對我國綜合能源系統發展的思考

賈宏杰，穆云飛，余曉丹(智能電網教育部重點實驗室(天津大學)，天津市300072)

對我國綜合能源系統發展的思考

賈宏杰，穆云飛，余曉丹
(智能電網教育部重點實驗室(天津大學)，天津市300072)

建設完善的社會綜合能源系統是低碳經濟背景下解決我國社會供能系統安全性低、自愈能力差、設備利用率低下等一系列問題的一種可能解決方案。文章首先給出綜合能源系統的基本概念與主要特征，結合世界各國綜合能源系統建設的經驗與我國能源資源現狀，分別從國家、區域和終端這3個層面探討了我國未來綜合能源系統發展中面臨的一些問題，并給出了相應的建議。

綜合能源系統;可再生能源;綜合能源利用;節能減排

0 引言

能源是人類賴以生存和發展的基礎，是國民經濟的命脈，如何在確保人類社會能源可持續供應的同時減少用能過程中的環境污染，是當今世界各國共同關注的熱點［1］。由于煤炭、石油等傳統化石能源不可再生，終將走向枯竭，提高能源利用效率、開發新能源、加強可再生能源綜合利用，就成為解決社會經濟快速發展過程中日益凸顯的能源需求增長與能源緊缺、能源利用與環境保護之間矛盾的必然選擇。而打破原有各能源供用(如供電、供氣、供冷/熱等)系統單獨規劃、單獨設計和獨立運行的既有模式，在規劃、設計、建設和運行階段，對不同供用能系統進行整體上的協調、配合和優化，并最終實現一體化的社會綜合能源系統，是實現社會用能效率最優、促進可再生能源規模化利用、實現人類能源可持續發展的必經之路［2］。

本文首先給出社會綜合能源系統的基本概念和主要特征;簡單回顧國內外綜合能源系統建設的現狀;隨后，結合我國能源資源分布特征，從國家、區域和終端層面分析我國未來社會綜合能源系統發展中面臨的一些問題，并探討可能的解決思路。

1 綜合能源系統的基本概念與特征

本文討論的綜合能源系統是指在規劃、設計、建設和運行等過程中，通過對各類能源的產生、傳輸與分配(能源供應網絡)、轉換、存儲、消費等環節進行有機協調與優化后，所形成的社會綜合能源產供消一體化系統。建設社會綜合能源系統的目的是有效提高社會能源的綜合利用效率，實現社會能源的可持續供應，同時提高社會能源供用系統的靈活性、安全性、經濟性和自愈能力。社會綜合能源系統具有以下一些基本特征。

(1)社會綜合能源系統可實現不同供用能系統間的有機協調，可提高社會能源供用的安全性、靈活性、可靠性。傳統的社會供用能系統，如供電、供氣、供熱/冷等系統，往往是單獨規劃、單獨設計、獨立運行，彼此間缺乏協調，從而造成社會供用能系統整體安全性低和自愈能力差的問題。如2008年初我國南方的低溫雨雪冰凍災害［3］，起初電力系統中的故障引發了多米諾骨牌效應，不僅殃及其他供用能系統，還引發交通、通信、金融、環境等多個要害部門癱瘓，不僅造成難以估量的社會經濟損失，還危及國家和社會安全。這次災難揭示出供電系統的一個致命隱患，即在大電網瓦解的極端情況下不具備足夠的自愈能力。而電能供應是其他供用能系統可正常運行的前提，供電系統的這一缺陷將直接導致整個社會供用能系統整體安全性和自愈能力降低。已有研究已表明，單純通過加大某一供能系統(如供電系統)的投入來提高其安全性與自愈能力，會面臨難以承受的高昂成本，同時會造成社會資源的極大浪費。因此，通過構建社會綜合能源系統，利用其核心技術來實現各供用能系統間的有機協調與配合，是解決上述問題的一種可能途徑。

(2)社會綜合能源系統可利用不同供用能系統間的互動能力實現能源的優化調度，有利于提高社會供能系統基礎設施的利用率。供電、供氣、供熱/冷系統的負荷需求均存在明顯峰谷交錯現象，但目前各供能系統只能按自身峰值負荷進行單獨設計與建設，由此將不可避免地產生設備利用率低下的問題。美國統計結果顯示，其供電設備平均載荷率只有43%，載荷率在95%以上的時段不足5%;而我國的供電設備利用率更低，統計顯示其平均利用率不足30%［4］。設備利用率低下問題同樣存在于供氣、供熱/冷系統，已造成社會資金的巨大浪費，還加大了各供用能系統的運行維護費用。而綜合能源系統可通過各子系統間的有機協調，緩解或消除上述問題。如可利用供電系統低谷時段過剩電能產生冷/熱能并加以存儲，在電力高峰時段使用，通過供電與供冷/熱系統的有機配合，從而達到實現同時提高供電與供冷/熱系統設備利用率的目的［5］。

(3)社會綜合能源系統可實現各類能源的優化利用，提升綜合能源利用率，有效應對全球氣候變化問題，實現人類社會能源可持續發展。當前全球經濟的發展仍高度依賴一次化石類能源，如2013年全球一次能源消費約181．8億t標煤，化石類能源約占86．7%［6］。化石類能源資源是有限的，按現有開發利用模式，將難以支撐人類社會的可持續發展。能源利用效率提高和可再生等新能源規模化開發，成為破解這一難題的根本途徑。綜合能源系統可利用各供用能系統之間，在生產、輸配、消費、存儲不同環節間的時空耦合機制和互補替代性，建立起多種能源間的協同利用機制，一方面可實現不同品位能源的梯階利用，提高能源的綜合利用率;另一方面還能彌補可再生能源(如風能、太陽能等)能流密度低、分散性強和間歇性明顯等問題，提高其規模化開發利用水平，從而支撐人類社會能源可持續發展。

(4)智能電網是綜合能源系統的核心與關鍵。綜合能源系統的基礎是智能電網，主要原因在于:1)作為清潔、高效和便利的二次能源，電能已深入到社會生產、生活的各個環節，其他社會供/用能系統的正常運行依賴于電力的供應，且很多其他形式能源需要首先轉化成電能方可規模化開發利用，如風能、太陽能、生物質能等。2)智能電網是人類社會發展的下一代電網，允許各種分布式發電設備即插即用地接入電網，以實現可再生能源的規模化利用;具有足夠的靈活性和安全性，可自愈地應對來自電網內外的各類擾動;協同各種能源利用環節，可實現電氣設備利用率和能源綜合利用效能的顯著提高［7］。智能電網與綜合能源系統的實現目標完全一致，不同處僅在于智能電網僅著眼于電網本身的發展，而綜合能源系統則著眼于整個社會能源體系。由此不難看出，智能電網是綜合能源系統的基礎，而綜合能源系統必將成為智能電網的終極形式。

綜上，綜合能源系統發展有利于能源利用效率的提升和可再生能源的規模化開發，也有利于提高社會能源供用系統整體的安全性、經濟性和設備資產利用率，推進相關研究意義重大。

2 綜合能源系統建設的現狀

綜合能源系統對提升能源利用效率和實現可再生能源規模化開發具有重要支撐作用，世界各國多根據自身需求制定了適合自身的綜合能源發展戰略。

2.1 國外綜合能源系統現狀

2.1.1 美國

首先，在管理機制上，美國能源部(DOE)作為各類能源資源最高主管部門，負責相關能源政策的制定，而美國能源監管機構則主要負責政府能源政策的落實，抑制能源價格的無序波動。在此管理機制下，美國各類能源系統間實現了較好協調配合，同時美國的綜合能源供應商得到了較好發展，如美國太平洋煤氣電力公司、愛迪生電力公司等，均屬于典型的綜合能源供應商［8］。

其次，美國各能源供用系統間存在密切耦合關系，社會一直關注各能源系統間的相互影響和協調發展。以天然氣系統與電力系統為例，自2011年后，美國能源消耗中的25%以上來自天然氣［9］，且這一比例還在不斷增加。隨著天然氣電廠占電能供應比例的不斷提高，天然氣系統與電力系統之間的耦合關系日益緊密，相關研究也成為美國能源界關注的一個熱點。

其三，在技術上，美國非常注重與綜合能源相關理論技術的研發。美國能源部在2001年即提出了綜合能源系統發展計劃［10］，目標是提高清潔能源供應與利用比重，進一步提高社會供能系統的可靠性和經濟性，而重點是促進冷熱電聯供(CCHP)技術的進步和推廣應用;2007年12月美國頒布能源獨立和安全法(EISA)［11］，明確要求社會主要供用能環節必須開展綜合能源規劃(integrated resource planning，IRP)，并在2007—2012財年追加6．5億美元專項經費支持IRP的研究和實施;奧巴馬總統在第一任期，就將智能電網列入美國國家戰略［12］，其終極目標即是利用日新月異的信息技術對包括電網在內的社會能源系統進行徹底改造，以期在電網基礎上，構建一個高效能、低投資、安全可靠、靈活應變的綜合能源系統，以保證美國在未來引領世界能源領域的技術創新與革命。

2.1.2 加拿大

面對能源環境的雙重壓力，加拿大政府承諾到2050年將溫室氣體排放量在2006年的排放水平上削減60%～70%。因此，打破現有能源供應模式，發展綜合能源技術，建設完善的社會綜合能源系統就成為加拿大的必然之選。

加拿大國會2009年6月審議并通過了旨在助推該國綜合能源系統相關研究的報告Combining Our Energies:Integrated Energy Systems for Canadian Communities［13］，隨后2009年9月由內閣能源委員會頒布了Integrated Community Energy Solutions:A Roadmap for Action指導意見［14］，在其中明確指出構建覆蓋全國的社區綜合能源系統(integrated community energy solutions，ICES)是加政府應對能源危機和實現2050年溫室氣體減排目標的一項重要舉措，因此將推進ICES技術研究和ICES工程建設列為該國2010—2050年的國家能源戰略。在加拿大ICES示范工程投入的同時，加政府還啟動了多個重大研究課題對與綜合能源系統相關的理論與技術進行全方位研究，包括:EQuilibriumTMCommunities Initiative、Clean Energy Fund、ecoENERGY、Building Canada Plan等［15］。

2.1.3 歐洲

歐洲是最早提出綜合能源系統概念并最早付諸實施的地區。早在歐盟第五框架(FP5)中［16］，盡管綜合能源系統概念尚未被完整提出，但有關能源協同優化的研究被放在顯著位置，如DG TREN (distributed generation transport and energy)項目將可再生能源綜合開發與交通運輸清潔化協調考慮; ENERGIE項目尋求多種能源(傳統能源和可再生能源)協同優化和互補，以實現未來替代或減少核能使用;Microgrid項目研究用戶側綜合能源系統(其概念與美國和加拿大所提IES和ICES類似)，目的是實現可再生能源在用戶側的友好開發。在后續第六(FP6)［17］和第七(FP7)［18］框架中，能源協同優化和綜合能源系統的相關研究被進一步深化，Microgrids and More Microgrids(FP6)、Trans-European Networks (FP7)、Intelligent Energy(FP7)等一大批具有國際影響的重要項目相繼實施。

歐洲各國除了在歐盟框架下統一開展綜合能源系統相關技術研究外，還根據自身需求開展了大量更為深入的有關綜合能源系統的研究，如英國HDPS (highly distributed power systems)項目關注大量可再生能源與電力網間的協同［19］，HiDEF(highly distributed energy future)項目關注智能電網框架下集中式能源系統和分布式能源系統的協同等［20］;而德國自2011年開始，在環境部和經濟與技術部等機構的統一領導下，每年追加3億歐元［21］，從能源全供應鏈和全產業鏈角度，實施對能源系統的優化協調，近期關注的重點則是可再生能源、能源效率提升、能源儲存、多能源有機協調以提高能源供應安全等方面。2.1.4日本

為改善能源結構，減輕對石油的依賴，提高日本能源供應安全性，日本對能源的協調管理與優化開展了長期研究，形成了獨具特色的能源發展之路。與美國設立能源部對能源開展協調管理不同，日本在經濟產業省下設立資源和能源廳來對煤炭、石油、燃氣、新能源等行業進行一元化的管理，在能源發展戰略上，特別強調不同能源之間的綜合與協調。資源和能源廳的主要職責包括:編制能源基本規劃草案及各類能源發展計劃;統一管理電力、天然氣、石油等各能源產業的市場運作;制定新能源的發展戰略與目標，促進新能源的推廣使用等。雖然日本能源管理機構層次相對簡單，但由于資源與能源廳的上級管理部門經濟產業省，掌控著制定經濟與產業發展的方向，因此能夠有效促進能源發展戰略目標的貫徹與執行。因此，日本單位能源消耗所創造的國內生產總值一直居國際領先水平。

日本的能源嚴重依賴進口，因此日本成為最早開展綜合能源系統研究的亞洲國家。2009年9月日本政府公布了其2020、2030和2050年溫室氣體的減排目標，并認為構建覆蓋全國的綜合能源系統，實現能源結構優化和能效提升，同時促進可再生能源規模化開發，是實現這一目標的必由之路。在日本政府的大力推動下，日本主要的能源研究機構都開展了此類研究，并形成了不同的研究方案，如由NEDO于2010年4月發起成立的JSCA(Japan smart community alliance)，主要致力于智能社區技術的研究與示范。智能社區類似于加拿大的ICES方案，是在社區綜合能源系統(包括:電力、燃氣、熱力、可再生等)基礎上，實現與交通、供水、信息和醫療系統的一體化集成［22］。Tokyo Gas公司則提出更為超前的綜合能源系統解決方案［23］，在傳統綜合供能(電力、燃氣、熱力)系統基礎上，還將建設覆蓋全社會的氫能供應網絡。

2.2 我國綜合能源系統現狀

我國2009年制定了到2020年單位國內生產總值CO2排放比2005年下降40%～45%的目標［24］，2014年，習總書記又在APEC會議上表明，到2030年我國的CO2排放量將達到頂值［25］。上述目標的實現，需要各類能源在產供銷儲全環節的緊密配合，因此開展綜合能源系統相關研究勢在必行。

我國自1993年撤銷能源部后，煤炭、石油、電力、供熱等行業分屬不同管理部門，彼此間協調不夠，因此難以形成合力，缺乏協調統一的政策支持，在一定程度上制約了我國綜合能源技術的發展。以城市CCHP為例，涉及供電、供冷熱環節的協調與配合;若CCHP采用燃氣方式，還需上述環節與燃氣供應部門之間的協同配合。但我國供電、供氣和供熱公司各自獨立運營，分屬不同部門管理的狀況，難以保證上述系統的運行經濟性。為加強對能源行業的集中統一管理，應對日益嚴峻的能源問題，保障國民經濟持續穩定健康發展，我國在2008年批準建立了國家能源局。為進一步推動能源領域的協調與合作，推進綜合能源體系的形成，2010年國務院成立國家能源委員會。能源委員會主要責任是負責研究擬訂國家能源發展戰略，審議能源安全和能源發展中的重大問題，統籌協調國內能源開發和能源國際合作的重大事項。上述管理體制的改革，為推進能源領域的協調、合作和共同發展，奠定了政策基礎。

目前，我國已通過973、863研究計劃，啟動了多項與綜合能源技術相關的科技研發項目;中國政府與包括新加坡、德國政府在內的相關機構共同合作，建設了各類生態文明城市［26-27］，積極推廣綜合能源利用技術，目的是構建清潔、安全、高效、可持續的綜合能源供應系統和服務體系。

據不完全統計，至今世界上至少有70余個國家先后開展了與綜合能源系統技術相關的研究，目的是促進各國未來能源的可持續供應［28］。毫無疑問，綜合能源系統相關技術將成為國際上能源領域內重要的技術制高點和技術增長點，是21世紀能源工業重要的技術發展方向之一。因此，從我國自身實際需求出發，盡早探索和建立適用于我國的綜合能源系統理論體系，對保證我國未來的能源安全、搶占能源領域技術制高點和擴大我國在國際能源領域的話語權，都具有重要的戰略意義。

3 我國能源資源現狀分析及思考

3.1 我國能源資源現狀分析

我國的能源資源狀況與國外主要經濟體有著顯著區別，主要包括如下特點:

(1)能源總量較為豐富，但人均擁有量偏低。目前我國能源消費仍以煤炭、石油和天然氣為主。據BP世界能源統計年鑒2014年數據顯示，我國2013年已探明的石油、天然氣、煤炭儲量僅占世界總儲量的1．07%、1．76%和12．84%［29］，且按照目前開發進度僅能維持數10年［30-31］。我國能源資源占有量并不占優，同時考慮到我國巨大的人口基數，人均能源資源占有量極少。若仍按以往粗放型用能模式發展，不僅社會經濟難以為繼，我國的能源和環境承載都將面臨無解難題。

(2)未來能源消耗仍將以化石能源為主。能源消費結構的調整慣性客觀存在，在現有技術條件下，清潔能源和可再生能源的大規模開發與利用，還面臨很多挑戰必然是一個漫長的過程。在可預見的未來很長一段時間內，我國能源消耗仍將以化石能源為主。目前我國煤炭在能源生產和消費中的比例一直在70%以上，據專家預測，即使到2050年，煤炭所占比例仍占50%以上［32］。

(3)能源資源分布與能源消耗分布不均衡。眾所周知，我國的各類能源資源主要分布在中西部和東北等地，而我國經濟較為發達地區主要分布在東南沿海地區。表1給出了我國各類能源資源分布前五和后五位省區的統計結果［33］;表2則給出了我國2013年各省區市國內生產總值(gross domestic product，GPD)總量排名結果(可作為能源消耗的一個參考)［34］。我國能源資源與能源消耗的嚴重逆向分布會長期存在，且隨著東南沿海地區經濟的快速增長，情況可能會更嚴峻，這直接影響著我國的整個能源戰略格局和未來技術發展趨勢。

表1 中國能源資源量的省區分布差異Table 1 Maldistribution of natural resource in China

表2 2013年我國省級行政區GDP數據Table 2 GDP data for all provinces of China in 2013

(4)電/熱/冷供應環節目前缺乏有機協調配合。我國電網已初步形成全國聯網的格局，在規模不斷擴大的同時，電壓等級不斷提高，電網技術不斷升級，運行的可靠性、靈活性和經濟性得到顯著提升。但受長期“重發輸、輕配供”傳統觀念影響，電網的配用電環節仍相對薄弱，成為影響用戶供電可靠性和導致供電設備利用率低下的主要因素［2］。在我國北部城市，目前主要采集中供熱方式。在各級政府的大力支持下，集中供熱行業得到迅速發展［35］。當前我國城鎮集中供熱的熱源，主要是熱電聯產(約占62．9%)、鍋爐房(約占35．75%)以及少量的工業余熱和地熱等形式(約占1．35%)。但目前我國供熱系統設計觀念相對落后，缺乏科學的調控手段，系統多以“大流量、小溫差”方式運行，能量漏損較大。熱用戶多采用單管供暖系統，多無有效調控設備，造成熱力工況失調較嚴重以及不同用戶冷熱不均等問題。由于經濟與觀念上的認識差異，我國區域集中供冷相對較少，但其作為一種較先進的供冷方式，已經逐漸引起了人們的關注。近年來隨著節能減排政策的促進以及天然氣成本的降低，以CCHP技術為代表的區域供冷/熱系統在我國已經開始得到示范應用。但由于種種原因，示范應用效果并不理想［36-37］。

3.2 對我綜合能源系統技術發展的幾點思考

為實現我國能源供應的安全和可持續發展，應從開源和節流兩方面著手，一是大力開發新能源和可再生能源，尋找傳統不可再生化石能源的替代品;二是加強能源領域的協同發展，通過綜合能源技術，實現能源大范圍的優化配置和能源綜合利用效能的不斷提高。其中，綜合能源技術將起到關鍵的支撐作用。因此，構建適用于我國的綜合能源系統勢在必行，為此需要從國家、區域和終端這3個層面上予以考慮。3.2.1在國家層面上需要相應政策、管理體制和制度的保障

能源問題涉及范圍廣泛，包括石油、天然氣、煤炭、電力等多種能源供應系統，而其終端用能單元則遍及社會的各個行業、各個組成單元，最終與每個社會成員息息相關。因此，為保證社會能源供應系統的安全和可持續發展，必需在國家層面上進行統籌和協調。

(1)應建立適應我國國情的國家能源綜合管理職能部門，由其制定相應的能源法律、法規，以協調不同能源供應參與方的利益。綜合能源系統的發展與建設需要電力、石油、煤炭、天然氣等能源行業的設備制造商、科研單位、用能單位等的共同參與和相互協作，同時也與國家發改委、商務部、國土部、電監會、安監總局等多個職能部門密切相關。為了實現社會綜合能源系統的可持續發展，應在適當的時間和條件下在國家層面建立和強化綜合能源管理機構，由其統一負責制定能源領域內的法律、法規和政策，總體協調和組織我國能源系統的建設與發展。

(2)應建立綜合能源研發機構，對能源領域的重大問題開展研究，以利于能源領域的合作、融合與協調發展。現階段我國社會能源供應系統之間的耦合程度不斷加強，各能源供應系統之間需要不斷加強協調與配合;同時，各能源供應系統長期獨立運行，缺乏有機協調的現狀已對我國能源供應的安全性和可靠性產生了不良影響。而隨著我國能源需求的不斷增加，節能減排力度的不斷加大，能源領域各行業之間的耦合、沖突和相互影響還會不斷增多，為此應由國家成立專門的綜合能源研發機構，對我國社會經濟發展中面臨的一些能源領域的重大問題開展研究。這些重大問題包括但不限于:

1)主要能源供應系統之間的相互作用機理研究。隨著能源需求的不斷增長，社會經濟的不斷發展，不同能源供應系統之間的耦合關系不斷增強，揭示不同能源供應系統之間在不同層次上的相互作用機理，對推動各能源供應系統的協同發展意義重大。

2)我國傳統化石能源和可再生能源最佳利用模式研究。我國傳統一次能源中以煤炭為主的局面短期內不會發生變化，因此應尋求最佳的用能模式以提高煤炭的綜合利用效能。我國可再生能源開發離不開與傳統能源的協同配合，為此在可再生能源開發過程中應與傳統能源的綜合利用協同考慮，以求達到能源最佳利用的目的。

3)適用于我國的能源安全保障機制研究。我國能源供應(尤其是石油和天然氣)對外的依存度不斷增大，能源供應安全受外界影響日益顯著，為此需結合我國國情，探索保證我國能源供應安全的保障機制。

4)適用于我國國情的國家綜合能源體系建設模式研究。以能源利用效能最優、能源供應安全性最佳、能源供應可持續性更好為優化目標，以我國能源現狀和節能減排的既定目標為約束，尋求適用于我國的綜合能源體系建設模式。

5)保障綜合能源發展的智能電網發展模式研究。我國的智能電網建設強力推進，而作為未來整個能源供應體系中的核心部分，智能電網應承擔更大的責任，其發展模式、相關技術需要滿足未來綜合能源系統實現的需要。

(3)在政策上應允許和鼓勵綜合能源供應商的籌建，為終端用戶提供能源方面的一體化解決方案。一次能源需要通過階梯利用實現能源利用效率的提高;可再生能源的規模化開發需要不同能源系統間的協同與配合;用戶多樣化用能需求的滿足，同樣需要不用供能系統之間的協作;不同供能系統(供電/供冷/供熱)峰谷交錯造成的設備利用率低下的問題，也可通過不同供能系統間的協調配合得到緩解，上述問題的實現亟需綜合能源供應商的出現。綜合能源供應商可以為用戶提供各種用能需求的一體化服務，同時通過不同供能系統和不同用能單元之間的協同配合，實現企業效益最大化和用能效率最佳的目的。國家應在政策上允許和鼓勵籌建區域性或全國的綜合能源供應商，通過企業自身的參與，促進不同能源系統之間的協同和優化，美國太平洋煤氣電力公司、愛迪生聯合電力公司等即是最好的例子。

3.2.2 區域層面上需要開展綜合能源供應網絡的規劃工作

由于各種區域能源供應系統(電力、天然氣、熱力等)彼此缺乏協調，長期存在設備利用率低、安全性低、靈活性差等問題。未來應逐步建立起適合綜合能源供應系統運營的相關機制，并根據不同區域的實際情況，對各類能源的供應網絡進行統一協調和規劃，在實現多種能源輸入的同時滿足用戶電/熱/冷多種能量形式的需求，同時通過能源的按需匹配、逐級利用來實現能源利用效率的優化，來減少能源網絡建設和運行費用。為此需要關注如下幾點。

(1)適合我國不同區域需求的綜合能源供應模式研究。我國幅員遼闊，各地的氣候條件和用能需求各不相同，為此應根據各地具體需求，探索我國不同區域的最佳綜合能源供應方式，主要包括:

1)從氣候特點上考慮，應探索適用于我國北方高寒區域、過渡區域(黃河與長江間所轄區域)和南方溫暖地區的最佳綜合供用能模式。

2)從用能和供能關系上考慮，應探索能源輸出區域(如中西部能源輸出省市)、能源輸入區域(如東部能源輸入省市)、能源傳輸區域的用能和供能最佳模式。對于能源輸出區域，其本地用能需求小于能源產出，因此在保障本地用能需求前提下，如何保證能源的安全高效外送是首要解決的問題。對于能源輸入地區，其本地的能源供應主要來源于外部輸入，如何保證能源的平穩、安全和高效供應，則是其關注的重點。

3)應研究適用于我國(特)大型、中型、小型城市及鄉鎮的區域綜合供用能模式:隨著我國現代化水平的提高、城鎮化進程的推進，我國在很長時期內將出現大、中、小城市及農村鄉鎮并存的格局，不同體量的城市規模，其供用能模式存在顯著差別，為此需根據城市規模大小(大、中、小)、城市定位(綜合型、工業型、商業型、旅游型等)、區域分布(東、西、中部;發達地區、欠發達地區)等情況，探索適用的城市、鄉鎮區域供用能模式。

(2)綜合能源供應系統綜合建模、仿真分析技術研究。構建適用于不同需求的綜合能源供應系統，離不開科學的分析模型、計算工具和仿真技術。為此需要研發適用于綜合能源供應系統分析和優化的綜合建模理論和仿真技術。

綜合能源系統涉及多種能源環節且形式特性各異，既包含易于控制的能源環節(如常規電廠、CCHP、儲能系統等)，也包含具有間歇性和難以控制的能源環節(如風力發電、光伏發電等);既包含難以大容量存儲的能源(如電能)，也包含易于存儲和中轉的能源(如熱能、燃氣、氫能等);既包含元件級或設備級(如各類電氣設備、燃氣設備、熱力設備等)的動態，也包含單元級能源系統(如建筑綜合供能系統、微網供能系統、CCHP系統)的動態，還包含更為復雜的區域級綜合能源系統動態，由此決定綜合能源系統的建模過程極其復雜。

利用分析手段對綜合能源系統進行仿真研究，揭示其運行機理和動態特性，是其推廣應用的前提。而對于綜合能源系統這樣一個極為復雜的動態系統，在進行仿真研究時，需要同時考慮其在時間、空間和行為這3方面的復雜性:1)時間復雜性。主要表現在分析研究中，既要考慮傳輸速度極快的環節，如電力系統，其能量的傳輸和變換以光速實現，幾乎瞬間完成，其動態在納秒到毫秒時間尺度上描述;也要考慮傳輸速度慢、具有較大時延的環節，如燃氣、熱力等管道系統，其動態需在秒、分鐘甚至小時級時間尺度上描述。仿真分析技術還要兼顧規劃評估等長時間尺度和運行控制等短時間尺度場景分析的需要等。2)空間復雜性。主要表現在分析研究中，既要考慮單一能源環節內部的動態，也要考慮不同能源環節的相互影響;既要考慮能源在區域大范圍內的平衡和互濟，也要考慮能源在局部的優化與消納。3)行為復雜性。主要表現在分析研究中，既要考慮系統的連續環節，也要考慮大量的不連續(如躍變、切換、滯回等)環節的影響;既要考慮確定性的因素，也要考慮大量不確定性因素的影響;既要考慮可量化因素，也要考慮不可量化因素的影響。時間，空間和行為這3方面的復雜性，決定了用于綜合能源系統的仿真技術，需要解決多時標、高維數、大量非線性等難題，研究難度更大。

(3)區域綜合能源供應系統優化規劃理論研究與技術開發。以往各供能系統單獨規劃、單獨設計和獨立運行所引發的供能系統安全性低、用能效率低、設備利用率低等問題如今已飽受詬病，進行供能系統的綜合規劃勢在必行。其規劃工作進一步又可細分為區域供能網絡規劃和區域終端綜合供能單元規劃。

1)供能網絡規劃既要考慮各供能網絡(供電、供熱、供冷、供氣等)自身特點及需要，還需考慮不同系統間的相互影響，更要實現整個社會供能效率、安全性和經濟性的提高，屬于典型的復雜巨系統多目標、多時段、多變量、多約束、高維數、混合整型、非線性組合優化問題，研究難度較大。

2)區域終端綜合供能單元規劃:若將整個社會綜合能源系統看作是一個人體的神經網絡，終端綜合供能單元就是這個網絡中的神經末梢，貼近用戶，是整個綜合能源供應體系中重要的一環，以滿足用戶的多樣化能源需求和盡量提高能源綜合利用效能為目的來構建。終端綜合供能單元優化規劃所面臨的主要問題包括:a)用戶多樣化需求。用戶數量巨大，類型繁多，對各種能源的需求互不相同，大大增加了終端綜合供能系統優化問題的難度。b)能源綜合利用設備的大量集成。未來用戶側將集成眾多形式互異的小型能源綜合利用設備，除傳統的電/熱/冷負荷外，還可能包括大量可再生能源設備(如光伏、光熱、小型風機等)，儲能設備(如蓄冷、蓄熱、儲冰、儲氣、蓄電池、超級電容等)，綜合供用能設備(如CCHP、燃料電池、電動汽車及充電站、太陽能制氫站及充氫設備等)。這些設備數量巨大且運行特性各異，許多設備尚不具備通用的分析模型，大大增加了該問題的研究難度。c)終端供能單元的投資規劃主體存在多樣性。可能是政府，可能是用戶自身，也可能是獨立的綜合供能商以及他們的組合形式，投資主體的不確定性，大大增加了該問題的研究難度。

無論是供能網絡規劃還是區域終端綜合供能單元規劃，在規劃過程中還需面對大量不完備、不精確、不確定性信息，這些都大大增加綜合供能系統網絡規劃研究的難度。

(4)區域綜合能源供應系統試點工程。通過試點工程，掌握綜合能源系統的核心技術，探索綜合能源供應商的運營模式，為進一步推廣應用打下基礎。試點工程的選擇應考慮區域分布特點及功能定位、氣候異同、供用能模式的典型性等因素。

3.2.3 終端層面上應推動分布式發電與微網技術的進步與發展

含分布式發電微網是典型的綜合能源供應系統，在用戶側可為用戶提供高質量的電、熱、冷、氣等能源供應，并滿足用戶個性化和差異化的需求［38］。此外，還可利用天然氣儲氣罐、管道存氣、冰蓄冷、儲熱以及電動車充放電實現各類能源負荷的移峰填谷，進而提升能源系統的資產利用水平。為此應積極推動相關技術的研究與應用。

(1)含分布式電源的微網關鍵技術研究。在用戶側，可再生能源發電多采用接入配電網的分布式發電形式，且具有間歇性、隨機性的特點，這給電網的規劃設計、保護控制與運行管理等帶來一系列新問題。現有研究和實踐已表明，將分布式發電系統以微網的形式接入大電網并網運行，與大電網互為支撐，是發揮分布式發電供能系統效能的最有效方式［38］:一方面，微網的靈活運行模式可有效地將不同類型的分布式電源組合起來，采用冷/熱/電聯供等技術和理念，提高各類能源的綜合利用效率，并降低大量小容量分布式電源接入對電網的影響;另一方面，微網作為大規模互聯電網的有效補充，可提高電網的抗災能力，提高負荷側的供電可靠性，改善電能質量。由于供電系統的安全性和靈活性直接影響社會供能系統的整體安全性和靈活性，因此，微網技術的推廣應用會大大提高整個社會供能系統的安全性。

1)微網系統綜合分析方法研究。建立起完善的含分布式電源微網的各類組成元件與系統的數學模型，研究不同規模的含分布式電源的微網穩態及動態分析方法，分析各類分布式電源和微網的運行特性，以及分布式電源間、微網間、微網與配電系統間的交互影響機理，并發展相關的理論和方法，一方面為微網在獨立運行和并網運行條件下的穩定控制、能量管理、分布式電源經濟調度奠定基礎，也為含微網大電網系統的穩定性分析與控制提供理論支持。

2)分布式電源及微網的保護、控制技術。研究以實現高效、用戶友好型并網發電為目的分布式電源及微網并網技術，包括模塊化分布式電源即插即用型并網技術、含多類型多功能分布式電源的微網并網技術;微網中多種分布式電源協調控制與保護技術，含有分布式電源和微網的配電系統新型保護原理和方法;大量分布式電源和微網存在條件下的配電系統自動化技術，電能質量檢測治理技術，智能調度策略;緊急情況下多微網配電系統并網和孤島模式下協調控制的原理與技術等。

3)制訂分布式電源及微網相關規范和標準。解決關鍵技術問題的同時，積極組織和參與制定與國際接軌的分布式電源、微網以及智能電網相關的一系列產品和技術標準，將對可再生能源發電、微網、綜合能源利用等技術的推廣應用起到關鍵的作用。

(2)新能源汽車研究。目前，新能源汽車技術發展迅速，已經從研究階段逐步進入到產業化階段，未來其將對改善整個交通運輸行業的能耗結構產生積極影響，是綜合能源系統的一個重要組成部分［39-42］。綜合能源系統的發展必須與新能源汽車的發展相匹配，以滿足大量新能源汽車的用電用能需求，其中又以電動汽車最受各界關注。電動汽車是一個移動用電設備，大量電動汽車的引入，對電網運行可能產生不利影響;但電動汽車本身也是一個動態的儲能系統，是一種潛在的資源，通過其與電網的智能互動，以及對電動汽車充放電過程的動態管理，可對電網的優化運行和故障應對起積極的支撐作用［39-40］。

(3)含分布式電源及微網的配電系統協調規劃方法。未來智能配電網與傳統配電網的不同之處在于其具有兼容、互動、自愈、經濟等顯著特點，能夠解決高滲透率分布式電源(分布式發電、分布式儲能、需求側管理等)與含分布式電源的微網單元的接入問題，滿足用戶對供電可靠性和電能質量的彈性需求［41-42］。因此，原有將配電網視為無源系統開展規劃的方法已不再適應新環境下的系統規劃要求。應建立適合分布式電源和微網特點的配電網設計和規劃理論體系，主要包括:有助于微網接入的配電系統結構設計方法，含微網配電系統的綜合性能評價指標體系，新型配電系統優化規劃理論等。

(4)工程示范與推廣應用。通過不同地區、具有典型性的微網示范工程建設，推動關鍵技術的研發和現場測試，同時探索有助于分布式電源和微網規模化發展的市場運營機制，包括可再生能源發電的電價機制，分布式電源及微網的運行管理機制等，為分布式電源和微網的進一步推廣應用打下堅實基礎。

4 結語

面對氣候變化、削減溫室氣體排放、能源的安全和可持續供應等問題，構建協同發展的綜合能源系統勢在必行，而智能電網是綜合能源系統的核心與關鍵。我國的能源資源稟賦、能源系統所面臨問題與其它國家相比存在顯著差別。因此，實現我國能源供應的安全和可持續發展，需因地制宜地選擇一條適合的能源發展道路。綜合能源系統的發展與構建，關乎國家能源安全，是涉及國家安全、社會經濟發展和對外戰略等多層次的戰略問題，是一個復雜的、長期的系統性工程，需要強有力的基礎理論、核心技術、市場政策、法律法規的支持。為此，應發揮國家在其戰略規劃中的主導作用，協調不同能源供應環節的利益，促進能源領域的合作、融合與協調發展。

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(編輯:蔣毅恒)

Thought About the Integrated Energy System in China

JIA Hongjie，MU Yunfei，YU Xiaodan
(Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Integrated energy system(IES)can provide an effective solution to solve the low security，insufficient selfhealing capability，and low utilization rate of energy equipment problems under the background of low-carbon economy，which has a significant potential to support the optimization and adjustment of China’s energy structure．Firstly，the basic concept of IES and its main features are given in detail．Then，considering the valuable IES construction experience around the world and the current status of China’s energy resources，some key issues about China’s IES from the prospective of national level，regional level，and terminal level are discussed．Also，the corresponding suggestions are proposed．

integrated energy system;renewable energy resources;energy structure;smart grid

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0016-10

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.003

2014-12-08

2014-12-19

賈宏杰(1973)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向:電力系統安全性與穩定性、新能源集成、智能電網與綜合能源系統等;

穆云飛(1984)，男，博士，講師，通訊作者，主要研究方向:智能電網與綜合能源系統、新能源與電動汽車集成、電力系統安全性與穩定性等;

余曉丹(1973)，女，博士，副教授，主要研究方向:電力系統安全性與穩定性、綜合能源系統等。

國家自然科學基金項目(51277128;51377117; 51307115;51361130152);國家高技術研究發展計劃項目(863計劃) (2014AA051901);國家社科基金重大項目(12＆ZD208)。