《区域综合能源系统规划理论及应用》针对我国能源发展与转型过程中所面临的规划挑战，主要介绍区域综合能源系统的规划技术及方法，阐述能源互联网背景下区域综合能源系统的关键规划理论及应用。《区域综合能源系统规划理论及应用》共7章，主要包括区域综合能源系统建模与仿真、面向规划分析的场景生成技术、区域综合能源系统能源站规划方法、区域综合能源系统网络中短期规划方法、区域综合能源系统网络中长期规划方法、区域综合能源系统规划应用。

目录
“智能电网技术与装备丛书”序
前言
第1章 概述 1
1.1 综合能源系统 1
1.1.1 综合能源系统的发展背景 1
1.1.2 综合能源系统的概念 2
1.1.3 综合能源系统的相关工程建设现状 2
1.1.4 综合能源系统的分类和特征 7
1.2 区域综合能源系统规划国内外研究现状 8
1.2.1 区域综合能源系统多时间尺度多重不确定性分析方法 11
1.2.2 区域综合能源系统多目标站网规划 13
1.2.3 区域综合能源系统随机规划 15
1.2.4 区域综合能源系统规划面临的问题和挑战 16
参考文献 16
第2章 区域综合能源系统建模与仿真 22
2.1 能源站二端口模型分析及模型修正方法 22
2.1.1 基于能源集线器修正模型的能源站建模 22
2.1.2 基于状态参数矩阵的能源站建模 24
2.1.3 基于标准化矩阵模型的能源站建模 24
2.1.4 考虑能量平衡约束的能源站建模 25
2.1.5 四类标准化矩阵建模方法对比 28
2.2 多能源荷不确定性建模 28
2.2.1 中短期规划中的可再生能源不确定性建模 29
2.2.2 中短期规划中的多能负荷不确定性建模 30
2.2.3 中长期规划中的长期演化不确定性建模 32
2.3 区域综合能源系统多能网络稳态模型 32
2.3.1 区域配电系统稳态模型 33
2.3.2 区域配气系统稳态模型 35
2.3.3 区域供热系统稳态模型 36
2.4 本章小结 38
参考文献 39
第3章 面向规划分析的场景生成技术 41
3.1 面向中短期规划的多维相关场景生成方法 41
3.1.1 多维相关场景生成方法 42
3.1.2 随机场景生成及优选方法 54
3.1.3 算例分析 58
3.2 面向中长期规划的多阶段场景树与能源价格区间预测方法 70
3.2.1 基于条件生成对抗网络-随机森林-马尔可夫链模型的多阶段场景树生成
方法 70
3.2.2 基于多指标人工神经网络模型的能源价格区间预测方法 74
3.2.3 算例分析 78
3.3 本章小结 85
参考文献 86
第4章 区域综合能源系统能源站规划方法 89
4.1 确定性分布式能源站规划 89
4.1.1 分布式能源站配置-运行协同优化方法 89
4.1.2 分布式能源站配置-运行协同优化模型求解 94
4.1.3 算例仿真与分析 96
4.2 考虑源荷不确定性的分布式能源站规划 104
4.2.1 目标函数 105
4.2.2 约束条件 106
4.2.3 求解算法 108
4.2.4 算例分析 110
4.3 多区域能源站互联协同规划 118
4.3.1 考虑互联协同的分布式能源站多目标选址模型 118
4.3.2 随机场景下分布式能源站互联协同规划模型 130
4.4 本章小结 139
参考文献 140
第5章 区域综合能源系统网络中短期规划方法 143
5.1 基于机会约束的区域综合能源系统多目标中短期随机扩展规划 143
5.2 基于机会约束的区域综合能源系统随机扩展规划 144
5.2.1 多目标随机扩展规划模型目标函数 144
5.2.2 多目标随机扩展规划模型约束条件 148
5.2.3 基于机会约束的中短期多目标随机扩展规划求解流程 150
5.2.4 算例分析 152
5.3 本章小结 161
参考文献 161
第6章 区域综合能源系统网络中长期规划方法 163
6.1 区域综合能源系统中长期多阶段随机规划 163
6.1.1 基于区块简化的区域综合能源系统新建管线拓扑规划 163
6.1.2 区域综合能源系统多阶段随机规划模型 166
6.2 中长期多阶段随机规划求解流程 170
6.3 算例分析 173
6.3.1 TJBC-68测试算例 173
6.3.2 多阶段随机规划结果分析 176
6.4 本章小结 185
参考文献 186
第7章 区域综合能源系统规划应用 187
7.1 区域综合能源系统规划软件现状 187
7.1.1 区域综合能源系统规划软件国外现状 187
7.1.2 区域综合能源系统规划软件国内现状 189
7.2 区域综合能源系统规划软件架构 191
7.2.1 区域综合能源系统规划软件总体技术架构 191
7.2.2 区域综合能源系统规划软件功能及算法架构 193
7.3 区域综合能源系统规划软件功能 195
7.3.1 时序数据分析功能 197
7.3.2 多能负荷预测功能 200
7.3.3 能源站规划功能 202
7.3.4 多能潮流计算功能 206
7.3.5 能源网络规划功能 207
7.3.6 灵活性规划(互联互动规划)功能 211
7.3.7 多阶段场景树规划功能 214
7.4 本章小结 219
参考文献 219
附录 220

第1章 概述
　　1.1 综合能源系统
　　1.1.1 综合能源系统的发展背景
　　随着现代社会工业的飞速发展以及对化石燃料的过度消耗，能源危机和环境污染问题愈加严峻，建设一个可持续发展、清洁和高效社会能源供应系统的需求愈加强烈[1]，能源系统存在的能源消费强度高、综合能源效率低、碳排放量高和供需发展不平衡等普遍问题亟待解决[2]。
　　在能源需求方面，2020年之后受新冠疫情影响，全球局部地区出现明显的能源供需波动和能源危机问题。2020年全球一次能源需求总量约为194亿t标准煤，相比2019年下降了约6%，是70年以来的*大降幅[3]。2021年全球一次能源需求总量有所回升，增长约4.6%；受疫情影响，石油、煤炭等化石能源供应商在疫情期间均大幅缩减了产量，2021年世界经济逐渐复苏，能源消费强度基本回归至疫情前水平，导致能源供不应求，能源原材料价格持续走高。疫情期间，中国、欧洲的多个国家都遭遇了罕见的能源紧缺问题，尤其是电力、供暖等基础能源需求受到影响，中国许多城市甚至出现了拉闸限电现象[4]。目前，全球的高速发展还是建立在对传统化石能源的严重依赖上，一旦化石能源供应受限，将会造成重大的经济和社会影响，因此全球各国目前在积极探索能源结构转型和升级[5]。
　　在环境方面，受全球碳排放及温室效应影响，全球环境状况持续恶化，这也引发了各个国家对降低碳排放、改善环境问题的高度重视。2019年全年碳排放总量在330亿t左右，2020年受新冠疫情影响略有减少，但随着后疫情时代经济逐步复苏，碳排放量进一步增长[6]。2020年1月，全球陆地和海洋表面气温比20世纪的1月平均气温(12℃)高出1.14℃，成为自1880年有气象记录以来的*热1月。北极海冰覆盖面积比1981～2010年的平均水平低5.3%，南极海冰覆盖面积比1981～2010年的平均水平低9.8%。2021年，受全球变暖和拉尼娜事件影响，我国极端气候事件多发强发，全国共出现36次区域性暴雨过程，汛期暴雨强度大、极端性显著，河南特大暴雨影响重大，黄河流域秋季出现持续降雨，全年全国共发生47次区域性强对流天气过程，局部地区灾情严重，寒潮多，强度大，极端低温现象频现[7]。大量研究已表明，地球环境的恶化以及极端天气的频发，与温室气体排放存在密切联系，全球携手有效降低全社会温室气体排放，是当前世界各国关注的焦点。碳排放、温室效应与人类生活环境息息相关，如何在保证我国社会持续高速发展的同时，降低碳排放量、减少温室效应，是目前我国能源电力领域所面临的难题与挑战。
　　1.1.2 综合能源系统的概念
　　在上述背景下，为了应对全球气候变化和能源危机，满足能源需求持续增长和能源多元化发展的迫切要求，低碳、清洁、高效化的能源转型已经成为全球电力行业发展的*要研究课题，综合能源系统(integrated energy system，IES)的概念应运而生。目前对于综合能源系统的定义尚未统一，国内广泛接受的概念是在规划、建设、运行等过程中，通过对能源的产生、传输、分配、转换、存储和消费等环节进行有机协调和优化后，形成的能源产供销一体化系统[8，9]，本书所研究的综合能源系统正是基于此概念。综合能源系统通常以电力系统为核心，打破了原有供气、供热、供冷等能源系统单*规划、单*设计和*立运行的既有模式，进行社会能源系统一体化规划设计和运行优化，并*终构建统一的社会综合能源系统，以提高能源的利用效率[10，11]。
　　1.1.3 综合能源系统的相关工程建设现状
　　近年来，包括日本大阪的岩崎地区[12]，中国的苏州[13]、镇江[14]、天津[15]和上海[16]都在大力建设综合能源系统示范项目，推动综合能源服务的发展，同时发展清洁能源产业，实现能源转型。
　　1.日本大阪市岩崎示范项目
　　为了实现经济与环境的和谐发展，日本近年来推动了一系列能源政策与新能源开发技术。其中，多能互补成为解决用户类型多样、逐时波动较强、供需互动困难的关键技术之一。例如，日本大阪市岩崎在2013年依据该地区能源种类丰富、负荷大、用户分布集中的特点，规划了以热电联供为核心的智慧能源网络，该网络由1座主能源站、3座分能源站以及周边建筑内的分布式能源共同构成，其结构如图1-1所示[17]。
　　从负荷特征来看，该地区拥有京瓷体育场、永旺百货、历史博物馆等多个大型冷热电负荷，具有较大的供能需求。但传统供能方式经济性较差，且不能充分利用负荷间的用能特性差异。因此，各能源站在规划时不仅考虑了负荷的能源需求，还考虑了负荷间的互补特性，为能源站间的互联互动创造了可能，提升了系统整体的经济性。
　　基于上述原则进行规划，该系统主能源站中配置了直燃机、吸收式制冷机、电制冷机、热水锅炉等多种能源设备，且各设备容量较大，可以满足区域内所有用户的用能需求。分能源站中配置了热电联产机组、吸收式冷温水机组等能源设备，可以对各自负荷供能并与主能源站进行协调。其中，分能源站1产生的余热除了满足自身使用，还可以在富余时传输至主能源站。分能源站3的热源主要来源于Hg+博物馆内的热电联产机组以及太阳能集热器。若热能富余，剩余部分也可以传输至主能源站，再间接供给其他负荷。
　　2.丹麦北港综合能源示范项目
　　丹麦由于地处北欧，*特的气候与自然条件使其形成了以清洁能源为主的能源利用体系。为了提升清洁能源的利用效率，丹麦重点研究了将不同能源进行整合、互补的综合能源利用方案。随着热电联产、热泵、电热等供热技术的广泛使用，丹麦的电力、供暖与燃气系统紧密关联，且互动日益增强[18]。
　　例如，丹麦2015年提出的北港综合能源示范项目，为了满足该地区以智慧楼宇为主的电、热负荷需求，规划了包含燃气轮机、燃气轮发电机、余热锅炉、地源热泵、热储能、电储能等多种设备的综合能源站供能系统，其大致结构如图1-2所示。
　　该能源站以燃气轮机、燃气轮发电机、余热锅炉构成的热电联产机组为主要的电源、热源，考虑到负荷热电比与机组热电比之间的差异，能源站还配置了电储能、热储能。通过储能与热电联产机组间的配合可以实现热电解耦经济运行。
　　同时，为了促进负荷与新能源的双向互动，该系统负荷侧还规划了电动汽车等可调负荷。对该系统各设备实施统一的管理与控制，可以提高清洁能源的利用率，降低用户的用能成本。
　　3.德国施普伦贝格示范项目
　　德国施普伦贝格示范项目坐落于德国施普伦贝格，所建设的多能互补集成发电系统利用先进智能系统集成技术将风力发电和光伏发电相结合，所发电量可以实时馈入电网；多余的电量又可以结合制氢装置，制得的氢气可以储存或馈入当地天然气管道，也可为周围居民进行供热。该项目将本地区的创新发电和储存技术结合起来，充分利用该地区的新能源资源，同时为当地现有发电厂提供了可持续利用潜力，其结构如图1-3所示。
　　4.加拿大耶洛奈夫示范项目
　　加拿大耶洛奈夫以旅游业为主，人口规模较小，周边水域资源丰富，全年采暖期较长，约为200天。该市存在的主要问题有以下几个方面：①没有较为完善的市政热网系统；②忽视用能效率，未充分利用当地可再生能源；③居民节能意识薄弱等。为解决上述问题，耶洛奈夫结合综合能源系统的概念，对能源系统进行了改造，使本区域的可再生能源得到充分利用[19]。改造后的能源系统如图1-4所示。
　　由于该地区以供热为主，通过配置地源热泵、水源热泵、太阳能热风系统、被动式太阳能供暖等，在很大程度上提高了能源和可再生能源的利用率，取得了良好的效果。
　　5.中国上海分布式低碳能源站示范项目
　　中国上海于2016年推动了分布式低碳能源站示范项目。该项目针对城市能量密集型商业、工业及综合体等聚集区域，希望建立以电能为基础，结合储能、热泵、分布式电源等技术的低碳能源站，构建多种能源互联协调、低碳环保、节能经济、无缝高效的综合利用与服务体系。
　　为了实现上述目标，该项目提出了区域多能互补能源站配置方法，即*先解析区域多能负荷需求，提出负荷技术经济特征。然后，基于负荷特征，建立多能耦合模式下的能源站选址模型与定容优化模型，用于确定能源站的建设位置与集成设备容量。*后，基于主要能源设备的配置结果，进行能源站细节设计，增加阀门、水泵等辅助设备，形成完整的能源站建设方案。
　　通过上述方法确定的低碳能源站供热系统建设方案如图1-5所示，该系统以燃气锅炉、内燃机、热水型溴化锂机组为主要供应源，通过设备间的协调配合，实现能源的梯级利用。其中，燃气锅炉与内燃机具有较高的供热效率。热水型溴化锂机组可以充分利用内燃机尾部高温烟气和内燃机高温缸套水的热量，提高整个系统的热能利用率。同时，为了提升系统的经济性，能源站还规划了储热系统，通过调节储能运行模式，可以合理地利用负荷峰谷用能差值，*大限度提高机组的利用效率。
　　6.中国天津北辰风电园分布式能源站示范项目
　　为了满足中国天津北辰区风电产业园商务、工业和居住用户的冷、热、电多能需求，2018年天津完成了北辰风电园分布式能源站示范项目建设。通过能源站对负荷供能，不仅可以减少该区域小锅炉污染排放、推动节能减排、提高热效率、改善区域环境，还可以实现近距离能源直供，减少管网传输损失，达到能源利用*大化。
　　该项目*先基于用户用能需求，结合示范区地理信息与地块性质，规划了能源站的建设位置。然后，结合各种能源耦合设备的参数与供能特点，以能源站供能经济性*优为目标，在负荷预测结果的基础上，配置了能源站关键设备的类型与具体容量。*后，结合关键设备的规划结果，对能源站具体结构进行设计，形成完整的能源站建设方案。其大致结构如图1-6所示。
　　该能源站以燃气-蒸汽联合循环供热机组为负荷的主要热源，在生产热能的同时也可以带动发电机实现电能的供应。并且，燃气-蒸汽联合循环供热机组还配置了余热锅炉进行废热回收，实现了能源的梯级利用，提升了综合能效。在具体的控制策略下，燃气轮机工作推动发电机发电，其排出的热气进入余热锅炉，余热