多能互补在综合能源系统中的关键问题与前景瞻望

1. 多能互补简介

多能互补并非一个全新的概念，在能源领域中，长期存在着不同能源形式协同优化的情况，几乎每一种能源在其利用过程中，都需要借助多种能源的转换配合才能实现高效利用。在能源系统的规划、设计、建设和运行阶段，对不同供用能系统进行整体上的互补、协调和优化，可实现能源的梯级利用和协同优化，为解决上述问题提供了思路。不同能源供应系统的运行特性各异，通过彼此间协调，可降低或消除能源供应环节的不确定性，从而更有利于可再生能源的安全消纳。

随着分布式发电供能技术，能源系统监视、控制和管理技术，以及新的能源交易方式的快速发展和广泛应用，能源耦合紧密，互补互济。综合能源系统作为多能互补在区域供能系统中最广泛的实现形式，其多种能源的源、网、荷深度融合、紧密互动对系统分析、设计、运行提出了新的要求。综合能源系统一般涵盖集成的供电、供气、供暖、供冷、供氢和电气化交通等能源系统，以及相关的通信和信息基础设施。传统的能源系统相互独立的运行模式无法适应综合能源系统多能互补的能源生产和利用方式，在能量生产、传输、存储和管理的各个方面，都需要以考虑运用系统化、集成化和精细化的方法来分析整个能源系统，进而提高系统鲁棒性和用能效率，并显著降低用能价格。

2. 多能互补在综合能源系统应用相关研究

综合能源系统相关技术一直受到世界各国的重视，不同国家往往结合自身需求和特点，各自制定适合自身的综合能源发展战略。国内外专家学者做了相当多的研究，主要研究内容可归纳为图1，包括以下几个方面：



图:多能互补相关研究关系图

1)多能互补静态建模

能源集线器(energyhub)模型反映了能量系统间的静态转换和存储环节，最早由瑞士苏黎世联邦理工学院的研究团队提出。该模型是综合能源系统通用建模的一次有益尝试，大量的相关研究已用于含有冷热电气系统的耦合关系描述，并被广泛应用于各类综合能源系统相关研究中(如综合能源系统的规划、分布式能源系统管理、需求管理控制、区域能源系统运行调度等)。该模型反映了能源在传输和转换环节的静态关系，而无法描述综合能源系统内复杂多样的动态行为。

2)多能互补动态建模

多能互补动态模型一般包括动态能源集线器和动态能源连接器模型。动态能源集线器在传统集线器模型的基础上，考虑能量转换机组的动态特性。动态能源连接器描述了电能、液态工质或气态燃料输送环节的静态特征和动态变化规律，研究两端传递环节和协调反馈环节，对多个能源输送环节进行统一和协调控制。

3)区域多能互补协同优化策略

从系统的角度看，耦合不同的能量载体相对于常规的去耦能量供应网显示出许多潜在的优点，冗余能流路径提供的一定程度的自由度为多能协同优化提供了空间。通过能量系统互连互通，改善不同能源在不同供需背景下的时空不平衡，实现降低系统用能成本、提高用能的效率以及增强供能的可靠性的目的。同时，这也使得协同优化问题的规模和求解难度也不断提高，设计易于实施且优化效果明显的运行策略一直是国内外的研究热点之一。

4)家庭能源中心运行智能管理

用户侧的灵活资源、分布式电源、储能设备将得到更加广泛的应用，电、气、冷、热等多种能源形式在用能端的交叉耦合和相互转换也将更为紧密，同时也为多元用户主动参与综合能源系统互动提供物质基础，也促进了能量流、信息流、业务流等特性各异的物理对象的融合。未来的综合能源系统不再是由供给侧到用户侧的单向能量传递，能源用户也由过去的能源使用者转换成能源消费者和服务商，传统能源系统中供给者、消费者的概念被淡化，取而代之的是综合能源系统供需双侧的智能交互。

5)多种储能的控制方法和配置策略

现阶段，按照时间尺度来划分，电储能一般用于“低储高发”、联络线功率控制和电能质量治理三个方面，经济效益在峰谷电价差和延缓电网升级两方面。由于供冷是非时变的，储热没有套利空间，一般用于与CCHP机组协调调度，优化CCHP机组的运行状态，使以热定电的CCHP机组可在用电峰时段多发电，燃气锅炉运行在效率较高的状态，在用电谷时段停机由储能供热，显著提高机组的经济效益。另外，对于电制冷机组，其经济效益与实时电价关系密切，加入蓄冷可以显著降低电空调的运行成本，减少电制冷机组的配置容量。

3. 多能互补在综合能源系统中的关键问题

虽然就多能互补的相关问题已开展了大量的研究，但综合能源系统的推广仍面临许多挑战，在一些关键问题上仍需要进一步研究。

1)多能互补协同运行调度

多能互补的协同调度优化一直是这一领域研究的重点和关键，是系统规划和市场互动博弈的基础。通过多个系统的协同合作，实现区域系统的经济和能效目标，并促进区域新能源的大规模消纳。相反的，系统的耦合在取得效益增益的同时，故障后发生的影响范围和影响程度也会扩大，特别是对于不同时间尺度的系统来说，很容易发生故障传递，因此，对于多能互补的系统风险评估还需要进一步深入研究。

2)多能互补协同规划策略

对于多能互补的协同规划，规划场景构建与预测较传统的电力系统规划更加复杂，综合政策、市场、气象等重要信息，构建基于数据分析的规划场景。依据源荷互补特性划分互动集群，分别建立集群内源-荷-储优化配置模型和供能网络规划模型，并基于分解协调思想实现互动集群和互济网络的协同优化规划。在各场景下，通过冷热电负荷需求、规划问题不确定性及负荷可调潜力分析，计算用能需求的时空分布，据此确定规划策略。

3)考虑用能替代的综合需求响应

对多能互补系统，用户参与需求响应的手段不仅限于传统的电能削减和在时间上的平移。用能替代正逐渐成为综合需求响应的一个重要方式，能量的替代使用可降低用户侧的用能成本，在满足用能需求的前提下响应各个能源系统的调度期望，可观的响应收益为用户相应行为提供充足的驱动力。但是，当前调度、规划以及市场的研究中，很多都忽略了这种新的用户响应形式。

4)热/电/气多能流计算

无论是在规划还是调度运行中，能流计算一直是多能系统静态分析的一个关键问题。一般采用改进的能源集线器模型，考虑耦合单元作为平衡节点对于电力网络和天然气网络潮流的影响，形成该系统适用的潮流求解算法。相应的研究可分为统一求解法和解耦求解法两类。采用统一求解法时，需要建立电力-天然气系统的混合模型，然后在统一的框架下建立包含多个能网状态的潮流方程，对系统综合潮流进行求解，在算法求解方面往往要求较高。而解耦求解法需分析不同模式下多个系统的耦合关系，将电力潮流与天然气以及热力系统解耦计算，因此可以在原有独立的潮流计算模块上增加电/气/热耦合分析模块来实现，计算难度较小。

5)多能市场互动策略与交易机制

综合能源系统的多能互动参与主体主要包括园区综合能量管理中心、各类工业用户、居民用户、电动汽车、新能源、储能、热电冷联产系统等。各类主体在互动框架中扮演着不同的角色，根据自身的用电特性、风险偏好和响应潜力，响应电价信息和管理中心发布的可中断信息，调整自身负荷计划，从而达到柔性互动的目标。然多能主体众多，不同的用户利益诉求不同，其参与互动的目标也有所差异，因此一个能够吸引用户参加的健全的互动机制，应在一定程度上满足各个主体不同的利益目标，多能互动典型设计方案如图2。



图2 多能互动机制设计方案

4. 前景展望

随着能量需求呈现多样化和分布化趋势，以多能互补为中心的综合能源系统理论研究和工程实践也随之展开，然而在实践和研究过程中，各子系统通过大量的异质元件耦合，耦合元件在不同的管理模式、运行场景和控制策略下相互影响，呈现不同的电气、热力、水力特性，对所耦合的能源系统产生强烈的非线性、不确定的影响，综合能源系统无论在科学研究还是工程应用方面仍面临着巨大的挑战。为进一步提高用能效率，促进多种新能源的规模化利用，多种能源的源、网、荷深度融合、紧密互动又是未来能量系统发展的必然趋势，据此，综合能源系统多能互补研究具有前瞻性和巨大的工程应用价值。