深度｜园区能源互联网多能源协同优化配置发展构想

2 国内外园区能源互联网示范工程

2.1 国外园区能源互联网示范工程

2.1.1 欧洲

PEI建设最早起源于欧洲地区，主要是为实现可再生能源的集成利用与节能减排。其中，欧盟已经通过实施SAVE-II能效行动计划以推动PEI的发展[12]，在欧盟框架下众多科技项目(如Intelligent Energy、Trans-European Networks、Intelligent Energy、Edison、i-Next、Horizon 2020等)资助下，对PEI的配置、运行、控制、保护、运营模式等技术开展了深入研究，相继建立了包括德国科隆/波恩机场PEI、意大利都灵内燃机冷热电PEI、英国华为大学PEI、曼彻斯特机场冷热电联供PEI、Victorian时代宾馆PEI、丹麦的Bornholm PEI[13-15]等在内的一大批示范工程。欧洲PEI的主要运行方式是将各类型分布式清洁能源或可再生能源转换为电能后，汇集于交流母线，重点突出电能在不同能源利用形式中的核心地位，并研发了相应的分层控制策略、能量管理方法、保护方案等，以体现系统可靠性、可接入性和灵活性等特征，并借此向公众展示PEI在不同能源集成消纳方案中的优越性。

2.1.2 北美

美国有关PEI的建设在1978年美国颁布《公共事业政策管理法》后得到推广，并于2010年提出&“CCHP 2010年纲领”[16-18]。美国现已建成以天然气分布式能源为主的PEI项目6000多处。美国政府将PEI的建设纳入长期建设目标，相应制定了具体的阶段规划目标：争取到2010年，20%的新建商用或办公建筑使用“分布式冷热电联产”供能系统;5%现有的商用写字楼改建成“分布式冷热电联产”系统。到2020年时，在50%的新建办公楼或商用楼群中，采用“分布式冷热电联产系统”，将15%现有建筑改建成“分布式热电联产”系统。在美国能源部(DOE)的支持下，美国电力可靠性技术协会(CERTS)、国家可再生能源实验室(NREL)、知名大学、跨国企业等众多机构，先后建设了许多PEI实验平台和示范工程，如：可口可乐工厂园区PEI、通用电气公司PEI、Waistfield PEI、San Ramon PEI、Walnut PEI、哥伦布Dolan技术中心微网、加州大学San Diego分校PEI等[19]，这些示范项目及相关研究重点关注PEI的组网方式、运行与控制策略;Sandia国家实验室PEI、劳伦斯伯克利国家实验室PEI、Santa Rita Jail PEI、Palmdale PEI、Fort Collins PEI、IIT PEI、Borrego Springs PEI、OkaRidge CCHP PEI、Maryland CCHP PEI[20]等则致力于多种能源高效利用，更多关心冷热电联供技术在PEI中所起作用。

加拿大政府启动的ICES(integrated community energy solutions)研究计划，重点关注PEI技术在各类社区供能环节的应用，特别强调各类分布式能源的集成利用和与社区公共设施(交通、医疗、通信等)的相互支撑。在ICES项目资助下，加拿大先后建立了包括Kasabonika PEI、Bella Coola PEI、Ramea PEI、Nemiah PEI、Quebec PEI、Utility PEI、Hydro Boston Bar PEI、Calgary PEI等在内的诸多示范工程，并计划在2020年前，在全国构建2 000余个PEI系统。

2.1.3 日本

日本在新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的资助下，分别在Aichi、Kyoto、Hachinohe、Kyotango、Shimizu和Sendai等地建立了多项PEI示范工程[21]。主要利用从主结构对PEI进行控制，应用上层能量管理系统控制储能设备及分布式能源以平衡系统功率。此外，在日本JSCA(Japan Smart Community Alliance)协会倡导资助和包括Tokyo Gas在内的众多能源公司积极参与下，日本也在积极开展PEI供用技术的研究，其理念与加拿大ICES类似。

2.1.4 小结

欧洲PEI示范工程侧重于通过多能协同对可再生能源进行充分消纳;北美则更关注通过三联供技术提升能源综合利用效率;日本则突出多能互补能量管理的优化。世界各国均结合自身需求对PEI开展了广泛建设。然而，目前尚缺乏从经济性、能源利用率、供电可靠性、清洁性等不同角度进行综合考虑的工程。

2.2 国内园区能源互联网示范工程

中国PEI的建设开展较晚，但随着科技进步以及能源结构调整需求，PEI建设技术发展十分迅速[22]。国家发改委与能源局下发了《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》，明确指出要通过三联供、分布式可再生能源等方式，实现能源的梯级利用以提高利用率，其中PEI技术是其示范的重点方向。国家《可再生能源法》和《可再生能源中长期发展规划》已将冷热电联供技术列入重点发展领域。大量示范项目获得了建设和应用，如中新天津生态城动漫园PEI、天津大学滨海工业研究院PEI、上海浦东国际机场PEI、中电投高培中心PEI、申能能源中心PEI、广州大学城PEI、长沙黄花国际机场PEI、北京市燃气集团控制中心大楼PEI、上海交大紫竹园PEI、上海市北燃气公司PEI、中关村软件园区软件广场PEI等[23-26]。中国PEI发展迅猛，应用主要集中在经济发达的广州、上海、天津和北京等大城市。

中新天津生态城动漫园PEI是全国首例实现多种能源技术智能耦合高效利用的PEI，已在中新天津生态城投入运营[27-28]，该站有地源热泵、光伏发电等可再生能源技术，水蓄能、燃气三联供四大节能技术，实现了不同类型能源的充分利用，可满足动漫园内约24万m2公共建筑冷暖需求，每年可节约标准煤1 904 t、减少二氧化碳排放4 971 t、减少二氧化硫排放46 t、节约用水1万t。

国网客服中心北方园区能源互联网拥有光伏发电系统、地源热泵、冰蓄冷、太阳能空调系统、太阳能热水、储能6个子系统。园区各能源的优化调度均通过园区能源互联网运行调控平台实现，突破了以电能为单一外购能源的综合能源供应服务模式，能够有效落实“两个替代”两个替代和多能源互联应用。园区年平均可再生能源占比大于32%，最高达到了58%[29]。

3 园区能源互联网优化配置面临问题

PEI中的电、气、冷、热环节存在非常紧密的耦合关系，因此处理得当则可充分挖掘不同能源的互补替代能力，从而大大提升PEI运行特性和降低PEI运行成本。现有的PEI优化配置方法未能将电力环节其他能源环节(气、冷、热)以统一形式纳入优化配置模型，应用场景考虑相对单一，且缺乏可涵盖电、气、冷、热各环节的PEI优化配置综合评价指标体系。

总体来看，PEI的优化配置理论研究仍存在以下关键问题。

(1)多能耦合与运行机理复杂。对PEI而言，电、气、冷、热多类型能源耦合紧密，各类能源环节多时间尺度上的动态特性复杂，工况多变且呈现高度非线性。多能源供需不确定性和时空多尺度性的解析是优化配置方案设定的前提。

(2)规划目标多样化与动态化。多能源融合的特征使PEI优化配置目标变得更加多元化。不同能源环节在设备级、系统级均存在差异化运行目标及约束，不同用能主体间呈现博弈特性，需要明确PEI在生产运行中对能源利用效率的影响因素以及相关因素的作用机理，并在此基础上提出适用的多目标动态优化配置方法，来满足未来PEI多维度复杂规划要求。

(3)高度依赖于信息及通信系统。信息及通信系统主要用于信息的提取、存储与分析，是实现PEI多能源协同控制等基本功能的保证。传统PEI优化配置方法不考虑信息与通信系统，无法适应PEI的发展要求，目前仍缺乏适用于PEI信息与通信系统的优化配置方法。

(4)投资成本与效益的重新定义。不同能源设备及控制方法的使用改变了PEI的成本效益构成，与传统PEI的运维报废成本存在一定区别。因此，PEI优化和配置需要引入新的成本与效益分析方法。

(5)完善建模与仿真方法。当前PEI仿真分析软件虽然集成了DER建模工具，但模型库并不完善，仿真分析技术也无法适应PEI规划需要，亟需可综合考虑DER运行特征的建模与仿真工具，并对系统可能遇到的各种不确定性场景进行精细化运行模拟，可为优化配置提供边界约束信息，提升优化配置方案的多场景适用性。

总之，由于尚缺乏可综合考虑各种能源耦合的PEI优化配置理论体系及应用工具，该问题已成为制约PEI技术大范围推广应用的一个重要瓶颈，亟需得到解决。