肖洒 彭程

【摘 要】多功能互补并非一个全新的概念，其实早在20世纪中后期就已被提出。随着能源开发力度的逐渐增加，世界范围内能源物质短缺愈加严重，人们开始探索更有效的能源利用方式，对于多能源互补的研究进度才逐渐加快。多功能互补是能源领域中的一个混合概念，贯穿于能源开发、利用和管理。在自然环境中，能源以多种多样的形式存在，其开发和利用思路基本一致，即通过能源形式的不断转化，使之成为可以直接利用的能源存在形式。但是，单一能源的转化率是极为有限的，几乎不存在百分百的利用形式，因此通过多能源协调互补机制来提高能源利用效率，是缓解能源短缺和需求增加矛盾的重要途径。

【关键词】综合能源;优化;研究;分析

1导言

近年来，我国部分电网出现了较为严重的“弃风”现象，据统计，2017年我国四个主要的新能源产业地区弃风率均超过10%，其中甘肃、新疆弃风率甚至达到30%以上。高弃风使得综合能源系统不能达到较高的新能源发电吸纳水平，新能源渗透率低。而电转气技术（power to gas）可在一定程度上解决此问题，为综合能源系统实现高新能源渗透率提供途径。为了充分消纳清洁能源、提高能源利用效率，综合能源系统的概念应运而生，相较于传统的能源单级利用形式，综合能源系统对电力、冷热和天然气等多种形式能源进行多级利用，通过多能互补提高综合能源利用效率。但是综合能源系统由于系统间耦合紧密，能源流动变化复杂，在优化运行方面相较于传统电网有较大差别。

2电转气技术简介及其运行成本模型

电转气（power to gas，P2G）技术是在负荷低或可再生能源出力高峰期，将富余的电能转化为天然气或氢气，存储在天然气管网或天然气存储设备中;在电力短缺时，将存储的气体转化为电能或热能提供给用户，从而提高了微网系统在负荷低谷期消纳可再生能源的能力。P2G技术增加了系统中电气耦合环节的作用，增强了电力–天然气系统之间的耦合性和系统的供能稳定性。电转气过程原理如图1所示。

图1电转气过程原理

其化学原理是在电解水制氢的基础上，在催化剂的作用下将电解水生成的氢气和二氧化碳反应生成甲烷和水，这个过程称为甲烷化过程。甲烷化过程中所需的二氧化碳可以来自环境空气、火电厂烟气和厌氧细菌消化产生的生物气体。通过上述两个阶段化学反应，电转天然气综合效率约在45%～60%之间。P2G运行成本包括固定运行成本与可变运行成本，前者包含设备维护费、劳动力成本等，本文所述P2G运行成本指包含P2G技术用电成本与原料成本的可变运行成本。

3综合能源系统的优化运行方法

3.1综合能源系统的多时段优化控制

从时间尺度来说，综合能源系统的优化调度方法研究经历了从单一时段优化到日前-日内优化再到滚动优化的阶段。多时段的优化具有较好的控制准确性，但是会造成计算量增加，难以满足实时性的要求。尤其是在实时滚动阶段，对算法的时间复杂度提出了很高要求。若能对特定场景下的数学模型进行针对性优化，从而提高算法效率以达到实时性的要求，多时段的优化控制才能得到更好的应用。

3.2综合能源系统的分布式优化控制

面向具有多个平级运营商的多能源系统，可采用分布式算法实现各系统间的协同运行，提升调度的自治性和灵活性。尽管综合能源系统协同运行方法已有初步研究，但对综合能源系统的刻画还很基础，在建模中既未考虑天然气潮流的动态特性，也未考虑能源转换设备（如电转气装置）和需求响应策略。

3.3综合能源系统的不确定性优化控制

综合能源系统中包含大量的不确定性因素，包括可再生能源出力的不确定性，负荷预测误差，量测信息误差。随机优化基于预先假设的概率分布将不确定性优化转化为多个确定性优化问题进行求解，然而在实际中随机变量的概率分布往往难以准确刻画。鲁棒和区间优化则是假设随机变量的变化区间，通过求取最恶劣的场景下的最优结果，实现最优控制，但是得到的结果往往会过于保守。

3.4综合能源系统优化问题的求解方法

综合能源复杂的结构和多种能源的相互耦合使优化问题的求解困难。求解方法有启发式算法和数学规划方法2类。启发式算法求解速度快，但得不到最优解;数学规划方法精准，但是求解难度较高。

4综合能源系统的优化运行方法展望

4.1综合能源系统建模理论

由于计及复杂约束的综合能源系统建模理论的研究才刚刚起步，还有大量问题值得深入研究，如：如何对各能源的产生、传输、转化、储存和消费等环节进行统筹协调，建立含终端能源枢纽和外部能源供应网架的综合能源系统模型;如何基于凸优化技术，对原复杂非线性的气网模型进行严格凸化松弛，构建考虑气网稳态、动态特性的综合能源系统综合模型。

4.2综合能源系统优化方法

在综合能源系统的优化运行方面，依然有以下的问题值得深入研究：一是如何考虑动态多能流和多类系统要素，基于分布式算法实现各能源网络的分散协同控制;二是如何面向分区扁平化的多区互联能源系统，实现各区域系统间的自治协调控制;三是如何精细刻画需求响应对综合能源系统运行经济性的提升，发挥用户主观能动性以促进能源的梯级利用。

4.3综合能源系统的风险调度

风险调度旨在降低高危场景风险水平，保障电力系统的安全可靠运行。目前，国际上对综合能源系统的风险评估和风险调度理论方法研究仍处于起步阶段，相关的研究领域还有以下工作值得开展：一是如何综合考虑电力?天然气?热网能量流的损失，对综合能源系统进行整体的风险分析，构建合理的风险评估指标;二是如何面对多重不确定性因素，制定鲁棒的综合综合能源系统日前风险调度策略，提升風险预控手段的安全性;三是如何制定快速有效的事后校正策略降低高危风险场景的运行风险。

5结论

综合能源系统能提高能源利用效率和可再生能源的消纳。但是由于高度耦合的特性，给综合能源系统的调度运行带来了困难。结合国内外最新的研究进展，介绍了综合能源系统的基本组成，电?热?气网络潮流的的建模方法，以及考虑不同因素的优化运行方法，分析了现有方法的优缺点和难点。最后指出了未来研究可从建模理论、优化方法和风险调度等方面开展工作。

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（作者单位：国网江苏省电力有限公司丹阳市供电分公司）