本文是一篇學(xué)術(shù)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈恼拢钊虢榻B和分析了產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)形態(tài)特征與演化路線。對于產(chǎn)業(yè)園區(qū)用能需求、產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)典型形態(tài)等均有全面而具體的分析和歸納總結(jié)，并歸納了園區(qū)綜合能源系統(tǒng)特征內(nèi)涵和演化路線，值得細(xì)細(xì)品讀。
本文梳理了典型產(chǎn)業(yè)園區(qū)的綜合能源需求，在此基礎(chǔ)上，分析了未來產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)將呈現(xiàn)若干種形態(tài)特征，包括冷熱電聯(lián)供分布式能源站、園區(qū)光儲微網(wǎng)、小水電+分散式風(fēng)電、園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)和多能互補綜合能源系統(tǒng)。然后，對產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多能互補、物理信息深度融合以及“源網(wǎng)荷儲”協(xié)調(diào)互動的特征內(nèi)涵進(jìn)行了剖析。最后，結(jié)合我國能源和信息基礎(chǔ)設(shè)施及能源市場等方面的現(xiàn)有條件，從近期、中期和遠(yuǎn)期三個發(fā)展階段探討了產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)演化路線。
1、產(chǎn)業(yè)園區(qū)用能需求分析
目前國內(nèi)推行的產(chǎn)業(yè)園區(qū)大多強調(diào)同類產(chǎn)業(yè)的集群效應(yīng)。國內(nèi)典型產(chǎn)業(yè)園區(qū)重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)包括裝備制造業(yè)、石化精煉、制漿造紙、電力產(chǎn)業(yè)、有色產(chǎn)業(yè)、煙酒產(chǎn)業(yè)、鋼鐵冶金產(chǎn)業(yè)、建材產(chǎn)業(yè)、煤炭產(chǎn)業(yè)、醫(yī)藥、食品加工、旅游商品特色產(chǎn)業(yè)、污水處理以及電子信息、新材料、生物技術(shù)、節(jié)能環(huán)保、新能源等新興產(chǎn)業(yè)。因此，根據(jù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃布局，園區(qū)中產(chǎn)業(yè)大致可歸類為3種類型:離散制造業(yè)、過程工業(yè)和新興研發(fā)產(chǎn)業(yè)。針對3種類型產(chǎn)業(yè)綜合能源需求分析如下。
1.1 離散制造業(yè)用能需求分析
離散制造業(yè)主要包括通信設(shè)施、航空航天、電子設(shè)備、機床、汽車、各類型家電、玩具制造業(yè)以及服裝等產(chǎn)業(yè)類型，其產(chǎn)品大多是由零部件組裝起來的、具備使用功能的某種物品，消耗的能源以生產(chǎn)加工設(shè)備耗用的動力為主，主要消耗電能;但是該類型產(chǎn)業(yè)園區(qū)廠房的采暖和空調(diào)往往占總能耗比例較大。
上述園區(qū)產(chǎn)房用能的特點基本與建筑物終端用能相近，其中，用電耗能占總能耗約14%，采暖空調(diào)和熱水供應(yīng)用能約占80%。在我國北方地區(qū)，終端用能需求的熱電比約為5.7。在南方地區(qū)，如果同時采用余熱鍋爐的蒸汽溴化鋰吸收式制冷與電制冷以及低溫余熱供熱水，其用能需求的熱電比將遠(yuǎn)大于3。
1.2 過程工業(yè)用能需求分析
過程工業(yè)包括電力、冶金、化工、建材、造紙、食品、醫(yī)藥等工業(yè)類型，其原料和產(chǎn)品一般都是具有特定功能和性質(zhì)的材料或者物料。實際上，我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，過程工業(yè)的耗能總量遠(yuǎn)大于離散制造業(yè)耗能總量，而過程工業(yè)終端用能的構(gòu)成中，用電占總耗能比例較小，其熱電比一般大于3。過程工業(yè)的用熱需求當(dāng)中，蒸汽一般占比較大，其次為物流加熱。針對不同的工業(yè)過程，用熱需求的溫度范圍差異性較大。例如，建材工業(yè)用熱范圍為800～1 000℃，而食品工業(yè)用熱一般在100℃左右;煉油工業(yè)用熱需求范圍較廣，可從100℃到500℃。
工業(yè)用冷需求的溫度范圍也很廣，從乙烯工業(yè)、空氣液化分離過程約－180℃的深冷需求，到0～20℃左右的一般淺冷需求都有。
與建筑物終端能源需求相比，工業(yè)用能需求更大。工業(yè)用能需求占我國總能耗40%以上，其熱電比與建筑物終端能源需求相比更大。以煉油工業(yè)為例，包括蒸汽需求和熱需求在內(nèi)的熱電比一般也大于3。
1.3 新興研發(fā)類型產(chǎn)業(yè)用能需求分析
對于園區(qū)中電子信息、新材料、生物技術(shù)、節(jié)能環(huán)保、新能源等新興研發(fā)類型產(chǎn)業(yè)，使用生產(chǎn)用蒸汽的幾率不大，即使有生產(chǎn)用蒸汽負(fù)荷，蒸汽用戶點也會很分散，每個熱用戶的蒸汽用量估計不會太大?？紤]到生產(chǎn)和輸送蒸汽的經(jīng)濟(jì)性，分散的蒸汽用戶可采取燃?xì)?、電等小型熱源解決。
因此，產(chǎn)業(yè)園區(qū)大部分用熱、用冷需求都是可以通過多能互補集成綜合能源技術(shù)來生產(chǎn)和提供。園區(qū)多能互補綜合能源供能方式不僅可提高分布式能源轉(zhuǎn)換效率，而且可通過更高層次上的集成優(yōu)化最終提升能源終端利用效率，從而實現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益。
2、產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)典型形態(tài)
綜合能源系統(tǒng)的核心在于能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化。由上述分析可知，各類型產(chǎn)業(yè)園區(qū)呈現(xiàn)電/冷/熱等多元化的用能需求。同時，由于產(chǎn)業(yè)園區(qū)所在特定的地理位置和復(fù)雜的地形地貌，可導(dǎo)致相應(yīng)氣候和生態(tài)條件復(fù)雜多樣，因而不同區(qū)域的產(chǎn)業(yè)園區(qū)具有不同的自然資源優(yōu)勢。在不同的應(yīng)用場景中，不同類型的能源形式扮演不同類型的角色，而主導(dǎo)能源形式也隨之變化。
綜上所述，考慮綜合能源系統(tǒng)因地制宜、統(tǒng)籌開發(fā)、互補利用的實施原則，未來產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)將呈現(xiàn)若干種典型形態(tài)，分別分析如下。
2.1 冷熱電聯(lián)供分布式能源站
針對新能源資源匱乏的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，冷熱電聯(lián)供(combined cooling，heating and power，CCHP)分布式能源站是重要的綜合能源利用形態(tài)之一。冷熱電聯(lián)供機組通過協(xié)調(diào)優(yōu)化輸出電能與高低品位熱能，以提升天然氣能源利用效率。從本質(zhì)上來講，冷熱電聯(lián)供機組和冰蓄冷空調(diào)均為局部的綜合能源系統(tǒng)，也可認(rèn)為是綜合能源系統(tǒng)的雛形。
CCHP分布式能源站通常以小容量、小規(guī)模和分散的方式安裝在客戶端，可以自主運行或連接到配電網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)先滿足用戶自己能量需求，通過冷電、熱電或冷熱電聯(lián)供的方式實現(xiàn)能量梯級利用，涵蓋能量生產(chǎn)、控制和存儲的局部能源系統(tǒng)。
綜合供能系統(tǒng)種類繁多，而相應(yīng)的分類方法也多種多樣。驅(qū)動綜合供能系統(tǒng)的動力設(shè)備選型對系統(tǒng)設(shè)計和性能具有舉足輕重的作用，因此根據(jù)動力設(shè)備類型對綜合供能系統(tǒng)進(jìn)行分類是目前最常用的方法。作為由多種能源技術(shù)集成得到的綜合供能系統(tǒng)，其系統(tǒng)的集成形式也是多種多樣的。結(jié)合產(chǎn)業(yè)園區(qū)的實際情況與需求，按照動力設(shè)備類型和冷熱電、熱電、冷電3種聯(lián)供形式進(jìn)行分類，分布式綜合供能的集成方案包括以下類型:燃?xì)廨啓C/內(nèi)燃機作為動力裝置的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C為主蒸汽輪機為輔的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C/內(nèi)燃機作為動力裝置的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C/內(nèi)燃機作為動力裝置的冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)以及燃?xì)廨啓C為主蒸汽輪機為輔的冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。
在應(yīng)用過程中，需要根據(jù)實際的環(huán)境和需求進(jìn)行綜合考慮，選取最適宜的綜合供能系統(tǒng)，取得較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。對于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，當(dāng)燃料價格、電價、冷價或熱價浮動時，一般來說，以燃?xì)廨啓C作為動力裝置的冷熱電聯(lián)產(chǎn)和燃?xì)廨啓C為主蒸汽輪機為輔的冷熱電聯(lián)產(chǎn)方案經(jīng)濟(jì)效益較好。針對價格對單一方案的影響，一般來說:1)對于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，電價變化對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響要大于冷價及熱價變化對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響;2)系統(tǒng)運行時若出現(xiàn)棄冷現(xiàn)象，有可能會致使系統(tǒng)虧損。同時，棄冷或棄熱越多，冷價或熱價變化對經(jīng)濟(jì)性的影響越小;天然氣消耗量越大，天然氣價格變化對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響越大。
冷熱電聯(lián)供分布式能源站運營方式可包括經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運行模式、系統(tǒng)高效運行模式、以冷定電運行模式和以電定冷運行模式，在產(chǎn)業(yè)園區(qū)應(yīng)用中可根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇配置。
2.2 園區(qū)光儲微網(wǎng)
工業(yè)園區(qū)占地面積大，具有發(fā)展屋頂分布式光伏的優(yōu)勢。針對部分電負(fù)荷需求比例較大的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，如電子信息、新材料、生物技術(shù)、節(jié)能環(huán)保、新能源等新興研發(fā)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，可充分利用屋頂資源，建設(shè)園區(qū)分布式光伏屋頂，并集成分布式儲能系統(tǒng)，形成園區(qū)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)。
產(chǎn)業(yè)園區(qū)典型光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)的形態(tài)示意圖如圖1所示，微電網(wǎng)系統(tǒng)包含園區(qū)內(nèi)分布式光伏及分布式儲能單元，微電網(wǎng)通過公共耦合點PCC(point of common coupling，PCC)接入上級配電網(wǎng)。其中，園區(qū)內(nèi)分布式光伏充分建設(shè)利用園區(qū)屋頂光伏全覆蓋、停車場光伏覆蓋、公交站光伏覆蓋以及電動汽車充電站光伏覆蓋，從而最大地提高產(chǎn)業(yè)園區(qū)可再生能源滲透率，實現(xiàn)屋頂、停車場、公交站、電動汽車充電站等太陽能光伏充分利用，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)綠色低碳發(fā)展。在園區(qū)光儲微電網(wǎng)運營模式中，電網(wǎng)公司與工業(yè)園區(qū)具有充足場地/屋頂資源的工業(yè)用戶簽訂能源管理合同，由電網(wǎng)公司作為分布式光伏和分布式儲能的投資商和運營商，租用工業(yè)用戶的場地資源建設(shè)和運營分布式光伏和分布式儲能系統(tǒng)。由于分布式儲能系統(tǒng)由電網(wǎng)公司投資，電網(wǎng)公司對分布式儲能充放電擁有控制權(quán)，考慮到電池儲能除追求自身收益最大化以外，還需要配合完成產(chǎn)業(yè)園區(qū)關(guān)于峰值負(fù)荷削減目標(biāo)。
此外，由于配備儲能系統(tǒng)，當(dāng)計劃性孤島需求或外部電網(wǎng)故障擾動時，園區(qū)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)可由并網(wǎng)運行模式切換至離網(wǎng)運行模式，系統(tǒng)不同運行模式間可確保平滑切換。園區(qū)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)孤島機制可有效提高園區(qū)供電可靠性。
圖1產(chǎn)業(yè)園區(qū)典型光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)的形態(tài)示意圖
2.3 小水電+分散式風(fēng)電
我國水能資源極為豐富，如貴州省位于云貴高原東坡，氣候溫和多雨，水系發(fā)達(dá)，支流眾多，河流落差集中，是中國水力資源較為豐富的地區(qū)之一。因此，結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H開發(fā)建設(shè)小型水電，既可解決當(dāng)?shù)赜秒婋y題，又可服務(wù)發(fā)展地方經(jīng)濟(jì);此外，目前國家實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，大力推動清潔能源開發(fā)利用，政策層面為小水電的發(fā)展提供了較大的發(fā)展空間和機遇。
小水電通常是指容量在50 MW以下的水力發(fā)電站，從容量角度來看，小水電位于所有類型水電站的末端。此外，一般而言，小水電并網(wǎng)電壓等級均偏低，絕大多數(shù)小水電并入10～110 kV配電網(wǎng)。
小水電具有數(shù)量多、分布廣、容量小的特點。在實際中，與中大型水電站一般具有蓄水調(diào)節(jié)水庫不同，大多數(shù)小水電為徑流式電站，本質(zhì)上無調(diào)節(jié)能力。
小水電出力具有明顯季節(jié)性的特點，在豐水期，小水電機組集中發(fā)電，當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)難以消納過多水電時，可能導(dǎo)致調(diào)度機構(gòu)出于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行強制要求小水電棄水限電;而相反枯水期間，小水電機組發(fā)電量不足，無法為上級電網(wǎng)供應(yīng)足夠的電力。小水電出力不能與當(dāng)?shù)赜秒娦枨笃ヅ?，因此其運行受到了較大限制。與此同時，目前各地電網(wǎng)企業(yè)對小水電的發(fā)電管理仍較為粗放，存在小水電管理體系不完善、缺乏調(diào)度和監(jiān)測技術(shù)等問題;絕大多數(shù)小型水電站的并網(wǎng)運行不受電力調(diào)度機構(gòu)管理和控制，呈現(xiàn)“多來多發(fā)、少來少發(fā)、有水則發(fā)、無水則?！钡淖杂珊蜔o序狀態(tài)。
而分散式風(fēng)電是指風(fēng)力發(fā)電機組以多點方式接入中低壓配電網(wǎng)絡(luò)，并網(wǎng)運行受電力調(diào)度機構(gòu)統(tǒng)一調(diào)度的風(fēng)力發(fā)電利用模式。目前，與集中式風(fēng)電開發(fā)模式通過輸電網(wǎng)消納大規(guī)模風(fēng)電不同，在分散式風(fēng)電發(fā)展初期，風(fēng)電機組需就近規(guī)劃和接入在運行的10 kV、35 kV和110 kV 3個電壓等級的配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，其并網(wǎng)最高電壓等級為110 kV。由于傳統(tǒng)110 kV電網(wǎng)傳輸距離約為100 km，因此分散式風(fēng)電將就近被本地電網(wǎng)消納。
時間上出力的波動特性使得分散式風(fēng)電和小水電兩種電源具備較大的互補特性。以中國南方為例，在水力資源方面，受亞熱帶季風(fēng)氣候影響，一般而言，春夏季為河流豐水期，秋冬季為河流枯水期。在風(fēng)力資源方面，冬季主要受西伯利亞高壓的影響，風(fēng)向較為穩(wěn)定，風(fēng)力資源豐富。風(fēng)能資源總體時間分布特征為夏季風(fēng)小，冬春季風(fēng)較大。其次，就出力波動性而言，小水電日波動小，但季節(jié)性波動較大;而風(fēng)電的日波動性很大，季節(jié)性波動卻較小。
綜上所述，在建設(shè)場地有限的產(chǎn)業(yè)園區(qū)可結(jié)合當(dāng)?shù)刎S富的水電資源優(yōu)勢以及小水電和風(fēng)電的天然互補特征，發(fā)展小水電+分散式風(fēng)電多能互補綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)形式，從而最大限度的利用當(dāng)?shù)厍鍧嵞茉?，減輕間歇性可再生能源發(fā)電并網(wǎng)給配電網(wǎng)絡(luò)帶來的沖擊。風(fēng)水多能互補綜合能源系統(tǒng)形態(tài)示意圖如圖2所示。此外，以小水電為基礎(chǔ)，還可形成水光多能互補、風(fēng)水光多能互補等典型綜合能源系統(tǒng)。
圖2產(chǎn)業(yè)園區(qū)風(fēng)水互補綜合能源系統(tǒng)形態(tài)示意圖
2.4 園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)
產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)是在主網(wǎng)配網(wǎng)協(xié)同控制的基礎(chǔ)上，具備分布式發(fā)電、儲能、需求側(cè)響應(yīng)、柔性負(fù)荷和電動汽車等豐富的電源負(fù)荷調(diào)控手段，能夠針對能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)的實際運行狀態(tài)，以經(jīng)濟(jì)性和安全性等為控制目標(biāo)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、發(fā)電單元及負(fù)荷的智能配電網(wǎng)絡(luò)。
典型產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)示意圖如圖3所示。在產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)中，大量的分布式發(fā)電單元從不同節(jié)點并網(wǎng)后將導(dǎo)致配電網(wǎng)由傳統(tǒng)輻射狀的網(wǎng)絡(luò)變?yōu)閿?shù)量眾多的中小電源和用戶的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，從傳統(tǒng)意義上“配電系統(tǒng)”轉(zhuǎn)變成為一個“電力交換系統(tǒng)”。從本質(zhì)上來看，主動配電網(wǎng)主要包含3方面特征:交直流混合架構(gòu)、運行態(tài)勢準(zhǔn)確感知以及源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制。
圖3 產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)示意圖
隨著光伏、電動汽車等直流源荷在工業(yè)園區(qū)中快速增加，傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)絡(luò)的兼容性和適應(yīng)性亟待提高。園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)可根據(jù)需求采用交直流混合架構(gòu)，其中直流子配電網(wǎng)為直流源荷的接入提供了極為便利的途徑。各類型沖擊負(fù)載，可再生能源發(fā)電和直流負(fù)荷可通過DC/DC變壓器直接連接至直流配電網(wǎng)絡(luò)，由于無需傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)絡(luò)中的DC/AC環(huán)節(jié)，有效簡化了控制系統(tǒng)，降低了損耗，節(jié)省了工程造價。此外，通過交直流雙向變流器，可實現(xiàn)對混合網(wǎng)絡(luò)潮流的柔性控制以及全局系統(tǒng)能量的優(yōu)化調(diào)度和管理。
通過根據(jù)園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)中各種測量設(shè)備的測量和狀態(tài)估計數(shù)據(jù)準(zhǔn)確判斷當(dāng)前配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，以及基于負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)和數(shù)值天氣預(yù)報高精度預(yù)測負(fù)荷/可再生能源信息，可實現(xiàn)對園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)態(tài)勢的全面精確感知。
源網(wǎng)荷協(xié)調(diào)控制是園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)的中心所在，通過對配電網(wǎng)絡(luò)源網(wǎng)荷對象的主動調(diào)控和管理，實現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)的低成本高效安全運行以及可再生能源的最大程度消納。主動配電網(wǎng)的控制要素覆蓋源網(wǎng)荷3方面，具體可包括聯(lián)絡(luò)開關(guān)變化為代表的電力網(wǎng)絡(luò)控制，可再生能源發(fā)電調(diào)度為代表的電源功率控制，以及以電動汽車充放電控制策略為代表的靈活互動。
2.5 多能互補綜合能源系統(tǒng)
對于大多數(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)來說，負(fù)荷存在用電、用熱、用冷等多種用能需求，且用能數(shù)量大，節(jié)能空間廣。因此具有利用多能互補、源網(wǎng)荷儲協(xié)同技術(shù)為工業(yè)園區(qū)提供能源整體服務(wù)的需求，以滿足園區(qū)多樣化的能源需求，提高供能質(zhì)量，為用戶節(jié)約用能成本。
產(chǎn)業(yè)園區(qū)典型多能互補綜合能源系統(tǒng)的形態(tài)示意圖如圖4所示。它將電、氣、熱、冷、氫等多類型能源環(huán)節(jié)與信息、交通等其他社會支持系統(tǒng)進(jìn)行有機集成，通過對多類型能源的集成優(yōu)化和合理調(diào)度，實現(xiàn)多類型能源的梯級利用，提高能源利用效率，提升供能可靠性。同時，多能源系統(tǒng)的有機協(xié)調(diào)，對延緩輸配電系統(tǒng)的建設(shè)，消除輸配電系統(tǒng)的瓶頸，提高各設(shè)備的利用效率具有重要的作用。在緊急情況下，當(dāng)電力或天然氣系統(tǒng)受到天氣或意外災(zāi)害的干擾而中斷時，多能互補綜合能源系統(tǒng)可以利用就地能源為重要用戶提供不間斷的能源供應(yīng)，并為故障后能源供應(yīng)系統(tǒng)的快速恢復(fù)提供動力支持。
圖4產(chǎn)業(yè)園區(qū)多能互補綜合能源系統(tǒng)形態(tài)示意圖
綜合能源配用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，既包括冷熱電聯(lián)供分布式能源站、分布式光伏等電源設(shè)備，也包括電池儲能、蓄冷/熱儲能，還需要依靠電網(wǎng)和冷/熱管網(wǎng)進(jìn)行能量輸送，在實際應(yīng)用過程中，需要根據(jù)具體的環(huán)境和需求進(jìn)行綜合考慮。
園區(qū)綜合能源系統(tǒng)涵蓋各種形式和特點的多能源環(huán)節(jié)，既包括可控性較強的能源環(huán)節(jié)，也包括控制難度較大的強間歇性能源環(huán)節(jié);既包括容易存儲和轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，也包括難以大規(guī)模存儲的環(huán)節(jié);既包括底層設(shè)備的動態(tài)，也包括能源系統(tǒng)單元級別的動態(tài)，還包括多能耦合作用下的系統(tǒng)級別動態(tài)。本質(zhì)上而言，園區(qū)多能互補綜合能源系統(tǒng)從時間、空間和行為3個角度呈現(xiàn)多能流、多時標(biāo)、高維數(shù)、大量非線性、多主體等極為復(fù)雜形態(tài)特征。
3、產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)特征內(nèi)涵
由上節(jié)分析可見，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化的典型形態(tài)。從本質(zhì)上看，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)具備多能互補、物理信息深度融合、源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)互動的特征內(nèi)涵如圖5所示。
圖5產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)形態(tài)特征內(nèi)涵
3.1 多能互補
多能耦合、協(xié)同互補是產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的核心特征之一。時間上出力的波動特性使得風(fēng)電、光伏發(fā)電、小水電等能源供給來源天然存在較大的互補特性，同時，電、氣、熱、冷等多類型能源在用能需求、價格、特性上亦存在差異和互補特性。以電力網(wǎng)絡(luò)為主體框架，通過電、氣、熱、冷、氫的靈活集成，充分挖掘橫向源－源多能耦合、協(xié)同互補特性，從而有效抑制清潔能源發(fā)電的強隨機性和強波動性，大幅提高綜合能源系統(tǒng)的供能可靠性以及能源綜合利用效率。
3.2 物理信息深度融合
覆蓋能源生產(chǎn)、傳輸、消費、存儲、轉(zhuǎn)換的整個能源鏈，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中信息共享，能量流與信息流的有機整合、互聯(lián)互動、緊密耦合，形成信息物理系統(tǒng)(cyber physical system，CPS)。信息物理系統(tǒng)是園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向?；ヂ?lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等的深度應(yīng)用，有效提升園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的靈活性、適應(yīng)性及智能化。通過對等開放的信息-物理系統(tǒng)架構(gòu)，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)將具備高可靠安全的通信能力、全面的態(tài)勢感知能力、大數(shù)據(jù)處理計算能力以及分布式協(xié)同控制能力。
3.3 源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)互動
產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)能量流與信息流深度融合使傳統(tǒng)能源參與主體由單純的生產(chǎn)、傳輸、消費和存儲者，轉(zhuǎn)變?yōu)榧赡茉瓷a(chǎn)、傳輸、消費和存儲者的多種角色于一體的自我平衡主體。傳統(tǒng)用戶成為產(chǎn)消者，能源生產(chǎn)和能源消費的邊界將不再清晰，對應(yīng)的角色和功能可以實現(xiàn)相互兼容和替代。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)運營商、電力公司、各類工業(yè)、商業(yè)和居民用戶、電動汽車、分布式可再生能源、儲能、熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等各類參與主體在供需關(guān)系和價格機制的引導(dǎo)下，靈活調(diào)整能源供應(yīng)、能源消費和能源存儲，從而實現(xiàn)綜合能源柔性互動以及供需儲的縱向一體化。
4、產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)演化路線
產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)是能源工業(yè)發(fā)展的全新形態(tài)，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)、業(yè)態(tài)及模式等正處于起步和和探索發(fā)展階段。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展和實現(xiàn)并非一蹴而就的，其技術(shù)體系的形成以及各種技術(shù)的應(yīng)用和實踐，不僅取決于技術(shù)本身的成熟度，還與技術(shù)的依賴性和技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性以及社會效益，以及國家戰(zhàn)略、復(fù)雜的外部環(huán)境密切相關(guān)?？紤]到這些因素，對產(chǎn)業(yè)園區(qū)相關(guān)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用推廣的路徑進(jìn)行前瞻性研究，有助于政策制定者合理地利用政策資源，為產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展提供良好的政策環(huán)境;有利于相關(guān)企業(yè)和研究機構(gòu)提前布局科研和技術(shù)開發(fā)項目;也有助于引導(dǎo)資本市場為相關(guān)領(lǐng)域提供充足的資金支持。
未來產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)將以互聯(lián)網(wǎng)深度應(yīng)用為基礎(chǔ)，以電力系統(tǒng)為核心，將供氣系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)與電力系統(tǒng)等集成，橫向角度實現(xiàn)電力、燃?xì)狻⒐岬纫惑w化多能互補，縱向角度實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲全環(huán)節(jié)高度協(xié)調(diào)與靈活互動、集中化與分布式相互結(jié)合的能源網(wǎng)絡(luò)。不論是單一的電力互聯(lián)，還是能源領(lǐng)域演變產(chǎn)生的創(chuàng)新商業(yè)模式，亦或是互聯(lián)網(wǎng)思維與技術(shù)對能源工業(yè)的改造升級，都是多能互補綜合能源系統(tǒng)中的不同發(fā)展階段中的應(yīng)有要素。本質(zhì)上而言，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展是能源與信息不斷融合以及互相促進(jìn)的歷程，是一個漸進(jìn)的發(fā)展過程。綜合我國能源和信息基礎(chǔ)設(shè)施及能源市場等方面的現(xiàn)有條件，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)演化路線圖如圖6所示。隨著時間推移，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)大概可以分為近期、中期和遠(yuǎn)期3個發(fā)展階段。本質(zhì)上而言，這3個發(fā)展階段是一個同步發(fā)展、相互滲透和逐級遞進(jìn)的過程。3個階段的發(fā)展目標(biāo)和功能分別闡述如下。
圖6產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)演化路線圖
4.1 近期發(fā)展目標(biāo)與功能
近期，第一階段是產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源自身的互聯(lián)階段，以電力系統(tǒng)為中心，多類型能源網(wǎng)絡(luò)物理上實現(xiàn)互聯(lián)互通，實現(xiàn)橫向角度的多能互補。大力推動產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)試點和示范工程，因地制宜、積極建設(shè)一批不同規(guī)模和類型的試點和示范工程，推動綜合能源信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，包括園區(qū)綜合能源系統(tǒng)智能化能源生產(chǎn)消費基礎(chǔ)設(shè)施、信息通信基礎(chǔ)設(shè)施以及多能協(xié)同綜合能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。與此同時基本完成機制制度的準(zhǔn)備。
4.2 中期發(fā)展目標(biāo)與功能
中期，第二階段是產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)能源基礎(chǔ)設(shè)施和信息基礎(chǔ)設(shè)施互相促進(jìn)的階段，信息引導(dǎo)能量，同時能量實現(xiàn)價值提升。一方面，互聯(lián)網(wǎng)深度應(yīng)用促進(jìn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)產(chǎn)生新的商業(yè)模式，形成第三方綜合能源服務(wù)和能源金融等一批新型業(yè)態(tài);在另一方面，分布式能量管理體系形成，信息的高效流動使分散式?jīng)Q策代替了集中式?jīng)Q策的全局系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)資源配置的最優(yōu)。與此同時，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系逐步建立，形成一批關(guān)鍵技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
4.3 遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)與功能
遠(yuǎn)期，第三階段是產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的能源基礎(chǔ)設(shè)施和信息基礎(chǔ)設(shè)施的深度融合，能源生產(chǎn)及消費各環(huán)節(jié)達(dá)到深度自動化、智能化和定制化，能源系統(tǒng)多參與主體之間，并實現(xiàn)靈活協(xié)調(diào)和互動，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多形態(tài)、規(guī)?；l(fā)展，形成新型綜合能源系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)格局，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)體系基本完善，成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和增長的重要動力。并形成比較完善的產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)市場機制，建成統(tǒng)一開放的現(xiàn)代能源市場體系;形成開放、共享的產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)生態(tài)新環(huán)境，整體能源利用效率明顯提高，可再生能源比重占主導(dǎo)地位，公眾參與程度大幅度提高，為能源生產(chǎn)和消費革命提供有力支撐。
5、結(jié)語
綜合能源系統(tǒng)作為將多類型能源生產(chǎn)、存儲、傳輸、消費以及能源市場交易深度融合而衍生的全新能源工業(yè)形態(tài)，是未來能源互聯(lián)網(wǎng)的主要物理載體。各類產(chǎn)業(yè)園區(qū)具備綜合能源系統(tǒng)建設(shè)的自然資源、空間資源、電網(wǎng)基礎(chǔ)和用戶資源，成為綜合能源服務(wù)、業(yè)務(wù)創(chuàng)新和效益增長的主戰(zhàn)場。
本文研究了產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)形態(tài)特征與演化路線這一科學(xué)問題，首先分析了產(chǎn)業(yè)園區(qū)中離散制造業(yè)、過程工業(yè)和新型研發(fā)產(chǎn)業(yè)的多元化的綜合能源需求以及不同的自然資源優(yōu)勢?？紤]綜合能源系統(tǒng)因地制宜、統(tǒng)籌開發(fā)、互補利用的實施原則，未來產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)將呈現(xiàn)多元化典型形態(tài)，包括冷熱電聯(lián)供分布式能源站、園區(qū)光儲微網(wǎng)、小水電+分散式風(fēng)電、園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)和多能互補綜合能源系統(tǒng)。從本質(zhì)上看，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)具備多能互補、物理信息深度融合以及源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)互動的特征內(nèi)涵。
隨著時間推移，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)可分為近期、中期和遠(yuǎn)期3個發(fā)展階段，從能源本身的互聯(lián)階段，到能源基礎(chǔ)設(shè)施和信息基礎(chǔ)設(shè)施相互促進(jìn)，再到能源和信息深度融合。這3個發(fā)展階段是一個同步發(fā)展、相互滲透和逐級遞進(jìn)的過程。
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