考虑能量梯级利用的园区综合能源系统站网协同规划

周步祥，夏海东，臧天磊

（四川大学电气工程学院，四川 成都 610065）

0 引言

随着社会经济的高速发展，对于能源的需求急速增长，能源危机的问题日益显现，优化能源结构和提升能源利用效率已经成为全世界各国解决能源短缺的重要战略［1］。随着碳中和目标的提出，构建清洁低碳、安全高效的能源体系日益迫切［2］。建设综合能源系统对于促进能源结构转型和提升能源利用效率具有重要意义。

综合能源系统包含多种形式的能量耦合和复杂的能量转化，优化利用多能源是亟待突破的关键技术。目前综合能源系统存在能源利用率低、本身的高效优势无法发挥、运营受限和费用增加等问题，这主要是因为用户能量品质需求与能源供应之间的不匹配、不均衡［3］。能量的梯级利用是提高能源利用效率，降低天然气、化石燃料等能源消耗的有效途径，其已成为研究重点。促进负荷与能源的“品位对口，梯级利用”［4］，以清洁高效的方式满足用户的用能需求，对于实现综合能源系统低碳高效的核心价值具有重要意义。

在综合能源系统的规划中，合理规划能源站和能源网络并提升能源的利用效率是综合能源系统经济运行的关键。文献［5］提出能矩的概念，并基于电热负荷的需求响应特性，建立了考虑源荷互动的综合能源系统站网协同规划模型，但未涉及供能分区及负荷之间的互补。文献［6-8］仅考虑到了管网的布局规划，未考虑到能源站及其配置对能源管网布局的影响。文献［9］考虑了能源站规划时不同类型负荷的时空耦合特性，将用能峰谷相互错开。文献［10］提出了基于站间互联的多能互补的园区综合能源系统规划方案，通过能源站之间的管线互联提升能源利用效率。文献［11］提出了基于能的品位的㶲经济分析法，能够为复杂的能量系统运行优化提供理论支撑，但未考虑在综合能源系统规划中的应用。综上所述，在现有综合能源系统能源站和能源网络的规划中，均未考虑能量的梯级利用。

现代园区的负荷需求量大、类型多样，能量在转换过程中通常涉及热的梯级利用。在综合能源系统的规划中，只有充分考虑能量的“质与量”才能促进不同品位能量的耦合与转换利用，提升能源利用效率。为此，本文提出一种考虑能量梯级利用的能源站-能源网（下文简称能源站网）协同规划方法，主要工作如下。

1）分析了园区综合能源系统能量梯级利用的原理，在此基础上构建了一种改进的能源集线器EH（Energy Hub）模型，与传统EH 模型不同的是，该模型考虑了各级品位热能的梯级输出与利用，有利于提升能源的利用效率。

2）考虑能量梯级利用的园区综合能源系统存在不同质、不同量的能量，采用总体㶲效率分析方法，实现了园区综合能源系统的能效分析，进而将㶲效率考虑到能源站供能范围的划分中，有利于提升能源站运行的经济性。

3）基于能量梯级利用方法，对能源网络和能源站进行初始规划，构建了考虑能量梯级利用的能源站网双层规划模型：上层模型基于能量梯级利用的能源站规划模型，结合最短路径理论和加权综合能矩，得到了能源站选址、供能分区及管网布局方案；下层模型结合㶲效率分析方法，优化能源站供能方案，得到能源站设备配置方案，从而实现能源站网协同规划。

1 考虑能量梯级利用的园区综合能源系统

包含工业、商业、居民用户的典型园区综合能源系统如图1 所示。园区综合能源系统包含冷、热、电、气多种形式的能量。园区内部的能源站除了给用户供应电负荷外，还包含：蒸汽负荷，高、中温热水负荷，冷水负荷。园区负荷需求量大且类型多样，按热能品位高低进行能量的梯级利用，从而提升经济效益和能源利用效率［12］。

图1 园区综合能源系统结构与能量流Fig.1 Structure and energy flow of park integrated energy system

1.1 园区综合能源系统能量梯级利用原理

园区综合能源系统能量的梯级利用遵循“电热互补，温度对口，梯级利用”的原则。根据热能温度的不同分为不同的品位，34 ℃左右为低温热水、75 ℃为中温热水、120 ℃为高温热水，热能品位越高，温度越高。根据不同负荷的品位要求，尽量满足温度匹配的热能利用［11］。在热能的梯级利用中，较高品位的热能通过循环利用和回收，逐步向低品位热能转化，从而达到能量的高效利用。另外，可在园区综合能源系统中挖掘电热设备的互补优势，深度耦合与转换电热能流，提升能量梯级利用的效率与可靠性。

能量的梯级利用过程如附录A 图A1 所示。在园区综合能源系统中，通过各类能源设备充分利用不同品位的能量，梯级供应不同品位的热能，从而实现能量的梯级利用［13-14］。梯级利用过程为：余热锅炉通过回收燃气轮机废气热产生低温热水，由于低温热水直接利用的价值低，通常被电热泵、吸收式热泵等设备加热成中温热水；抽气热为高温蒸汽，一部分用于驱动吸收式热泵将大量低温热水加热成中温热水，一部分通过尖峰加热器换热将中温热水加热至高温热水，另外一部分用于供应蒸汽负荷与通过吸收式制冷制取冷水［15］。

1.2 能量梯级利用的园区综合能源系统能效分析

综合能源系统中，不同能源间的转换过程具有“量”的守恒性和“质”的差异性。已有的能效定义仅计及了能量在数量上的变化，忽视了能量在品质上的差异，无法准确地衡量综合能源系统的能量利用水平。本文提出考虑能量梯级利用的园区综合能源系统能源站网协同规划，旨在提升能源的利用水平。文献［16-17］提出了基于㶲效率的综合能效评估方法，㶲效率被认为是兼顾了能量数量和品质的能源利用水平评估方法，已被较多文献使用。因此，本文考虑能量间的品位差异、多能耦合以及分布式能源的利用，建立了如图2所示的㶲效率分析模型。

图2 园区综合能源系统㶲效率分析模型Fig.2 Exergy efficiency analysis model of park integrated energy system

1.3 园区综合能源站模型

园区综合能源系统从结构上可以分为电力网络和热力网络（包含冷、热），由综合能源站实现不同能量形式之间的耦合。综合能源站能量流如附录A 图A2 所示。能源站设备包含燃气轮机GT（Gas Turbine）、燃气锅炉GB（Gas Boiler）、吸收式热泵AHP（Absorption Heat Pump）、吸收式制冷机组ACH（Absorption CHiller）、电热泵HP（Heat Pump）、电制冷机组AC（Air Condition）等多种能源设备，各类设备模型在文献［11-12］中已有详细说明，本文不再赘述。能源站通过联络线与大电网交互电能、消耗天然气，供应或存储冷、热、电能量。

近年来，EH 模型被认为是处理多能耦合的一种有效方法［18-19］。在能源站的规划中，除了外部各类负荷需求已知外，能源站内部结构以及设备类型和数量均未知，需要对能源站进行初始规划［20］。考虑到能量的梯级利用过程中包含多次的能源转换，各类能源设备耦合紧密，且涉及各品位热能的相互转化及各品位热能梯级的输出，传统EH 模型求解这一问题的难度将会大幅增加。为了减少计算复杂性，本文构建了一种改进的EH 模型描述能源站的内部结构，如附录A 图A3所示。该模型由能源生产层、能源转换层和能源储存层构成，能够涵盖能源的生产、转换、储存等耦合过程，其包含能源生产设备（G1—GN）、能源转换设备、能量储存设备（S1—SN）及能量传输设备。

从能源生产角度，能源转化设备将外部能源转化为二次能源，不能满足用户多元负荷的需求，需要对二次能源进一步转化分配，满足用户的需求。通过耦合矩阵描述改进的EH的转换关系如下：

式中：上标α、β、…、χ表示不同类型的输入、输出能量；Pout和Pin分别为二次能源和一次能源输入；CT中元素为转换系数；L为多元负荷；i取值为1、2、3时分别表示能源生产层、能源转换层和能源储存层；x11、x12、…、xmn∈{0，1}，为安装系数，取值为1、0 时分别表示安装和不安装。

2 园区综合能源站网双层规划运行模型

2.1 上层综合能源站网投资规划模型

能量的梯级利用过程中，各品位热能是层层相互关联的，高品位热能产生的同时，通常伴随着低品位热能的产生。如果低品位热能无法得到充分利用，极易造成能源浪费，降低能源利用效率，可通过工业负荷、商业负荷和居民负荷之间的相互耦合，促进各级热能的消纳。为此，本文提出的考虑能量梯级利用的能源站网双层规划模型考虑各级品位的热能互补，提升能源利用效率。在上层综合能源站网投资规划模型（下文简称上层模型）中，首先在能源站选址时，为了体现能源站站址的选择对规划经济性的影响，通过负荷中心到能源站的加权综合能矩最小来确定站址；其次考虑综合能源站网的投资成本，建立综合能源站网投资规划模型如式（5）所示。

式中：Ak为第k类负荷的年供能天数；Ck为建设第k类负荷的供能管道的单位长度费用。

能源站建设成本、维护成本分别如式（8）、（9）所示。

式中：Nstation和M分别为能源站数量和能源站内设备总数；r为贴现率；Pi、Ti、φi分别为设备i的规划容量、生命周期和设备单位容量建设成本；Pj，s，t和csop分别为t时刻能源站j内设备s的出力和设备s单位容量的维护成本。

2.2 下层能源站优化运行模型

根据2.1 节上层模型确定的能源管网布局及能源站的供能分区，下层能源站优化运行模型（下文简称下层模型）通过求解运行优化问题，能为多种能源和负荷的互补耦合提供更加灵活的方式，在运行优化过程中计及㶲效率，将下层运行结果返回上层模型中调整供能分区，使各类型负荷相互配合，实现各级品位热能的充分消纳和系统运行成本的降低。

2.3 约束条件

1）设备选型约束。

3 模型求解

为了实现考虑能量梯级利用的园区综合能源系统的能源站优化配置以及能源网络规划，模型求解过程分为两部分：首先上层模型基于最短路径理论的枚举法和综合能矩对能源站选址、供能分区、能源网络进行规划规划，然后下层模型考虑能源站内各类设备的优化运行，求解能源设备配置。在MATLAB 中借助YALMIP优化工具箱调用CPLEX 求解器对能源站网双层规划模型进行求解，求解流程如下。

上层模型基于最短路径理论的枚举法，通过遍历解空间中所有可行解得到最优解，具体步骤如下。

1）输入园区负荷及地理信息参数，确定园区新建能源站数量，输入目标函数初值minCup为无穷大。

2）选择一个数量方案，初始化能源站站址，集合Q为空集；根据节点和位置信息，计算边矩阵E，矩阵中的元素表示节点i、j的位置关系，元素取值为1、0分别表示节点i、j相邻、不相邻。

3）以初始化的能源站站址为中点，采用Floyd算法搜索能源站的供能范围，记录最短路径矩阵Dmin；将能源站供能范围内的负荷点i计入集合Q，依次计算直至所有负荷点都有对应能源站供能，并计算能源站负荷点i和j的最小综合能矩。

4）计算上层目标函数Cup，其中能源站建设成本由下层目标函数进行计算。

5）若计算值Cup＜minCup，则Cup为当前最小值，并更新目标值minCup=Cup，保存集合Q；否则移动能源站站址，返回步骤3）。

6）更新数量方案，返回步骤2）。

7）输出上层目标函数最优值minCup、选择的能源站数量及位置、各负荷中心与能源站的对应关系及供能网络的铺设方案。

下层模型为能源站的运行优化模型，对能源站进行运行经济性分析，具体步骤如下：

1）根据上层模型得到的参数，给出能源站供能范围内的电、热、冷负荷量；

2）根据负荷信息得到能源站运行情况，计算下层目标函数Clow，得到能源站内的设备配置结果和运行情况；

3）根据运行情况，将设备配置情况反馈至上层模型的步骤4）的计算过程中。

园区综合能源系统能源站网双层规划优化模型的求解流程见附录A图A4。

4 算例分析

4.1 算例描述

本文选取北方某园区作为算例测试园区。该园区面积约为3.34 km2，共有68 个负荷节点和62 个道路节点，包含工业、商业、居民3 种负荷类型，规划区域如附录A 图A5所示，各负荷节点的位置信息及负荷信息如附录A 表A1 所示。该规划区域内的电负荷、中温热水负荷、高温热水负荷、蒸汽负荷、冷负荷分别为3.94、0.63、3.2、0.5、3.8 MW。能源站内规划设备可选用燃气轮机、燃气锅炉、吸收式热泵、吸收式制冷、电热泵、电制冷机组、尖峰加热器、电储能、储热水箱、储冷水箱等，设备寿命周期为20 a，各设备主要参数如附录A表A2所示。

进行规划时，考虑到项目周期较长，如果采用逐时计算的方式进行优化规划，将会由于整个问题规模巨大而难以求解。因此，本文按照电、热、冷负荷及光伏和风机出力的季节特性，将每年分为3 个典型季节：冬季（1 月—3 月、11 月、12 月），夏季（6 月—9 月），过渡季为剩余月份。首先考虑负荷的季节特性，通过合成聚类的方法，生成各负荷中心的典型日场景。其次，根据各典型日光照和温度情况计算得到光伏出力曲线，如附录A 图A6所示。本文采用分时电价：10:00—15:00 和18:00—23:00 采用峰电价1.390 2 元／（kW·h）；07:00—10:00 和15:00—18:00采用平电价0.864 5 元／（kW·h）；23:00 至次日07:00采用谷电价0.3648元／（kW·h）。

4.2 规划方案

本文在能源站的优化配置规划过程中设置3 种规划方案，并对3种规划方案进行经济性评估。

1）方案1：按照传统冷热电联供的方式进行供能，不考虑能量的梯级利用与负荷间的能源品位互补，具体供能策略见文献［21］；在传统冷热电联供模式下进行能源站的优化配置时，将中温热水负荷和高温热水负荷统一归为高温热负荷，通过热网供应。

2）方案2：仅采用能量梯级利用的供能策略，不考虑各类负荷之间的互补特性。

3）方案3：采用能量梯级利用的冷热电联供模式，考虑用户多样的用能需求与能源品位互补，根据“温度对口，梯级利用”的原则，满足用户温度对口的热能需求，提升能量的利用效率。

4.3 能源站选址及供能网络规划结果

根据文献［1，9］中对园区综合站初始规划数量的研究，综合考虑园区面积及能源站的供能半径和经济性，拟在园区内建设2—4 座能源站。方案1—3 的能源站选址、管网布局分别如图3—5 所示。图中69 处对应图A5 中的待选通道，算例中并未选择该通道。

由图3 可知，方案1 将规划区域划分为4 个子区域，能源站点分别为节点14、31、51、56。可以看出，各供能子区域供能面积大小相差不大，且供能区域内的工业负荷较为集中。由图4可知，方案2将规划区域划分为3 个子区域，能源站分别为节点14、35、59，各类型负荷在供能区域较为集中。由图5 可知，方案3将规划区域划分为3个子区域，能源站点分别为节点13、35、58，各供能子区域较为狭长，且工业负荷在各区域分布较为均匀。

图3 方案1的能源站选址及网络规划结果Fig.3 Energy station location and network planning results of Scheme 1

图4 方案2的能源站选址及网络规划结果Fig.4 Energy station location and network planning results of Scheme 2

图5 方案3的能源站选址及网络规划结果Fig.5 Energy station location and network planning results of Scheme 3

4.4 能源站优化配置结果及经济性分析

3 种方案的设备配置结果分别如表1—3 所示，具体分析如下。

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

1）方案1 在不考虑能量梯级利用的情况下，供热依靠一次能源设备直接换热，能量的利用效率较低；在运行过程中，消耗大量蒸汽，且在运行过程中，各品位能量只能一次利用，导致燃气轮机和燃气锅炉等供热设备的容量增加。与考虑能量梯级利用策略的方案2、3 相比，方案1 的燃气轮机总配置容量均增加了1 000 kW，燃气锅炉总配置容量分别增加了500、1000 kW。

2）方案2、3 均考虑能量的梯级供能策略，但是方案2 不考虑负荷间的互补特性，由负荷分区可知，方案2 在规划时热能利用集中在单一品位的热能，不能实现各级品位热能的充分利用，导致燃气锅炉、吸收式热泵、储热设备的规划容量较方案3 分别增加了500 kW、400 kW、10 t。

3）方案3 考虑能量的梯级利用过程中，各品位的热能之间可以通过电热耦合设备相互转化，因此其电热泵、电制冷机组配置容量较方案1 分别增加了200、400 kW。

各方案的经济性分析结果如表4 所示，具体分析如下。

表4 各方案的能源站及能源管网经济性分析Table 4 Economic analysis of energy station and energy pipe network for each scheme

1）方案1 仅在能源管网的投资成本上低于方案2、3（分别低666.38 万元和638.93 万元）。方案1 将中温热水和高温热水统一为热水负荷，在铺设管道时，只铺设1 类热水管道，管道铺设成本较低。而方案2、3 铺设多类热水管道，管道铺设费用较高。但是在能源设备投资成本、运行成本、环境成本费用上，方案1均高于方案2、3。

2）在设备选型定容方面，方案1 不涉及能量的梯级利用，在供冷、供热时需要消耗高品位热源，导致配置设备的容量增加，因此方案1 的设备成本较方案2、3分别增加了555.41、851.09万元。且在运行过程中，方案1 对蒸汽的需求量较大，使得燃气锅炉和燃气轮机处于高负荷运行状态，从而导致方案1的购气成本和排放量增加，运行成本、环境成本较方案2分别增加了210.74、77.49万元／a。

3）在整体经济投资上，方案1 比不考虑能量梯级利用的方案2、3 整体投资成本偏高。对比考虑能量梯级利用的方案2、3的经济性可知，方案2的整体投资成本较高，特别是在能源设备和运行成本方面较方案3 分别增加了295.68 万元和121.32 万元／a。原因是方案2 未考虑不同类负荷之间的品位互补，使得热能需求的品位单一，其他品位的热能无法被利用，导致提供高品位热能的设备及储热设备容量增加，且增加了运行成本。因此，采用能量梯级利用且考虑负荷品位互补的供能方案能够降低投资成本、减少碳排放量、提升经济性。

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 㶲效率分析

为了体现能量梯级利用供能方案相对于传统冷热电联供方案的优势，以及考虑分布式能源对㶲效率的提升，对方案1、3 的㶲效率及可再生能源对㶲效率的影响进行分析，结果如表5 所示。由表可见，考虑能量的梯级利用后，能量得到了充分的利用，相比于传统方案提升了11.27%，分布式能源接入后使得㶲效率提升了6.79%，即考虑㶲效率指标有利于提升新能源的消纳。

表5 方案1、3的㶲效率及可再生能源对㶲效率的影响Table 5 Exergy efficiency of Scheme 1 and Scheme 3，and influence of renewable energy on exergy efficiency

5 结论

本文构建了考虑能量梯级利用的综合能源系统站网双层规划模型，并通过算例仿真验证了模型及其求解的有效性，得到了如下结论：

1）基于改进的EH 的能源系统模型，降低了规划过程中能源设备的耦合复杂性，并充分利用燃气轮机、吸收式制冷机的低温热能，提升了能量利用率；

2）在能源设备选型定容中，考虑能量的梯级利用，减少了燃气轮机、燃气锅炉等设备的建设容量，减少了能源站的投资成本；

3）在供能范围和管网布局中，分析园区综合能源系统的整体㶲效率，实现了负荷间的能源品位互补，提升了系统的能量利用效率和分布式能源的消纳。

本文所提的设备模型均为稳态模型，尚未考虑设备运行的非线性特性，未来将利用数据拟合、人工智能等手段对各类能源设备的可运行区间、变工况特性、工作寿命等进行精细化建模，以此作为规划基础。

附录见本刊网络版（http：//www.epae.cn）。