全标准的情况下，以系统的投资成本及生产成本最低为目标函数，构成一个完整的混合整数非线性多目标随机优化问题，该研究采用精英遗传算法对目标函数进行求解优化，最后结合天然气系统和海南省的实际系统验证该模型和方法的有效性。

1.2 国外综合能源系统优化模型

围绕IES系统的模型建立，运行优化，国外很多学者也对此为降低能源成本、一次能源消耗和二氧化碳排放，文献[15]提出综合能源服务系统在特定区域应以综合方式提供电能和热能。在服务系统的假设下，建立了综合能源服务下的城市能源系统的多目标优化模型。该模型确定了能源系统替代方案的份额，以使上述三个指标最小化。考虑到住宅光伏发电、商业用户燃料电池热电联产等多种能源系统替代方案，该研究以大阪市4平方公里地区为算法案例，对所建模型进行了权衡分析。该文从二氧化碳减排和化石能源减排的角度阐述了各种能源系统替代方案的作用，并根据对二氧化碳排放和一次能源消费日益严格的限制，审查了商业和住宅部门的替代能源系统；为将区域综合能源系统的总运行和维护成本减去出售给电网的电力收入减至最低，文献[16]考虑到变负荷、电价和环境条件及热电联产系统的设计，提出冷热电联供（CCHP）能源系统短期运行规划的详细优化模型，该模型以每日运营成本为目标函数，以电能，冷热需求量及技术限制为约束条件，用AMPL建模语言编写求解，最后根据几个工厂的测试案例，从解的质量、线性化精度和计算时间等方面证明该模型的有效性；文献[18]提出一种确定复杂热电厂最优控制策略的改进方法。分析了分布式热电联产系统(CHCP)“以热定电”和“以电定热”两种运行模式，构建了系统运行优化的动态规划模型，该模型以运行工厂并满足用户(电力、热力和制冷)能源需求所需的每日总费用（燃料费用，维修费用，启动成本）为目标函数，以加权图表示法，并用逆向动态规划方法确定最小化总成本的策略；在不同季节性负荷条件和能源价格下，对热电冷联合系统的设定值进行了优化，验证了方法有效性。

冷热电联供系统是发展高效、经济的综合能源系统的重要选择，文献[19]考虑到电厂部件和外部能源网络之间的相互作用。从每个工厂部件的具体效率矩阵的定义出发，提出了一种为小规模冷、热、电三联供系统自动生成耦合矩阵的建模技术。最后利用吸收式制冷机与电制冷机组合方案优化运行的数值算例。所得结果表明了所提出的矩阵公式的建模有效性；但是由于该模型涉及到调度因子，所以此模型属于非线性综合能源系统的优化模型，因为非线性方程不利于求解；因此，该方法对于大型的综合能源系统而言太过复杂。如何将本模型线性化处理是当前主要问题。

文献[20]考虑了电力与天然气的安全约束及发生N-1网络故障的情况，提出一种新的混合整数线性规划(Mixed Integer Linear Programming，MILP)安全约束最优功率和气体流量的计算公式，基于线性灵敏度因子开发的迭代方法确定了集成网络的稳定后应急条件，研究集成了IEEE 24总线系统和一个改进的比利时高热值气体网络，用于分析解决方法的性能。文献[21]以东京市区重建计划区内的一个蒸汽分配网络为例,利用混合整数非线性规划模型，对某城市微电网的供电系统进行了优化设计。以系统的综合费用和污染气体的排放为考核指标，进行规划研究。

2 优化模型分析

从国内外综合能源系统的优化模型看出了其复杂性，依靠经验理论基础的综合能源系统很难满足国家项目或研究要求，通过仿真模拟，数值计算构建综合能源系统模型是必然选择。根据经济效益最优，能源利用率最优，环保效果最优的基本原理，将以上综合能源系统的研究成果进行归纳整理。

数值优化指利用计算机软件求解数学问题，数值优化模型是利用计算机对综合能源系统目标函数及约束条件进行详细的描述（构建数学模型），利用相关软件及算法确定可行域的最优解，从而做出最优决策。对于混合整数线性或是非线性优化问题，很难通过简单的数学计算得到结果，利用计算机求解是必然选择，亦是大势所趋；而解析法是上述提到一种使用数学推导，演绎来求解数学模型的方法，利用数学公式及数据进行求解，但是与计算机求解相比，解析法会产生误差，很难得到精确解；所以要根据具体情况选择适宜的方法来构建数学模型；对已有综合能源系统模型归类整理见表1。

表1 综合能源系统优化模型归类

3 总结与展望

本文梳理了国内外综合能源系统的优化模型，从中可以看出综合能源系统的优越性及对综合能源系统进行模拟优化的必要性；文中梳理综合能源系统的内类归纳，从中我们发现，大多数模型都属于计算机求解的数学优化，由此可以看出光靠简单的数学公式计算及方程推导，已经满足不了综合能源系统的发展研究，随着研究深入，像非线性规划问题的这类复杂模型越来越普遍，必须依靠计算机软件进行仿真模拟或者编程计算来求解；为此国内外提出了许多应用软件及算法[22，23]；虽然构建系统的优化模型大大提高了能源利用率与经济效益；但目前仍有待进一步完善，后续研究可以从以下方面开展综合能源系统模型研究：

1)综合能源系统模型的模块化开发

根据现有的技术及计算方法，已经建立了很多优化模型，但目标过于宽泛，定位不够明确，导致影响因素过多，结果过于理想化；对于庞大且复杂的综合能源系统，后续的研究应该根据具体情况，针对某一点进行详细优化处理，从小模块做起，通过构建一个个‘小’模型形成一个完善的综合能源系统。

2)综合能源系统模型增加低碳环保约束性函数

现有的优化模型，大多以运行成本最低或能耗最小为优化目标，都是把经济，能源两方面作为首要研究目的，很少考虑到环境污染的层面；随着科技不段进步，一系列环境问题接踵而至；所以后续的研究也应将环保（C排放，CO2排放等）指标作为衡量标准进行建模优化。

3)综合能源系统的不确定分析模型开发

综合能源系统的优化模型是利用数据监测系统来收集数据，这个过程不确定因素较多，且为了模拟运行的正常运行，数据取值过于理想化，导致优化结果产生误差，实用性欠佳；研究误差的规律，从而尽可能的减小误差，开展综合能源系统模型的不确定性分析研究。

综合能源系统代表了能源发展的未来；虽然目前在这个领域的研究已经取得了不错的进展，但是它具有可靠性，可扩展性的特征，还有很多内容需要深入研究探索，多钻研，多思考，通过不断的优化研究，综合能源系统一定会发挥出在经济，能源，环保三方面最大的优越性。