能源是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力和基礎(chǔ)。由于傳統(tǒng)化石能源日益枯竭，提高能源利用效率、開(kāi)發(fā)新能源、加強(qiáng)可再生能源綜合利用成為解決社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中的能源需求增長(zhǎng)與能源緊缺之間矛盾的必然選擇。由于不同能源系統(tǒng)發(fā)展的差異，供能往往都是單獨(dú)規(guī)劃、單獨(dú)設(shè)計(jì)、獨(dú)立運(yùn)行，彼此間缺乏協(xié)調(diào)，由此所造成了能源利用率低、自愈能力不強(qiáng)、供能系統(tǒng)整體安全性有待提高等問(wèn)題。

1. 多能互補(bǔ)簡(jiǎn)介

多能互補(bǔ)并非一個(gè)全新的概念，在能源領(lǐng)域中，長(zhǎng)期存在著不同能源形式協(xié)同優(yōu)化的情況，幾乎每一種能源在其利用過(guò)程中，都需要借助多種能源的轉(zhuǎn)換配合才能實(shí)現(xiàn)高效利用。在能源系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行階段，對(duì)不同供用能系統(tǒng)進(jìn)行整體上的互補(bǔ)、協(xié)調(diào)和優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用和協(xié)同優(yōu)化，為解決上述問(wèn)題提供了思路。不同能源供應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行特性各異，通過(guò)彼此間協(xié)調(diào)，可降低或消除能源供應(yīng)環(huán)節(jié)的不確定性，從而更有利于可再生能源的安全消納。

隨著分布式發(fā)電供能技術(shù)，能源系統(tǒng)監(jiān)視、控制和管理技術(shù)，以及新的能源交易方式的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，能源耦合緊密，互補(bǔ)互濟(jì)。綜合能源系統(tǒng)作為多能互補(bǔ)在區(qū)域供能系統(tǒng)中最廣泛的實(shí)現(xiàn)形式，其多種能源的源、網(wǎng)、荷深度融合、緊密互動(dòng)對(duì)系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行提出了新的要求。綜合能源系統(tǒng)一般涵蓋集成的供電、供氣、供暖、供冷、供氫和電氣化交通等能源系統(tǒng)，以及相關(guān)的通信和信息基礎(chǔ)設(shè)施。傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)相互獨(dú)立的運(yùn)行模式無(wú)法適應(yīng)綜合能源系統(tǒng)多能互補(bǔ)的能源生產(chǎn)和利用方式，在能量生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)和管理的各個(gè)方面，都需要以考慮運(yùn)用系統(tǒng)化、集成化和精細(xì)化的方法來(lái)分析整個(gè)能源系統(tǒng)，進(jìn)而提高系統(tǒng)魯棒性和用能效率，并顯著降低用能價(jià)格。

2. 多能互補(bǔ)在綜合能源系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)研究

綜合能源系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)一直受到世界各國(guó)的重視，不同國(guó)家往往結(jié)合自身需求和特點(diǎn)，各自制定適合自身的綜合能源發(fā)展戰(zhàn)略。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者做了相當(dāng)多的研究，主要研究?jī)?nèi)容可歸納為圖1，包括以下幾個(gè)方面：


圖:多能互補(bǔ)相關(guān)研究關(guān)系圖

1)多能互補(bǔ)靜態(tài)建模

能源集線器(energyhub)模型反映了能量系統(tǒng)間的靜態(tài)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，最早由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)提出。該模型是綜合能源系統(tǒng)通用建模的一次有益嘗試，大量的相關(guān)研究已用于含有冷熱電氣系統(tǒng)的耦合關(guān)系描述，并被廣泛應(yīng)用于各類綜合能源系統(tǒng)相關(guān)研究中(如綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃、分布式能源系統(tǒng)管理、需求管理控制、區(qū)域能源系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度等)。該模型反映了能源在傳輸和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的靜態(tài)關(guān)系，而無(wú)法描述綜合能源系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜多樣的動(dòng)態(tài)行為。

2)多能互補(bǔ)動(dòng)態(tài)建模

多能互補(bǔ)動(dòng)態(tài)模型一般包括動(dòng)態(tài)能源集線器和動(dòng)態(tài)能源連接器模型。動(dòng)態(tài)能源集線器在傳統(tǒng)集線器模型的基礎(chǔ)上，考慮能量轉(zhuǎn)換機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)能源連接器描述了電能、液態(tài)工質(zhì)或氣態(tài)燃料輸送環(huán)節(jié)的靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，研究?jī)啥藗鬟f環(huán)節(jié)和協(xié)調(diào)反饋環(huán)節(jié)，對(duì)多個(gè)能源輸送環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一和協(xié)調(diào)控制。

3)區(qū)域多能互補(bǔ)協(xié)同優(yōu)化策略

從系統(tǒng)的角度看，耦合不同的能量載體相對(duì)于常規(guī)的去耦能量供應(yīng)網(wǎng)顯示出許多潛在的優(yōu)點(diǎn)，冗余能流路徑提供的一定程度的自由度為多能協(xié)同優(yōu)化提供了空間。通過(guò)能量系統(tǒng)互連互通，改善不同能源在不同供需背景下的時(shí)空不平衡，實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)用能成本、提高用能的效率以及增強(qiáng)供能的可靠性的目的。同時(shí)，這也使得協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題的規(guī)模和求解難度也不斷提高，設(shè)計(jì)易于實(shí)施且優(yōu)化效果明顯的運(yùn)行策略一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一。

4)家庭能源中心運(yùn)行智能管理

用戶側(cè)的靈活資源、分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備將得到更加廣泛的應(yīng)用，電、氣、冷、熱等多種能源形式在用能端的交叉耦合和相互轉(zhuǎn)換也將更為緊密，同時(shí)也為多元用戶主動(dòng)參與綜合能源系統(tǒng)互動(dòng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)，也促進(jìn)了能量流、信息流、業(yè)務(wù)流等特性各異的物理對(duì)象的融合。未來(lái)的綜合能源系統(tǒng)不再是由供給側(cè)到用戶側(cè)的單向能量傳遞，能源用戶也由過(guò)去的能源使用者轉(zhuǎn)換成能源消費(fèi)者和服務(wù)商，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中供給者、消費(fèi)者的概念被淡化，取而代之的是綜合能源系統(tǒng)供需雙側(cè)的智能交互。

5)多種儲(chǔ)能的控制方法和配置策略

現(xiàn)階段，按照時(shí)間尺度來(lái)劃分，電儲(chǔ)能一般用于“低儲(chǔ)高發(fā)”、聯(lián)絡(luò)線功率控制和電能質(zhì)量治理三個(gè)方面，經(jīng)濟(jì)效益在峰谷電價(jià)差和延緩電網(wǎng)升級(jí)兩方面。由于供冷是非時(shí)變的，儲(chǔ)熱沒(méi)有套利空間，一般用于與CCHP機(jī)組協(xié)調(diào)調(diào)度，優(yōu)化CCHP機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，使以熱定電的CCHP機(jī)組可在用電峰時(shí)段多發(fā)電，燃?xì)忮仩t運(yùn)行在效率較高的狀態(tài)，在用電谷時(shí)段停機(jī)由儲(chǔ)能供熱，顯著提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。另外，對(duì)于電制冷機(jī)組，其經(jīng)濟(jì)效益與實(shí)時(shí)電價(jià)關(guān)系密切，加入蓄冷可以顯著降低電空調(diào)的運(yùn)行成本，減少電制冷機(jī)組的配置容量。

3. 多能互補(bǔ)在綜合能源系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題

雖然就多能互補(bǔ)的相關(guān)問(wèn)題已開(kāi)展了大量的研究，但綜合能源系統(tǒng)的推廣仍面臨許多挑戰(zhàn)，在一些關(guān)鍵問(wèn)題上仍需要進(jìn)一步研究。

1)多能互補(bǔ)協(xié)同運(yùn)行調(diào)度

多能互補(bǔ)的協(xié)同調(diào)度優(yōu)化一直是這一領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵，是系統(tǒng)規(guī)劃和市場(chǎng)互動(dòng)博弈的基礎(chǔ)。通過(guò)多個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同合作，實(shí)現(xiàn)區(qū)域系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和能效目標(biāo)，并促進(jìn)區(qū)域新能源的大規(guī)模消納。相反的，系統(tǒng)的耦合在取得效益增益的同時(shí)，故障后發(fā)生的影響范圍和影響程度也會(huì)擴(kuò)大，特別是對(duì)于不同時(shí)間尺度的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，很容易發(fā)生故障傳遞，因此，對(duì)于多能互補(bǔ)的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估還需要進(jìn)一步深入研究。

2)多能互補(bǔ)協(xié)同規(guī)劃策略

對(duì)于多能互補(bǔ)的協(xié)同規(guī)劃，規(guī)劃場(chǎng)景構(gòu)建與預(yù)測(cè)較傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)規(guī)劃更加復(fù)雜，綜合政策、市場(chǎng)、氣象等重要信息，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)分析的規(guī)劃場(chǎng)景。依據(jù)源荷互補(bǔ)特性劃分互動(dòng)集群，分別建立集群內(nèi)源-荷-儲(chǔ)優(yōu)化配置模型和供能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型，并基于分解協(xié)調(diào)思想實(shí)現(xiàn)互動(dòng)集群和互濟(jì)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃。在各場(chǎng)景下，通過(guò)冷熱電負(fù)荷需求、規(guī)劃問(wèn)題不確定性及負(fù)荷可調(diào)潛力分析，計(jì)算用能需求的時(shí)空分布，據(jù)此確定規(guī)劃策略。

3)考慮用能替代的綜合需求響應(yīng)

對(duì)多能互補(bǔ)系統(tǒng)，用戶參與需求響應(yīng)的手段不僅限于傳統(tǒng)的電能削減和在時(shí)間上的平移。用能替代正逐漸成為綜合需求響應(yīng)的一個(gè)重要方式，能量的替代使用可降低用戶側(cè)的用能成本，在滿足用能需求的前提下響應(yīng)各個(gè)能源系統(tǒng)的調(diào)度期望，可觀的響應(yīng)收益為用戶相應(yīng)行為提供充足的驅(qū)動(dòng)力。但是，當(dāng)前調(diào)度、規(guī)劃以及市場(chǎng)的研究中，很多都忽略了這種新的用戶響應(yīng)形式。

4)熱/電/氣多能流計(jì)算

無(wú)論是在規(guī)劃還是調(diào)度運(yùn)行中，能流計(jì)算一直是多能系統(tǒng)靜態(tài)分析的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。一般采用改進(jìn)的能源集線器模型，考慮耦合單元作為平衡節(jié)點(diǎn)對(duì)于電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流的影響，形成該系統(tǒng)適用的潮流求解算法。相應(yīng)的研究可分為統(tǒng)一求解法和解耦求解法兩類。采用統(tǒng)一求解法時(shí)，需要建立電力-天然氣系統(tǒng)的混合模型，然后在統(tǒng)一的框架下建立包含多個(gè)能網(wǎng)狀態(tài)的潮流方程，對(duì)系統(tǒng)綜合潮流進(jìn)行求解，在算法求解方面往往要求較高。而解耦求解法需分析不同模式下多個(gè)系統(tǒng)的耦合關(guān)系，將電力潮流與天然氣以及熱力系統(tǒng)解耦計(jì)算，因此可以在原有獨(dú)立的潮流計(jì)算模塊上增加電/氣/熱耦合分析模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算難度較小。

5)多能市場(chǎng)互動(dòng)策略與交易機(jī)制

綜合能源系統(tǒng)的多能互動(dòng)參與主體主要包括園區(qū)綜合能量管理中心、各類工業(yè)用戶、居民用戶、電動(dòng)汽車、新能源、儲(chǔ)能、熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等。各類主體在互動(dòng)框架中扮演著不同的角色，根據(jù)自身的用電特性、風(fēng)險(xiǎn)偏好和響應(yīng)潛力，響應(yīng)電價(jià)信息和管理中心發(fā)布的可中斷信息，調(diào)整自身負(fù)荷計(jì)劃，從而達(dá)到柔性互動(dòng)的目標(biāo)。然多能主體眾多，不同的用戶利益訴求不同，其參與互動(dòng)的目標(biāo)也有所差異，因此一個(gè)能夠吸引用戶參加的健全的互動(dòng)機(jī)制，應(yīng)在一定程度上滿足各個(gè)主體不同的利益目標(biāo)，多能互動(dòng)典型設(shè)計(jì)方案如圖2。


圖2 多能互動(dòng)機(jī)制設(shè)計(jì)方案

4. 前景展望

隨著能量需求呈現(xiàn)多樣化和分布化趨勢(shì)，以多能互補(bǔ)為中心的綜合能源系統(tǒng)理論研究和工程實(shí)踐也隨之展開(kāi)，然而在實(shí)踐和研究過(guò)程中，各子系統(tǒng)通過(guò)大量的異質(zhì)元件耦合，耦合元件在不同的管理模式、運(yùn)行場(chǎng)景和控制策略下相互影響，呈現(xiàn)不同的電氣、熱力、水力特性，對(duì)所耦合的能源系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的非線性、不確定的影響，綜合能源系統(tǒng)無(wú)論在科學(xué)研究還是工程應(yīng)用方面仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為進(jìn)一步提高用能效率，促進(jìn)多種新能源的規(guī)?；?，多種能源的源、網(wǎng)、荷深度融合、緊密互動(dòng)又是未來(lái)能量系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，據(jù)此，綜合能源系統(tǒng)多能互補(bǔ)研究具有前瞻性和巨大的工程應(yīng)用價(jià)值。