國內外多能互補研究的前沿與熱點分析

黃超華

摘 要：【目的/意義】當前我國正處于傳統能源體系向現代能源體系轉型的關鍵時期，本文旨在揭示國內外多能互補研究領域的研究前沿、研究熱點，為相關研究和發展提供參考。【方法/過程】從CNKI、Web of Science 數據庫檢索獲取數據，使用CiteSpace工具進行詞頻統計、共現分析。【結果/結論】發掘出、可視化表達出、并對比了國內外多能互補領域的研究現狀、研究熱點、研究前沿、主要貢獻者和關鍵文獻信息。

關鍵詞：多能互補;CiteSpace;知識圖譜;研究前沿;研究熱點

1. 引言

在過去幾十年中，全球人口持續增長、社會經濟快速發展、生活水平顯著提高，電力供需急劇增加，大量化石能源被不斷開采、利用[2]。《BP世界能源統計年鑒2018》披露，2017年全球發電量達2.5萬TWh，其中煤、天然氣、石油發電量分別占38.1%，23.2%和3.5%。然而，如果這些化石燃料依舊按照2017年的水平被開采，世界剩余煤、石油、天然氣儲量將只能持續134，50.2和52.6年[3]。不僅如此，化石燃料的過度燃燒導致二氧化硫、氮氧化物等空氣污染物大幅排放，引起并加劇全球酸雨、溫室效應和光化學污染等環境問題[4]。國際能源署2017年公布的統計數據顯示，2015年世界燃料燃燒產生的碳排放量達到322.9億噸，135.4億噸直接歸因于熱電生產;其中，中國因生產電力和熱力產生的碳排放量高達44.2億噸，占總量的32.64%，占比最大[5]。

當前，我國正處于傳統能源體系向現代能源體系轉型的關鍵時期，能源系統發展不平衡、不協調、不可持續問題得到空前重視。2016年，國家在政策層面開始部署多能互補項目的建設，當年7月，國家發改委、能源局發布《關于推進多能互補集成優化示范工程建設的實施意見》（發改能源[2016]1430號）[1]，并隨后公布了全國首批多能互補集成優化示范項目，于是，越來越多研究者、工程師聚焦于新能源與傳統能源的互補利用問題。特別是將多種能源組合起來，形成互補系統，聯合發電，打捆外送，成為越來越受關注的研究熱點。

本文從全球視角和國內視角，檢索梳理多能互補相關的科學文獻;運用CiteSpace可視化分析的文獻計量方法，挖掘核心文獻關鍵詞，剖析文獻的可視化結果以及數據統計結果，清晰地展示國內外多能互補的研究熱點與研究前沿。

2. 數據

中文數據源于CNKI數據庫。選取學術期刊、碩博論文子庫，分別以多能互補、互補發電、混合發電為關鍵詞進行檢索，篩選剔除英文文獻、相關度較低的文獻，再次檢索，得到424條信息，導出為Refworks格式并保存。

英文數據源于Web of Science核心合集數據庫。選擇“高級檢索”選框進行主題詞檢索。本次檢索所用主題詞為：Hybrid Power Supply，Hybrid Power Plant，Hybrid Power System（s），語言為English， 文獻類型為文章（Article）、綜述（Reviews），時間跨度為所有年份（1900-2019），數據庫選擇Science Citation Index Expanded （SCI-EXPANDED） 和Social Sciences Citation Index （SSCI），得到1050篇相關文獻。將文獻的作者、標題、關鍵詞、摘要、來源出版物、被引頻次、引用的參考文獻等所有記錄，導出為純文本格式并保存。

3. 分析

3.1 研究熱點

在CiteSpace軟件中，將時間區域設置為1984-2019（經檢測，最早論文出版于1984年），時間跨度設為6年。信息來源（Term source）選擇標題（Title）、摘要（Abstract）、作者關鍵詞（Author Keywords）和增補關鍵詞（Keywords Plus）;節點類型（Node Type）選擇關鍵詞（Keywords）;選擇標準（Selection Criteria）選擇出現頻次最高的前50%，圖譜修剪算法（Pruning）選擇Pathfinder算法，則可生成關鍵詞知識圖譜，共得到242個關鍵詞節點以及371條關鍵詞連線并得到關鍵詞可視化界面，如圖1。在CiteSpace軟件中新建項目，導入Web of Science 數據，將事件區域設置為1972-2019（經檢測，最早論文出版于1972年），時間跨度為6年。其他參數與“國內研究現狀”設置相同，則可生成關鍵詞知識圖譜，共得到212個關鍵詞節點和384條關鍵詞連線，如圖2。圖中圓形節點為關鍵詞，其大小代表關鍵詞累計出現的頻次，累計詞頻越高，持續熱度越大。

國內文獻中，除去檢索所用的關鍵詞多能互補、互補發電、混合發電外，多能源互補發電國內研究的研究現狀表現為：（1）研究對象聚焦于：新能源、分布式能源、可再生能源、清潔能源;（2）主要能源側重于：太陽能、風能、水能、生物質能、沼氣、廢物處理，抽水蓄能，燃煤機組;（3）研究要點包括有：能源轉型、智慧能源、節能減排、集成優化、協調控制、需求響應、農村能源建設。除此之外，從圖中線條顏色可以得到兩個明顯的結論：（1）1990-1995年期間，國內農村能源建設、生活用能研究較熱;（2）2014-2019 年期間，能源互聯網、分布式能源系統、能源轉型獲得普遍關注。

國外文獻中，除去檢索所用的關鍵詞“Hybrid power system”以外，多能源互補發電國外研究的研究現狀表現為：（1）研究對象聚焦于：可再生能源（renewable energy），儲能系統（energy storage，battery），能源系統（energy system），微電網（micro grid），電動汽車（electric vehicle，vehicle）;（2）主要能源側重于：風能（wind energy、wind power、wind turbine），太陽能（solar energy、photovoltaic）;（3）研究要點包括：系統設計（design），系統可行性（feasibility），系統性能（performance）;系統運行（operation），系統優化（optimization），系統控制策略（control strategy），以及相對應的模型（model）、算法（algorithm）和成本（cost）。

3.2 研究前沿

圖1和圖2中紫色圓環代表國內多能源互補發電研究的關鍵研究前沿，是軟件根據中性度（Centrality）大于0.1的原則自動篩選出來的。通過對二圖數據進行梳理、列表，得到表1、表2。

從表1國內研究前沿中可以看出，1984-1989年間，多能互補、農村能源建設首次得到關注，并持續成為研究前沿;1990-1995年間，太陽能等氣候資源、新能源的互補發電，在國內成為廣泛關注的研究點;1996-2001年間，可再生能源是關注要點;2002-2007間風力發電、抽水蓄能成為新的前沿;2008-2013年間，光伏電站、混合發電得到持續關注;2014-2019年間，工業園區、區域能源等能源體系、示范工程項目的能源集成優化、互動機制成為新的熱點，這是由于2016年7月4日，國家發展改革委會同國家能源局公布了《關于推進多能互補集成優化師范工程建設的實施意見》（發改能源[2016]1430號），掀起了國內多能互補集成優化研究的高潮。

從表2國外研究前沿可以看出：（1）2000年以前，多能互補外文文獻聚焦于混合能源發電系統的設計（hybrid power system， generation， design）;（2）2000-2010年間，側重于機組設備性能（gas turbine，energy storage，performance）、系統運行優化（hybrid power plant， optimization），不確定性處理（uncertainty）等;（3）2010年以后，風電場相關研究（wind power plant）得到廣泛關注。

3.3 方向聚類

在圖1通過CiteSpace自動聚類，得到國內多能互補研究的可視化聚類圖譜（圖3），由于國外研究論文數量較多，按照關鍵詞聚類得到的結果并不清晰，因此，此處選擇節點類型（Node Type）為論文（paper），裁剪算法（Pruning）選擇最小生成樹（Minimum spanning tree），對文獻進行耦合分析并聚類，得到圖4。圖片左上角是運行參數，其中Modularity表示網絡的模塊度，值越大，聚類效果越好。圖3中，Modularity值為0.8122，說明聚類效果較好。Mean Silhouette是用來衡量網絡同質性的指標，值處于-1與1之間，這里為0.5614，表現了較高的同質性，即多能源互補發電各類別研究之間存在著密切的聯系。圖4中，Modularity 值為0.9363，說明聚類效果非常好。Mean Silhouette值為0.3681，表現了較高的同質性，即多能源互補發電各類別研究之間存在著較為密切的聯系。

圖3中節點表示關鍵詞，其大小與頻次成正比;線條顏色代表不同年份，與圖上部的年份條相對應。黑色字體是圓形節點所表示的關鍵詞，以#開始的紅色字體表示類別標簽，如#10需求響應。從得到的圖譜來看，國內多能互補研究有幾個較大的主題：（1）關于風電的研究，包括#3風力發電，#9風電波動性;（2）關于光電的研究，包括#7太陽能輻射，#8光伏發電;（3）關于能源系統的研究，包括#1現代能源，#2分布式能源系統，#8微電網，#10需求響應;（4）關于節能減排的研究，包括#5煙氣脫硫裝置。

從得到的圖譜圖4來看，多能源互補發電外文文獻有幾個較大的研究主題：（1）關于儲能系統的研究，包括#1air energy storage system，#2super capacitor，#15battery bank，（2）關于系統運行的研究，包括#3demand side management，#20rule-based optimization，#21isolated wind-diesel;（3）關于燃料的研究，包括# 6solid oxide fuel，# 8hybrid fuel cell system;（4）關于轉換器的研究，包括# 14 dc converter，# 23frequency control，# 23frequency regulation。

3.4 關鍵文獻

研究發現，隨著能源危機敲響警鐘、氣候問題逐漸凸顯，全球許多研究者、工程師都在尋找新的方法將風電、光伏等間歇性強的新能源與水電、火電能傳統能源整合。這其中，多能源互補發電，是一個重要的關注點。

國內文獻中，李露瑩等[8]提出了一種風光水混合發電系統，并分析了風光水抽水蓄能混合發電、風光互補抽水蓄能發電以及風光水簡單發電3種運行方案的差異。盛四清等[9]針對風電、光伏出力的強波動性和電網負荷的強峰谷性，提出了風光蓄一體化出力的調度策略，利用抽水蓄能的靈活可調度性平移間歇性能源的出力，并利用改進的粒子群算法求解。吳志明等[10]針對風光火大規模能源基地聯合外送問題，提出了大型能源基地聯合外送中電源容量優化模型，可實現風力發電、光伏發電在時空分布上的互補效益，提高輸電工程的通道利用率，實現經濟效益最大化。葛曉琳等[11]提出，含梯級水電站的風水火聯合調度對于減少煤炭消耗量、提高清潔能源利用效率具有重要的意義，他們綜合考慮檢修計劃影響、梯級水電站間水力約束以及風力、熱力與電力相互耦合的復雜約束，提出了風水火系統長期優化調度方法。國內文獻比較偏重理論，對于風電、光伏能源接入系統中帶來系統的間歇性、波動性影響研究較為薄弱。

國外文獻中，Salkuti S.R[12]綜合考慮風能和光伏能源的間歇特性、用電需求和火電機組的不確定特性性，提出了風-光-火混合發電系統的日前多目標優化調度策略，優化混合發電系統的運行成本、供電可靠性和供電碳排，并使用NSGA-II 算法對模型進行求解。Zhang Y. et al.[13]將大型電動汽車與風力發電相結合，形成了包含電動汽車調度的風-水-火混合發電問題，并應用粒子群優化算法對模型進行求解。Hemmati R. et al.[14]將儲能系統引入風-光-火混合發電系統中，以同時達到平滑功率波動和減少電力損耗的目的，并使用IEEE-24 bus 測試系統對所提出的策略進行了檢驗。Wang X. et al.[15]提出了風-光-水-火互補運行系統的短期調度策略，以期通過最大化可再生能源輸出、最小化火電波動，來達到消除棄風、棄光的問題，并將所提策略成功應用于甘肅、青海等地。這些研究對于將風電、光電整合進入傳統能源電網中具有非常重要的作用，但是卻普遍存在計算量大、實踐操作難度高的問題，并且較少將供電可靠性、清潔性，處理新能源的間歇性這三個問題同時進行考慮。

綜上所述，不論是美國、英國等歐洲發達國家，還是中國、印度等亞洲發展中國家，都十分關注多能互補研究。特別是在中國將“多能互補集成工程”提升到政策層面以后，國內更是掀起了研究的熱潮。然而，是將間歇性新能源電源接入傳統電源后，如何科學安排系統內的電力供應，既能夠平衡混合供電系統的可靠性、穩定性問題，又能夠兼顧系統的經濟性、清潔性問題，仍然是亟待解決的難題。

4. 結論

本文基于CNKI，Web of Science數據庫數據，借助Citespace軟件，采用詞頻統計、共現分析等手段，可視化發掘國內外該領域的熱點關鍵詞、研究前沿和主要貢獻者等信息，主要包括以下幾方面結論：

第一，研究現狀。時間上，國內最早文獻出現于1984年，而國外則是1972年;質量上，國內文獻來源于期刊、碩博數據庫，而國外文獻僅來源于SSCI/SCI數據庫，且國外文獻數量比國內文獻數量的2倍還多，但好在國外文獻的最大貢獻者是中國。由此可見，雖然中國的國內互補相關研究開展較晚，但前進速度驚人，且更加看重論文質量，更加傾向于發表在國際期刊上。

第二，研究熱點。國內外研究的熱點有所重合，但各有側重。具體來說，研究對象是基本重合的，聚焦于可再生能源、儲能系統、微電網、電動汽車;主要能源側重是一致的，對于風能、太陽能、生物質能、抽水蓄能都十分關注。但國內外研究要點具有明顯的差異性，國內聚焦于能源轉型、智慧能源、節能減排、集成優化、協調控制等，但國外更加關注多能互補系統的設計、系統的可行性、系統的性能，以及系統如何運行、如何優化、如何控制等。在這一方面，看出國內研究未來應側重于對具體系統的精細度、精準度和專業度上，即系統如何設計、系統如何可行，系統性能如何等。

第三，研究前沿。36年間（1984-2019），國內多能互補研究前沿幾乎每6年都有一個轉折，每一個時間段都聚焦于不同的前沿。如1984-1989的農村能源建設，1990-1995的氣候資源、新能源，1996-2001的可再生能源，2002-2007的風力發電、抽水蓄能，2008-2013的光伏發電，以及2014-2019的工業園區、區域能源體系。國外研究則不同，雖跨度48年（1972-2019），但2000年以前，聚焦于互補發電系統設計，2001-2010，側重于機組設備性能、設備運行優化，2010年以后，側重于風電場等不確定氣候因素的處理。

第四，關鍵文獻。從國內外選取的關鍵文獻分析中，發現國內文獻比較偏重理論，對于風電、光伏能源接入系統中帶來系統的間歇性、波動性影響研究較為薄弱;國外文獻側重系統的可行性、系統性能，但是也普遍存在計算量大、實踐操作難度高的問題。將間歇性新能源電源接入傳統電源后，如何既能夠平衡混合供電系統的可靠性、穩定性問題，又能夠兼顧系統的經濟性、清潔性問題，仍然是亟待解決的難題。

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