【精彩论文】多能互补综合能源系统综合评价研究进展综述
多能互补综合能源系统综合评价研究进展综述
屈小云1, 吴鸣1, 李奇2, 丁保迪1, 赵凤展2, 寇凌峰1
(1. 国网上海能源互联网研究院有限公司, 上海 200120; 2. 中国农业大学 信息与电气工程学院, 北京 100083)
引文信息
屈小云, 吴鸣, 李奇, 等. 多能互补综合能源系统综合评价研究进展综述[J]. 中国电力, 2021, 54(11): 153-163.
QU Xiaoyun, WU Ming, LI Qi, et al. Review on comprehensive evaluation of multi-energy complementary integrated energy systems[J]. Electric Power, 2021, 54(11): 153-163.
引言
近年来,低碳、可持续发展已成为社会建设发展的关键议题。传统的单一能源系统因其能源利用效率低以及在技术与经济方面存在诸多不足,已不能满足能源短缺背景下的能源可持续发展的需要,由此,多能互补综合能源系统应运而生。因地制宜地利用可利用的各种能源资源、提高能源利用效率、降低能源损耗、用清洁能源取代高污染能源的供能方式已成为减少能源浪费、缓解环境危机的必由之路。多能互补综合能源系统(简称“多能源系统”)拥有多种能源的输入、输出和大量的能量转化和传输设备,通过信息化手段将各供能系统形成耦合关系[1],进行整体性规划设计和运行控制,以提高能源的综合利用效率。
世界各国也越来越重视多能源系统的研究开发、规划建设和运行使用。21世纪初,美国宣布综合能源系统的发展计划[2],欧洲各国也根据世界能源发展现状,结合各国国情,开始了综合能源系统相关研究。丹麦计划在21世纪50年代实现完全清洁能源供能。英国于2015年在伯明翰建设了“能源系统弹射器”重点开展综合能源系统的研究和开发;德国将能源系统与信息集成起来,以增强能源市场的分散度和自由度[3]。在亚洲,日本最先开展了综合能源系统的研究。2017年,日本柏叶智慧城市项目建成的能源管理系统在收集区域内全部能源信息的基础上,考虑了能源的循环利用和储备,完成了系统整体性管理[4]。中国在能源方面也面临着传统化石能源储备量少、开发不彻底等问题。为了建立清洁低碳、安全高效的现代能源体系[5],国家能源局在2019年公布了智慧能源项目验收通知,这标志着中国综合能源系统的建设取得了突破性进展[6]。
多能源系统在国内外都不断地发展,为了分析其建设和运行水平的优劣,对系统进行全面综合评价。目前,已有一些学者从不同角度或针对某些方面做了一些有价值、有创建的研究,其成果值得借鉴,然而鉴于多能源系统形式多样,特色不一,同时新技术不断注入该领域,至今仍未形成一套全方位普遍公认的多能源系统的综合评价指标体系。本文概括了多能源系统的基本概念,梳理了国内外关于多能源系统综合评价指标选取原则、评价指标、权重确定、综合评价方法以及典型评价应用的研究成果,并对多能系统评价研究进行总结和展望。1 多能互补综合能源系统基本概念
1.1 多能源系统的基本内涵
多能源系统本质上是多能互补基础上的综合能源服务。多能源系统一般是指电、气、冷、热等多种能源系统在能源生产、传输、使用等环节耦合而形成的一种新的能源供给系统。多能互补、协调优化是多能源系统的基本内涵。多能源系统充分利用能源各自的优势进行互济互补,有助于从总体上提高系统的经济灵活性和运行可靠性[7]。多能源系统的特征主要表现在:(1)系统的“源”,统筹兼顾能源自然禀赋、用户负荷需求、市场价格等因素,对多种类型能源进行最优配置和供给分配;(2)系统的“荷”,考虑用户多种类用能需求和能源的可替换性,通过合理调度和市场机制,达到综合优化用能的效果;(3)系统的“网”,包含不同能源的输送网(如电网、热网、气网等)及应用新技术或设备将不同能源有机耦合起来,从而高效地将能源输送给用户;(4)系统的“储”,包含不同能源暂时存储的各类设备或系统,以提高系统的经济运行水平和应急能力。多能源系统的规模一般由其包含的“源”的容量或所属区域的大小决定,从区域范畴上考虑,系统小到户用、楼宇或农用大棚等区域,或大到园区、村镇、城镇、大区、城市、跨区域等不同规模的多能供能系统[8]。1.2 系统架构
多能源系统一般包含电能子系统、热能子系统(供热、供冷)、气能子系统等多个能源子系统。文献[9]将多能源系统分为2部分:一部分是以电为核心,将用户对热/冷需求、气需求都整合为用电需求,实施“电能替代”;另一部分是多能源优化配置平台,将水、电、气的热、冷能源渠道进行整合,满足用户多种能源用能需求。依据系统整体规模大小不同,多能源系统有跨区型、区域型、用户型之分[10-11]。跨区型系统可以认为就是广域的能源互联系统,其功能主要是用于长距离输送电、气、煤、油等;区域级系统主要实现能源的输送、分配、转换等,是“承上启下”的枢纽,主要采用技术有能源转换[12]、混合储能[13]、主动配电网[14]等;用户级系统是产销一体化的供能系统,可实现自给自足,但其调度灵活性有限。多能源系统因其可利用的能源资源、运行环境、用户需求等因素的不同系统架构各有特色。多能源系统的典型结构如图1所示。在多能源系统建模方法研究中[15-52],能源集线器模型被广泛应用。Energy Hub(能源集线器)模型由ETH Zurich的G.Anderson教授首次提出[15-16],该模型是多能耦合静态线性模型,可对含有源、网、荷、储多环节的多能源系统进行清晰描述。该模型分为完成合作传输的能源互联模型和实现多能源转化、分配、储存的能源集线器模型2部分[11]。文献[21]构建了一种改进的能源集线器模型,不仅考虑了多能源间的转化、输送和储存,还设置了动态集线器和连接器,来表征和调控系统多种动态行为。能源集线器模型可用在多能源系统的整体规划[42]、运行优化[17,44]、调度优化[18-19]、配置优化[20]等方面。
2 多能源系统评价指标选取原则
对多能源系统的综合评价主要是基于一定的综合能源评价指标体系和评价方法得到系统的评价结果并对结果进行具体分析。多能源系统评价指标的设定与选取应尽量做到全方面、多角度、不冗余也不片面。在指标选取时一般要遵循以下原则。
(1)科学性与导向性。满足系统的客观要求,符合专业特点,结合电网公司、用户、政府各方面的能效特征,为系统的智能决策提供客观依据并确保评价指标体系的合理性。
(2)可行性与差异性[17]。每个指标的选择应具有客观基础,对不同区域的能源系统评价结果要有明确的区分度,用于差异化精确计算的相关数据须来源明确,获取方式简单易行。
(3)独立性与代表性。选取的指标应相互独立,若各指标呈线性关系,会导致评价结果具有倾向性。文献[23]提到了斯皮尔量系数,用来判断两个指标间是否存在线性关系,若其值高于0.9,需将其中一个去除。此外,指标选取应反映出评价对象的某一特点,防止出现描述信息重叠的现象。
(4)定量与定性相结合。定量指标与定性指标二者相辅相成;定量指标从数字化的角度,通常以概率与统计为基础,通过建立模型或等式来描述评价对象的特征或属性;定性指标描述评价对象的内在逻辑或矛盾,往往依据一定的理论与经验,运用逻辑推理等手段获得,同时,定性指标量化过程也是不可忽视的问题。3 多能源系统评价指标
多能源系统的综合评价指标体系主要包括能效性、低碳性、经济性、技术性和社会性等指标。其中,能效性指标和低碳性指标表征系统对能源的利用效率和效果,技术性指标和社会性指标表征系统的可靠性、安全性和社会服务性等。因此,本文将能效性指标和低碳性指标归为一类,将技术性指标和社会性指标归为一类,从能效与低碳性、经济性、技术与社会性这三个维度对多能源系统评价指标的研究现状进行梳理,根据现有文献汇总了多能源系统的主要的评价指标,如表1所示。
表1 多能源系统主要评价指标Table 1 Main evaluation indicators of regional multi-energy complementary integrated energy system
3.1 能效和低碳性指标
多能源系统能够有效推动不同形式能源的互联互补、协同优化和高效利用,提高整个系统的综合效益。系统能效性指标表征系统能源的综合利用效率以及能源配置情况;低碳性指标表征系统排放物对环境的影响。3.1.1 综合能源利用率
综合能源利用率指标表征多能源系统对多种能源的利用效率水平。如何评价多能源系统的能源效率是一个复杂的问题。诸多学者从不同的角度看待这个问题。综合能源利用率通常表示为输入总能量与输出总能量的比值[15],即式中:IECEC 为能源转换效率系数, QH 为用热量;QC 为用冷量;E 为产电量;λH 、 λC 、 λe 为热、冷、电能质系数;WHVACi 为第i种能源的消耗总量;λi 为第i种能源的能质系数。不同季节各类能源的能质系数如表2所示。
表2 能源能质系数
Table 2 Energy quality factor
3.1.2 㶲效率
㶲效率基于热力学第二定律,通常用来表述能量过程中的消耗、转化和损失[26,48],可认为是系统输出㶲与燃料㶲的比[22],即3.1.3 新能源消纳
新能源消纳率是多能源系统中可再生能源的实际发电量与最大发电量的比值。文献[33]以风力发电为例,定义了可再生能源产能过剩率指标,用以评价能源系统的弃风水平,即3.1.4 污染物排放量
多能源系统的污染物主要有废水、废气、噪声等,与传统能源系统相比,更加低碳环保。文献[24] 根据有关国家标准给出了废气CO、SO2、NOx排放、废水排放和噪声等级的基本项目阈值,如表3所示。
表3 环境空气污染物和地表水环境基本项目限值
Table 3 Ambient air pollutants and surface water environment basic project limits
注:废气CO、SO2、NOx测试时间为24 h。噪声等级在运行设备外1 m处进行检测。
文献[15]将系统二氧化碳排放考虑为天然气燃烧的排放和外购电的排放两部分,即
式中:ωg 、 ωe 分别为燃气、外购电的 CO2 排放系数;Ggas(t) 为t时刻燃气消耗量;Gec(t) 为t时刻外购电能源消耗量。
根据多能源系统主要设备的发电量和该设备单位发电量的NOx的排放因子,可计算得出整个能源系统的NOx年排放量。多能源系统各主要设备的NOx排放因子如表4所示[30]。
表4 NOx排放因子
Table 4 NOx emission factor
3.2 经济性指标
多能源系统经济性指标包括全生命周期成本费用、项目财务表现、系统运行经济性指标3部分。其中,全生命周期成本费用指为投资建设多能源系统项目所耗费的经济价值,包括系统初投资、能源消耗及购能成本[39]、运行维护成本、环境治理成本等。项目财务表现指标指直接评价项目投入使用后的经济运转能力的指标,包括年度利润、内部收益率、㶲经济系数、投资回收期等。系统运行经济性指标是指间接反映系统运行情况的经济性指标,包括设备利用率、设备运行节省费用[38]、系统使用寿命[35]、网损减少收益[40]、污染物排放收益[26,31,35,39]、缓建效益能力[15,46]等。本节将对其中最重要的经济性评价指标进行简要阐述。3.2.1 全生命周期成本
全生命周期成本指系统从初建到报废全生命周期内的所有费用,包括投资费用、运维费用、购能费用等[22]。系统初投资指系统购置各个设备的投资总费用。文献[30]认为分布式能源系统设备较多,不同设备可组成不同样式的系统结构,因此设备投资费用与其优化设计容量有关,即3.2.2 㶲经济系数
将热力学的㶲效率概念扩展到经济学领域,是设备和人力资金支出与全部资金支出的比值[26],即3.2.3 投资回收期
投资回收期是指项目投入使用后的经济收入抵消所有投资的年数,有动态投资回收期和静态投资回收期之分[27],即3.2.4 污染物排放环保税
根据我国相关法规要求,只要产生污染物就需缴纳相应的环保税[31]。文献[26]计算系统主要污染物NOx、CO2、SO2的排放税费为3.2.5 缓建效益能力
多能互补能源系统并网后,部分能源可实现就近自产自销,不必从远方输送,从而替代了传统的电网升级措施,延缓了电网公司对电网各环节新设备的投资[46],缓建效益能力有所提高。文献[15]用单位功率成本表示该能力,即3.3 技术和社会性指标
一个好的多能源系统,不仅要有多种能源协调互补供给的能力,更重要的是系统结构坚强可靠,保障终端用户的供能质量和用能体验。系统技术性指标从供能可靠性、设备故障率、网络损耗、供能质量等方面表征多能源系统的运行情况和供能能力;社会性指标侧重于表征系统投入使用后带来的社会影响。3.3.1 系统供能可靠性
系统供能可靠性是指系统在投入运行期间不间断地对终端用户供给各类能源的能力。从终端供能结果角度定义的可靠性指标有系统停供频率(fSIF)、系统供能不足量(SSENS)、系统停供持续时间、 SID 系统供能可靠性(ASSA)[40],分别为3.3.2 设备平均故障率
多能源系统设备平均故障率表征系统内各能源设备运行的可靠性,指多能源系统中各类能源设备的故障时长与其使用总时长之比的平均值[52],即3.3.3 网络损耗
网络损耗指标用于评价多能源系统各能源网络在输送过程中的能量损耗程度。针对多能源系统工程,文献[38]考虑园区中包含电、热、冷能的传输,分别设置了配电网网损率、管网热损失率和管网冷损失率三个网络损耗指标,即3.3.4 供能质量
供能质量指标是对多能源系统供给用能户能量优劣的评价,其中,对电能质量和天然气质量的评估均有相应的国家标准可以参照[51]。热能质量的评价可引入热能品味因子指标,即能量㶲变化与焓变化的比值[50]。考虑到热、冷能与电能特性不同:电能可实现随供随停,没有延时效应;而热、冷能的供应往往会出现延迟,用户不会当即就感受到热或冷供给的突变。为反映这种延迟现象,文献[50]引入指标间断供热概率为3.3.5 社会影响
针对多能源系统的社会效益评价指标多是定性类指标,如国家政策支持、价格合格性、技术成熟性、技术先进规范可行性、用户满意度、企业形象、项目广域共享性[35]、就业效率、扶贫效益[46]等。为全面评价多能源系统的社会影响,考虑政府、能源供应商、用户等系统多相关方满意度,定义社会影响指标,即式中:Nmy 为社会平均满意度;p为系统相关方个数,系统相关方一般包括政府、能源供应商、用户等;Nk 为各相关方的满意度,根据调查问卷得出。
4 多能源系统综合评价的典型应用
多能源系统的综合评价主要应用于系统规划设计方案选优[25,36]、设备配置方案选优[30,33,40]、改造方案选优、能源供给方式选优、运营方式选优[9,37,41]、优化调度方案选优[17,27]等领域,为多能源系统的规划或运行提供优选方案,或者为多能源系统发展建设方向提供科学依据。
合理的规划方案是多能源系统建设的重要基础。多能源系统中包含多种类的能源设备,根据各能源设备配置种类、设计容量和系统运行策略,可预设计出多种规划配置方案,对这些方案进行综合评价分析,即可得到综合效益最高的设计方案。文献[25]以武汉市某园区为例,根据“以电定热”或“以热定电”运行策略的不同,基于熵权法-灰色关联分析法比较评价了4种分布式能源拟订方案和传统能源系统方案,评价结果表明传统能源系统在能源、经济、环境等多方面均劣于分布式能源系统,运行策略定为“以热(冷)定电”更优。文献[33]采用修改后的IEEE 14节点系统和一个气网测试系统,对计及电转气的多能源系统进行不同风电渗透率下的P2G设备和蓄电池的规划方案评价选优;通过对风电渗透率不同、各节点P2G设备和蓄电池的安装容量和安装时间不同的3个规划方案进行指标计算和方案选优,验证了P2G对多能源系统的多种有益影响,也为多能源系统的协同调度提供了方案。
除了对系统规划方案评价选优以外,系统的综合评价也常应用于系统的运营方式和调度方案的优选。文献[9]根据山东省济南市某新旧动能转换试验园区的能源资源自然分布、负荷用能情况,设计了4种投资运营模式,将蒙特卡罗法和非支配排序遗传算法结合,获得不同方案的指标效率值以及最优运营方案。文献[37]根据北方某园区综合能源项目实地调研,对适合当地开展的3种综合能源项目的运营模式进行TOPSIS综合评价比选,从中选出了最适宜的运营模式。文献[17]对基于能源集线器的园区多能源系统的2个优化调度方案进行经济性、技术性、环保性的模糊综合评价。在两个方案运行情况差异度很小的情况下,提出可根据关注点不同选择最优调度方案。文献[27]以北京市某公寓多能源系统为研究对象,对3种优化调度方案进行评价分析,最后根据不同优化目标选择最优方案。5 结语
目前,多能源系统因其结构的多样性和运行的复杂性,其综合评价指标的研究有待进一步完善。其一,描述系统供能技术性指标多从能源供应角度评价,鲜有从用户体验的角度进行定义的。用户对停电当即就能察觉,但是热/冷能的缺供却不能及时反应,而是需要经过一段时间。由于能源特性的不同,导致用户体验不同,这对多能源系统供能可靠性提出了更高的要求。其二,多能源系统注重多能源互补耦合,对多能源系统进行综合评价时,不能将电、热/冷、气等能源形式完全独立考虑,应充分关注到能源互联、多能耦合与多能协同的特点,针对多能源之间的互动互补程度、耦合效率等宜增设指标加以评价。其三,随着诸多智能设备与高新技术应用于多能源系统,多能源系统的架构、运营方式、与用户互动性等将发生相应的改变,其带来的各方面效益也会被放大,因此需要在数据协同的基础上增设相应指标来全方位评价信息化技术对多能源系统的价值。
多能源系统的建设势如破竹,为了实现多能源系统可持续建设和运营,对其从规划、建设、运行、经管到报废的全生命周期的多角度综合评价仍将是该领域待进一步研究的重要课题之一。(责任编辑 吴恒天)
作者介绍
屈小云(1993—),女,硕士,工程师,从事分布式电源及虚拟电厂技术研究,E-mail:xiaoyun_Qu@126.com;
★
吴鸣(1981—),男,通信作者,博士,高级工程师,从事分布式电源及微电网技术研究,E-mail:wuming@epri.sgcc.com.cn;
★
李奇(1997—),女,硕士研究生,从事多能源系统分析与评价技术研究,E-mail:qhdlq7777@163.com;
★
赵凤展(1971—),女,副研究员,从事智能配电网与多能源系统分析与评价研究,E-mail:zhaofz@cau.edu.cn.
往期回顾
◀【精彩论文】计及源荷双侧不确定性的全可再生能源系统日前经济调度
◀【精彩论文】考虑农业-气象-能源耦合的农业能源互联网理论及应用
◀【征稿启事】“新型电力系统信息安全:理论、技术与应用”专题征稿启事
◀【征稿启事】“面向数字化转型的电力系统大数据分析技术”专题征稿启事
◀【征稿启事】“双碳目标下多能互补促进新能源消纳关键技术”征稿启事
编辑:杨彪
审核:方彤
根据国家版权局最新规定,纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编《中国电力》编辑部的作品,转载时要包含本微信号名称、二维码等关键信息,在文首注明《中国电力》原创。个人请按本微信原文转发、分享。欢迎大家转载分享。