综合能源系统(Integrated Energy System):在规划、建设和运行等过程中,对各种能源的产生、传输与分配(供能网络)、转换、存储、消费、交易等环节实施有机协调与优化,进而形成的能源产供消一体化系统。从 “能源利用” 角度,综合能源系统可理解为通过源侧、网侧和用户侧(荷-储)能的梯级利用、能的综合利用、能的多能互补和能的互联互济,实现能量的高效、清洁、经济、可靠供应,也就是尽可能地追求能源供应过程的多目标全局优化。国内外已有研究中提出的能源互联网、能源集线器、泛能网等均是综合能源系统的表现形态。
综合能源系统主要由供能网络(如供电、供气、供冷/热等网络)、能源交换环节(如CCHP机组、发电机组、锅炉、空调、热泵等)、能源存储环节(储电、储气、储热、储冷等)、终端综合能源供用单元(如微网)和大量终端用户共同构成。其基本物理架构图1所示。
在能源供应侧,核心技术包括可再生能源发电、分布式发电等;在能源转换侧,核心技术包括冷热电三联供、能量梯级利用等;在能源输送侧,核心技术包括天然气管道输送技术、交直流混合控制技术等;在终端用户侧,核心技术包括需求响应、负荷预测等。
综合能源系统实现了电力、热力、制冷、天然气、交通等系统的耦合,以电力网络为基础,各能源系统之间协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济,其规模可以划分为跨区域级、区域级及用户级3个层次。从技术经济、社会因素、难易程度等方面综合考虑,未来能源互联网最可能实现的路径应该是终端能源系统→区域综合能源系统→全域综合能源系统。其中用户级综合能源系统适用于工厂、学校、建筑等单一主体区域,投资、建设和运营模式较为简单;技术上易于实现;区域级综合能源系统适用于城市园区、独立供电区乃至整个城市,需要多方协调;跨区域级综合能源系统适用于未来城市级的能源供用方式,涉及面广,影响深远,需要国家政策大力和持续支持。
(1)构建综合能源系统,有助于可再生能源规模化开发,有助于传统一次能源利用效率提升,有助于实现社会能源可持续发展。
(2)有利于提高社会供能系统的安全性和自愈能力,有利于增强人类社会抵御自然灾害能力,对保证国家安全也有重大意义。
(3)有利于提高社会供能系统基础设施的利用率,有利于提高社会资金利用率,有利于节约型社会的构建。
(4)综合能源系统已成为国际上能源领域未来重要的战略方向,开展此项研究,有助于培育国家自主创新能力,有助于提升我国在能源技术领域的国际竞争力和国际话语权。
综合能源系统并不是一个全新的概念,其发展可大致分为孕育、概念、起航、升华这4个阶段。
1. 综合能源(电力)系统的未来形态演化规律研究
可分为三个层次:第一层次为未来智能配用电系统的形态特征及演化规律;第二层次为电/气/冷/热构成的综合能源系统形态特征及演化规律;第三层次为能源系统与社会基础设施深度融合的形态特征规律。
2. 适用于综合能源系统研究的建模和综合仿真技术
3. 综合能源系统一体化的评估指标体系和评估方法体系研究
4. 有效满足用户多样化需求,实现能源互补优化的综合能源系统优化规划技术
综合能源系统的规划建设方案,应在满足用户用能需求基础上,实现能源-时空-指标三个维度的有机统一。
5. 适用于综合能源系统的优化运行及安全控制技术
(1)多种能源的互补协调与优化技术(横): 充分挖掘和利用不同能源之间的互补替代性;
(2)各类能源在源-输-储-荷各环节上的分层有序梯级优化(纵): 能源利用效率最优;
(3)多态/多时标/PDAE系统稳定性: 偏微分方程-微分方程(差分方程)-代数方程所构建模型的稳定性理论和分析技术;
(4)超高维/强非线性/复杂耦合系统的稳定性: 故障演变机理、连锁故障发展规律、故障有效预防及协调控制技术。
6. 能源—信息系统协同优化规划技术研究
综合能源系统的建设,既要考虑不同能源互通互济的内部需求,还要考虑信息系统与能源网络间的相互耦合及信息系统规划建设的外部需求。
7. 综合能源系统与城市基础设施协同发展技术研究
(1)能源环节是城市的最基础设施,综合能源系统是未来生态、智慧型城市的核心—城市建设需要综合考虑能源环节;
(2)能源环节的规划建设,与城市需求、定位、市政、交通等存在千丝万缕联系—综合能源系统建设综合考虑城市需要。
[ 1 ] [1] [1] 王宏, 闫园, 文福拴,等. 国内外综合能源系统标准现状与展望[J]. 电力科学与技术学报, 2019, 34(3):10.
[ 2 ] [2] [2] 郭光华, 杜颖, 范云鹏,等. 以电为核心的综合能源系统研究综述[J]. 山东电力技术.
[ 3 ] [3] [3] 王永真, 康利改, 张靖,等. 综合能源系统的发展历程,典型形态及未来趋势[J]. 太阳能学报, 2021, 42(8):12.
[ 4 ] [4] [4] 宫飞翔, 李德智, 田世明,等. 综合能源系统关键技术综述与展望[J]. 可再生能源, 2019, 37(8):7.
[ 5 ] [5] [5] 宋泽辉, 吕朝刚, 邓鹏远,等. 综合能源系统综述[J]. 化工设计通讯, 2019, 45(10):2.
[ 6 ] [6] [6] Mancarella P . MES (multi-energy systems): An overview of concepts and evaluation models[J]. Energy, 2014, 65(feb.1):1-17.
https://www.sohu.com/a/234975356_99895902.
https://www.docin.com/p-2464932494.html.