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多能互补在综合能源系统中的关键问题与前景展望
2017-07-10 09:59:29   来源:电力系统自动化   作者:张龙采编  点击:

能源是社会和经济发展的动力和基础。由于传统化石能源日益枯竭,提高能源利用效率、开发新能源、加强可再生能源综合利用成为解决社会经济发展过程中的能源需求增长与能源紧缺之间矛盾的必然选择。由于不同能源系统发展的差异,供能往往都是单独规划、单独设计、独立运行,彼此间缺乏协调,由此所造成了能源利用率低、自愈能力不强、供能系统整体安全性有待提高等问题。

1. 多能互补简介

多能互补并非一个全新的概念,在能源领域中,长期存在着不同能源形式协同优化的情况,几乎每一种能源在其利用过程中,都需要借助多种能源的转换配合才能实现高效利用。在能源系统的规划、设计、建设和运行阶段,对不同供用能系统进行整体上的互补、协调和优化,可实现能源的梯级利用和协同优化,为解决上述问题提供了思路。不同能源供应系统的运行特性各异,通过彼此间协调,可降低或消除能源供应环节的不确定性,从而更有利于可再生能源的安全消纳。

随着分布式发电供能技术,能源系统监视、控制和管理技术,以及新的能源交易方式的快速发展和广泛应用,能源耦合紧密,互补互济。综合能源系统作为多能互补在区域供能系统中最广泛的实现形式,其多种能源的源、网、荷深度融合、紧密互动对系统分析、设计、运行提出了新的要求。综合能源系统一般涵盖集成的供电、供气、供暖、供冷、供氢和电气化交通等能源系统,以及相关的通信和信息基础设施。传统的能源系统相互独立的运行模式无法适应综合能源系统多能互补的能源生产和利用方式,在能量生产、传输、存储和管理的各个方面,都需要以考虑运用系统化、集成化和精细化的方法来分析整个能源系统,进而提高系统鲁棒性和用能效率,并显著降低用能价格。

2. 多能互补在综合能源系统应用相关研究

综合能源系统相关技术一直受到世界各国的重视,不同国家往往结合自身需求和特点,各自制定适合自身的综合能源发展战略。国内外专家学者做了相当多的研究,主要研究内容可归纳为图1,包括以下几个方面:

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图:多能互补相关研究关系图

1)多能互补静态建模

能源集线器(energyhub)模型反映了能量系统间的静态转换和存储环节,最早由瑞士苏黎世联邦理工学院的研究团队提出。该模型是综合能源系统通用建模的一次有益尝试,大量的相关研究已用于含有冷热电气系统的耦合关系描述,并被广泛应用于各类综合能源系统相关研究中(如综合能源系统的规划、分布式能源系统管理、需求管理控制、区域能源系统运行调度等)。该模型反映了能源在传输和转换环节的静态关系,而无法描述综合能源系统内复杂多样的动态行为。

2)多能互补动态建模

多能互补动态模型一般包括动态能源集线器和动态能源连接器模型。动态能源集线器在传统集线器模型的基础上,考虑能量转换机组的动态特性。动态能源连接器描述了电能、液态工质或气态燃料输送环节的静态特征和动态变化规律,研究两端传递环节和协调反馈环节,对多个能源输送环节进行统一和协调控制。

3)区域多能互补协同优化策略

从系统的角度看,耦合不同的能量载体相对于常规的去耦能量供应网显示出许多潜在的优点,冗余能流路径提供的一定程度的自由度为多能协同优化提供了空间。通过能量系统互连互通,改善不同能源在不同供需背景下的时空不平衡,实现降低系统用能成本、提高用能的效率以及增强供能的可靠性的目的。同时,这也使得协同优化问题的规模和求解难度也不断提高,设计易于实施且优化效果明显的运行策略一直是国内外的研究热点之一。

4)家庭能源中心运行智能管理

用户侧的灵活资源、分布式电源、储能设备将得到更加广泛的应用,电、气、冷、热等多种能源形式在用能端的交叉耦合和相互转换也将更为紧密,同时也为多元用户主动参与综合能源系统互动提供物质基础,也促进了能量流、信息流、业务流等特性各异的物理对象的融合。未来的综合能源系统不再是由供给侧到用户侧的单向能量传递,能源用户也由过去的能源使用者转换成能源消费者和服务商,传统能源系统中供给者、消费者的概念被淡化,取而代之的是综合能源系统供需双侧的智能交互。

5)多种储能的控制方法和配置策略

现阶段,按照时间尺度来划分,电储能一般用于“低储高发”、联络线功率控制和电能质量治理三个方面,经济效益在峰谷电价差和延缓电网升级两方面。由于供冷是非时变的,储热没有套利空间,一般用于与CCHP机组协调调度,优化CCHP机组的运行状态,使以热定电的CCHP机组可在用电峰时段多发电,燃气锅炉运行在效率较高的状态,在用电谷时段停机由储能供热,显著提高机组的经济效益。另外,对于电制冷机组,其经济效益与实时电价关系密切,加入蓄冷可以显著降低电空调的运行成本,减少电制冷机组的配置容量。

3. 多能互补在综合能源系统中的关键问题

虽然就多能互补的相关问题已开展了大量的研究,但综合能源系统的推广仍面临许多挑战,在一些关键问题上仍需要进一步研究。

1)多能互补协同运行调度