综合能源系统

一、综合能源系统的定义

       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。

图1 综合能源系统结构框架示意图

       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。

二、综合能源系统研究背景与意义

       （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。

图2 综合能源系统研究意义（能源利用角度）

       （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。

三、综合能源系统发展历程

       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。

图3 综合能源系统发展阶段示意图

四、综合能源系统特点

• 灵活性
  单一能源供应系统对能源供应的稳定性依赖极强，当能源供应中断时，生产系统将处于瘫痪状态，造成极大的经济损失。综合能源系统在正常工作时，能针对能源的不同特性提升能源的传输及转化率，在某种能源供应因故障而中断时，系统能够利用其他能源保证生产系统的正常运行。
• 可靠性
  清洁能源因其自身的间歇性和随机性，不能持续和稳定的供能，制约了其发展。综合能源系统可接受多种清洁能源，在能源获得的难易程度上进行互补，此外，综合能源系统中的储能设备同样极大提高了能源供应的可靠程度。
• 低碳性
  环境与发展相互依赖，相互促进又相互制约。近200年来大量使用化石能源，温室气体的排放量越来越大，海平面升高，臭氧层也遭到破坏。以清洁能源代替化石能源是治理环境问题，保持经济健康发展最有效的措施。
• 可扩展性
  以模块式划分的综合能源系统可根据各适用区域面积，形成单独的综合能源系统或多个综合能源系统联合供应，对于各类供能网络、能源交换及存储模块有较强的适应性及融合度，以满足更大规模的用户需求。

五、综合能源系统关键科学问题

       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

图4 综合能源系统评估指标体系和评估方法体系研究示意图

       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。

图5 综合能源系统优化规划技术研究示意图

       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。

图6 能源—信息系统协同优化规划研究示意图

       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。

图7 综合能源系统与城市基础设施协同发展研究示意图

六、综合能源系统关键技术

• 多能协同规划设计、优化运行技术
  多能协同规划设计技术以目标区域的经济、资源现状为依据，确定区域内各种能源资源的最优分配和各种能源转换技术的最优组合。多能优化运行技术通过降低总需求、负荷平准化等方式实现对综合能源系统的智能调度。
• 智能化技术
  综合能源系统的智能化技术涉及系统中能源信息的智能监测、智能采集以及对数据的智能分析处理。
• 能源转换技术
  能源转换技术是将一次能源转换成二次能源的技术。一次能源包括风能、太阳能、生物质能等可再生能源和天然气等非可再生能源，这些一次能源都属于清洁能源。二次能源中，用途最广、最清洁方便的是电能，而热能易于储存，因此冷-热-电综合能源系统应用最为广泛。近年来，除热电转化技术外，风电转化、光电转化、生物质气转化等技术发展也极为迅速。
• 储能技术
  储能技术是通过储能装置把一种能量转换为另一种易于存储的能量进行高效存储的技术。综合能源系统中的储能有储电、储气、储热和蓄冷4种方式。
• 能量梯级利用技术
  一次能源在转化过程中必然伴随着能量损失。能源消耗是一个不可逆的过程，高品位能源在这一过程中转化为低品位能源，如不加以利用会造成极大的能源浪费。20世纪80年代，吴仲华院士提出了“温度对口，梯级利用”理念。基于这一理念，我国已开发出有机朗肯循环发电技术、生物质热电联产技术、光伏光热一体化技术等。
• 电能替代技术
  为了进一步提升清洁能源在能源消费中的比重，以电代煤、以电代气、以电代油等电能替代相关技术在节能技术推广中得到了快速发展。
• 需求响应技术
  需求响应是电力用户根据市场的价格信号或激励机制做出响应，并改变固有电力消费模式的市场参与行为。 在综合能源系统中，多种能源相互耦合、替代，为需求侧提供了在不同能流间改变用能方法的能力。

七、综合能源系统研究展望

• 建立能源系统精细化模型
  无论是能源系统哪一方面的研究，系统各设备的数学模型搭建均是基础性工作。但是以往研究中，对于能源转换设备，例如电转气设备的数学模型不够详细。电转气系统可以分为两个步骤，制氢和制甲烷两阶段，设备转化效率、设备装机容量等参数均应在数学模型中有所体现。精准完整的数学模型将对系统运行结果产生较明显的影响。
• 完善多目标优化模型
  以往研究中，大多数是以经济性指标例如投资成本、运行成本、燃料耗量等为目标函数，今后的研究中可更多地结合环保性指标，例如二氧化碳减排量、碳交易成本、可再生能源占比等，完善多目标的优化模型。
• 充分考虑包括网络延迟特性等不确定参数对系统的影响
  在系统的运行中，能源输配网络也是重要的一环。输配系统，特别是热网、冷水网具备一定的能量储存能力，且在时间上存在明显的滞后性质。在未来的研究中，也应考虑输配系统的动态特性对稳定运行的影响。
• 综合能源系统的投资收益评估机制
  综合能源系统的规划建设将带动能源产业的发展和变革，相关项目从投资建设到生产运营的全过程都将对国民经济、能源生产和利用方式、环境等带来显著效益。因此，有必要构建综合能源系统投资收益评估机制，设计科学的评估指标、方法和标准，对综合能源系统投资、建设、运行和效益进行系统科学的评估。同时，也应尽快制定、落实面向综合能源系统的财政补贴政策、税收减免政策、投融资政策和市场建设政策，为开展综合能源系统的投资收益评估提供明确的政策、市场环境。
• 考虑DR的综合能源协同控制与调度优化
  现有研究较少考虑需求侧各类能源负荷（DR）的可调度性。事实上，DR的运用能够提高电、热、冷与天然气生产出力同各类能源负荷消费的匹配程度，提升系统运行效率，电力系统中DR的运用已经印证了这一点。因此，有必要深入挖掘需求侧电、热、气、冷负荷的调度价值，研究考虑需求侧各类负荷响应能力的综合能源协同控制与调度优化方法，从而实现各类能源资源的最优利用。

参考文献与网址

$[1]$ 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.
$[2]$ 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.
$[3]$ 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.
$[4]$ 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.
$[5]$ 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.
$[6]$ 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.