考慮能量梯級利用的園區綜合能源系統站網協同規劃

周步祥，夏海東，臧天磊

（四川大學電氣工程學院，四川 成都 610065）

0 引言

隨著社會經濟的高速發展，對于能源的需求急速增長，能源危機的問題日益顯現，優化能源結構和提升能源利用效率已經成為全世界各國解決能源短缺的重要戰略［1］。隨著碳中和目標的提出，構建清潔低碳、安全高效的能源體系日益迫切［2］。建設綜合能源系統對于促進能源結構轉型和提升能源利用效率具有重要意義。

綜合能源系統包含多種形式的能量耦合和復雜的能量轉化，優化利用多能源是亟待突破的關鍵技術。目前綜合能源系統存在能源利用率低、本身的高效優勢無法發揮、運營受限和費用增加等問題，這主要是因為用戶能量品質需求與能源供應之間的不匹配、不均衡［3］。能量的梯級利用是提高能源利用效率，降低天然氣、化石燃料等能源消耗的有效途徑，其已成為研究重點。促進負荷與能源的“品位對口，梯級利用”［4］，以清潔高效的方式滿足用戶的用能需求，對于實現綜合能源系統低碳高效的核心價值具有重要意義。

在綜合能源系統的規劃中，合理規劃能源站和能源網絡并提升能源的利用效率是綜合能源系統經濟運行的關鍵。文獻［5］提出能矩的概念，并基于電熱負荷的需求響應特性，建立了考慮源荷互動的綜合能源系統站網協同規劃模型，但未涉及供能分區及負荷之間的互補。文獻［6-8］僅考慮到了管網的布局規劃，未考慮到能源站及其配置對能源管網布局的影響。文獻［9］考慮了能源站規劃時不同類型負荷的時空耦合特性，將用能峰谷相互錯開。文獻［10］提出了基于站間互聯的多能互補的園區綜合能源系統規劃方案，通過能源站之間的管線互聯提升能源利用效率。文獻［11］提出了基于能的品位的?經濟分析法，能夠為復雜的能量系統運行優化提供理論支撐，但未考慮在綜合能源系統規劃中的應用。綜上所述，在現有綜合能源系統能源站和能源網絡的規劃中，均未考慮能量的梯級利用。

現代園區的負荷需求量大、類型多樣，能量在轉換過程中通常涉及熱的梯級利用。在綜合能源系統的規劃中，只有充分考慮能量的“質與量”才能促進不同品位能量的耦合與轉換利用，提升能源利用效率。為此，本文提出一種考慮能量梯級利用的能源站-能源網（下文簡稱能源站網）協同規劃方法，主要工作如下。

1）分析了園區綜合能源系統能量梯級利用的原理，在此基礎上構建了一種改進的能源集線器EH（Energy Hub）模型，與傳統EH 模型不同的是，該模型考慮了各級品位熱能的梯級輸出與利用，有利于提升能源的利用效率。

2）考慮能量梯級利用的園區綜合能源系統存在不同質、不同量的能量，采用總體?效率分析方法，實現了園區綜合能源系統的能效分析，進而將?效率考慮到能源站供能范圍的劃分中，有利于提升能源站運行的經濟性。

3）基于能量梯級利用方法，對能源網絡和能源站進行初始規劃，構建了考慮能量梯級利用的能源站網雙層規劃模型：上層模型基于能量梯級利用的能源站規劃模型，結合最短路徑理論和加權綜合能矩，得到了能源站選址、供能分區及管網布局方案；下層模型結合?效率分析方法，優化能源站供能方案，得到能源站設備配置方案，從而實現能源站網協同規劃。

1 考慮能量梯級利用的園區綜合能源系統

包含工業、商業、居民用戶的典型園區綜合能源系統如圖1 所示。園區綜合能源系統包含冷、熱、電、氣多種形式的能量。園區內部的能源站除了給用戶供應電負荷外，還包含：蒸汽負荷，高、中溫熱水負荷，冷水負荷。園區負荷需求量大且類型多樣，按熱能品位高低進行能量的梯級利用，從而提升經濟效益和能源利用效率［12］。

圖1 園區綜合能源系統結構與能量流Fig.1 Structure and energy flow of park integrated energy system

1.1 園區綜合能源系統能量梯級利用原理

園區綜合能源系統能量的梯級利用遵循“電熱互補，溫度對口，梯級利用”的原則。根據熱能溫度的不同分為不同的品位，34 ℃左右為低溫熱水、75 ℃為中溫熱水、120 ℃為高溫熱水，熱能品位越高，溫度越高。根據不同負荷的品位要求，盡量滿足溫度匹配的熱能利用［11］。在熱能的梯級利用中，較高品位的熱能通過循環利用和回收，逐步向低品位熱能轉化，從而達到能量的高效利用。另外，可在園區綜合能源系統中挖掘電熱設備的互補優勢，深度耦合與轉換電熱能流，提升能量梯級利用的效率與可靠性。

能量的梯級利用過程如附錄A 圖A1 所示。在園區綜合能源系統中，通過各類能源設備充分利用不同品位的能量，梯級供應不同品位的熱能，從而實現能量的梯級利用［13-14］。梯級利用過程為：余熱鍋爐通過回收燃氣輪機廢氣熱產生低溫熱水，由于低溫熱水直接利用的價值低，通常被電熱泵、吸收式熱泵等設備加熱成中溫熱水；抽氣熱為高溫蒸汽，一部分用于驅動吸收式熱泵將大量低溫熱水加熱成中溫熱水，一部分通過尖峰加熱器換熱將中溫熱水加熱至高溫熱水，另外一部分用于供應蒸汽負荷與通過吸收式制冷制取冷水［15］。

1.2 能量梯級利用的園區綜合能源系統能效分析

綜合能源系統中，不同能源間的轉換過程具有“量”的守恒性和“質”的差異性。已有的能效定義僅計及了能量在數量上的變化，忽視了能量在品質上的差異，無法準確地衡量綜合能源系統的能量利用水平。本文提出考慮能量梯級利用的園區綜合能源系統能源站網協同規劃，旨在提升能源的利用水平。文獻［16-17］提出了基于?效率的綜合能效評估方法，?效率被認為是兼顧了能量數量和品質的能源利用水平評估方法，已被較多文獻使用。因此，本文考慮能量間的品位差異、多能耦合以及分布式能源的利用，建立了如圖2所示的?效率分析模型。

圖2 園區綜合能源系統?效率分析模型Fig.2 Exergy efficiency analysis model of park integrated energy system

1.3 園區綜合能源站模型

園區綜合能源系統從結構上可以分為電力網絡和熱力網絡（包含冷、熱），由綜合能源站實現不同能量形式之間的耦合。綜合能源站能量流如附錄A 圖A2 所示。能源站設備包含燃氣輪機GT（Gas Turbine）、燃氣鍋爐GB（Gas Boiler）、吸收式熱泵AHP（Absorption Heat Pump）、吸收式制冷機組ACH（Absorption CHiller）、電熱泵HP（Heat Pump）、電制冷機組AC（Air Condition）等多種能源設備，各類設備模型在文獻［11-12］中已有詳細說明，本文不再贅述。能源站通過聯絡線與大電網交互電能、消耗天然氣，供應或存儲冷、熱、電能量。

近年來，EH 模型被認為是處理多能耦合的一種有效方法［18-19］。在能源站的規劃中，除了外部各類負荷需求已知外，能源站內部結構以及設備類型和數量均未知，需要對能源站進行初始規劃［20］?？紤]到能量的梯級利用過程中包含多次的能源轉換，各類能源設備耦合緊密，且涉及各品位熱能的相互轉化及各品位熱能梯級的輸出，傳統EH 模型求解這一問題的難度將會大幅增加。為了減少計算復雜性，本文構建了一種改進的EH 模型描述能源站的內部結構，如附錄A 圖A3所示。該模型由能源生產層、能源轉換層和能源儲存層構成，能夠涵蓋能源的生產、轉換、儲存等耦合過程，其包含能源生產設備（G1—GN）、能源轉換設備、能量儲存設備（S1—SN）及能量傳輸設備。

從能源生產角度，能源轉化設備將外部能源轉化為二次能源，不能滿足用戶多元負荷的需求，需要對二次能源進一步轉化分配，滿足用戶的需求。通過耦合矩陣描述改進的EH的轉換關系如下：

式中：上標α、β、…、χ表示不同類型的輸入、輸出能量；Pout和Pin分別為二次能源和一次能源輸入；CT中元素為轉換系數；L為多元負荷；i取值為1、2、3時分別表示能源生產層、能源轉換層和能源儲存層；x11、x12、…、xmn∈{0，1}，為安裝系數，取值為1、0 時分別表示安裝和不安裝。

2 園區綜合能源站網雙層規劃運行模型

2.1 上層綜合能源站網投資規劃模型

能量的梯級利用過程中，各品位熱能是層層相互關聯的，高品位熱能產生的同時，通常伴隨著低品位熱能的產生。如果低品位熱能無法得到充分利用，極易造成能源浪費，降低能源利用效率，可通過工業負荷、商業負荷和居民負荷之間的相互耦合，促進各級熱能的消納。為此，本文提出的考慮能量梯級利用的能源站網雙層規劃模型考慮各級品位的熱能互補，提升能源利用效率。在上層綜合能源站網投資規劃模型（下文簡稱上層模型）中，首先在能源站選址時，為了體現能源站站址的選擇對規劃經濟性的影響，通過負荷中心到能源站的加權綜合能矩最小來確定站址；其次考慮綜合能源站網的投資成本，建立綜合能源站網投資規劃模型如式（5）所示。

式中：Ak為第k類負荷的年供能天數；Ck為建設第k類負荷的供能管道的單位長度費用。

能源站建設成本、維護成本分別如式（8）、（9）所示。

式中：Nstation和M分別為能源站數量和能源站內設備總數；r為貼現率；Pi、Ti、φi分別為設備i的規劃容量、生命周期和設備單位容量建設成本；Pj，s，t和csop分別為t時刻能源站j內設備s的出力和設備s單位容量的維護成本。

2.2 下層能源站優化運行模型

根據2.1 節上層模型確定的能源管網布局及能源站的供能分區，下層能源站優化運行模型（下文簡稱下層模型）通過求解運行優化問題，能為多種能源和負荷的互補耦合提供更加靈活的方式，在運行優化過程中計及?效率，將下層運行結果返回上層模型中調整供能分區，使各類型負荷相互配合，實現各級品位熱能的充分消納和系統運行成本的降低。

2.3 約束條件

1）設備選型約束。

3 模型求解

為了實現考慮能量梯級利用的園區綜合能源系統的能源站優化配置以及能源網絡規劃，模型求解過程分為兩部分：首先上層模型基于最短路徑理論的枚舉法和綜合能矩對能源站選址、供能分區、能源網絡進行規劃規劃，然后下層模型考慮能源站內各類設備的優化運行，求解能源設備配置。在MATLAB 中借助YALMIP優化工具箱調用CPLEX 求解器對能源站網雙層規劃模型進行求解，求解流程如下。

上層模型基于最短路徑理論的枚舉法，通過遍歷解空間中所有可行解得到最優解，具體步驟如下。

1）輸入園區負荷及地理信息參數，確定園區新建能源站數量，輸入目標函數初值minCup為無窮大。

2）選擇一個數量方案，初始化能源站站址，集合Q為空集；根據節點和位置信息，計算邊矩陣E，矩陣中的元素表示節點i、j的位置關系，元素取值為1、0分別表示節點i、j相鄰、不相鄰。

3）以初始化的能源站站址為中點，采用Floyd算法搜索能源站的供能范圍，記錄最短路徑矩陣Dmin；將能源站供能范圍內的負荷點i計入集合Q，依次計算直至所有負荷點都有對應能源站供能，并計算能源站負荷點i和j的最小綜合能矩。

4）計算上層目標函數Cup，其中能源站建設成本由下層目標函數進行計算。

5）若計算值Cup＜minCup，則Cup為當前最小值，并更新目標值minCup=Cup，保存集合Q；否則移動能源站站址，返回步驟3）。

6）更新數量方案，返回步驟2）。

7）輸出上層目標函數最優值minCup、選擇的能源站數量及位置、各負荷中心與能源站的對應關系及供能網絡的鋪設方案。

下層模型為能源站的運行優化模型，對能源站進行運行經濟性分析，具體步驟如下：

1）根據上層模型得到的參數，給出能源站供能范圍內的電、熱、冷負荷量；

2）根據負荷信息得到能源站運行情況，計算下層目標函數Clow，得到能源站內的設備配置結果和運行情況；

3）根據運行情況，將設備配置情況反饋至上層模型的步驟4）的計算過程中。

園區綜合能源系統能源站網雙層規劃優化模型的求解流程見附錄A圖A4。

4 算例分析

4.1 算例描述

本文選取北方某園區作為算例測試園區。該園區面積約為3.34 km2，共有68 個負荷節點和62 個道路節點，包含工業、商業、居民3 種負荷類型，規劃區域如附錄A 圖A5所示，各負荷節點的位置信息及負荷信息如附錄A 表A1 所示。該規劃區域內的電負荷、中溫熱水負荷、高溫熱水負荷、蒸汽負荷、冷負荷分別為3.94、0.63、3.2、0.5、3.8 MW。能源站內規劃設備可選用燃氣輪機、燃氣鍋爐、吸收式熱泵、吸收式制冷、電熱泵、電制冷機組、尖峰加熱器、電儲能、儲熱水箱、儲冷水箱等，設備壽命周期為20 a，各設備主要參數如附錄A表A2所示。

進行規劃時，考慮到項目周期較長，如果采用逐時計算的方式進行優化規劃，將會由于整個問題規模巨大而難以求解。因此，本文按照電、熱、冷負荷及光伏和風機出力的季節特性，將每年分為3 個典型季節：冬季（1 月—3 月、11 月、12 月），夏季（6 月—9 月），過渡季為剩余月份。首先考慮負荷的季節特性，通過合成聚類的方法，生成各負荷中心的典型日場景。其次，根據各典型日光照和溫度情況計算得到光伏出力曲線，如附錄A 圖A6所示。本文采用分時電價：10:00—15:00 和18:00—23:00 采用峰電價1.390 2 元／（kW·h）；07:00—10:00 和15:00—18:00采用平電價0.864 5 元／（kW·h）；23:00 至次日07:00采用谷電價0.3648元／（kW·h）。

4.2 規劃方案

本文在能源站的優化配置規劃過程中設置3 種規劃方案，并對3種規劃方案進行經濟性評估。

1）方案1：按照傳統冷熱電聯供的方式進行供能，不考慮能量的梯級利用與負荷間的能源品位互補，具體供能策略見文獻［21］；在傳統冷熱電聯供模式下進行能源站的優化配置時，將中溫熱水負荷和高溫熱水負荷統一歸為高溫熱負荷，通過熱網供應。

2）方案2：僅采用能量梯級利用的供能策略，不考慮各類負荷之間的互補特性。

3）方案3：采用能量梯級利用的冷熱電聯供模式，考慮用戶多樣的用能需求與能源品位互補，根據“溫度對口，梯級利用”的原則，滿足用戶溫度對口的熱能需求，提升能量的利用效率。

4.3 能源站選址及供能網絡規劃結果

根據文獻［1，9］中對園區綜合站初始規劃數量的研究，綜合考慮園區面積及能源站的供能半徑和經濟性，擬在園區內建設2—4 座能源站。方案1—3 的能源站選址、管網布局分別如圖3—5 所示。圖中69 處對應圖A5 中的待選通道，算例中并未選擇該通道。

由圖3 可知，方案1 將規劃區域劃分為4 個子區域，能源站點分別為節點14、31、51、56?？梢钥闯?，各供能子區域供能面積大小相差不大，且供能區域內的工業負荷較為集中。由圖4可知，方案2將規劃區域劃分為3 個子區域，能源站分別為節點14、35、59，各類型負荷在供能區域較為集中。由圖5 可知，方案3將規劃區域劃分為3個子區域，能源站點分別為節點13、35、58，各供能子區域較為狹長，且工業負荷在各區域分布較為均勻。

圖3 方案1的能源站選址及網絡規劃結果Fig.3 Energy station location and network planning results of Scheme 1

圖4 方案2的能源站選址及網絡規劃結果Fig.4 Energy station location and network planning results of Scheme 2

圖5 方案3的能源站選址及網絡規劃結果Fig.5 Energy station location and network planning results of Scheme 3

4.4 能源站優化配置結果及經濟性分析

3 種方案的設備配置結果分別如表1—3 所示，具體分析如下。

表1 方案1的能源站配置Table 1 Energy station configuration of Scheme 1

1）方案1 在不考慮能量梯級利用的情況下，供熱依靠一次能源設備直接換熱，能量的利用效率較低；在運行過程中，消耗大量蒸汽，且在運行過程中，各品位能量只能一次利用，導致燃氣輪機和燃氣鍋爐等供熱設備的容量增加。與考慮能量梯級利用策略的方案2、3 相比，方案1 的燃氣輪機總配置容量均增加了1 000 kW，燃氣鍋爐總配置容量分別增加了500、1000 kW。

2）方案2、3 均考慮能量的梯級供能策略，但是方案2 不考慮負荷間的互補特性，由負荷分區可知，方案2 在規劃時熱能利用集中在單一品位的熱能，不能實現各級品位熱能的充分利用，導致燃氣鍋爐、吸收式熱泵、儲熱設備的規劃容量較方案3 分別增加了500 kW、400 kW、10 t。

3）方案3 考慮能量的梯級利用過程中，各品位的熱能之間可以通過電熱耦合設備相互轉化，因此其電熱泵、電制冷機組配置容量較方案1 分別增加了200、400 kW。

各方案的經濟性分析結果如表4 所示，具體分析如下。

表4 各方案的能源站及能源管網經濟性分析Table 4 Economic analysis of energy station and energy pipe network for each scheme

1）方案1 僅在能源管網的投資成本上低于方案2、3（分別低666.38 萬元和638.93 萬元）。方案1 將中溫熱水和高溫熱水統一為熱水負荷，在鋪設管道時，只鋪設1 類熱水管道，管道鋪設成本較低。而方案2、3 鋪設多類熱水管道，管道鋪設費用較高。但是在能源設備投資成本、運行成本、環境成本費用上，方案1均高于方案2、3。

2）在設備選型定容方面，方案1 不涉及能量的梯級利用，在供冷、供熱時需要消耗高品位熱源，導致配置設備的容量增加，因此方案1 的設備成本較方案2、3分別增加了555.41、851.09萬元。且在運行過程中，方案1 對蒸汽的需求量較大，使得燃氣鍋爐和燃氣輪機處于高負荷運行狀態，從而導致方案1的購氣成本和排放量增加，運行成本、環境成本較方案2分別增加了210.74、77.49萬元／a。

3）在整體經濟投資上，方案1 比不考慮能量梯級利用的方案2、3 整體投資成本偏高。對比考慮能量梯級利用的方案2、3的經濟性可知，方案2的整體投資成本較高，特別是在能源設備和運行成本方面較方案3 分別增加了295.68 萬元和121.32 萬元／a。原因是方案2 未考慮不同類負荷之間的品位互補，使得熱能需求的品位單一，其他品位的熱能無法被利用，導致提供高品位熱能的設備及儲熱設備容量增加，且增加了運行成本。因此，采用能量梯級利用且考慮負荷品位互補的供能方案能夠降低投資成本、減少碳排放量、提升經濟性。

表2 方案2的能源站配置Table 2 Energy station configuration of Scheme 2

表3 方案3的能源站配置Table 3 Energy station configuration of Scheme 3

4.5 ?效率分析

為了體現能量梯級利用供能方案相對于傳統冷熱電聯供方案的優勢，以及考慮分布式能源對?效率的提升，對方案1、3 的?效率及可再生能源對?效率的影響進行分析，結果如表5 所示。由表可見，考慮能量的梯級利用后，能量得到了充分的利用，相比于傳統方案提升了11.27%，分布式能源接入后使得?效率提升了6.79%，即考慮?效率指標有利于提升新能源的消納。

表5 方案1、3的?效率及可再生能源對?效率的影響Table 5 Exergy efficiency of Scheme 1 and Scheme 3，and influence of renewable energy on exergy efficiency

5 結論

本文構建了考慮能量梯級利用的綜合能源系統站網雙層規劃模型，并通過算例仿真驗證了模型及其求解的有效性，得到了如下結論：

1）基于改進的EH 的能源系統模型，降低了規劃過程中能源設備的耦合復雜性，并充分利用燃氣輪機、吸收式制冷機的低溫熱能，提升了能量利用率；

2）在能源設備選型定容中，考慮能量的梯級利用，減少了燃氣輪機、燃氣鍋爐等設備的建設容量，減少了能源站的投資成本；

3）在供能范圍和管網布局中，分析園區綜合能源系統的整體?效率，實現了負荷間的能源品位互補，提升了系統的能量利用效率和分布式能源的消納。

本文所提的設備模型均為穩態模型，尚未考慮設備運行的非線性特性，未來將利用數據擬合、人工智能等手段對各類能源設備的可運行區間、變工況特性、工作壽命等進行精細化建模，以此作為規劃基礎。

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