分布式能源系统优化与设计思路研究

分布式能源系统优化与设计思路研究

刘菲燕

(宁夏回族自治区电力设计院有限公司宁夏银川750001)

摘要：为充分发挥分布式能源系统高效、节能、环保的优势，系统的优化规划与设计至关重要。基于分布式能源系统的发展与演变历程，针对分布式热电联产系统、多能互补分布式能源系统和分布式能源互联网的优化规划与设计问题，对国内外相关研究内容进行了全面梳理，明确了当前的研究现状，并指出了未来可能的研究方向。

关键词：分布式能源系统；优化；多能互补；分布式能源互联网

引言

近年来，在国家能源局、国家电网公司、地方燃气公司等多方积极推动下，分布式能源的应用在中国渐成气候，但仍需依赖政府补贴维持生存，尚未走上完全市场化的道路。

作为一种系统性、复杂性节能减排方案，自分布式能源概念提出以来，系统优化规划和设计问题便引起了能源学者的足够关注。随着分布式能源系统内涵的不断深化和外延的不断衍生，其系统优化的范畴也在不断扩大，优化层次不断深入、优化方法不断创新。但总体而言，既往研究大多着重于优化方法层面的探讨，而对分布式能源系统自身的发展演变及其与之适应的优化规划设计问题的思考则略显不足。

在分布式能源的发展历程中，为了适应社会经济条件的变化，其系统应用形式也在不断推陈出新。总体而言，分布式能源的发展动因由节能主导、减排主导已过渡到安全、智能主导；与之相对应，分布式能源系统的结构模式也由早期的分布式热电联产系统、多能互补分布式能源系统，发展到现在的区域型分布式能源互联网。基于上述发展与演变历程，本文针对其不同发展阶段所面临的系统优化问题，综述了国内外的研究状况。同时，在对既有研究分析评述的基础上，提出了未来分布式能源系统优化研究的可能方向和关键课题。

1分布式热电联产系统优化

基于中国著名工程热物理学家吴仲华院士所提出的总能系统的理念，率先展开了对冷热电三联供系统的特性分析与优化设计相关研究工作。针对不同类型分布式热电联产技术的供能特性，提出了具有针对性的系统运行优化方法。基于遗传算法，建立了楼宇型分布式热电联产系统优化模型。基于混合整数非线性规划理论，构建了微型冷热电三联供系统的多目标运行优化模型。通过引入惩罚函数，构建了冷热电三联供系统的多目标优化模型。则在微燃机冷热电三联供系统仿真模型的基础上，建立了经济性优化模型。20多年来，国内外学者对分布式热电联产系统优化进行了大量的研究，取得了一系列创新性研究成果。本文从系统运行策略优化、设备配置与运行策略协同优化2个方面进行概述。

1.1运行策略优化

作为一种多产联供系统，分布式热电联产系统的能量调控与运行管理十分复杂，其运行调控对系统综合效益的实现至关重要。基于生命周期法，对楼宇型分布式能源系统“以热定电”和“以电定热”2种运行模式进行了优化分析。提出了一种跟随混合电热负荷的分布式热电联产系统优化运行策略，所提出的优化运行策略较传统“以热定电”或“以电定热”运行模式可取得更好的经济、环境和节能效益。考虑相关设备的变工况运行特性，通过耦合应用TRNSYS和Matlab构成联合仿真平台并引入遗传算法，对考虑部分负荷特性的小型冷热电三联供系统的运行策略进行优化，得到了逐时最佳运行工况。综上所述，围绕分布式热电联产系统运行策略优化，相关研究已突破“以热定电”、“以电定热”的常规运行模式，通过赋以优化模型足够的自由度，实现了供需两侧的互动、耦合。同时，设备部分负荷特性的考虑，也使得优化结果更具可靠性。

1.2设备配置与运行策略协同优化

分布式热电联产系统的经济性、节能性和环保性优势除了取决于系统的运行策略，受设备容量配置的影响也较大。设备的容量配置过大，不仅会使设备初投资过大，而且会导致系统长期低负荷运行；而设备容量配置过小，存在能源供应不足的软肋，二者都不能充分发挥分布式能源系统高效用能的优势。

近年来，分布式热电联产系统的优化范畴不断扩大，研究重点已从运行策略优化发展到设备配置与运行策略的协同优化。同时，优化方法不断创新，从早期的线性规划、混合整数线性规划，发展到粒子群算法、遗传算法等智能优化方法。

2多能互补分布式能源系统优化

与常规单体型分布式能源系统相比，耦合可再生能源和化石能源互补利用所构建的多能互补分布式能源的优化决策问题则更为复杂，其包含了从系统能流结构设计和设备类型选择、容量和数量配置到运行策略的整个优化过程。

2.1耦合可再生能源和化石能源的分布式能源系统优化

多能互补分布式能源系统在解决可再生能源供能不连续、缓解化石能源紧张和减少环境污染等方面具有巨大的优势。然而，目前多能互补分布式能源系统的优化研究工作中，对实际运行中可再生能源出力间歇性和随机性以及负荷需求的不稳定性的考虑较少。因此，加强可再生能源出力预测和需求侧负荷预测是今后的研究重点。

2.2基于微网的多能互补分布式能源系统优化

在多能互补分布式能源系统中，增加储能装置是解决可再生能源出力不连续、不稳定的有效措施。微网是指由多种分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的新兴发配电系统。微网不仅能消纳大量随机性和间歇性的可再生能源，还能在保证电能质量的前提下，满足区域内负荷需求。因此，微网为多能互补分布式联供系统提供了一个易于调节的平台，在满足热（冷）负荷的情况下，更有效的分配和储存电能，进一步提高能源利用率。所以，基于微网的多能互补联供技术具有重要的研究意义和广阔的应用前景；同时，在此基础上的系统优化研究成为当前的又一个研究热点。

3区域型分布式能源互联网优化

迄今为止，分布式能源系统的优化研究大多以楼宇型分布式能源为研究对象。即使是针对覆盖多个用户的区域型分布式能源系统，在优化建模过程中也大多沿用了供给侧能源垂直化管理的传统“中心”主义思维，假设全部能源负荷集中于某一节点，通过集中能源站满足其用能需求。基于以上假定，系统优化研究的重点主要集中在原动机的配置、冷热电负荷平衡调节等方面，而未能充分考虑供给侧分布式能源设备和需求侧能源负荷在时空上的匹配和平衡。实际的区域型分布式能源系统大多建立在区域供冷供热系统基础之上。因此，针对区域型分布式能源系统的优化设计，有必要对供热供冷系统，包括冷热管网输送系统的特性进行深入研究，将其纳入整个大系统的优化过程。

作为分布式能源利用的新思路、新模式，分布式能源的网络化应用也引起了国内学者的广泛关注。基于用户用能行为的时空互补性，指出了“分布式能源互联网”相对于常规分布式能源系统的优势，探讨了“分布式能源互联网”具体化可能存在的问题。对于分布式能源系统与区域能源系统的集成与耦合，目前国内外相关研究大多停留在概念叙述的大框架层面；关于系统的优化也是浅尝辄止，尚缺乏深入细化的方法论研究。

结语

在新的市场环境下，分布式能源系统的应用将不断深化，其优化研究也在不断发展，优化对象从冷热电三联供系统、多能互补型分布式能源系统发展到目前的分布式能源互联网；优化层次从运行策略优化发展到设备配置与运行策略协同优化；系统模型从静态的热力学模型、热经济模型发展到动态的瞬时仿真模型；采用的算法也从传统的确定性算法发展到先进的试探性算法。总体而言，针对分布式能源系统的优化规划与设计，国内外研究机构和学者进行了大量卓有成效的研究，取得了很多创新性研究成果，有效推动了分布式能源的应用与发展。

参考文献

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