能源是社會和經(jīng)濟發(fā)展的動力和基礎(chǔ)。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。由于不同能源系統(tǒng)發(fā)展的差異，供能往往都是單獨規(guī)劃、單獨設(shè)計、獨立運行，彼此間缺乏協(xié)調(diào)，由此所造成了能源利用率低、自愈能力不強、供能系統(tǒng)整體安全性有待提高等問題。
多能互補并非一個全新的概念，在能源領(lǐng)域中，長期存在著不同能源形式協(xié)同優(yōu)化的情況，幾乎每一種能源在其利用過程中，都需要借助多種能源的轉(zhuǎn)換配合才能實現(xiàn)高效利用。在能源系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和運行階段，對不同供用能系統(tǒng)進行整體上的互補、協(xié)調(diào)和優(yōu)化，可實現(xiàn)能源的梯級利用和協(xié)同優(yōu)化，為解決上述問題提供了思路。不同能源供應(yīng)系統(tǒng)的運行特性各異，通過彼此間協(xié)調(diào)，可降低或消除能源供應(yīng)環(huán)節(jié)的不確定性，從而更有利于可再生能源的安全消納。
隨著分布式發(fā)電供能技術(shù)，能源系統(tǒng)監(jiān)視、控制和管理技術(shù)，以及新的能源交易方式的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)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(shè)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(guān)的通信和信息基礎(chǔ)設(shè)施。傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)相互獨立的運行模式無法適應(yīng)綜合能源系統(tǒng)多能互補的能源生產(chǎn)和利用方式，在能量生產(chǎn)、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。
2多能互補在綜合能源系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)研究
綜合能源系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)一直受到世界各國的重視，不同國家往往結(jié)合自身需求和特點，各自制定適合自身的綜合能源發(fā)展戰(zhàn)略。國內(nèi)外專家學(xué)者做了相當(dāng)多的研究，主要研究內(nèi)容可歸納為圖1，包括以下幾個方面：
圖1 多能互補相關(guān)研究關(guān)系圖
1）多能互補靜態(tài)建模
能源集線器（energy hub）模型反映了能量系統(tǒng)間的靜態(tài)轉(zhuǎn)換和存儲環(huán)節(jié)，最早由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團隊提出。該模型是綜合能源系統(tǒng)通用建模的一次有益嘗試，大量的相關(guān)研究已用于含有冷熱電氣系統(tǒng)的耦合關(guān)系描述，并被廣泛應(yīng)用于各類綜合能源系統(tǒng)相關(guān)研究中（如綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃、分布式能源系統(tǒng)管理、需求管理控制、區(qū)域能源系統(tǒng)運行調(diào)度等）。該模型反映了能源在傳輸和轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的靜態(tài)關(guān)系，而無法描述綜合能源系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜多樣的動態(tài)行為。
2）多能互補動態(tài)建模
多能互補動態(tài)模型一般包括動態(tài)能源集線器和動態(tài)能源連接器模型。動態(tài)能源集線器在傳統(tǒng)集線器模型的基礎(chǔ)上，考慮能量轉(zhuǎn)換機組的動態(tài)特性。動態(tài)能源連接器描述了電能、液態(tài)工質(zhì)或氣態(tài)燃料輸送環(huán)節(jié)的靜態(tài)特征和動態(tài)變化規(guī)律，研究兩端傳遞環(huán)節(jié)和協(xié)調(diào)反饋環(huán)節(jié)，對多個能源輸送環(huán)節(jié)進行統(tǒng)一和協(xié)調(diào)控制。
3）區(qū)域多能互補協(xié)同優(yōu)化策略
從系統(tǒng)的角度看，耦合不同的能量載體相對于常規(guī)的去耦能量供應(yīng)網(wǎng)顯示出許多潛在的優(yōu)點，冗余能流路徑提供的一定程度的自由度為多能協(xié)同優(yōu)化提供了空間。通過能量系統(tǒng)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(xiàn)降低系統(tǒng)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(xié)同優(yōu)化問題的規(guī)模和求解難度也不斷提高，設(shè)計易于實施且優(yōu)化效果明顯的運行策略一直是國內(nèi)外的研究熱點之一。
4）家庭能源中心運行智能管理
用戶側(cè)的靈活資源、分布式電源、儲能設(shè)備將得到更加廣泛的應(yīng)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(zhuǎn)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(tǒng)互動提供物質(zhì)基礎(chǔ)，也促進了能量流、信息流、業(yè)務(wù)流等特性各異的物理對象的融合。未來的綜合能源系統(tǒng)不再是由供給側(cè)到用戶側(cè)的單向能量傳遞，能源用戶也由過去的能源使用者轉(zhuǎn)換成能源消費者和服務(wù)商，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)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(tǒng)供需雙側(cè)的智能交互。
5）多種儲能的控制方法和配置策略
現(xiàn)階段，按照時間尺度來劃分，電儲能一般用于“低儲高發(fā)”、聯(lián)絡(luò)線功率控制和電能質(zhì)量治理三個方面，經(jīng)濟效益在峰谷電價差和延緩電網(wǎng)升級兩方面。由于供冷是非時變的，儲熱沒有套利空間，一般用于與CCHP機組協(xié)調(diào)調(diào)度，優(yōu)化CCHP機組的運行狀態(tài)，使以熱定電的CCHP機組可在用電峰時段多發(fā)電，燃氣鍋爐運行在效率較高的狀態(tài)，在用電谷時段停機由儲能供熱，顯著提高機組的經(jīng)濟效益。另外，對于電制冷機組，其經(jīng)濟效益與實時電價關(guān)系密切，加入蓄冷可以顯著降低電空調(diào)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(tǒng)中的關(guān)鍵問題
雖然就多能互補的相關(guān)問題已開展了大量的研究，但綜合能源系統(tǒng)的推廣仍面臨許多挑戰(zhàn)，在一些關(guān)鍵問題上仍需要進一步研究。
1）多能互補協(xié)同運行調(diào)度
多能互補的協(xié)同調(diào)度優(yōu)化一直是這一領(lǐng)域研究的重點和關(guān)鍵，是系統(tǒng)規(guī)劃和市場互動博弈的基礎(chǔ)。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(biāo)，并促進區(qū)域新能源的大規(guī)模消納。相反的，系統(tǒng)的耦合在取得效益增益的同時，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)生故障傳遞，因此，對于多能互補的系統(tǒng)風(fēng)險評估還需要進一步深入研究。
2）多能互補協(xié)同規(guī)劃策略
對于多能互補的協(xié)同規(guī)劃，規(guī)劃場景構(gòu)建與預(yù)測較傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)規(guī)劃更加復(fù)雜，綜合政策、市場、氣象等重要信息，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)分析的規(guī)劃場景。依據(jù)源荷互補特性劃分互動集群，分別建立集群內(nèi)源-荷-儲優(yōu)化配置模型和供能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃模型，并基于分解協(xié)調(diào)思想實現(xiàn)互動集群和互濟網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化規(guī)劃。在各場景下，通過冷熱電負(fù)荷需求、規(guī)劃問題不確定性及負(fù)荷可調(diào)潛力分析，計算用能需求的時空分布，據(jù)此確定規(guī)劃策略。
3）考慮用能替代的綜合需求響應(yīng)
對多能互補系統(tǒng)，用戶參與需求響應(yīng)的手段不僅限于傳統(tǒng)的電能削減和在時間上的平移。用能替代正逐漸成為綜合需求響應(yīng)的一個重要方式，能量的替代使用可降低用戶側(cè)的用能成本，在滿足用能需求的前提下響應(yīng)各個能源系統(tǒng)的調(diào)度期望，可觀的響應(yīng)收益為用戶相應(yīng)行為提供充足的驅(qū)動力。但是，當(dāng)前調(diào)度、規(guī)劃以及市場的研究中，很多都忽略了這種新的用戶響應(yīng)形式。
4）熱/電/氣多能流計算
無論是在規(guī)劃還是調(diào)度運行中，能流計算一直是多能系統(tǒng)靜態(tài)分析的一個關(guān)鍵問題。一般采用改進的能源集線器模型，考慮耦合單元作為平衡節(jié)點對于電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流的影響，形成該系統(tǒng)適用的潮流求解算法。相應(yīng)的研究可分為統(tǒng)一求解法和解耦求解法兩類。采用統(tǒng)一求解法時，需要建立電力-天然氣系統(tǒng)的混合模型，然后在統(tǒng)一的框架下建立包含多個能網(wǎng)狀態(tài)的潮流方程，對系統(tǒng)綜合潮流進行求解，在算法求解方面往往要求較高。而解耦求解法需分析不同模式下多個系統(tǒng)的耦合關(guān)系，將電力潮流與天然氣以及熱力系統(tǒng)解耦計算，因此可以在原有獨立的潮流計算模塊上增加電/氣/熱耦合分析模塊來實現(xiàn)，計算難度較小。
5）多能市場互動策略與交易機制
綜合能源系統(tǒng)的多能互動參與主體主要包括園區(qū)綜合能量管理中心、各類工業(yè)用戶、居民用戶、電動汽車、新能源、儲能、熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等。各類主體在互動框架中扮演著不同的角色，根據(jù)自身的用電特性、風(fēng)險偏好和響應(yīng)潛力，響應(yīng)電價信息和管理中心發(fā)布的可中斷信息，調(diào)整自身負(fù)荷計劃，從而達到柔性互動的目標(biāo)。然多能主體眾多，不同的用戶利益訴求不同，其參與互動的目標(biāo)也有所差異，因此一個能夠吸引用戶參加的健全的互動機制，應(yīng)在一定程度上滿足各個主體不同的利益目標(biāo)，多能互動典型設(shè)計方案如圖2。
圖2 多能互動機制設(shè)計方案
4前景展望
隨著能量需求呈現(xiàn)多樣化和分布化趨勢，以多能互補為中心的綜合能源系統(tǒng)理論研究和工程實踐也隨之展開，然而在實踐和研究過程中，各子系統(tǒng)通過大量的異質(zhì)元件耦合，耦合元件在不同的管理模式、運行場景和控制策略下相互影響，呈現(xiàn)不同的電氣、熱力、水力特性，對所耦合的能源系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的非線性、不確定的影響，綜合能源系統(tǒng)無論在科學(xué)研究還是工程應(yīng)用方面仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為進一步提高用能效率，促進多種新能源的規(guī)?；?，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，綜合能源系統(tǒng)多能互補研究具有前瞻性和巨大的工程應(yīng)用價值。
作者：
郝然，上海交通大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)博士生。主要研究方向：能源互聯(lián)網(wǎng)運行控制、綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行等。
艾芊，博士，上海交通大學(xué)教授，教研室主任，博士生導(dǎo)師，IEEE高級會員。主要研究方向包括可再生能源發(fā)電、微電網(wǎng)運行和控制等，曾先后在新加坡南洋理工大學(xué)、英國巴斯大學(xué)從事訪學(xué)和研究工作。
上海交通大學(xué)艾芊教授所帶領(lǐng)的研究團隊課題組著眼于以“能源-環(huán)境-體制-信息-產(chǎn)業(yè)”多要素協(xié)調(diào)為背景的能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，在架構(gòu)、理論、技術(shù)與應(yīng)用等方面對能源互聯(lián)網(wǎng)開展前沿性的研究。課題組依托上海交通大學(xué)電氣工程系，主要研究方向為電力系統(tǒng)認(rèn)知、優(yōu)化調(diào)度與EMS以及控制策略和電能質(zhì)量治理。先后承擔(dān)國家科技支撐計劃課題“以大規(guī)?？稍偕茉蠢脼樘卣鞯闹悄茈娋W(wǎng)綜合示范工程”、國家863計劃“電動汽車智能充放儲一體化電站系統(tǒng)及工程示范”、國家重大專項“工業(yè)園區(qū)多元用戶互動的配用電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”和2個國家自然科學(xué)基金項目，并開展了多項與電網(wǎng)公司等合作的示范工程和課題。
