基于多能互补的区域级综合能源关键技术及应用

  完成单位：国网北京市电力公司电力科学研究院

  主要完成人：孙钦斐、李香龙、段大鹏、潘鸣宇、赵乐、赵贺、林志法、侯宇程、柴志超、曹昕

一、研发背景

我国正处于能源产业结构调整的关键时期，能源需求日趋多元化，现有的能源生产和消费模式与节能减排之间的矛盾突显。通过多能互补技术提升能源资源综合能效是推动我国实现“双碳”目标的关键技术举措。为此，区域能源系统亟需向以综合能源为特征的能源互联网方向发展，大幅提升能源使用效率，满足区域内多种用户冷、热、电等多元化综合能源需求。区域综合能源技术以下四方面的挑战：

1.当前各供用能系统单独规划，缺乏有效的区域级多能互补系统规划方法和配置原则指导合理规划及协同建设，单位GDP能源消耗量为发达国家的2倍，无法与日益增长的多元化能源需求相匹配。

2.缺乏区域综合能源多能流的精益化调度控制，未充分发挥综合能源对电网峰谷调节的作用，源网荷储资源协同性较差，冬夏负荷双高峰现象严重。

3.尚未形成一套完整的区域能源互联网评价体系，评价指标单一零散、覆盖范围不足；忽略了存量综合能源运行数据在设备环境适应性评价、综合能源系统评价方面的价值。

4.区域综合能源涉及设备、系统、用户种类繁多、数据量大，缺乏综合能源电、冷、热等各种能源形式和设备数据转换、采集和本地处理执行能力，上层控制中心存在运算处理能力瓶颈，“供电+能效”服务能力受限。

针对上述问题，迫切需要立足区域能源资源优化、综合能源供给和用能效率提升等目标，在综合能源优化规划配置、多能互补控制、综合能源评价、能源互联架构建设等方面开展科技创新和成果示范应用。

二、发明团队介绍

项目团队共有11人，其中教授级高级工程师1人、高级工程师5人，工程师5人，博士1人、硕士10人，主要承担能源互联、多能互补与优化协同控制、新能源并网与消纳、新型储能、电力需求侧管理相关技术研究。项目负责人孙钦斐，博士，高级工程师，工作至今承担国网公司级、省公司级科技项目6项，累计授权专利16项、发表论文12篇，参编标准4项，获得电力行业、国网公司及省公司各类奖项8项。

三、成果(专利)简介

项目针对区域能源资源优化、综合能源供给和用能效率提升需求，取得综合能源优化规划配置、多能互补控制、综合能源评价、能源互联架构建设四个方面创新。

1.建立考虑投资成本、电能消费、碳排放的综合能源优化配置双层规划模型，实现电、冷、热能源形式的协同规划及源荷最优匹配。

（1）建立了涵盖分布式光伏、光热、储能、空调、电采暖、电动汽车充电设施的综合能源元件数学模型，实现了基于灰色预测算法和时间序列算法的供给侧与需求侧能量预测，实现预测相对残差小于0.1。

（2）考虑区域非工楼宇、工业、仓储、农业等不同类型地块功能属性特征，兼顾区域综合能源投资成本、用能成本、新能源消纳和碳排放指标，以投资容量、电-冷-热平衡、储能运行状态为约束，提出基于NSGA-II的多目标多约束区域级综合能源优化配置双层规划方法和配置原则，实现综合能源资源的互补配置和优化定容，有效提升了区域内冷热等综合能效，加快区域绿色低碳发展目标。

2.提出区域综合能源系统多能互补优化控制方法，建立基于可调负荷可调潜力的综合能源与电网协调互动策略，实现区域内能源优化自治与区域电网间能量优化调度。

（1）提出了基于新能源最大消纳及用能经济性最优的区域综合能源系统多能互补优化控制方法，针对10种典型日建立分场景多能互补仿真模型，满足电-冷-热平衡、可时移电负荷日用电量、热-电多形态储能以及可控热源输出热量等约束条件，实现了用能最大节省70%。

（2）建立基于可时移特性及可削减特性的可调负荷调节潜力资源库，提出考虑电网经济运行、用户用能需求的综合能源与电网协调互动策略，实现区域内采暖/降温负荷的需求响应控制、电动汽车有序充电控制。可调负荷调节实现了供冷供热优化控制节能10%以上；分时电价协同光伏、储能实现了峰段最大负荷削减23.7%。

3.建立考虑电网运行、设备性能、社会经济效益、环境效益的多目标综合能源评价体系，提出基于数据驱动及人工智能的综合能源运行评价方法，实现从设备评价到系统评价的全面覆盖。

（1）基于主成分分析法提出了影响综合能源综合运行效益的关键指标，基于层次分析法与TOPSIS建立了的涵盖经济效益、社会效益、环境效益、电网运行、设备性能等5大类“3层23指标”的综合能源评价体系，促进区域综合能源运行效益提升和商业模式建立。

4.开发基于边缘计算技术的智能终端设备,建立区域级多能互补系统能源互联架构，实现各类型设备之间、设备和系统之间的协议级数据转换、协同采集、智能控制和互联互通。

（1）开发基于边缘计算技术的智能终端设备,实现不同类型设备之间、设备和系统之间的多样化采样和协议级数据双向转换，实现Modbus、 TCP等6种常见协议之间的信息互通，以及LAN到RS485等多维度物理信道转接，基于电力、楼宇自控、工业控制等标准通信协议实现控制策略的智能自主执行。

（2）建立区域级多能互补系统能源互联架构，以物理层智能感知基础，融合5G通信、物联网IoT技术和边缘计算终端，实现多源数据采集，智能控制和区域能源互联互通。建立面向能源托管、能效管理、多能供应、新能源应用等场景的能源应用，实现区域能源的友好互动应用，用户用能接入及用能服务效率提升30%。

四、成果（专利）转化情况介绍

项目成果在北京地区多个区域得到整体应用：

1.本成果应用于北京大兴临空经济区综合能源规划、建设和运行。实现对区域内各类能源和负荷的优化规划和匹配，并通过多能互补、需求响应技术实现区域内资源的互补运行及与电网的高效互动，极大的提升了综合能源的利用效率和区域用能能效水平，能源效率提升达到10%以上；通过高能效比的综合能源系统的应用，区域内用电最大负荷下降超过7%，有效节省配电网的改造投资成本；通过能源互联应用，实现用户接入服务、缴费服务效率提升30%以上，对于区域级多能互补技术推广应用起到积极示范作用。

2.本成果在朝阳、丰台、海淀、通州、亦庄等地20余栋楼宇开展推广应用，实现空调等综合能源资源的聚合及精准调控，最大可调调控负荷15MW，其中柔性可调控负荷2.5MW，实现电网投资节支11238万元。通过对用户内部的用能数据和运行工况进行实时采集分析，实现楼宇能源优化自治与电网间能量优化调度，实现优化节能10%-15%。

五、经济效益与社会效益介绍

经济效益方面：近两年，实现综合能源服务收入、电网投资节支累计2117.58万元，考虑大兴临空经济区整体能源规划成效，预计可增加电网投资节支12.12亿元。社会效益方面：成果的应用极大改善了现有能源生产与节能减排、能源供给与能源需求多元化之间的矛盾，为促进北京地区能源资源优化，加强灵活资源与电网互动，提升可再生能源利用率提供了可靠技术手段，对北京冬奥区域、丽泽商务区等重要区域综合能源规划建设和优化运行起到重要示范作用。