多能互補在綜合能源系統中的關鍵問題與前景展望

能源是社會和經濟發展的動力和基礎。由於傳統化石能源日益枯竭，提高能源利用效率、開發新能源、加強可再生能源綜合利用成為解決社會經濟發展過程中的能源需求增長與能源緊缺之間矛盾的必然選擇。由於不同能源系統發展的差異，供能往往都是單獨規劃、單獨設計、獨立運行，彼此間缺乏協調，由此所造成了能源利用率低、自愈能力不強、供能系統整體安全性有待提高等問題。

多能互補並非一個全新的概念，在能源領域中，長期存在著不同能源形式協同優化的情況，幾乎每一種能源在其利用過程中，都需要藉助多種能源的轉換配合才能實現高效利用。在能源系統的規劃、設計、建設和運行階段，對不同供用能系統進行整體上的互補、協調和優化，可實現能源的梯級利用和協同優化，為解決上述問題提供了思路。不同能源供應系統的運行特性各異，通過彼此間協調，可降低或消除能源供應環節的不確定性，從而更有利於可再生能源的安全消納。

隨著分布式發電供能技術，能源系統監視、控制和管理技術，以及新的能源交易方式的快速發展和廣泛應用，能源耦合緊密，互補互濟。綜合能源系統作為多能互補在區域供能系統中最廣泛的實現形式，其多種能源的源、網、荷深度融合、緊密互動對系統分析、設計、運行提出了新的要求。綜合能源系統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，以及相關的通信和信息基礎設施。傳統的能源系統相互獨立的運行模式無法適應綜合能源系統多能互補的能源生產和利用方式，在能量生產、傳輸、存儲和管理的各個方面，都需要以考慮運用系統化、集成化和精細化的方法來分析整個能源系統，進而提高系統魯棒性和用能效率，並顯著降低用能價格。

2多能互補在綜合能源系統應用相關研究

綜合能源系統相關技術一直受到世界各國的重視，不同國家往往結合自身需求和特點，各自製定適合自身的綜合能源發展戰略。國內外專家學者做了相當多的研究，主要研究內容可歸納為圖1，包括以下幾個方面：

圖1 多能互補相關研究關係圖

1）多能互補靜態建模

能源集線器（energy hub）模型反映了能量系統間的靜態轉換和存儲環節，最早由瑞士蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊提出。該模型是綜合能源系統通用建模的一次有益嘗試，大量的相關研究已用於含有冷熱電氣系統的耦合關係描述，並被廣泛應用於各類綜合能源系統相關研究中（如綜合能源系統的規劃、分布式能源系統管理、需求管理控制、區域能源系統運行調度等）。該模型反映了能源在傳輸和轉換環節的靜態關係，而無法描述綜合能源系統內複雜多樣的動態行為。

2）多能互補動態建模

多能互補動態模型一般包括動態能源集線器和動態能源連接器模型。動態能源集線器在傳統集線器模型的基礎上，考慮能量轉換機組的動態特性。動態能源連接器描述了電能、液態工質或氣態燃料輸送環節的靜態特徵和動態變化規律，研究兩端傳遞環節和協調反饋環節，對多個能源輸送環節進行統一和協調控制。

3）區域多能互補協同優化策略

從系統的角度看，耦合不同的能量載體相對於常規的去耦能量供應網顯示出許多潛在的優點，冗餘能流路徑提供的一定程度的自由度為多能協同優化提供了空間。通過能量系統互連互通，改善不同能源在不同供需背景下的時空不平衡，實現降低系統用能成本、提高用能的效率以及增強供能的可靠性的目的。同時，這也使得協同優化問題的規模和求解難度也不斷提高，設計易於實施且優化效果明顯的運行策略一直是國內外的研究熱點之一。

4）家庭能源中心運行智能管理

用戶側的靈活資源、分布式電源、儲能設備將得到更加廣泛的應用，電、氣、冷、熱等多種能源形式在用能端的交叉耦合和相互轉換也將更為緊密，同時也為多元用戶主動參與綜合能源系統互動提供物質基礎，也促進了能量流、信息流、業務流等特性各異的物理對象的融合。未來的綜合能源系統不再是由供給側到用戶側的單向能量傳遞，能源用戶也由過去的能源使用者轉換成能源消費者和服務商，傳統能源系統中供給者、消費者的概念被淡化，取而代之的是綜合能源系統供需雙側的智能交互。

5）多種儲能的控制方法和配置策略

現階段，按照時間尺度來劃分，電儲能一般用於「低儲高發」、聯絡線功率控制和電能質量治理三個方面，經濟效益在峰谷電價差和延緩電網升級兩方面。由於供冷是非時變的，儲熱沒有套利空間，一般用於與CCHP機組協調調度，優化CCHP機組的運行狀態，使以熱定電的CCHP機組可在用電峰時段多發電，燃氣鍋爐運行在效率較高的狀態，在用電谷時段停機由儲能供熱，顯著提高機組的經濟效益。另外，對於電制冷機組，其經濟效益與實時電價關係密切，加入蓄冷可以顯著降低電空調的運行成本，減少電制冷機組的配置容量。

3多能互補在綜合能源系統中的關鍵問題

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