多能互補(bǔ)能源綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

文_陳曉雨 北京燃?xì)饽茉窗l(fā)展有限公司

雖然近些年國家一直在深入推進(jìn)可再生能源技術(shù)研究和應(yīng)用，但由于關(guān)鍵技術(shù)層面的限制，使得多能互補(bǔ)能源綜合系統(tǒng)建設(shè)在我國還面臨多方面技術(shù)限制，因此分析這些技術(shù)限制并探析發(fā)展前景，才能更好地推動(dòng)多能互補(bǔ)能源綜合利用水平不斷提升。

1 理論解析

1.1 多能互補(bǔ)能源綜合利用

多能互補(bǔ)能源綜合利用系統(tǒng)是相對(duì)于傳統(tǒng)分布式的應(yīng)用模式而言，具體是指將各種能源資源進(jìn)行綜合性輸入，依照不同能源品位高低進(jìn)行綜合互補(bǔ)利用，并且依照設(shè)定的能量配合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，以達(dá)到能源最佳利用效率的能源利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。多能互補(bǔ)的應(yīng)用，能夠通過多種資源組合模式，在區(qū)域范圍內(nèi)建設(shè)一體化的集成功能基礎(chǔ)社會(huì)實(shí)踐，從而實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)，提升能源綜合梯級(jí)利用水平，為解決我國能源緊缺、結(jié)構(gòu)不平衡現(xiàn)狀提供具體操作路徑。

1.2 多能互補(bǔ)的提出與發(fā)展

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，我國學(xué)術(shù)界關(guān)于多能互補(bǔ)的研究起始于20世紀(jì)80年代初期，主要是將各種能源進(jìn)行綜合利用，對(duì)于同一主體在不同生產(chǎn)時(shí)期采用不同的能源供給方式，此時(shí)的研究與應(yīng)用處于能源互補(bǔ)的初級(jí)階段。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，更多的學(xué)者將多能互補(bǔ)與生態(tài)產(chǎn)業(yè)、良性循環(huán)等概念結(jié)合研究，多能互補(bǔ)的應(yīng)用范圍也得以拓展。但直到2010年之后，關(guān)于多能互補(bǔ)方面的研究在數(shù)量和質(zhì)量層面才得以深度發(fā)展，不同學(xué)者從更加細(xì)化的方面對(duì)技術(shù)研究、推廣應(yīng)用等進(jìn)行深度分析，推動(dòng)了我國能源綜合應(yīng)用水平的不斷提升。

2 多能互補(bǔ)能源綜合利用關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 技術(shù)研究現(xiàn)狀

基于多能互補(bǔ)研究文獻(xiàn)變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，2016年之后，我國關(guān)于這方面的研究幾乎呈直線上升狀態(tài)，這一現(xiàn)象與國家相關(guān)部門在2016年相繼推出《關(guān)于多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見》《關(guān)于推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》等具有較為密切的關(guān)系，使得這方面的技術(shù)研究進(jìn)入高速發(fā)展階段。如以某框架結(jié)構(gòu)建筑為例，提出以太陽能耦合地源熱泵、回收新風(fēng)系統(tǒng)、毛細(xì)管末端輻射、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電為基礎(chǔ)的多能互補(bǔ)系統(tǒng)；微電網(wǎng)概念提出的Metropolis準(zhǔn)則與天牛搜索算法結(jié)合改進(jìn)，合理安排機(jī)組出力，降低并網(wǎng)模式下微電網(wǎng)運(yùn)行的總發(fā)電成本；基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的多能互補(bǔ)能源體系的優(yōu)化策略，橫向多源互補(bǔ)和縱向“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)調(diào)系統(tǒng)提出，以及大數(shù)據(jù)在能源互補(bǔ)各個(gè)方面的具體應(yīng)用形式等。

2.2 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

自2016年國家能源局組織評(píng)選《首批多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程》以來，我國各地區(qū)在多能互補(bǔ)項(xiàng)目建設(shè)方面的投入力度不斷增加，運(yùn)行類別由原本的終端一體化供能系統(tǒng)和風(fēng)光水火儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)兩種基本形式，朝向多元化、大范圍、智能化方向發(fā)展。尤其是在地域范圍層面，由原來以中西部地區(qū)應(yīng)用為主，朝向全國范圍內(nèi)推廣。截止2020年底，河北崇禮多能互補(bǔ)綜合示范工程、山東濟(jì)寧“太陽能+”多能互補(bǔ)工程、魯能海西700MW多能互補(bǔ)工程、張家口“奧運(yùn)風(fēng)光城”多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程、中國華能多能互補(bǔ)能源基地等多個(gè)項(xiàng)目都進(jìn)入不同運(yùn)行階段。

3 多能互補(bǔ)能源綜合利用關(guān)鍵技術(shù)

3.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)

規(guī)劃設(shè)計(jì)是多能互補(bǔ)能源綜合利用技術(shù)的前提程序，在傳統(tǒng)的能源利用模式中，能源利用之間的協(xié)同優(yōu)化較為簡(jiǎn)單，沒有考慮不同能留系統(tǒng)的耦合，并且建模和分析方法具有較為明顯的差異。目前在這方面的研究中，部分學(xué)者開始將大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能算法技術(shù)導(dǎo)入模型規(guī)劃中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)能量的轉(zhuǎn)換、分配、存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)的分別建模，并以此指導(dǎo)規(guī)劃設(shè)計(jì)。例如，一種基于日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度的綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其具體設(shè)計(jì)模式如圖1所示。

圖1 基于日前優(yōu)化的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 能量管理技術(shù)

能源管理系統(tǒng)的作用主要是基于信息流實(shí)現(xiàn)對(duì)能量流的監(jiān)測(cè)和調(diào)控，以此確保系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。近些年來，在智能技術(shù)的支撐下，實(shí)現(xiàn)了電力能量系統(tǒng)的智能管理。但由于多能互補(bǔ)系統(tǒng)是以多能流耦合為基本運(yùn)行特征的，使得其能量流管理必須綜合考慮電網(wǎng)、可再生能源、非可再生能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)及負(fù)荷等多方面因素，因此在這方面的研究進(jìn)展相對(duì)較為緩慢。

3.3 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)

在多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行中，系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)調(diào)優(yōu)化對(duì)能源利用效率具有直接性影響，如基于產(chǎn)業(yè)園區(qū)為運(yùn)行基礎(chǔ)的，集成多元能源監(jiān)控、能量管理、能效管控和需求側(cè)效應(yīng)等綜合為一體的綜合能源控制系統(tǒng)方案。在其方案所提出的綜合能源控制體系中，以數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建涵蓋自動(dòng)控制系統(tǒng)、監(jiān)視平臺(tái)、管理人員、控制機(jī)構(gòu)為框架的分析系統(tǒng)，能夠基于分析結(jié)果對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的電、熱、冷等系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)分配，以此實(shí)現(xiàn)能源的高效分配。優(yōu)化控制的具體方法以通過智能算法為運(yùn)行基礎(chǔ)，將運(yùn)算得出結(jié)果與控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互后，再實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行的具體優(yōu)化，具有較高的運(yùn)行效率，其優(yōu)化控制模型圖2所示。

圖2 多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制

3.4 儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能水平對(duì)多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益實(shí)現(xiàn)具有直接性影響，在系統(tǒng)中設(shè)置更加合理水平的電力儲(chǔ)能設(shè)備，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)能源臨時(shí)性的高效存儲(chǔ)，還能夠較好的應(yīng)對(duì)電力能源輸入輸出的波動(dòng)，降低電網(wǎng)接入難度。同時(shí)，不同的儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展，還能在能源形式轉(zhuǎn)化中起到更好促進(jìn)作用，并提升可再生能源的應(yīng)用規(guī)模，有效提升供電質(zhì)量和可靠性。目前我國在儲(chǔ)能技術(shù)方面的研究較為寬泛，但是在技術(shù)水平上較之實(shí)際應(yīng)用要求還存在一定差距。

4 多能互補(bǔ)能源綜合利用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

在國家相關(guān)部門政策驅(qū)動(dòng)和市場(chǎng)需求的雙重推動(dòng)下，多能互補(bǔ)能源綜合利用技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。就技術(shù)層面而言，首先是智能化方向發(fā)展，無論是在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)還是在控制優(yōu)化等層面，都將會(huì)依托大數(shù)據(jù)和智能算法運(yùn)行為基礎(chǔ)，構(gòu)建完善的自運(yùn)行系統(tǒng)，減少人工因素在系統(tǒng)運(yùn)行中的干擾，確保系統(tǒng)能夠達(dá)到高智能運(yùn)行水平。其次是朝著物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展，也就是能夠建立起以能源物聯(lián)為基礎(chǔ)的綜合性網(wǎng)絡(luò)體系，將多能互補(bǔ)系統(tǒng)運(yùn)行與電力改革有機(jī)結(jié)合，在完善電力交易機(jī)制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更高水平的經(jīng)濟(jì)效益。