探讨多能互补综合能源系统设计、优化
2017年10月，国家电网发布了《关于在各省公司开展综合能源服务业务的意见》，指出开展综合能源服务业务的重要意义，并提出了开展综合能源服务业务的总体要求。其中，提供多元化分布式能源服务，构建终端一体化多能互补的能源供应体系是综合能源服务业务的重点任务。
多能互补综合能源系统(以下简称综合能源系统)的核心是分布式能源及围绕其开展的区域能源供应，是一种将公共冷、热、电、燃气乃至水务整合在一起的形式[1]。综合能源系统一方面通过实现多能源协同优化和互补提高可再生能源的利用率;另一方面通过实现能源梯级利用，提高能源的综合利用水平。然而，由于综合能源系统是一种有较多变量，特性复杂、随机性强，多时间尺度的非线性系统，其规划问题较传统能源规划问题更为复杂。
国内外学者对综合能源系统的规划问题展开了研究，获得了丰富的研究成果。本文针对综合能源系统设计与优化问题的研究现状进行了梳理，同时在对既有研究进行综述的基础上，对未来综合能源系统规划问题提出了展望。
1、综合能源系统结构
综合能源系统集成多种能源输入输出以及多种能源转换设备，能够通过信息通信将电力系统、供气系统、供热系统和供冷系统建立对应耦合关系，其典型结构如图1所示。
2、综合能源系统初步设计
综合能源系统的配置牵涉到确定系统部件的类型和大小问题，系统配置是影响联供系统节能经济性的核心因素[2]。设计过程需要充分考虑单个设备的效率，系统的运行策略，用户的冷热电需求等多个因素。此外，一个设计完善的综合能源系统还须在经济性及环境效益之间作出平衡。在综合能源系统的设计初期，设计人员通常会先选择系统的主要设备及容量，再选择与之匹配系统的运行策略。
2.1负荷预测与分析
冷热电负荷预测根据电力负荷、经济、社会、气象等历史数据，寻求电力负荷与各种相关因素之间的内在联系，从而对未来的负荷进行科学预测[3]。负荷预测是综合能源系统规划初期进行方案比较的基础，其准确度直接影响系统的配置。讨论初投资、年运行费用、回收年限等问题均建立在相对准确的全年负荷预测的基础上。
几种常见的负荷预测方法[3]包括基于建筑结构的经典计算方法、基于建筑结构的简约计算方法、基于软件模拟的逐时负荷因子法、基于历史数据的逐时能源负荷分摊比例法。目前应用比较成熟的是基于软件模拟的逐时负荷因子法和基于历史数据的逐时能源负荷分摊比例法。吴金顺[4]使用DeST软件计算了窗墙比、玻璃类型、墙的传热系数等多个因素对冷负荷的影响规律，并使用最小二乘法得到了冷负荷关于不同因素变化的具体关系式。王国弟等[5]结合了上海某能源中心项目的情况，采用空调负荷计算软件HDY-SMAD和DeST软件对功能区域的设计日空调冷热负荷及全年空调冷热负荷进行了预测。郑卫东[6]使用DeST软件对北京地区某办公楼和五星级宾馆进行了冷、热、电负荷动态模拟，并对其全年逐时、逐月和典型日的负荷及热电比变化规律进行了分析和总结。杨木和[7]基于对建筑冷热电负荷调查研究的基础，采用日本三联供设计手册中的相关数据，使用逐时能源负荷分摊比例的方法，以宾馆建筑为研究对象，模拟了该宾馆的全年逐时冷热电负荷。
在负荷分析方面，梁哲诚等[8]通过对商场、写字楼和酒店三种不同用途商业建筑的冷、热、电负荷进行调研和测试，绘制得到典型日负荷曲线和全年延时负荷曲线，并对其负荷大小、变化范围、变化规律以及变化同步性进行了分析。分析结果表明，在建筑负荷特性的基础上设计的综合能源系统与常规系统相比更具节能效益和经济效益。
2.2系统配置
由于综合能源系统向用户直接供能，当用户负荷需求变化时，存在用户负荷的热(冷)电比与系统热(冷)电比保持不一致的问题。从满足负荷需求的角度考虑，有四种常用的系统配置方法[9]即采用补电子系统集成方法、采用补热子系统集成方法、电-热转换集成方法以及采用蓄能手段的集成方法。当热电比相对较小或用户电负荷大于原动机功率时，可以采用并网补充电能或使用可再生能源补充电能。当综合能源系统的供热容量不能满足需求时，则采用补热子系统供热。此外，当用户热(冷)电比大于系统输出比时，可以采用电-热转换，将热需求转换为电需求。当用户需求存在峰谷差时，将蓄能手段引入综合能源系统，可有效缓解非同步引起的供需矛盾，提高系统变工况调节能力。
根据公共电网接入方式的不同可分为三种配置模式：孤岛运行模式、并网不上网模式、并网上网模式。孤岛运行模式下，综合能源系统处于独立运行模式，与公共电网之间不架设连接线路，适用于具有丰富风能或太阳能等可再生能源地区，可为公共电力网络尚未覆盖完全的偏远地区提供多种能量保证。第二种为并网不上网模式，即发电全部自用，不足时从公共电网购买，已被广泛应用于大型工业园区、新型住宅区以及医院等人流量较高的场所，是最为典型的冷热电多联供系统应用模式。第三种为并网上网模式，不仅可从电网购电，也可将富余电力出售给电网以获取收益。此种模式对电能质量、稳定性及安全性要求高，且控制系统设计也较为复杂，实际电网建设中尚未得到应用[10]。
2.3综合能源系统设备
综合能源系统较传统供能系统利用的能源种类、供能形式多样，可满足冷热电等多种用能需求，因此设备种类也更为多样化。
2.3.1原动机
原动机或发电单元是综合能源系统的核心部件之一。为了实现多能系统所设计的性能指标，须谨慎选择原动机的类型及容量。Al‐Sulaiman[11]详细讨论了分布式冷热电联供系统中各种类型的原动机的使用特点，并给出了典型的使用案例。在设计的前期阶段为原动机选型提供前期参考。
常见的原动机类型有燃气内燃机，燃气轮机，微型燃气轮机，燃料电池，光伏电池、风力发电机等。
内燃机将燃料与空气注入气缸混合压缩，点火引其爆炸，产生的高温高压燃气膨胀推动活塞做功，通过气缸连杆和曲轴等驱动发电机发电。内燃机发电效率较高，功率范围广，适应性能好，结构紧凑、体积小、重量轻，启动速度快，操作方便、维护简单、大修周期间隔长[12]。
燃气轮机及微型燃气轮机由压气机、透平，加热工质的设备(燃烧室)控制系统和其他辅助设备等组成，压气机为燃烧室提供高压空气，燃料在燃烧室内燃烧释放出热量加热空气，产生高温高压气体在透平中膨胀做功，将热能转化为机械能。目前燃气轮机技术成熟，商业化应用广，效率高，体积小，质量轻，摩擦部件小、振动小、噪声低、污染少。
燃料电池将燃料中的化学能通过化学反应直接转化为电能，不经过燃烧过程，不受卡诺循环效应的限制，效率高;没有机械传动部件，没有噪声。目前国内燃料电池主要用于传统发电，在冷热电联供系统中尚未大规模使用[10]。
光伏电池将太阳光照转化为直流电能，无污染，不受资源分布地域的限制，可在用户侧就近发电;缺点是受到气象条件限制，能量输出不稳定。光伏电池适用于光照资源充足、传统电网接入困难的偏远地区。
风力发电机将风能转化为电能，优点是能源清洁、环境效益好，缺点是噪声大，对风场选址要求高，发电不稳定。适用于风能资源丰富、人口稀疏的地区。
2.3.2制冷设备及供暖设备
吸收式制冷机通过烟气或热水驱动，采用溴化锂或氨水等制冷工质制冷，是余热利用常用的制冷设备。表1根据工质、驱动热源、利用方式和用途对吸收式制冷机进行分类[13]。
余热锅炉利用工业过程产生的余热及可燃物质燃烧后产生的热量将水加热，用于工业利用或采暖。分为一般型和补燃型，一般型余热锅炉与热交换器类似，不存在燃烧过程。
热泵是一种利用低品位热资源，既可供热又可制冷的高效节能的空调技术。冬季时可通过热泵机组将室外热量输送进室内供热，夏季时可将室内热量输送到室外降温。根据热源不同可将热泵分为空气源热泵、地下水源热泵、土壤源热泵、双源热泵等。热泵适用于具备常年恒温冷热源的地区。
2.4设备容量选择
当原动机及供热、供冷设备的类型确定后，需要合理选择设备的容量，以最大化设备容量的利用率，这需要考虑到多个影响因素，包括：用户的冷热电负荷需求、选用的原动机特性、一年中电价与能源价格的波动等等，处理该问题可使用最大矩形面积法。这种方法源于数学中计算积分的方法，即将所研究的函数值作为矩形的高度来计算一系列矩形的面积。在综合能源系统的初步规划阶段，在已知时间-负载曲线为前提的条件下，可以使用最大矩形面积法来估计设备的容量以及运行的时间。Sanaye等[14]使用最大矩形法(MRM)估算了不同场景下综合能源系统的燃机容量。郑卫东[6]在已知日常运行负荷的前提下，使用最大矩形法得到了不同运行策略下原动机的容量配置。邹丹等[15]以苏州某CBD区域建筑为例，根据相同类型的建筑实测数据获得了建筑冷热电8760 h逐时负荷曲线，使用最大面积法确定三联供系统的最佳容量。分析结果表明使用最大面积法确定的设备容量具有较好的一次能源利用效率和经济性。
2.5运行策略
综合能源系统的运行策略将直接影响系统的性能。Kavvadias等[16]总结了几种最常用的运行策略：
1)以热定电：系统首先满足用户的热需求，发出的电提供给用户，如果电量不足或剩余，则从电网补充或上网售电
2)以电定热：系统首先保证满足用户的电需求，所发出的热量提供给用户以满足热需求，如果热量不足，则采用锅炉补燃，如果热量过剩则废弃或采用一个蓄热罐储存。
3)持续运行：系统在预定时间内持续运行，不考虑能源需求的变化，这种运行策略适用于原动机不能够灵活调节功率的情况，如果系统所生产的能源能满足覆盖用户的需求，则余电长期上网，反之，则长期从电网购电。
4)调峰运行：系统仅在负荷高峰期间运行，以降低用能高峰期间从电网购得的电能。
康书硕等[17]从热电输出和燃料消耗量方面比较了以燃气轮机作为原动机的联供系统“以热定电”和“以电定热”两种常用运行模式下的性能差异。该研究通过Aspen Plus软件实现系统性能的计算，研究结果表明当实际热电输出等于终端的热电需求时，其最佳热电比HPR为1.75;当1HPR1.75,“以热定电”为最佳的运行方式;1.75HPR2.5时，“以电定热”为最佳的系统运行方式。
3、综合能源系统评价
对综合能源系统进行准确有效的评价是进行系统改进优化的重要依据，对综合能源系统的评价研究主要从热力学、经济性、环保性以及综合评价这4个方面进行[18]。
4、综合能源系统优化
在进行初步设计以后，须对系统进行优化。对系统优化能够显著提升设备利用效率、系统经济性及环境效益。优化变量通常包括原动机的类型、容量，系统的运行策略等。
通常从运行现场采集得到的数据一般更准确、真实，基于这些数据进行优化也更为可靠，但获得实际运行数据需要花费大量的时间并需要高昂的运行费用作为支撑，并且只能对具体的某个系统进行研究。使用瞬态仿真方法对系统进行优化，效率高，费用低，系统运行条件(包括原动机类型、容量、当地气候等)更改简便，因此目前大部分现有研究均采用计算机仿真对多能系统进行优化。常用的优化算法有混合整数线性规划法、混合整数非线性规划法、随机优化法、遗传算法等。
4.1设备容量优化
MRM方法在确定综合能源系统时简单便捷，但只考虑了用户的负荷需求，并没有考虑到设备成本、运行费用等因素，因此需要对多能联供系统作进一步优化。
郑卫东[6]使用基于MRM的遗传算法优化方法对综合能源系统进行优化，优化变量为原动机容量、电制冷比系数、太阳能发电面积占比。流程如图2所示。
优化结果表明，多能互补系统的全年综合指标相比传统分供系统有了显著提高。高峻[32]以联供系统净年值最大作为优化目标，建立联供系统设备优化模型，对分别配置两种额定发电功率的燃气内燃机发电机组的联供系统进行经济性比选，确定设备的最优容量。何桂雄等[33]应用解析法，结合各负荷区间出现的频数统计，得到不同容量匹配方案下设备年等效满负荷运行时数及相应收益，通过比较净现值确定燃气三联供和热泵设备的最优容量匹配方案，并结合案例进行了验证。黄子硕等[34]提出了计算系统综合能效的量纲表达式以辨析各影响因素与综合能效间的关系，并展示了如何通过综合能效分析确定系统配置方案。卫志农等[35]以投资及运行成本最小化为优化目标，引入了条件风险价值作为风险亮度的指标，建立了基于投资理论中考虑到风险量度的虚拟电厂容量优化配置模型，研究了风险偏好、环境成本自然资源及负荷对虚拟电厂容量配置的影响。该文献还以美国德州某地区的风、光、电价及负荷数据为实例进行了模拟，模拟结果验证了模型的正确性，为投资商在规划建设时解决多能源容量配置问题提供了依据。
4.2运行策略优化
王成山[36]按电、烟气、蒸汽、水和空气5种能量传递形式进行分类，采用集中母线的方式搭建基本框架，对各个设备进行建模，建立了冷热电联供系微网系统日前动态经济调度的0-1混合整数线性规划模型，通过调节系统中各设备运行方式和工作状态，实现系统经济运行。任洪波等[37]对基于光伏电池、燃料电池和蓄电池的住宅能源系统为研究对象，使用混合整数线性规划理论构建运行优化数学模型。模型以年运行费用最小化作为目标函数，以能源供需平衡和设备容量为约束条件，使用LINGO进行建模求解得到年运行费用最小的运行策略。孙可[38]对针对工厂综合能源系统提出一种考虑冰蓄冷空调多种工作模式的多能协同优化模型，以综合日运行费用最低为优化目标建立优化模型，根据工厂设备工作模式的不同，提供更加准确的优化策略。钱虹[39]建立了一个在调度周期内完成功能设备出力组合的优化运行策略的数学模型，优化目标为调度周期内供能机组总出力与各时段负荷需求差值，通过matlab编程对混合整数规划进行求解，算法为遗传算法，从而获得调度周期内最经济的运行方式。
4.3设备容量与运行策略协同优化
张杰[40]以年费用最小为目标函数，对典型三联供系统建立了混合整数非线性规划计算模型，并使用LINGO软件用分支界定法结合顺序线性规划得到不同地区不同建筑最优的系统配置和运行策略。林怡[41]对微型燃机和地下水源热泵组成的复合供能系统，以年总费用和天然气年节能率为优化目标，对系统在经济最优、以热定电和节能最优3种运行策略下的优化配置和运行规律进行了研究。赵峰[42]设计了一种三级协同整体优化方法，第一级以年一次能源利用率最高为目标求解最优设备选型问题，第二级以二氧化碳排放最少为目标求解最优设备容量问题;第三级以年运行成本最低为目标，求解最优运行参数问题。荆有印等[43]基于生命周期法，以传统系统为参照对象，建立了能源、环境和经济效益的多目标优化模型，对联供系统的设备容量和运行策略进行了优化。研究还以北京市某综合办公楼为例，分析了不同目标函数下的最优配置方案和运行策略。刘星月等[44]设计了一种能够综合利用太阳能光伏光热且同时能满足冷热电需要的联供系统，使用判断矩阵法将能源、环境、经济评价三个指标综合成一个综合评估指标，就以热定电和以电定热两种运行方式下各制定了三种运行控制策略，分别对系统进行容量配置和控制策略的优化。
曾飞[45]建立了以燃气轮机容量为优化变量，多目标评价指标为目标函数的系统最优运行策略模型，利用南方地区某宾馆日逐时负荷进行算例分析，采用模式搜索算法求解得到基于负荷特征的系统最优容量配置及其对应的运行策略。
微网优化方面，巴林[10]给出了燃气轮机、风机光伏、燃料电池以及蓄能装置的数学模型，以系统经济性为优化目标，对冷热电多联供系统进行优化配置与优化运行研究。研究运用粒子群算法求解，得到三种运行方案下系统的配置结果。王锐[46]对含多种可再生能源的热电联供型微网应用机会约束规划理论建立经济运行优化模型，提出一种基于随机模拟技术的粒子群优化算法求解模型。根据不同的原动机配置对运行方案进行优化。
以上研究基本涵盖了各种结构的综合能源系统的规划及优化问题，多数研究还结合案例验证了优化方法的有效性。
5、结论与展望
多能互补综合能源系统由于具备经济、环保、高效等优点，在发达国家已经得到成熟的应用，然而由于技术障碍、政策限制等原因，在我国尚处于萌芽阶段。随着技术进步及国家鼓励性政策的密集落地，多能互补综合能源系统将迎来巨大的发展空间。
本文从负荷预测、系统配置、设备种类及容量、运行策略、系统评价、系统优化的角度梳理了已有的综合能源系统设计及优化研究。总体而言，国内外学者就综合能源系统进行了大量研究并获得了丰富的成果。但国内已经建成的综合能源项目数量较少，且落地的项目由于各种原因没有实现预计的供能目标，缺乏试验数据为已有研究提供补充与支撑，也缺乏一致的评价标准来比较系统的优劣，这对综合能源系统的推广构成了阻碍。随着综合能源服务业务的开展，亟待一套完整、客观的评价体系为综合能源项目的规划与评价提供参考。
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