第36卷第14期中国电机工程学报V ol.36 No.14 Jul. 20, 20162016年7月20日Proceedings of the CSEE ©2016 Chin.Soc.for Elec.Eng. 3817 DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.160198 文章编号：0258-8013 (2016) 14-3817-12 中图分类号：TM 73多能源系统分析规划初探邵成成，王锡凡，王秀丽，王碧阳(电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学)，陕西省西安市 710049)Probe into Analysis and Planning of Multi-energy SystemsSHAO Chengcheng, WANG Xifan, WANG Xiuli, WANG Biyang(State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment (Xi’an Jiaotong University),Xi’an 710049, Shaanxi Province, China)ABSTRACT: The energy systems such as the electric power system, natural gas network and heat (cool) system are conventionally analyzed and planned independently. The introduction of the multi-energy system helps exploit the synergy of different energy forms, promote the integration of renewable energy and improve the energy efficiency. Firstly, the structure of the energy system was introduced, as well as the features of different subsystems. Secondly, the energy flow equations and analysis methods were presented. Based on them, the optimal operation and planning of energy systems were discussed respectively. Finally, the key problems for the multi-energy system analysis and planning were summarized, to throw some light on the related research.KEY WORDS: multi-energy system; energy flow calculation optimal operation; energy system planning摘要：传统的能源系统分析规划研究局限于电、气、热(冷)等单一能源形式系统的内部。
多能源系统的统筹协调有利于促进可再生能源吸纳，提高能源利用效率。
文中首先介绍了多能源系统的结构，分析了电、气、热(冷)等子系统的特征，探讨了协同效益，进而阐述了能源流分析计算方法。
基于此，对多能源系统的优化运行与优化规划问题进行了分析、讨论。
最后，总结了多能源系统分析与规划的关键问题，以期为相关研究提供参考。
关键词：多能源系统；能源流计算；优化运行；能源系统规划0 引言能源是生产、生活的动力来源，是人类社会赖以生存发展的基础。
伴随着经济社会的高速发展，能源消耗速度急剧加快，气候变暖、大气污染等环基金项目：国家自然科学基金项目(51577146)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51577146). 境问题也日益加剧。
能源供应已成为制约人类社会可持续发展的关键因素，而控制温室气体排放、遏制气候变暖也成为世界各国的共识。
传统的能源系统运行、规划局限于电、气、热(冷)等单一能源形式系统的内部，无法充分发挥它们之间互补优势和协同效益。
例如，电力系统缺乏储能装置，面临着风电等大规模间歇性能源并网的困难与挑战；而天然气系统、供热系统较强的储能能力未得到发挥、利用。
多种能源协调运行，可发挥不同系统的优势和潜力，丰富可再生能源消纳途径，扩大可再生能源消纳空间，促进可再生能源的消纳。
同时，多种能源的统筹考虑可以在更大范围内的实现资源优化配置，提高能源利用效率。
针对此，研究人员相继提出了能源枢纽(energy- hub)[1]、智能能源系统(smart energy system)[2]、综合能源系统(integrated energy system，IES)[3]等概念，阐述多种能源形式协调运行的理念，探讨协同效益，为能源综合利用提供框架。
也有研究人员就电力–天然气协调运行[4-6]、电力–供热协调运行[7-8]等具体问题开展了研究。
结合蓬勃发展的信息技术和互联网经济，里夫金提出能源互联网(energy internet)的概念[9]，认为未来能源系统应泛在互联、平等共享，支撑分布式能源的广泛接入。
多能源系统指电、气、热(冷)等单一能源系统耦合形成的有机整体。
它作为能源互联网中的物理部分，能为多种能源协调、综合利用提供平台。
相关研究、实践工作受到各国政府高度重视。
中国国家电网提出构建全球能源互联网[10]，希望通过广域互联实现清洁能源的开发与消纳。
美国在2007年颁布的能源独立与安全法[11]中明确要求对电力和天然气系统必须进行综合规划。
欧盟在多个研究框3818 中国电机工程学报第36卷架下列入了多种能源形式的协调优化问题[12]，德国政府通过E-Energy项目在多个地区建设了示范性的微型多能源系统[13]。
已有不少文献对能源互联网的进行了分析、介绍[14-18]，但侧重于讨论相关概念、理念，分析信息通信系统对物理系统的影响，探讨互联网思维带来的经营方式的转变。
本文针对其物理部分——多能源系统展开，着重介绍了多能源系统的运行特性和优化问题，主要包含以下内容：1）多能源系统结构以及基本特征；2）能源流分析、计算；3）多能源系统优化运行；4）多能源系统规划。
基于上述介绍和分析，总结了相关研究所面临的关键问题。
1 能源系统结构能源系统的结构指构成系统的各个部分以及它们之间的相互联系，包含与能源生产、变换、输送、存储以及消费相关的各个环节。
1.1 子系统特征按能源形式划分，能源系统主要由电力系统[19]、天然气系统[20]、供热(冷)系统[21]等子系统构成；其他形式的能源(如石油、氢气)系统与它们特征相似。
尽管电、气、热等子系统都呈现复杂网络形态，但它们在结构和运行特性仍有一定差别，主要体现在以下几个方面。
1）规模跨度。
与电力系统类似，天然气系统跨度较大，可划分为配气网、区域输气网以及国家、跨国输气网等多个层次；但洲际输送主要靠远洋货轮实现[22]。
供热系统受限于输送损耗，规模较小，半径约为30~50km，供冷系统规模更小通常局限于一个社区或数幢建筑物[23]。
2）时间尺度。
与电力系统相比，气、热系统暂态过程相对缓慢，以分钟、小时计，这主要取决于它们较低的压强传播速度(声速)和介质流速，并受系统规模影响。
3）控制手段。
电网监视、控制手段完备，气、热系统调节手段相对单一，主要阀、泵等装置控制介质流速，通过加压站或热源控制气压或水温。
4）储能特性。
电能储存困难，气、热存储相对便捷。
天然气存储方式多样，常见的有地下储气库存储、压缩天然气存储和管道及管道束存储[24]，分别用于季度、月度以及短期的供气平衡。
据预计，2030年全球天然气储存能力将增至6530亿立方米，占当年天然气总需求的13.1%[25]。
蓄热方式多针对热负荷日调峰特性，常见的有热水箱蓄热、相变蓄热、热网蓄热、负荷侧蓄热[26]。
其中，负荷侧蓄热充分利用用户热惯性、无需额外投资，被视为理想的蓄热方式。
气、热优越的储能特性将有助于实现大规模可再生能源的消纳。
表1对上述内容进行了总结。
表1不同子系统特征对比Tab. 1 Comparison among different sub-systems特征电力系统天然气系统供热(冷)系统规模跨度大跨度较大较小传播速度极快适中缓慢暂态过程秒、分级分钟、小时级，取决于网络规模控制手段丰富相对单一储能成本高，规模小需要一定成本，规模大，多时间尺度所需成本较低，潜力大，以短期为主1.2 耦合形态电、气、热(冷)子系统通过能量变换或能量转移装置实现交互、互联。
前者通过将一种形式的能源变换成其他形式的能源，建立多种能源系统的耦合关系，如燃气轮机、燃气锅炉等设备；后者主要指空调、热泵，通常消耗一种能源(如电能)调整、改变另一种能源(热能)在环境、空间中的分布，满足用户需求。
除燃气发电机、锅炉等大型源侧装置外，大量耦合装置广泛分布在负荷侧，即用能环节，如空调、小型联产发电机、热泵、电热炉等。
能量输送环节中的多能耦合主要是维持气、热网络正常运行的电加压。
表2给出了常见的多能源耦合形式和耦合装置。
近年来，电转天然气[27]、电转氢气技术[28]也得到广泛关注，为能源系统引入新的耦合方式。
表2常见的能源变换与耦合环节Tab. 2 Common energy conversion and coupling devices 装置输入输出耦合系统燃气轮机天然气电负荷气-电燃气锅炉天然气热负荷气-热(冷)热电联产天然气电负荷、热(冷)负荷气-电-热电热炉电热负荷电-热热泵、空调电热(冷)负荷电-热(冷) 循环泵电天然气、供热网络的运行电-气、电-热多能耦合的合理性可从以下两个方面考察：1）是否有利于提升能源使用效率或经济效率(计及价格因素)；2）是否有利于发挥多种能源的互补特性。
以供热为例，采用燃气轮机发电后再通过电热炉供热，综合效率约为0.40；直接采用燃气供热，效率约为0.85~0.95[29]。
可见电热炉供热能效较低，第14期邵成成等：多能源系统分析规划初探 3819仅适用于燃料难以获取、电力供应过剩等情形。
虽然电转气能效低，但将电能转化为便于存储的天然气有利于促进可再生能源消纳。
多能源系统耦合的意义在于通过能源转换、协调，发掘协同与互补效益，提升能源整体的可利用率和效率。