多能互補、集成優(yōu)化能源系統(tǒng)關鍵技術及挑戰(zhàn)
研究背景
能源是社會和經(jīng)濟發(fā)展的動力和基礎。由于傳統(tǒng)化石能源日益枯竭，提高能源利用效率、開發(fā)新能源、加強可再生能源綜合利用成為解決社會經(jīng)濟發(fā)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。2015年國家發(fā)改委能源局在《促進智能電網(wǎng)發(fā)展的指導意見》中明確提出“加強能源互聯(lián)，促進多種能源優(yōu)化互補”。隨著分布式發(fā)電供能技術，能源系統(tǒng)監(jiān)視、控制和管理技術，以及新的能源交易方式的快速發(fā)展和廣泛應用，能源耦合緊密，互補互濟。
綜合能源系統(tǒng)作為多能互補在區(qū)域供能系統(tǒng)中最廣泛的實現(xiàn)形式，其多種能源的源-網(wǎng)-荷深度融合、緊密互動對系統(tǒng)分析、設計、運行提出了新的要求。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)，以及相關的通信和信息基礎設施。為進一步提高用能效率，促進多種新能源的規(guī)模化利用，多種能源的源-網(wǎng)-荷深度融合、緊密互動又是未來能量系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，據(jù)此，能源系統(tǒng)多能互補研究具有前瞻性和巨大的工程應用價值。
解決的問題
由于不同能源系統(tǒng)同發(fā)展的差異，供能往往都是單獨規(guī)劃、單獨設計、獨立運行，彼此間缺乏協(xié)調，由此所造成的能源利用率低、供能系統(tǒng)整體安全性和自愈能力不強等問題。傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)相互獨立的運行模式無法適應綜合能源系統(tǒng)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(tǒng)化、集成化和精細化的方法來分析整個能源系統(tǒng)，進而提高系統(tǒng)魯棒性和用能效率，并顯著降低用能價格。
主要技術路線
本文以多能互補集成優(yōu)化方面的關鍵技術為研究對象，首先歸納總結了近年來能源互補集成的研究現(xiàn)狀，通過多能流混合建模，對多能系統(tǒng)規(guī)劃、能源轉化技術、智能調控、協(xié)同控制、綜合評估、系統(tǒng)信息安全與通信以及能源交易和商業(yè)服務運行模式等關鍵問題進行總結與歸納，提供一種多能系統(tǒng)分析的思路，并對未來能源系統(tǒng)進行展望。
近年來，多能互補、集成優(yōu)化能源系統(tǒng)成為項目實踐中和理論研究的焦點，其中的關鍵問題可歸納為圖1。多能流混合建模作為不同能源系統(tǒng)的統(tǒng)一描述，是多能系統(tǒng)規(guī)劃、調度、控制和互動的研究基礎；多能源流綜合評估依據(jù)多能流模型特性為規(guī)劃和運行優(yōu)化提供目標集；多能流交易、商業(yè)運營模式作為系統(tǒng)的上層規(guī)則設計，為運行優(yōu)化提供多元驅動力；而多能融合信息系統(tǒng)為多元定制化能源交易提供支撐平臺，信息系統(tǒng)的安全問題也是評估系統(tǒng)可靠性和安全性的重要依據(jù)。
圖1多能互補、集成優(yōu)化研究關系圖
在多能互補靜態(tài)轉化和潮流建模方面的研究較為成熟，部分研究考慮了多能流網(wǎng)絡約束。但是，對多能流多時間尺度動態(tài)特性研究較為薄弱，缺乏對傳輸和轉化過程的動態(tài)描述，尚未形成成熟的建模方法。
在多能互補規(guī)劃方面，現(xiàn)階段多能互補規(guī)劃已經(jīng)形成一套較為成熟的規(guī)劃方法。然而，相關研究的規(guī)劃對象多集中于源網(wǎng)荷，較少涉及多種儲能的配置方法。并且，在不確定性分析、多時間常數(shù)系統(tǒng)建模、多能源系統(tǒng)可靠性分析以及能源市場的影響還有待進一步研究。
在多能流智能調控方面，多能互補的協(xié)同優(yōu)化調度是多能系統(tǒng)規(guī)劃和市場互動博弈的基礎。通過多個系統(tǒng)的協(xié)同合作，實現(xiàn)區(qū)域系統(tǒng)的經(jīng)濟和能效目標，并促進區(qū)域新能源的大規(guī)模消納。相反的，系統(tǒng)的耦合在取得互補增益的同時，故障后發(fā)生的影響范圍和影響程度也會擴大，特別是對于不同時間尺度的系統(tǒng)來說，很容易發(fā)生連鎖故障，因而對園區(qū)系統(tǒng)安全調控提出了新要求，電力系統(tǒng)在線安全分析和控制比較成熟，而對供熱／冷和天然氣以及多能流故障交互影響的研究相對薄弱。而用戶多能流智能調控研究多從自身的利益出發(fā)，未充分考慮與多能源系統(tǒng)的交互，且主要面向穩(wěn)態(tài)問題。
在多能協(xié)調互動與控制方面，電力系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲縱向的協(xié)同控制的研究較為領先，但多能系統(tǒng)間的橫向協(xié)同控制方法的研究還處于起步階段，多種能源設備調節(jié)速度差異導致難以有機配合，需要根據(jù)多能流動態(tài)特性和相互作用，進而提出最佳時間尺度配合的智能調控方法。多能互補系統(tǒng)中能量轉化設備運營商也可參需求響應，能源轉化設備運營商調整EH的調度參數(shù)，可建立基于多能互補的廣義需求響應互動優(yōu)化模型。目前，基于能源服務運營商和能源轉化設備的需求響應的研究還在起步階段。
在多能流綜合評估方面，多能系統(tǒng)可靠性和性能指標體系和算法研究相對成熟，但是缺乏對耦合系統(tǒng)連鎖故障、需求響應和市場交易不確定性等風險的研究，隨著系統(tǒng)集成程度和市場化水平的提高，更多更復雜的關系和不確定性勢必會增強系統(tǒng)面臨的風險。
在多能流信息安全方面，對于電力系統(tǒng)物理信息系統(tǒng)安全評估和風險控制的研究較多，而對于其他能源信息系統(tǒng)特別是多種能源信息融合的研究較少，缺少多能信息互補的安全評估方法，尚沒有形成成熟的多能流信息安全風險控制方法，對于互聯(lián)網(wǎng)帶來的信息安全風險，國內暫時缺乏相關工程實踐，該部分研究尚停留在理論研究階段。
在多能流市場交易方面，為真正實現(xiàn)能源的梯級利用，不可避免地需要推動能源交易服務的體制改革，賦予不同能源符合其能源品味的商品屬性。整合能源交易市場，兼顧各方利益的收益分攤機制，可增強多能互補的經(jīng)濟驅動力，推動綜合能源系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)階段，電力市場研究較為成熟，而多能市場互補交易和收益分配研究較為薄弱。
結論
多能互補、集成優(yōu)化即是通過物理信息上的互聯(lián)來涌現(xiàn)規(guī)模效應和群集智能，以實現(xiàn)系統(tǒng)級優(yōu)化目標，其中心思想在于整合資源，協(xié)調優(yōu)化。現(xiàn)階段，能源系統(tǒng)呈現(xiàn)出智能化、去中心化、市場化、物聯(lián)化等演變趨勢，將注定要顛覆現(xiàn)有的能源系統(tǒng)和行業(yè)運營模式，能源橫向和縱向上的互補協(xié)調是能源系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，因此，多能互補研究具有前瞻性和巨大的工程應用價值。
研究展望
為進一步提高用能效率，促進多種新能源的規(guī)模化利用，多種能源的源、網(wǎng)、荷、儲深度融合，緊密互動又是未來能量系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。據(jù)此，多能互補研究具有前瞻性和巨大的工程應用價值，未來的多能系統(tǒng)也應具備以下特點：
1）橫向上多種能源系統(tǒng)互補與縱向上分布式“源－網(wǎng)－荷－儲”協(xié)調優(yōu)化相結合。
2）高可再生能源滲透率下，考慮實時電價，運行模式變化、需求響應和開放市場等因素的隨機特性，使得系統(tǒng)的不確定性進一步提高，再加上系統(tǒng)耦合互補使得能源系統(tǒng)規(guī)模成倍增加，具有更廣闊的開放性和更大的系統(tǒng)復雜性。
3）應用虛擬云技術整合現(xiàn)有的能源調度管理平臺、企業(yè)用能監(jiān)測和評估平臺、需求側管理平臺以及用戶用能優(yōu)化終端，融合成為一個多維度多能流的物理信息系統(tǒng)，為分布式電源、CCHP、多種儲能、電動汽車等提供多元化物理接口，能夠精確量測、匯總、儲存并分析預測用能數(shù)據(jù)、能源價格信息和多能系統(tǒng)運行整體運行態(tài)勢，形成運行安全、用能經(jīng)濟、互動有序的能源綜合服務平臺。
4）貫徹以“以用戶為中心”的理念。綜合負荷聚集商以用戶利益為中心，提供經(jīng)濟高效的綜合用能方案，引導用戶“綠色需求”。能源企業(yè)要樹立服務意識和社會意識，滿足用戶用能需求，解決用戶用能難題，促進能源的梯級利用，提高能源利用效率并實現(xiàn)社會整體節(jié)能運行。