区域综合能源系统规划设计及评价研究综述

郭 帅 任洪波 吴 琼

上海电力大学能源与机械工程学院

0 引言

随着社会经济高速发展、工业生产水平和居民消费水平日益增长，能源需求日益增长，并引发了大规模区域型和全球性环境问题。为破解日益严峻的能源和环境困局，美、日、欧等发达国家在本世纪初提出了综合能源系统发展计划，目的是促进分布式能源的推广应用并提高清洁能源渗透比[1]。

与常规能源系统相比，综合能源系统确立了一个高度集成、灵活、高效的新型供能体系，它可确保以较高可靠性、较低成本满足多元能源需求的同时，实现综合能效提升并充分利用可再生能源。然而，正是这种横向冷、热、电、气等多元能源互补耦合，纵向源、网、荷、储等多类环节有机协调的立体架构使综合能源系统在规划设计初期便体现出其固有的复杂性[2-3]。为此，自综合能源概念提出以来，系统的规划设计引起了国内外学者的广泛关注，并纷纷提出各自的理论和方法。此外，为有效衡量综合能源系统的实施效果，有必要确立有效的评价体系和方法，同时，常规单一供能系统评价方法已不再适用，有待进一步提升和创新，这也是当前本领域的研究重点。

本研究以综合能源系统在区域层面的应用为基本立足点，在深入剖析其基本理念及架构基础上，针对系统规划设计和评价的逻辑框架，梳理了国内外既有研究成果，并提出未来的研究展望。

1 区域综合能源系统理念及架构

1.1 区域综合能源系统理念

关于综合能源系统，目前学术界、产业界并无清晰、明确的定义，不同机构、不同学者从不同角度给出了若干叙述。类似概念也层出不穷，如混合能源系统[4]、能源系统集成[5]、泛能网、分布式能源互联网、能源总线系统、微能源网等。

所谓综合能源系统，其核心是综合，具体体现在源、网、荷、储等系统全流程环节。源侧，包括传统能源（石油、天然气等）、可再生能源（太阳能、风能、潮汐能、地热能等）以及尚未利用的能源（如浅层地热、地铁排气、城市污水等低品位温差能）等多元异质能源资源的综合运用；网侧，主要体现在电网、气网、热网等多元网络的互动耦合；荷侧则是对冷、热、电、气等多元需求的实时响应；储侧则起到承上启下的作用，通过蓄电、蓄热、蓄冷等多元储能装置，实现多元能源的实时动态平衡。

1.2 区域综合能源系统的构架

根据系统规模及边界的差异，综合能源系统可分为跨区级、区域级、用户级等多个层次。跨区级是以大型输电、气、煤、油等系统作为骨干网架确立的广域能源互联系统，作为破解广域范围内能源供需失衡的有效手段，其实现还面临诸多体制、机制和政策瓶颈。用户级则是在单体用户内形成的产销一体化供能体系，其受制于单体用户的功能局限，互动、互补的灵活性有限。区域综合能源系统是综合能源理念在区域（城市街区、工业园区等）层面的具体化，其既可发挥域内多元产销者的互补效应，又能有效抑制系统广域扩张所导致的系列问题，是综合能源理念从梦想走进现实的最佳路径。

如图1所示，整合传统化石能源供能以及新兴可再生能源、未利用能源等多元能源，通过高效能源耦合装置实现异种能源间的转换，调整不同能源的时空分布，从而实现多能互补、能量梯级利用。同时，通过耦合储能装置，可破解由于可再生能源的不确定性所导致的供需两侧多元能源的实时平衡问题。

2 区域综合能源系统的规划设计及评价

基于区域综合能源系统规划设计的内在逻辑层次，首先需确立规划设计目标，在此基础上，从供给侧和需求侧层面进行现状调研与分析，进而形成连接源、荷两侧的系统技术架构和设备配置，最后对方案进行全面评估。

图1 区域综合能源系统典型架构

2.1 设计原则及规划目标的设定

区域综合能源系统的规划设计要因需而定、因地而异，不仅要考虑业主的诉求，还要与区域整体经济社会发展战略相协调，与区域能源结构、市场条件、政策环境相适应，总体上遵循因地制宜、梯级利用、供需平衡、可靠安全等基本原则[6]。

规划目标的设定将为区域综合能源系统的实施指明方向，可立足于经济角度，也可是节能或减排等其他视角。文献[7]从能源规划目标出发提出了能源规划指标体系，从能源总量、能源效率、能源结构、环境保护等四个方面对规划设计工作进行了细化和分解。文献[8]以社区能源系统为研究对象，指出社区能源结构参数、能源消费或碳排放率参数、人均能耗和相对值参数等指标均可作为目标设定的依据。文献[9]提出综合能源系统规划设计目标设定的“金字塔”原则，同时又对能源系统规划设计减排目标进行细化，用统计数据结合情景分析的方法确定城区减排目标。

2.2 区域气候及资源环境分析

区域气候条件对综合能源系统的影响体现在供给侧和需求侧两个方面。气候资源已成为负荷预测分析中的一个重要影响因素。文献[10]剔除每日极限温度、风力等对负荷预测产生影响的因素，得到只受温度单一因素影响的负荷预测模型。文献[11]对比城区负荷与温升曲线图，得出夏季最高气温与最高负荷的高度一致性结论。文献[12]分析了热岛效应在城市冬夏两季的冷热负荷需求预测中的影响。文献[13]应用TRNSYS模拟天津市五十年来的办公建筑能耗，并对比同时期的气象资料，结果表明极端供暖负荷主要与气温参数有关，而极端供冷负荷与气温与相对湿度有关。

区域可利用能源资源，特别是可再生能源富存量的确定也部分依赖于对气象条件的深入分析。在某一地区往往存在多种可再生能源资源，但考虑到建设成本等原因，应综合考虑各类能源的来源、储量与分布以确定系统对可再生能源利用类型的优先级。文献[14-15]充分考虑雄安新区内丰富的地热资源，在新区建设中规划建设以地热资源为核心，天然气系统、光伏系统为辅的综合能源系统。在综合能源系统设计中的“资源”并不单指可被利用的自然资源，同时也包含有利于系统节能减排的“虚拟资源”，如低温未利用热能、通过节能和能效提升所降低的负荷（也称为负瓦特）等。在实际规划设计过程中，可借助地理信息系统（GIS）等工具对区域能源资源环境进行可视化建模分析[16]。

2.3 需求侧用能状况分析

区域综合能源系统的一个本质特征就是按需供能，为此，需求侧负荷预测与用能状况分析是系统规划设计的关键环节。不同类型用户对异种能源负荷有不同的需求；同一用户在不同时段、不同季节也会在负荷需求类型上有所差异。

目前，单体建筑用户可从负荷产生的物理机理出发进行负荷预测。文献[17]将建筑视作集总热容系统，比拟RC电路原理建立负荷空间模型以此预测建筑冷热负荷。同样，基于能量平衡原理，动态负荷模拟软件是负荷（特别是冷热负荷）预测的主要手段。该方法综合考虑各类外扰因素（如气候条件、太阳辐射、地理信息等）和内扰因素（如室内人员数量、生活需求、生产需求等），实现全年逐时动态负荷模拟[18]。

区域整体负荷进行预测时，考虑区域层面多类型用户可能存在的不确定性，可通过耦合应用情景分析法与动态模拟法进行区域整体负荷预测[19]。情景分析法可通过定量和定性方法对各类可预测因素与不确定因素进行综合分析，以有效降低负荷预测的不确定性，从而得到科学合理的负荷预测值。此外，除采取情景分析结合软件模拟的方法外，若区域内相似产业或建筑的用能负荷基本保持一致，基于经验的指标法也是常见的负荷预测方法之一。

2.4 系统技术架构及选型配置

区域综合能源系统的技术架构和设备选型配置是确立其潜在节能减排效果的物理基础，因此，其科学性、合理性至关重要。然而，如前所述，由于区域综合能源系统是多源-多网-多荷-多储的耦合体，相互间通过交叉匹配可形成数量众多的技术方案。若采用常规的案例枚举、对比分析的方法，很难确定合理的配置方案。为此，近年来，数学规划方法被广泛应用于综合能源系统的拓扑结构设计和优化选型配置研究中。文献[20]通过构建双层优化模型，实现了内部机组高效运行与外部能源经济分配的协同优化。文献[21]综合考虑经济、节能、环保等多属性指标，提出了区域综合能源系统的多目标优化设计方法。文献[22]基于P-中位模型建立了综合能源系统选址与管网布局优化框架，并提出了基于枚举法的求解方法。文献[23]耦合应用混沌采样、PSO算法、改进Kriging模型等方法确立了综合能源系统的最佳配置与最优运行策略。文献[24]提出了一种确定电热气耦合综合能源系统最佳设备选型及容量的规划方法。总体而言，区域综合能源系统的技术架构与选型配置问题依然是当前本领域的研究热点，主要是围绕优化方法的更新、优化范畴的扩展、优化模型的细化等方向发展。

2.5 系统综合评价

对区域综合能源系统进行准确、客观的评价是衡量系统合理性与优越性的重要依据。综合能源系统结构复杂，牵涉的影响因素繁杂，因此，在构建综合评价体系时各个评价指标的权重不易确定，致使评价结果容易出现偏差。在构建评价指标体系时确立能够涉及全部评价指标的切入点和适宜的评价方法尤为重要。文献[25]以综合能源系统能流特点为切入点，建立了能源综合利用效率评估指标体系，采用基于优势度的多属性层次分析法实现了能源综合利用效率的量化评估。文献[26]通过正态分布区间数的多属性决策法解决评价指标缺失问题，采用期望-方差准则对备选方案排序优选，以解决不确定性指标评价的难题。文献[27]通过AHP-改进熵权法解决各指标权重赋值问题，并建立了VIKOR多准则评价体系。

近年来，综合能源系统导入的又一动因——可靠性评价越来越受到关注。相比传统能源系统的可靠性评价，综合能源系统的可靠性评价因供需两侧的多元化配置和多能耦合协同调度，其可靠性评价更为复杂[28]。文献[29]耦合应用故障模式影响分析与蒙特卡罗模拟，为带有不同配置及运行策略的多元储能的综合能源微网进行可靠性指标量化分析。文献[30]考虑需求侧负荷的动态变化，建模并讨论热负荷的随机变化对于系统可靠性评价的影响。总体而言，综合能源系统由于其分散供能、多能耦合转换及储能等特性，提升了系统可靠性，但区域级系统通过优化调度提高系统可靠性相关研究还相对薄弱。

3 研究展望

3.1 完善规划设计方法

科学、合理的规划设计应充分考虑各种不确定性因素的影响，在满足结构合理、经济可行等要求的同时，更应该注重人性化的发展，在决策中听取多方意见，在技术合理的前提下充分体现以人为本。例如，电动汽车不仅可视为一种新型负荷，也可将其看作是一种新型的储能方式，在进行综合能源系统规划设计时应充分考虑电动汽车与电网的双向互动，合理安排充电桩的容量及布局，从而扩大综合能源系统的服务范畴。

3.2 完善评价体系及方法

现有的评价体系往往将区域综合能源系统所涉及的各利益相关者及综合能源系统所产生的多元效益割裂分析，例如经济性评价往往针对终端用户，而环境性评价则针对政府和社会。就其本质，区域综合能源系统实施所产生的经济和社会效益应由所有利益相关者共享。此外，除经济、节能、减排等直接效益，应用区域综合能源系统可能获得土地增值、健康提升等附加效益还有待进一步挖掘。

4 结论

区域综合能源系统以需求侧多元用能需求为出发点，充分利用区域内丰富的可再生能源和未利用能源，构建源、网、荷、储互动、耦合的一体化供能体系。本研究从区域综合能源系统的基本理念出发，通过深入剖析其规划设计和评价过程中的关键环节，全面梳理了当前本领域的研究现状，并提出了未来进一步发展的思考。总体而言，未来区域分布式能源系统的发展必须规划先行，同时辅以有效的评价手段为保障。