綜合能源多能互補關鍵技術研究現狀及發展趨勢

王文坦 周全 侯強 戴安 周靜 王哲

摘 要：綜合能源多能互補系統通過整合多種可利用能源，實現多種形式能量流的協調優化和高效互補，是新型能源體系的重要組成部分，對于提高可再生能源消納比例和能源綜合利用效率具有重要意義。簡述了綜合能源多能互補系統的發展背景，重點從多能互補系統分析規劃技術、協調優化控制技術、儲能技術和能量管理技術等方面梳理了多能互補系統關鍵技術的研究現狀，對我國多能互補系統的應用案例進行了分析，對多能互補系統技術的研究和發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：綜合能源系統；多能互補；多能流；協調控制；能量管理

中圖分類號：TM61；TK01 文獻標志碼：A

0 引 言

黨的二十大報告提出，要深入推進能源革命，加快規劃建設新型能源體系。新型能源體系是以清潔、低碳、可再生能源為基礎，利用先進技術和系統來實現能源的高效利用和可持續發展的能源體系。作為新型能源體系的重要組成部分，綜合能源系統是一種新型能源供應和管理系統，具有源網荷儲一體化、多能互補、供需協調等特點[1]，可以通過整合區域內不同形式的可利用能源，實現多種形式能量的協調優化和高效互補，提升可再生能源開發消納水平和非化石能源消費比重，滿足區域內終端用戶對電、熱、冷、氣等多方面的能量需求，提高能源綜合利用效率。

相較于單一的傳統能源生產和應用模式，綜合能源系統的關鍵特征在于多能互補，通過有機整合不同供能主體和不同能源形式，連通原本相互獨立的能源孤島，利用多主體、多能流之間的互補效應，平抑供需關系變化以及隨機性能源接入帶來的沖擊，實現能源的削峰填谷和高效利用[2]。2020年，國家發展改革委、科技部、工業和信息化部、財政部共同發布《關于擴大戰略性新興產業投資，培育壯大新增長點增長極的指導意見》[3]，將綜合能源系統的規劃建設列為戰略性新興產業之一。發展多能互補的綜合能源系統是國家能源體系轉型升級的戰略需求。

1 綜合能源多能互補系統模式

2016年，國家能源局發布了《關于推進多能互補集成優化示范工程建設的實施意見》[4]，將多能互補項目分為終端一體化和綜合能源基地兩種模式。第一種根據終端用戶的用能需求，利用不同能源特點和互補機制，形成終端一體化集成供能系統，通過熱電冷三聯供、分布式能源和智能微網等方式，實現多能協同供應和能源綜合梯級利用。第二種模式以大型綜合能源基地作為對象，通過集成資源組合優勢，形成不同能源相結合的風光水火儲多能互補系統。2017年，國家能源局發布《關于公布首批多能互補集成優化示范工程的通知》[5]，公布了23個多能互補集成優化示范工程項目。2021年，國家能源局發布《關于推進電力源網荷儲一體化和多能互補發展的指導意見》[6]，進一步提出我國“源網荷儲一體化”和“多能互補”的具體實施路徑。

2 多能互補關鍵技術

多能互補系統的能源形式不僅包括風能、太陽能、水能、生物質能、氫能等可再生能源，還包括煤炭、天然氣、柴油等傳統能源。通過高效整合能源供給側不同形式的能源，減少棄水、棄風、棄光、限電等現象，提高電力輸出功率的穩定性，提升電力系統消納風電、光伏發電等間歇性可再生能源的能力。綜合考慮不同用能需求，通過智能微網等方式實現電、熱、冷、氣等多能協同和能源綜合梯級利用。在綜合能源多能互補系統的發展和應用過程中，需重點解決的關鍵技術包括分析規劃技術、協調優化控制技術、儲能技術和能量管理技術等[7]。

2.1 多能互補系統的分析規劃技術

綜合能源多能互補系統存在多種協同互補模式，其中綜合能源基地多能互補系統屬于源端互補模式，電源側不同供能主體按利用時間和空間維度上的互補效應進行互補，這種模式下需對風、光等非可控清潔能源的不確定性進行分析，對多能互補效應進行量化評估研究，建立多能混合模型。國內外學者從衡量設備出力互補性的角度，用相關系數來量化時間序列之間的相關程度，常用作衡量互補性的相關系數有Pearson相關系數[8]、Kendall相關系數[9]和Spearman相關系數[10]等。有學者用系統出力的波動性或可靠性來衡量系統的互補性，Zhang等[11]構建了量化評估風光時空互補特性的三層框架模型，第一層構建了虛擬能源系統，第二層分析一個區域內的時間互補特性，第三層對多個區域的空間互補特性進行量化，該模型能有效降低省級區域的風光供能系統波動性。Tang等[12]提出了一種以負荷滿足度作為互補性指標的規劃模型，通過模型計算風電和光電集成的位置和容量，獲得互補性較高的規劃集成方案，以保證負荷供應和電能質量。

終端一體化集成供能系統屬于源荷互動模式。這種模式下需綜合考慮用戶的用能需求和能量的經濟性比選，建立以分布式能源系統為核心的分析規劃模型，通常用穩態模型描述電力系統，用動態模型描述天然氣和熱力系統，再耦合各種關鍵設備，實現多能流的統一建模[13]。多能流建模方法主要包括能源集線器模型（又稱能量樞紐模型）、統一能路模型和能量網絡模型等。徐憲東等[14]基于能源集線器模型構建了熱電聯產系統模型，提出了混合潮流算法，對3種運行模式下電力網絡和燃氣管網進行分析計算。龔萍等[15]以能量網格為基礎構建了廣義多能流模型，以全生命周期成本最小為目標，建立了綜合能源系統多階段規劃模型，通過計算得出各規劃階段的設備和路線的最佳配置方案。韓華春等[16]開發了一種基于多能流聯合解算與分析的在線仿真系統，包含電、氣、熱、冷、蒸汽5種用能設備和管網，可以對綜合能源系統建設方案進行全網運行狀態模擬、故障恢復分析等的可行性驗證，為綜合能源系統規劃提供仿真層面的數據支撐。

在綜合能源多能互補系統的規劃設計方法上，通常使用雙層優化模型將規劃設計階段和運營調度階段耦合起來進行規劃問題的求解。通過設定規劃目標，在一定的約束條件下，采用優化算法計算出指定變量的最優值，規劃目標有可再生能源消納率或經濟性指標等，常用的約束條件有時間約束、成本約束、設備出力約束或者負荷約束等。Wang等[17]基于雙層優化模型，通過多目標優化生成多個兼顧方案，再以運行調度階段經濟性最優為目標對規劃方案進行篩選，實現了規劃設計和運行調度的協調優化。陳云輝等[18]建立了包含可再生能源元件、能量儲存元件和能量轉換元件的能量樞紐模型，以經濟性為規劃目標，以設備容量與運行邊界為約束條件，得到最佳的區域能源站規劃配置方案。

2.2 協調優化控制技術

協調優化控制技術可分為協同控制管理技術和優化調度管理技術兩大類。協同控制管理技術的核心是基于能源互聯網的多智能體系的分布式協同控制[19]，本質是利用信息通信技術實現綜合能源系統內各節點設備的協同工作，對系統內的供能端和用能端進行協同調度，其實施方案主要包括兩類：一類根據多能互補系統中的拓撲結構、節電設備功能及負荷特性，設計多智能體分布式系統，利用系統內各智能體的自治性、主動性和社會性等控制各節點設備的開關狀態，維持多能互補系統運行的穩定性[20]。另一類根據多能互補系統中各設備的運行狀態和供能、儲能、用能特性，設計多智能體一致性協議，利用系統內各智能體的反應性和進化性等行為特性，調整各節點設備的關鍵運行參數，保障多能互補系統內的能量平衡和能量質量[21-22]。華光輝等[23]研究了區域綜合能源系統層級構架，提出了協控系統的拓撲關系及硬件和軟件結構，并在蘇州同里新能源小鎮綜合能源示范區開展了試驗驗證和示范運營。

優化調度管理技術可以分為面向穩態的優化調度模型、算法和效益分析等，以及考慮具體網格約束和動態特性的協調調度。Wang等[24]研究了多能互補系統在多目標需求下三種能源形式的優化調度。Liu等[25]研究了天然氣安全約束下的電、氣優化調度。袁桂麗等[26]針對負荷需求特性和可再生能源的不確定性，以經濟性最優為目標建立了優化控制模型，采用改進的遺傳算法求解，提升系統協調發電能力，降低系統運行成本。劉芯汝[27]綜合考慮風、光處理特性及電、熱需求響應對系統運行的影響，構建包含電、熱、氣不同能量形式的多能互補系統協同優化控制模型。司方遠等[28]以區域綜合能源系統為研究對象，提出了多元靈活資源聚合下的研究框架，采用“主動調節能力評估、自洽協調優化、集群協同控制”的技術路線，實現了影響主動調節能力的關鍵指標可建模、信息可獲取，主動調節能力可優化，對多元不確定環境可應變，多能源能量可共享，多主體聯動有序協同的目標。

2.3 儲能技術

儲能系統在綜合能源多能互補系統中發揮著重要作用。在源側可以平滑可再生能源發電的波動，應用于可再生能源的能量時移、發電容量固化和出力平滑等；在用戶側可以應用于能量時移、參與電網需求響應、提高電能質量、提升供電可靠性等。

儲能技術是綜合能源多能互補系統的支撐性技術。按照儲存介質進行分類，可分為物理儲能、電化學儲能、電磁儲能、熱儲能和化學儲能。從基礎研究、關鍵技術發展和集成示范的情況來看，各種儲能技術大致可分為四個梯隊[29]：第一梯隊為抽水蓄能，占2022年全國儲能裝機的77.1%左右；第二梯隊有鋰離子電池、壓縮空氣儲能、液流電池、鉛蓄電池和儲熱儲冷技術；第三梯隊有鈉離子電池、飛輪儲能和超級電容器；第四梯隊有重力儲能、熱泵儲電、液態金屬等。

不同儲能方式各有特點，例如抽水蓄能和壓縮空氣儲能壽命較長、規模較大，鋰電池儲能和飛輪儲能響應時間快、效率較高，不同的儲能方式適用于不同的應用需求和經濟性要求。在多能互補系統中，對儲能的應用研究側重于不同場景下的容量優化配置、優化調度、控制策略、運營模式等[30]。施泉生等[31]將熱、電、氣三種儲能方式應用于微網系統，建立了相應的經濟優化運行模型，認為多種儲能形式相結合的綜合能源系統可以有效減少棄風量，環保效益和經濟效益良好。林俐等[32]以氫儲能技術為紐帶，耦合電能、熱能和氫能，構建了基于燃氫燃氣輪機的多能互補系統模型，以提高能源的綜合利用效率。李山山等[33]設計了園區綜合能源系統下的共享服務機制，分析了服務模式特征，建立了以用戶凈用能成本最小為目標的協調運行模型及策略。

2.4 能量管理技術

在傳統能源系統中，不同能源系統相對獨立，隸屬于不同公司進行管理和運營，比如電網、熱力管和天然氣網等，不同能源系統間缺少耦合和協同。傳統智能電網能量管理系統發展成熟[34]，基本滿足電力系統安全運行的需要。與傳統能源系統中的能量管理相比，綜合能源多能互補系統中的能量管理面臨著多能流耦合、多時空尺度和多管理主體等多方面的技術挑戰。

近年來，微電網不斷發展，部分微電網已具備初步的多能流能量管理功能[35]，可以實現監測和基礎調度功能。Su等[36]建立了隨機微電網能量調度模型，集成風能、太陽能、插電式電動汽車、分布式發電機和分布式儲能，通過隨機調度優化降低微電網的運行成本，提高對可再生能源的適應性。孫宏斌等[37]認為多能流能量管理系統應包含建模、實時狀態估計、安全控制、優化調度等核心功能，提出了多能流能量管理系統家族的概念，采取分布自治、集中協同的構架，不同的家族成員通過雙向通信實現多能流的協同管理。孫宏斌等[38]按照多能流能量管理系統家族“分布自律—集中協同”的分層互聯架構，設計研發了面向能源互聯網的多能流綜合能量管理系統，實現了對廣域范圍內大量分布式資源的靈活控制與管理。郭泰等[39]設計了“單質能流層—多能耦合層”兩層模型架構，提出了面向異質能流標準化建模方法和基于聚合—派生的多能耦合層標準化建模方法，并將標準化模型生成模塊集成到多能流能量管理系統中，實現了冷、熱、電、氣多能流系統模型的標準化表達與信息交互。

3 我國綜合能源多能互補系統案例分析

自2017年首批多能互補集成優化示范工程建設以來，多能互補示范工程和示范項目逐步落地并啟動，因不同地域的能源資源稟賦有所差異，示范工程的多能互補形式各有特色。上海崇明島示范項目構建了具有彈性的智能配電網，是國內首個配網級獨立運行的風電和儲能系統[40]。雄安新區建成了以“地熱+”為核心的多能互補系統示范工程，對地熱能開展梯級利用[41]。隨著云計算、移動互聯網、大數據、物聯網、人工智能等技術的興起，綜合能源多能互補系統迎來了新的機遇與發展。寧波市城市級智慧能源管理服務系統充分利用“大云物移智”等信息化技術[42]，打造了綜合智慧能源數字化服務新業態，實現全品類能源生產、供給、存儲、消費數據匯聚和在線監測，有效促進了用能信息的互聯共享。

近年來，一些大型企業紛紛在發展“水風光火儲一體化”和“源網荷儲一體化”項目方面持續發力。中國長江三峽集團有限公司勾勒新能源“線路圖”——加強新型儲能和“源網荷儲”一體化技術研究，科學合理布局抽水蓄能、氫能、光熱等新業務，更好實現風、光、儲多能互補、協同共舞，大力推廣“新能源+”新模式。中國長江三峽集團有限公司統籌推進“源網荷儲”和多能互補業務，調整存量與做優增量并重，圍繞大通道、建設大基地、帶動全產業鏈發展——瞄準風、光、水、儲一體化協調發展的世界級清潔能源基地。金沙江下游水風光多能互補一體化開發基地開工建設；青海海南、海西基地光伏光熱、內蒙古蒙西基地庫布其光伏治沙、安徽阜陽南部風光電等大基地項目加速推進；內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗納日松光伏制氫產業示范項目全面并網發電。

4 多能互補系統技術研究與發展趨勢

多能流是綜合能源多能互補系統的關鍵特征之一，未來綜合能源多能互補系統技術的研究和發展將圍繞著多能流展開：

（1）突破各能源系統的簡單組合，發展多能互補、能勢匹配、梯級利用的多能流耦合理論，深入探究多能互補高效轉化與耦合機理，建立多目標、多場景的協同規劃研究方法。進一步研究適用于綜合能源多能互補系統的綜合性能評價方法，兼顧高效性、安全性、穩定性、經濟性和靈活性，指導多能流系統的設備選型和容量匹配，實現源網荷儲各部分的高效協同運行。

（2）綜合考慮源側可再生能源的波動性和負荷側用戶用能的不確定性，進一步研究多能流實時建模和狀態估計技術，建立多能流系統的主動調控機制，揭示不同時空尺度下多能流系統的全工況運行特性，實現多能流系統的實時監測與優化調控。

（3）充分利用能源互聯網技術，將數字孿生、虛擬電廠等先進技術應用于多能流系統，推動綜合能源系統向數字化和智能化方向發展。

5 結束語

為實現雙碳目標，我國將著力構建新型能源體系，綜合能源多能互補系統是國家能源體系轉型升級的戰略需求。本文簡述了綜合能源多能互補系統的發展背景，對多能互補關鍵技術的研究現狀進行了梳理，重點對分析規劃技術、協調優化控制技術、儲能技術和能量管理技術的發展和應用情況進行了論述，對我國多能互補系統的應用案例進行了分析，并對綜合能源多能互補系統的發展趨勢進行了展望。

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Key Technologies of Multi-energy Complementary for Integrated Energy Sources：Research Status and Development Trends

WANG Wentan1，ZHOU Quan1，HOU Qiang1，DAI An1，ZHOU Jing1，2，WANG Zhe1

（1. Hubei Intelligent Integrated Energy Industry Technology Research Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China；2. China Yangtze Power Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：As an essential part of the new energy system，the Integrated Energy Multi-energy Complementary System （IEMS）achieves the coordinated optimization and efficient complementary of multiple energy flows through the integration of a variety of available energy sources. It is of great significance for improving the proportion of renewable energy consumption and the comprehensive energy consumption efficiency. Based on the development background，we focus on collating current research status of the key technologies for IEMS from various aspects. These aspects specifically involve analysis and planning technology，coordination and optimization of control technology，energy storage and management technology. Additionally，we review application cases of multi-energy complementary system in China and anticipates future research and development trends.

Key words：integrated energy system；multi-energy complementary；multi-energy flow；coordinated control；energy management

基金項目：三峽電能有限公司科研項目（6123020005）

作者簡介：王文坦，男，高級工程師，博士，主要研究方向為綜合能源技術與應用、低碳技術與應用。E-mail：wangwt05@foxmail.com