程 林 ，張 靖 ，黃仁樂(lè) ，王存平 ，田 浩

（1.清華大學(xué) 電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084；2.國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，我國(guó)以化石能源為主的能源消費(fèi)體系帶來(lái)了日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題（霧霾、溫室氣體等）。 例如，北京“十二五”規(guī)劃［1］中設(shè)定了全市空氣質(zhì)量達(dá)到二級(jí)和好于二級(jí)的天數(shù)的比例達(dá)到80%的目標(biāo)，而實(shí)際上在情況最好的2015年空氣質(zhì)量［2］好于二級(jí)的天數(shù)僅有186天，占全年天數(shù)的比例為51%。因此大力發(fā)展清潔能源與可再生能源成為我國(guó)乃至世界能源可持續(xù)發(fā)展的普遍共識(shí)。

依據(jù)中國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略，到2050年可再生能源發(fā)電比重將達(dá)到85%以上，其中風(fēng)電與光伏之和占比將達(dá)到63%［3］。但是以風(fēng)光為代表的可再生能源利用面臨嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光的局面，以2015年為例，全國(guó)棄風(fēng)電量達(dá)到3.39×1010kW·h，棄風(fēng)率為15%，棄風(fēng)損失約170億元［4］。能源系統(tǒng)缺乏靈活性是導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光的主要原因，風(fēng)電、光伏出力的隨機(jī)波動(dòng)性，降低了能源系統(tǒng)靈活性的供給，增加了系統(tǒng)靈活性需求；另一方面，熱電機(jī)組提升了系統(tǒng)綜合效率，但是降低了整體能源系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，成為導(dǎo)致三北地區(qū)能源系統(tǒng)靈活性不足的一個(gè)主要因素。以園區(qū)為代表的區(qū)域級(jí)能源系統(tǒng)呈現(xiàn)用能密度大、負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)高、可再生能源比例增加、產(chǎn)用能形式多樣化等特點(diǎn)，是促進(jìn)可再生能源大規(guī)模就地消納、提高能源綜合利用效率、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的有效實(shí)施途徑。我國(guó)目前擁有國(guó)家級(jí)、省級(jí)等各類(lèi)開(kāi)發(fā)區(qū)近2000個(gè)，是推進(jìn)區(qū)域綜合系統(tǒng)發(fā)展最急需也是最佳的切入點(diǎn)，具備廣闊的發(fā)展前景和機(jī)遇。

傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的規(guī)劃僅僅面對(duì)單一能源系統(tǒng)，如電、氣、熱（冷），人為地割裂了各能源系統(tǒng)的資源優(yōu)化配置，降低了整體能源利用效率。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，在解決大規(guī)模可再生能源消納的背景下，研究人員提出了綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃的理念，即將電、氣、熱（冷）等多種類(lèi)型能源系統(tǒng)有機(jī)耦合，提供一個(gè)多種能源綜合利用的物理平臺(tái)，充分發(fā)揮不同能源形式的互補(bǔ)特性和協(xié)同效應(yīng)，在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)資源優(yōu)化配置，提升系統(tǒng)靈活性，提高可再生能源消納能力和系統(tǒng)綜合能效。在區(qū)域級(jí)綜合能源系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，國(guó)外應(yīng)用相關(guān)理論和技術(shù)成果，已建成了一些示范工程。美國(guó)能源部提出了構(gòu)建用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)劃［5］，啟動(dòng)了Chevron Energy、ecoENERGY等多個(gè)示范建設(shè)。德國(guó)政府2009年啟動(dòng)了E-Energy計(jì)劃［6］，通過(guò)運(yùn)用需求響應(yīng)、智能調(diào)度、儲(chǔ)能等技術(shù)，依托電力市場(chǎng)互動(dòng)激勵(lì)，消納高比例可再生能源，并建立了6個(gè)示范區(qū)。日本NEDO建立了智能工業(yè)園區(qū)示范工程，將電力、燃?xì)狻⒐幔├涞榷喾N能源系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)多能源協(xié)調(diào)調(diào)度，提升企業(yè)能效、滿足用戶多種能源梯級(jí)利用［7］。國(guó)內(nèi)也已陸續(xù)建立了部分綜合能源利用的示范工程，例如，蒙東微電網(wǎng)接入試點(diǎn)工程、浙江南麂島和鹿西島的海島配用電系統(tǒng)工程、河北科技園區(qū)光儲(chǔ)熱一體化示范工程等。這些實(shí)踐在風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)、微電網(wǎng)運(yùn)行控制等領(lǐng)域具有示范作用。

在規(guī)劃層面當(dāng)前研究已取得初步進(jìn)展。國(guó)外針對(duì)電力、天然氣及供熱（冷）系統(tǒng)源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)的聯(lián)合規(guī)劃研究分為2類(lèi)：第一類(lèi)研究建模過(guò)于簡(jiǎn)化，導(dǎo)致規(guī)劃結(jié)果嚴(yán)重偏離實(shí)際［8-9］；第二類(lèi)研究偏向于針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的精確建模，導(dǎo)致模型復(fù)雜，采取智能算法求解無(wú)法保證達(dá)到全局最優(yōu)解［10-12］，在示范項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)營(yíng)中側(cè)重于利用市場(chǎng)化手段進(jìn)行能源調(diào)配，但缺乏對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)統(tǒng)籌建設(shè)、優(yōu)化運(yùn)行的研究［5-7］。國(guó)內(nèi)已有研究側(cè)重于電力系統(tǒng)單一供能系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃與優(yōu)化配置，對(duì)綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)與整體效益考慮不足，尚缺乏多種能源產(chǎn)供用系統(tǒng)性的統(tǒng)籌規(guī)劃和集成解決方案，并且綜合能源系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃研究近年來(lái)剛剛起步，研究更側(cè)重于概念、理念與基礎(chǔ)理論［13-16］，距離工程實(shí)際應(yīng)用尚有一段差距。因此，現(xiàn)有理論與技術(shù)亟需探索既符合國(guó)情又符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法，促進(jìn)區(qū)域清潔能源就地消納與綜合能源的利用。

本文基于多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃思想，結(jié)合我國(guó)北方某園區(qū)規(guī)劃實(shí)例，針對(duì)綜合能源系統(tǒng)需求進(jìn)行深入分析，闡述了包括多場(chǎng)景規(guī)劃的核心規(guī)劃理念，對(duì)區(qū)域級(jí)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)思路和方法進(jìn)行實(shí)踐，為未來(lái)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

該園區(qū)位于京津冀區(qū)域的核心腹地，建設(shè)規(guī)模50km2，分為東西2個(gè)片區(qū)，園區(qū)規(guī)劃產(chǎn)業(yè)用地比例不高于40%，居住和公共服務(wù)用地比例不高于20%，市政基礎(chǔ)設(shè)施及綠化用地比例不低于40%。園區(qū)定位包括服務(wù)保障、保稅商貿(mào)、對(duì)外交往、健康休閑四大主導(dǎo)功能。

園區(qū)目前供熱主要為分散燃煤供熱。周邊現(xiàn)狀：無(wú)可利用的熱源（燃?xì)忮仩t房、熱電廠等）。供電現(xiàn)狀：已有500 kV變電站1座，規(guī)劃再建500 kV變電站1座、220 kV變電站2座和110 kV變電站3座作為區(qū)域電源點(diǎn)。燃?xì)夤艿垃F(xiàn)狀：已有DN 500 mm次高壓供氣管道作為該區(qū)域近期氣源，規(guī)劃再建雙路次高壓天然氣管及高壓調(diào)壓站，出次高壓、中壓管線為園區(qū)供氣能源。

該區(qū)域有很豐富的太陽(yáng)能資源、淺層地?zé)豳Y源、中深層地?zé)豳Y源、污水余熱資源及天然氣資源，為光伏、中／淺層地源熱泵、污水源熱泵及冷熱電三聯(lián)供等技術(shù)應(yīng)用提供了必要的條件，為多種能源的協(xié)同應(yīng)用及可再生能源的推廣應(yīng)用提供了基礎(chǔ)保障。園區(qū)地處太陽(yáng)能輻射資源Ⅱ類(lèi)地區(qū)，是太陽(yáng)能資源很豐富的地帶，年總輻射量為 1400～1750 kW·h ／m2，全年光照時(shí)數(shù)為2700 h，年太陽(yáng)輻射總量為5680 MJ／m2，特別是5、6月份光照時(shí)間長(zhǎng)，在屋頂分布式光伏發(fā)電方面有優(yōu)勢(shì)；園區(qū)淺層地?zé)豳Y源靜態(tài)儲(chǔ)量為3.37×1013kJ，適合用地埋管式地?zé)岜?，?shí)現(xiàn)建筑物的供暖與制冷；園區(qū)地處華北地?zé)釒?，已開(kāi)鑿地?zé)峋?處，水溫一般為40～70℃，水量約900 m3／d，可用于供暖以及生活熱水；園區(qū)共有2座污水處理廠，污水處理能力為2.8×105m3／d，為污水源熱泵技術(shù)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)熱源。

2 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃核心理念

綜合能源系統(tǒng)是由電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)和供熱（冷）系統(tǒng)構(gòu)成的大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)，包含規(guī)模龐大、性能各異的能源利用和轉(zhuǎn)換設(shè)備，同時(shí)在供能與用能側(cè)存在大量形式各異的電、氣、熱（冷）耦合形式。因此，綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃在數(shù)學(xué)上屬于混合整數(shù)非線性尋優(yōu)，與傳統(tǒng)單一能源系統(tǒng)的規(guī)劃相比，在求解規(guī)模、時(shí)間尺度、控制變量等方面將更加復(fù)雜，其中綜合能源系統(tǒng)不確定性問(wèn)題的處理是規(guī)劃的關(guān)鍵問(wèn)題。

綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃面臨的首要問(wèn)題是供用能不確定性。在供能側(cè)，可再生能源的出力受到自然資源、氣象條件的影響，具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，因此在綜合能源規(guī)劃中不僅要考慮中長(zhǎng)期時(shí)間尺度上可再生能源資源總量，還需考慮短時(shí)間尺度上的概率分布特性；再者，隨著能源技術(shù)的發(fā)展，可再生能源可利用總量及開(kāi)發(fā)成本的變化直接影響可再生能源裝機(jī)增值趨勢(shì)，為中長(zhǎng)期綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃帶來(lái)了不確定性因素；最后，還需考慮政策、市場(chǎng)、經(jīng)濟(jì)等外部因素對(duì)能源系統(tǒng)投資產(chǎn)生的影響。在用能側(cè)，存在地區(qū)差異化的用能需求，包括各種類(lèi)型用戶的用能需求結(jié)構(gòu)，外部環(huán)境如能源價(jià)格、氣象條件所帶來(lái)的冷／熱／電用能需求總量的不確定性。

貴刊2018年第19期雜志封面故事《“難動(dòng)用”動(dòng)起來(lái)》，對(duì)勝利石油工程公司與勝利油田分公司合作開(kāi)發(fā)難動(dòng)用儲(chǔ)量的創(chuàng)舉進(jìn)行了生動(dòng)解讀，讀罷令人心潮起伏。這種解放思想、勇于創(chuàng)新、敢于啃最硬骨頭的勇氣和智慧，彰顯出石化人為油田負(fù)責(zé)、為國(guó)家負(fù)責(zé)的歷史情懷。勝利石油工程公司與勝利油田分公司，這對(duì)“分家”不分情的兄弟，再次聯(lián)手，深入合作，主動(dòng)作為，打造成“風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)、合作共贏”的利益共同體，實(shí)現(xiàn)了難動(dòng)用儲(chǔ)量從“難動(dòng)”到“可動(dòng)”再到“高效”動(dòng)用的轉(zhuǎn)變，被中國(guó)石化總部領(lǐng)導(dǎo)高度評(píng)價(jià)為一場(chǎng)“石油工程管理革命”。

基于地區(qū)負(fù)荷需求和資源稟賦因地制宜地構(gòu)建規(guī)劃場(chǎng)景，綜合考慮系統(tǒng)不同運(yùn)行階段特征，將不確定性影響因素進(jìn)行邊界化處理，并在此基礎(chǔ)上，利用多場(chǎng)景優(yōu)化方法有效降低規(guī)劃問(wèn)題復(fù)雜度。規(guī)劃場(chǎng)景在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃中的應(yīng)用貫穿始終，具體包括：通過(guò)引入規(guī)劃場(chǎng)景，基于負(fù)荷及風(fēng)光資源的日特性和年特性，針對(duì)規(guī)劃場(chǎng)景進(jìn)行分析，計(jì)算時(shí)序出力曲線與負(fù)荷曲線，提高對(duì)可再生能源裝機(jī)增幅和出力、冷／熱／電用能需求的預(yù)測(cè)精度；基于規(guī)劃場(chǎng)景，分析綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備和環(huán)節(jié)的變工況特性，以獲取系統(tǒng)不同工作模式下的約束條件；考慮規(guī)劃場(chǎng)景進(jìn)行系統(tǒng)分層協(xié)同規(guī)劃以及規(guī)劃結(jié)果的評(píng)估校驗(yàn)，全面評(píng)估規(guī)劃方案的可行性與合理性，改善規(guī)劃方案的適用性。

3 能源需求特性與負(fù)荷場(chǎng)景分析

本項(xiàng)目能源需求包括冷、熱、電3種負(fù)荷需求形式。利用空間負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，根據(jù)不同用地性質(zhì)預(yù)測(cè)能源需求，至飽和年園區(qū)最大電力負(fù)荷為1398MW，最大熱負(fù)荷為2068MW，最大冷負(fù)荷為1699MW。為了深入了解負(fù)荷特性，在園區(qū)峰值負(fù)荷需求預(yù)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合園區(qū)商業(yè)及公共服務(wù)、居民及倉(cāng)儲(chǔ)物流3種用地性質(zhì)的負(fù)荷特性曲線，進(jìn)一步擬合出園區(qū)冷熱典型日電負(fù)荷曲線和年負(fù)荷曲線。其中典型日電負(fù)荷曲線擬合結(jié)果如圖1所示。

針對(duì)上述典型日電負(fù)荷曲線，結(jié)合項(xiàng)目負(fù)荷分布，商業(yè)與公共服務(wù)類(lèi)負(fù)荷占峰值負(fù)荷的78%，其用能特性也決定了整體園區(qū)的負(fù)荷需求，即負(fù)荷高峰從08∶00持續(xù)到18∶00。用電設(shè)備主要包括照明、空調(diào)、電梯等，根據(jù)項(xiàng)目深入調(diào)研，本項(xiàng)目空調(diào)負(fù)荷在商業(yè)服務(wù)類(lèi)負(fù)荷中約占30%，具有柔性可調(diào)能力。

圖1 園區(qū)典型日電力負(fù)荷曲線Fig.1 Regional power loads of typical day

在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析不同場(chǎng)景下的負(fù)荷曲線，提高負(fù)荷預(yù)測(cè)精度。例如，在夏季晴天模式下園區(qū)電力負(fù)荷為1398 MW；夏季陰天模式下，由于空調(diào)負(fù)荷的下降，導(dǎo)致電力負(fù)荷變?yōu)榍缣炷Ｊ诫娏ω?fù)荷減去空調(diào)負(fù)荷，按照冷負(fù)荷與電負(fù)荷4∶1的關(guān)系，即1 kW冷負(fù)荷需要0.25 kW的電負(fù)荷提供，夏季陰天用能場(chǎng)景下電力負(fù)荷峰值將下降至973 MW。不同場(chǎng)景下的電力負(fù)荷曲線如圖2所示。

圖2 不同場(chǎng)景下的電力負(fù)荷曲線Fig.2 Power load curves of different scenarios

4 基于多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)建設(shè)方案

本項(xiàng)目規(guī)劃方案以投資費(fèi)用最小、綜合效益最大化為目標(biāo)，考慮系統(tǒng)能量與容量平衡、用戶差異化供電可靠性要求、可再生能源占比、綜合能效等要求，重點(diǎn)解決能源耦合節(jié)點(diǎn)設(shè)備的配置，實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源的有效配置。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃原則主要包括：基于多場(chǎng)景設(shè)計(jì)因地制宜地開(kāi)展綜合能源站子系統(tǒng)靈活建設(shè)；合理選擇能源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)，挖掘系統(tǒng)靈活性資源與能效提升環(huán)節(jié)；充分利用電力、天然氣、供熱（冷）系統(tǒng)多能互補(bǔ)特性，提高系統(tǒng)協(xié)同效益。

根據(jù)園區(qū)開(kāi)發(fā)及招商引資計(jì)劃，結(jié)合負(fù)荷冷熱電需求和資源稟賦，本項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)了4類(lèi)供用能場(chǎng)景，靈活建設(shè)共計(jì)13座綜合能源站子系統(tǒng)并給出項(xiàng)目建設(shè)時(shí)序，應(yīng)對(duì)不確定性的負(fù)荷增長(zhǎng)，避免超前投資及資產(chǎn)閑置，同時(shí)規(guī)劃設(shè)計(jì)支持子系統(tǒng)間互聯(lián)互濟(jì)的供能網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)供給與需求平衡。下面針對(duì)本項(xiàng)目中4類(lèi)規(guī)劃場(chǎng)景設(shè)計(jì)與能源利用技術(shù)選擇、區(qū)域綜合能源子系統(tǒng)建設(shè)時(shí)序及多能互補(bǔ)的能源系統(tǒng)協(xié)同效益進(jìn)行說(shuō)明。

4.1 規(guī)劃場(chǎng)景設(shè)計(jì)與能源利用技術(shù)選擇

4.1.1 大型集中式區(qū)域綜合能源站

結(jié)合園區(qū)4個(gè)110 kV變電站建設(shè)時(shí)序，就近接入高比例分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，利用集中式燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)與光儲(chǔ)一體化充電站，作為區(qū)域綜合能源子系統(tǒng)可調(diào)控手段，實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)冷熱電高效運(yùn)行及可再生能源就地消納。項(xiàng)目組成如圖3所示，包括110 kV變電站、燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、余熱鍋爐、分布式光伏和充電站。

圖3 大型集中式區(qū)域綜合能源站規(guī)劃場(chǎng)景設(shè)計(jì)Fig.3 Scenario design of centralized regional multi-energy station planning

4.1.2 小規(guī)模區(qū)域綜合能源站

圖4 小規(guī)模區(qū)域綜合能源站規(guī)劃場(chǎng)景設(shè)計(jì)Fig.4 Scenario design of small regional multi-energy station planning

4.1.3 高可靠供能區(qū)域綜合能源站

針對(duì)園區(qū)數(shù)據(jù)中心、醫(yī)院等高可靠用能負(fù)荷需求，配置燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、分布式光伏、空氣源熱泵結(jié)合余熱回收等供能系統(tǒng)，提高高強(qiáng)度負(fù)荷用能經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)通過(guò)區(qū)域柔性負(fù)荷、冷熱電聯(lián)供、電儲(chǔ)能等多能流調(diào)控手段提高系統(tǒng)供電可靠性。項(xiàng)目組成如圖5所示，包括燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、溴化鋰制冷、UPS電儲(chǔ)能、分布式光伏、熱泵和柔性負(fù)荷。

4.1.4 大型公共設(shè)施區(qū)域綜合能源站

針對(duì)園區(qū)內(nèi)大型商業(yè)設(shè)施、停車(chē)場(chǎng)等公共服務(wù)類(lèi)負(fù)荷發(fā)展建設(shè)，配置燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、溴化鋰制冷機(jī)組等能源設(shè)施滿足綠色用能需求，同時(shí)利用電池梯次利用、低壓柔直系統(tǒng)、光儲(chǔ)一體化充電站協(xié)同解決充電設(shè)施、停車(chē)場(chǎng)智能管理、分時(shí)租賃等模式創(chuàng)新。項(xiàng)目組成如圖6所示，包括10 kV開(kāi)關(guān)站、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、溴化鋰制冷、電池梯次利用、柔性低壓直流、光儲(chǔ)一體化充電站。

圖5 高可靠供能區(qū)域綜合能源站規(guī)劃場(chǎng)景設(shè)計(jì)Fig.5 Scenario design of high-reliable regional multi-energy station planning

圖6 大型公共設(shè)施區(qū)域綜合能源站規(guī)劃場(chǎng)景設(shè)計(jì)Fig.6 Scenario design of large regional multi-energy station planning for republic facilities

4.2 區(qū)域綜合能源子系統(tǒng)建設(shè)時(shí)序

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃解決產(chǎn)用能設(shè)備及供能網(wǎng)絡(luò)的選址定容，同時(shí)還要給出項(xiàng)目建設(shè)時(shí)序，避免超前投資及資產(chǎn)閑置。項(xiàng)目建設(shè)時(shí)序主要根據(jù)園區(qū)開(kāi)發(fā)及招商引資計(jì)劃，結(jié)合負(fù)荷增長(zhǎng)需求和區(qū)域電網(wǎng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)等相關(guān)城市規(guī)劃建設(shè)進(jìn)度，進(jìn)行同步實(shí)施。這里針對(duì)本項(xiàng)目東部片區(qū)項(xiàng)目建設(shè)加以說(shuō)明。

圖7 東部片區(qū)綜合能源子系統(tǒng)建設(shè)時(shí)序Fig.7 Construction schedule of eastern regional multi-energy subsystem

東部片區(qū)負(fù)荷增長(zhǎng)情況如圖7所示，依據(jù)園區(qū)控制性城市規(guī)劃和園區(qū)招商引資情況，2017年已有部分負(fù)荷開(kāi)工建設(shè)，其中包括1號(hào)綜合能源站附近的5 MW數(shù)據(jù)中心、2號(hào)能源站周邊的商用寫(xiě)字樓集群和3號(hào)能源站周邊的健康休閑產(chǎn)業(yè)區(qū)。部分用戶已與園區(qū)簽訂入駐意向書(shū)，計(jì)劃2018年入駐的主要包括4號(hào)綜合能源站周邊的大型商貿(mào)企業(yè)、5號(hào)綜合能源站周邊的大型會(huì)議商貿(mào)中心和6號(hào)綜合能源站周邊的物流倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)；計(jì)劃2019年建設(shè)的用戶包括分布于2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)綜合能源站附近的部分商住兩用建筑及7號(hào)能源站所在位置的大型物流倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)。圖中空白部分園區(qū)已有用地規(guī)劃，仍處于招商引資階段，屬于不確定的新增負(fù)荷。針對(duì)外部資源建設(shè)，片區(qū)北部已布屬DN 500 mm次高壓供氣管道，5號(hào)綜合能源站處在建110 kV變電站1座。

根據(jù)東部片區(qū)負(fù)荷增長(zhǎng)和需求結(jié)構(gòu)，結(jié)合外部資源在園區(qū)的布局，區(qū)域綜合能源子系統(tǒng)建設(shè)時(shí)序如圖7帶箭頭實(shí)線所示。其中2017年為了滿足在建數(shù)據(jù)中心用戶用能需求，建設(shè)高可靠供能區(qū)域綜合能源站，同時(shí)建設(shè)2號(hào)與3號(hào)小規(guī)模區(qū)域綜合能源站，其中2號(hào)能源站系統(tǒng)容量配置需考慮2018年周邊居民負(fù)荷增長(zhǎng)的需求；隨著2018年負(fù)荷增長(zhǎng)，開(kāi)展4號(hào)大型公共設(shè)施區(qū)域綜合能源站、5號(hào)大型集中式區(qū)域綜合能源站和6號(hào)小規(guī)模區(qū)域綜合能源站的建設(shè)，其中4號(hào)能源站容量配置需滿足2019年大型商貿(mào)企業(yè)負(fù)荷需求，5號(hào)能源站建設(shè)不僅需滿足2019年周邊居民負(fù)荷增長(zhǎng)，同時(shí)還需考慮東部區(qū)域系統(tǒng)的整體容量與能源平衡；2019年針對(duì)大型物流倉(cāng)儲(chǔ)企業(yè)的入駐建設(shè)6號(hào)和7號(hào)小規(guī)模區(qū)域綜合能源站，由于倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)的用能總量較小，其屋頂分布式光伏系統(tǒng)的消納將依靠區(qū)域10 kV供電網(wǎng)絡(luò)外送至4號(hào)與5號(hào)能源站，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)之間的能源互補(bǔ)互濟(jì)。

4.3 多能互補(bǔ)的能源系統(tǒng)協(xié)同效益

4.3.1 電網(wǎng)交換功率削峰填谷效益

針對(duì)園區(qū)資源優(yōu)化配置，基于場(chǎng)景分析運(yùn)用運(yùn)行模擬仿真，評(píng)估園區(qū)綜合能源系統(tǒng)與電網(wǎng)的交換功率，驗(yàn)證基于多能互補(bǔ)的多場(chǎng)景資源配置所帶來(lái)的削峰填谷的效果。晴天場(chǎng)景各種能源供能情況如圖8所示。晴天場(chǎng)景通常氣溫較高，有供冷需求，電力最大負(fù)荷為1398 MW，同時(shí)晴天場(chǎng)景太陽(yáng)能發(fā)電出力大。晴天場(chǎng)景時(shí)主要由光伏、三聯(lián)供等技術(shù)供電，由電網(wǎng)公司供電最大負(fù)荷為535MW，減少了863MW。

圖8 夏季晴天場(chǎng)景各種能源供能時(shí)序曲線Fig.8 Energy supply curves of clear day in summer

陰天場(chǎng)景各種能源供能情況如圖9所示。陰天場(chǎng)景通常氣溫較低，一般沒(méi)有供冷負(fù)荷需求，電力大負(fù)荷為1086 MW，同時(shí)陰天場(chǎng)景沒(méi)有太陽(yáng)能發(fā)電出力。陰天場(chǎng)景時(shí)主要由三聯(lián)供等技術(shù)供電，由電網(wǎng)公司供電大負(fù)荷為686 MW，減少了400 MW。

圖9 夏季陰天場(chǎng)景各種能源供能時(shí)序曲線Fig.9 Energy supply curves of cloudy day in summer

4.3.2 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能源利用效率

為了提高區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的整體利用效率，在規(guī)劃階段需深入調(diào)研各類(lèi)供能技術(shù)能效范圍并進(jìn)行排序，優(yōu)先選用高能效的供能技術(shù)。本項(xiàng)目涉及的供能技術(shù)中，現(xiàn)有冷熱電聯(lián)供（CCHP）效率可達(dá)70%以上，本地可再生能源電能僅考慮傳輸損耗效率可達(dá)90%以上，熱泵效率可達(dá)300%～500%。因此在規(guī)劃方案的設(shè)計(jì)中通過(guò)提高能效的3類(lèi)措施確保園區(qū)設(shè)計(jì)能效大于50%，具體包括：通過(guò)分布式儲(chǔ)能裝置增加本地分布式光伏的消納，減少外送電力需求；對(duì)全年冷熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)分析，確定適宜的單機(jī)容量和臺(tái)數(shù)配置，確保CCHP余熱的利用，提高CCHP系統(tǒng)綜合能效；通過(guò)供能分區(qū)合理劃分和冷熱水網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高供能管網(wǎng)負(fù)載率，降低輸送能耗。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)能效計(jì)算為年度冷熱電負(fù)荷總輸出比年度一次能源總輸入，其中年負(fù)荷總量考慮了不同負(fù)荷類(lèi)型、用能種類(lèi)、容量和年利用小時(shí)數(shù)，計(jì)算公式為負(fù)荷容量×年利用小時(shí)數(shù)；總輸出的計(jì)算考慮了不同供能設(shè)備不同一次能源的輸入，計(jì)算公式為裝機(jī)容量×年利用小時(shí)數(shù)×折合為一次能源系數(shù)。本項(xiàng)目綜合能效如圖10所示，設(shè)計(jì)值達(dá)到65.13%。

4.3.3 項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模與社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

園區(qū)全社會(huì)總用電量為5.187×109kW·h，總用熱量為2.895×109kW·h。其中，規(guī)劃光伏鋪設(shè)面積為4.0335×106m2，裝機(jī)容量為573 MW；規(guī)劃電動(dòng)汽車(chē)3.36×104輛，電動(dòng)汽車(chē)充電樁 1.555×105個(gè)，充換電站4座；新建淺層地源熱泵為161 MW，污水源熱泵為 87.5 MW，配置電儲(chǔ)能容量為52 MW·h，相變儲(chǔ)能結(jié)合熱泵、三聯(lián)供系統(tǒng)等綜合配置；新建13座綜合能源站，規(guī)劃冷熱電三聯(lián)供365 MW；規(guī)劃中深層中低溫地?zé)峋?，供熱?guī)模為375 MW；規(guī)劃110 kV變電站13座，總?cè)萘繛?150 MW。

圖10 綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)能效測(cè)算Fig.10 Calculation of design energy efficiency of multi-energy system

建設(shè)投資113.31億元，年盈利13.65億元，投資總資產(chǎn)收益率為12.05%，每年將節(jié)省煤炭1.3895×106t／a，減少碳粉塵、二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物分別為 1.806× 105t／a、1.232870×108t／a、2.37×104t／a和 1.38×104t／a。

其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電、中深層地源熱泵供熱和淺層地源熱泵供熱屬于可再生能源，可再生能源裝機(jī)占大負(fù)荷的32%，可再生能源滲透率達(dá)24.5%；分布式光伏年發(fā)電量為5.7276×108kW·h，分布式光伏裝機(jī)占大電力負(fù)荷的41%，光伏發(fā)電滲透率達(dá)11%；中深層地源熱泵年供熱量為1.08×109kW·h，淺層地源熱泵年供熱量為3.24×108kW·h，地源熱泵裝機(jī)占大熱力負(fù)荷的25.9%，地源熱泵供熱滲透率達(dá)48%。

5 結(jié)論

電力、天然氣、熱（冷）系統(tǒng)的差異性，給綜合能源系統(tǒng)多能源耦合的規(guī)劃提出了巨大挑戰(zhàn)，如何充分利用多種能源的互補(bǔ)特性，通過(guò)典型規(guī)劃場(chǎng)景確定規(guī)劃邊界，挖掘源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)等各個(gè)環(huán)節(jié)能效提升資源，提升可再生能源的消納能力，是綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的關(guān)鍵問(wèn)題。本文通過(guò)我國(guó)北方某園區(qū)的規(guī)劃實(shí)例，結(jié)合多場(chǎng)景規(guī)劃理念，針對(duì)區(qū)域能源需求精細(xì)化分析、綜合能源子系統(tǒng)規(guī)劃、區(qū)域能源系統(tǒng)建設(shè)時(shí)序及多能互補(bǔ)協(xié)同效益等規(guī)劃環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析，強(qiáng)調(diào)了依據(jù)區(qū)域冷熱電需求和資源稟賦，合理選擇能源開(kāi)發(fā)技術(shù)，構(gòu)建體現(xiàn)地方差異性的規(guī)劃場(chǎng)景，通過(guò)局部自平衡的資源優(yōu)化配置和供能網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間的互補(bǔ)互濟(jì)的規(guī)劃路徑。相比傳統(tǒng)能源系統(tǒng)分產(chǎn)分供的形式，綜合能源系統(tǒng)在可再生能源利用、能效提升、削峰填谷及經(jīng)濟(jì)性方面釋放出新的價(jià)值空間，為區(qū)域低碳、綠色的能源發(fā)展提供了可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)支撐，顯示出綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

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