引言

目前，全球范圍內(nèi)能源消耗劇增，導(dǎo)致環(huán)境污染加劇。如何減少傳統(tǒng)能源浪費、提高清潔能源消納，已成為世界各國政府關(guān)注的問題之一?！肮?jié)能減排”“新能源”“綠色環(huán)?！薄爸腔郾O(jiān)控”等新理念，已逐漸深入國民經(jīng)濟和社會生活[1]。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)運行常常局限于電、氣、熱、冷等單一能源形式，能源利用效率、可再生能源消納、節(jié)能減排等問題遭遇瓶頸。近幾年，隨著新一輪電力體制改革和互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)、清潔能源的不斷發(fā)展，綜合能源系統(tǒng)逐步從理念變成現(xiàn)實，也逐步取代傳統(tǒng)能源系統(tǒng)成為了推動電力行業(yè)發(fā)展的新動力。本文從國內(nèi)外兩個方面對綜合能源系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r進行歸納總結(jié)，提出區(qū)域綜合智慧能源系統(tǒng)典型架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，并將其應(yīng)用于示范項目之中，最后對項目的預(yù)期效果進行分析并展望其未來發(fā)展。

國內(nèi)外綜合能源系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r

國外綜合能源系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r

傳統(tǒng)能源系統(tǒng)產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代中期，主要是為了對已有建筑進行節(jié)能改造，合同能源管理是主要的商業(yè)模式。隨著人類科技的發(fā)展，在20世紀(jì)70年代末期，分布式能源系統(tǒng)在美國誕生，主要是推廣熱電聯(lián)供、光伏、熱泵等可再生能源的利用[2]。隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的出現(xiàn)，融合清潔能源與可再生能源的區(qū)域微網(wǎng)技術(shù)的新型綜合能源服務(wù)模式誕生。綜合能源系統(tǒng)對提升能源利用效率和實現(xiàn)可再生能源規(guī)?；_發(fā)具有重要的支撐作用，世界各國根據(jù)自身需求制定了適合自身發(fā)展的綜合能源發(fā)展戰(zhàn)略。

（1） 歐洲

早在歐盟第五框架（FP5）中，雖然綜合能源系統(tǒng)概念尚未明確定義，但是有關(guān)能源協(xié)同優(yōu)化的研究得到極大重視。在歐盟第六框架和歐盟第七框架中，能源協(xié)同優(yōu)化和綜合能源系統(tǒng)的相關(guān)研究得到進一步深化。

（2） 美國

在技術(shù)方面，美國非常注重與綜合能源相關(guān)理論技術(shù)的研發(fā)。21世紀(jì)初，美國能源部即提出了綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System，IES）發(fā)展計劃，旨在提高可再生能源的供應(yīng)與使用比重，進一步提高社會供能系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，而其重點是促進對分布式能源（DER）和冷熱電聯(lián)供（CCHP）技術(shù)的進步和推廣應(yīng)用。在需求側(cè)管理技術(shù)方面，美國包括加州、紐約州等在內(nèi)的許多地區(qū)在新一輪電力改革中，明確把需求側(cè)管理和提高電力系統(tǒng)靈活性作為重要方向。

（3） 日本

2009年9月，日本政府公布了未來40年溫室氣體減排的目標(biāo)，并提出建設(shè)全國綜合能源系統(tǒng)、實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和能效提升、推動清潔能源開發(fā)，是實現(xiàn)減排目標(biāo)的必經(jīng)之路。

國內(nèi)綜合能源系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r

相對國外而言，我國綜合能源系統(tǒng)的研究起步較晚。2001年，我國開展了針對智能體系方面的專題研究，以智能電網(wǎng)、配電網(wǎng)為載體，聚焦國內(nèi)智能能源體系結(jié)構(gòu)、模型、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、通行協(xié)議、實施計劃等方面。

目前，國內(nèi)綜合能源系統(tǒng)仍處于發(fā)展的初步階段。當(dāng)前國內(nèi)運行的綜合能源系統(tǒng)項目基本以電為主，只是配合少量的清潔能源，僅僅起示范作用。為了推動能源領(lǐng)域的創(chuàng)新與協(xié)調(diào)，促進綜合能源系統(tǒng)體系的建設(shè)，我國于2010年成立了國家能源委員會，加快能源改革，尋求創(chuàng)新發(fā)展模式。目前。我國制定并通過了“973”“863”研究計劃，多項有關(guān)綜合能源技術(shù)研發(fā)項目已經(jīng)開始實施。除此之外，我國還積極與國外相關(guān)機構(gòu)展開合作，積極推廣綜合能源利用技術(shù)，以建設(shè)清潔、安全、可持續(xù)的綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)[3]。

綜合智慧能源系統(tǒng)特點

在綜合能源系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)上，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，為更好實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)用戶提供冷、熱、電、氣、水等能源一體化，促進清潔能源就地消納和平衡，本文引入“綜合智慧能源系統(tǒng)”，通過協(xié)同互動、智能低碳方式，充分提高能源綜合利用效率，其構(gòu)成特點涵蓋以下三個方面。

多能互補

圖1 綜合智慧能源系統(tǒng)架構(gòu)圖

多能耦合、協(xié)同互補是綜合智慧能源系統(tǒng)的重要特征之一。風(fēng)能、太陽能等可再生能源在時間和空間上具有互補性，多能互補面向終端用戶冷、熱、電等多種用能需求，因地制宜、互補利用傳統(tǒng)能源和清潔能源，優(yōu)化布局建設(shè)一體化集成供能基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建智能微能源網(wǎng)，通過智慧化管理控制，有利于實現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級利用。

物理與信息深度融合

綜合智慧能源系統(tǒng)覆蓋能源生產(chǎn)、傳輸、消費、存儲、轉(zhuǎn)換的整個能源鏈，系統(tǒng)內(nèi)信息共享，能量流與信息流有機整合、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)是綜合智慧能源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等的深度應(yīng)用，可有效提升園區(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)，綜合智慧能源系統(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。

源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)互動

綜合智慧能源系統(tǒng)能量流與信息流深度融合使傳統(tǒng)能源由單純的生產(chǎn)、傳輸、消費和存儲為主體，轉(zhuǎn)變?yōu)榧茉瓷a(chǎn)、傳輸、消費和存儲多種角色于一體的自我平衡的主體。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。綜合能源服務(wù)商、供電公司、各類工業(yè)、商業(yè)和居民用戶、電動汽車、分布式能源、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)綜合智慧能源柔性互動以及供需儲的縱向一體化。

綜合能源系統(tǒng)對提升能源利用效率和實現(xiàn)可再生能源規(guī)?；_發(fā)具有重要的支撐作用，世界各國根據(jù)自身需求制定了適合自身發(fā)展的綜合能源發(fā)展戰(zhàn)略。

綜合智慧能源系統(tǒng)設(shè)計

架構(gòu)設(shè)計

目前，低功耗傳感器和通信技術(shù)的高速發(fā)展，為綜合智慧能源系統(tǒng)的研究提供了新的解決思路。本文結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)、智能微電網(wǎng)及配電物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)研究，提出典型的綜合智慧能源系統(tǒng)架構(gòu)（圖1）。該系統(tǒng)以電力系統(tǒng)為核心，以風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、太陽能發(fā)電技術(shù)、天然氣分布式供能技術(shù)、空氣及儲能電池等技術(shù)為主要的供能手段，建設(shè)和完善能源輸配網(wǎng)和儲能設(shè)施（包含電、熱、冷儲能），并配套建設(shè)智慧能源管理平臺，構(gòu)建一個完整的園區(qū)級能源互聯(lián)網(wǎng)。綜合智慧能源系統(tǒng)的物理構(gòu)成包括供配電系統(tǒng)、冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、風(fēng)機系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、智慧管控系統(tǒng)等。

整個能源系統(tǒng)改變了以往供電、供氣、供冷等各種能源供應(yīng)單一規(guī)劃、單一建設(shè)、單一運行的獨立模式，利用現(xiàn)代信息通信技術(shù)、智能技術(shù)提高系統(tǒng)管理效率，在系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)、運行過程中，減少各類能源在分配、轉(zhuǎn)化、存儲、消納等環(huán)節(jié)的資源浪費。分析綜合智慧能源系統(tǒng)的組成部分可知，其主要包括下列內(nèi)容：供能網(wǎng)、能源轉(zhuǎn)換與存儲環(huán)節(jié)、終端綜合能源供應(yīng)，其中供能網(wǎng)涉及供熱、供電等網(wǎng)絡(luò)；能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)則包括暖通空調(diào)、發(fā)電機設(shè)備等。

關(guān)鍵技術(shù)

（1） 能源轉(zhuǎn)化技術(shù)

在進行能源資源的高效利用時，能源轉(zhuǎn)換技術(shù)也為一項非常重要的綜合能源應(yīng)用技術(shù)，此項技術(shù)應(yīng)用側(cè)重于對一次、二次能源的有效轉(zhuǎn)換，從而使得能源利用價值得到大幅度的提升，其中常見的一次能源既涉及太陽能、風(fēng)能及生物能等可再生的清潔能源，也包括石油、天然氣等不可再生能源，二次能源則主要為電能。

當(dāng)前在綜合智慧能源系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)主要包括以下兩種類型：一是太陽能發(fā)電技術(shù)。它包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電，其中光伏發(fā)電利用太陽能級半導(dǎo)體電子器件有效地吸收太陽光輻射能，并使之轉(zhuǎn)變成電能，是當(dāng)今太陽能發(fā)電的主流；二是風(fēng)電轉(zhuǎn)化技術(shù)。當(dāng)前利用風(fēng)能進行電力生產(chǎn)轉(zhuǎn)換為世界各國學(xué)者研究的重點內(nèi)容，實際轉(zhuǎn)換時主張利用風(fēng)力發(fā)電機來進行有效的資源轉(zhuǎn)換利用，風(fēng)力發(fā)電機使用時發(fā)揮關(guān)鍵作用的部分為主軸槳葉，可帶動設(shè)備將風(fēng)能大量的轉(zhuǎn)換為電能。

（2） 冷熱電三聯(lián)供CCHP

作為傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)CHP的擴展，冷熱電三聯(lián)供CCHP不僅可以滿足發(fā)電需求，同時釋放的熱量將成為副產(chǎn)品被回收利用，作為空間加熱、水加熱以及空間冷卻的熱源。CCHP由燃?xì)獍l(fā)動機、發(fā)電機、熱交換器和吸收式冷卻器組成。燃?xì)獍l(fā)電機肩負(fù)產(chǎn)熱和產(chǎn)電功能，而廢熱將被輸送到吸收式冷卻器中，并以此產(chǎn)生冷卻能。該技術(shù)常常應(yīng)用于建筑物的空調(diào)設(shè)備，而吸收式制冷機產(chǎn)生的電能與廢熱之比可以通過變化來滿足特定的要求。

與獨立的供熱與電力系統(tǒng)相比，冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不僅提高了能源效率，也降低了燃料和能源成本，因而更具有經(jīng)濟效益。若將CCHP與可再生能源結(jié)合，可進一步促進能源轉(zhuǎn)型及二氧化碳減排，為緩解日益嚴(yán)重的溫室效應(yīng)作出貢獻(xiàn)，其潛力不容忽視。

（3） 熱泵技術(shù)

圖2 延慶基地能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在新能源供熱技術(shù)中，熱泵是杰出的代表。其原理是利用制冷系統(tǒng)的熱循環(huán)過程，將低溫?zé)嵩?，如室外空氣、循環(huán)水或地面熱能，傳遞到高溫物體中，用來加熱水或采暖。為了將低溫?zé)嵩粗械哪芰總鬟f到高溫?zé)嵩矗瑹岜眯枰獊碜酝獠康碾娔?，流量溫度越高，電能需求越大。因此，低溫?zé)嵩磁c加熱能之間的溫差應(yīng)盡可能小。而熱泵制冷管道中的特殊閥門可使制冷循環(huán)反向進行，熱泵不僅可以加熱也可以冷卻空間。

常見的熱泵種類有空氣源熱泵、水源熱泵和地源熱泵?？諝庠礋岜每梢詫碜灾車諝饣驈U氣的熱量傳遞到需要加熱的空間內(nèi)。水源熱泵從相對溫暖的地下水或廢水中提取熱量，再將地下水引導(dǎo)回去。地源熱泵則通過探頭或表面收集器直接吸地?zé)崮?。熱泵不僅低碳環(huán)保，運行也相對安靜，可以在較小的建筑面積上使用，因而被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代化加熱系統(tǒng)與家庭領(lǐng)域。從經(jīng)濟角度來看，由于不需要額外的燃料費用，相對于傳統(tǒng)的加熱和冷卻系統(tǒng)更具優(yōu)勢。

（4） 儲能技術(shù)

為了有效提升能源存儲效果，需要借助多種儲能技術(shù)，當(dāng)前常用的儲能技術(shù)包括儲熱、儲氣、儲電、蓄冷四種。其中，適用于綜合能源系統(tǒng)中的儲電技術(shù)主要為儲能電池，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的不同可以分為鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鋰離子電池和鎳氫電池。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋰離子電池已經(jīng)成為了主流，其采用鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池，具有使用壽命長、儲存能量密度高、重量輕、適應(yīng)力強等優(yōu)點。目前，鈉硫電池和釩液流電池尚未形成產(chǎn)業(yè)化。

儲熱技術(shù)目前主要有顯熱存儲、變相存儲、化學(xué)反應(yīng)存儲三種。其中化學(xué)反應(yīng)存儲是通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量進行儲熱，具有儲能密度高、可長期存儲等優(yōu)點。

目前,蓄冷技術(shù)主要分為水蓄冷和冰蓄冷兩種，利用水、冰的蓄冷特性，儲藏冷能并加以合理利用。

儲能系統(tǒng)使得綜合能源系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定并且高效地運行，是綜合能源系統(tǒng)不可或缺的組成部分。

（5） 多能協(xié)同優(yōu)化控制技術(shù)

綜合智慧能源系統(tǒng)能夠為用戶提供分布式供能，通過智慧能源管控系統(tǒng)的多能協(xié)同優(yōu)化調(diào)度策略，提高能源利用率，促進不同能源之間的互補和協(xié)調(diào)，實現(xiàn)系統(tǒng)整體效能發(fā)揮的最大化。在確保給用戶提供穩(wěn)定能源供給的同時，提高可再生能源在能源系統(tǒng)中的占比及利用率，減少對不可再生資源的依賴，有利于達(dá)到良好的節(jié)能減排效果。在實際應(yīng)用中，如何實現(xiàn)不同能源特別是光伏、風(fēng)電等間歇性電源的協(xié)調(diào)和優(yōu)化是關(guān)鍵。在多能互補優(yōu)化運行中，需要充分考慮間歇性能源出力的不確定性、可控分布式能源的功率調(diào)節(jié)約束性以及儲能設(shè)備的時間轉(zhuǎn)移特性，兼顧分布式能源與柔性負(fù)荷兩類可控資源，并采用合理的控制模型實現(xiàn)主動配電網(wǎng)對可控分布式能源的主動管理和優(yōu)化調(diào)度。

目前，多能協(xié)同優(yōu)化調(diào)度策略的研究在國內(nèi)尚處于初始階段，采取何種策略有效地協(xié)調(diào)分布式電源、儲能設(shè)備及可控負(fù)荷，是多能互補系統(tǒng)優(yōu)化運行的關(guān)鍵問題。

示范項目應(yīng)用

延慶國家電網(wǎng)公司新興產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新示范基地位于延慶區(qū)張山營鎮(zhèn)下營村，用地性質(zhì)為教育科研設(shè)計，主要能源需求類型為電、冷、熱。項目擬參照本文提出的綜合智慧能源系統(tǒng)框架，構(gòu)建以交直流混合微電網(wǎng)為核心、多能互補的智慧能源系統(tǒng)，打造源網(wǎng)荷儲優(yōu)化協(xié)同的綠色能源互聯(lián)網(wǎng)示范。

該項目能源系統(tǒng)的物理構(gòu)成包括分布式光伏發(fā)電、分散式風(fēng)力發(fā)電、電化學(xué)儲能、交直流混合充電樁、空氣源熱泵、電蓄熱鍋爐等，按照“1+1+X”的框架構(gòu)建智慧能源（能源互聯(lián)網(wǎng)）系統(tǒng)，即1個智慧能源管控平臺、1座集中供應(yīng)的能源站、若干個分布式能源子系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過智慧能源管控平臺，根據(jù)區(qū)域內(nèi)多種能源供應(yīng)狀態(tài)對綜合能效水平進行實時優(yōu)化，對電網(wǎng)和其他能源網(wǎng)絡(luò)進行動態(tài)協(xié)調(diào)，使多種能源相互轉(zhuǎn)化支撐，實現(xiàn)整個系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷、儲的協(xié)同運行以及綜合管理。

1個智慧能源管控平臺

平臺主要監(jiān)測光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲能、充電樁、熱泵、電蓄熱鍋爐等系統(tǒng)的運行情況，對新能源發(fā)電、基地用電、供熱、供冷等綜合能源的動態(tài)實時監(jiān)控與管理，通過對數(shù)據(jù)分析與挖掘，實現(xiàn)各種節(jié)能控制系統(tǒng)綜合管控，是整個基地能源系統(tǒng)的智慧大腦。

1座能源站

站內(nèi)布置交直流微電網(wǎng)核心設(shè)備、電化學(xué)儲能預(yù)制艙、電蓄熱鍋爐，作為基地能源供應(yīng)的核心和樞紐。

交直流微電網(wǎng)核心設(shè)備主要包括一臺多端口能量路由器、一臺直流儲能變流器和一套直流充電堆系統(tǒng)。

電化學(xué)儲能采用磷酸鐵鋰電池，在整個能源系統(tǒng)中起到削峰填谷、提高光伏消納率、改善電能質(zhì)量、后備電源的作用。

電蓄熱鍋爐采用夜間低谷時段的電能作為能源，夜間蓄熱白天供暖，作為熱泵供暖系統(tǒng)的補充，同時也可以起到削峰填谷的作用。

X個能源子系統(tǒng)

（1） 分布式光伏發(fā)電

分布于基地規(guī)劃建筑屋頂、玻璃幕墻、光電一體化充電站車棚棚頂、蔬菜大棚棚頂及智慧路燈。光伏組件采用單晶、多晶、BIPV等多種組件形式。

（2） 分散式風(fēng)電

該項目采用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，一部分布置于基地空曠閑置區(qū)域；另一部分布置于風(fēng)光一體化智慧路燈頂部，與光伏板共同實現(xiàn)路燈的綠色照明。

（3） 分布式空氣源熱泵

中央廚房及辦公用房均采用空氣源熱泵與太陽能集熱器組合形式。熱泵采用先進的一機雙用技術(shù)，一邊為冷庫供冷；一邊為辦公室供暖。

（4） 交直流混合充電樁

在基地設(shè)置若干直流快充和交流慢充充電樁，具備智能控制與結(jié)算等功能，為員工私家車、游覽車、物流車等提供靈活智能的充電服務(wù)。

總結(jié)與展望

本文首先介紹了國內(nèi)外綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出綜合智慧能源系統(tǒng)體系典型架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，并將其應(yīng)用于延慶項目之中。

該項目采用多種可再生能源與傳統(tǒng)電力能源相融合，采用智慧能源管控系統(tǒng)進行多能協(xié)同優(yōu)化控制，構(gòu)建了以電為中心、以智能微電網(wǎng)為核心的智慧能源系統(tǒng)，可以有效降低能源損耗，提升節(jié)能減排效果，打造綠色后勤基地。該項目建設(shè)思路可為其他類似后勤基地的建設(shè)提供參考和借鑒，具有一定的示范意義。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及智能技術(shù)的創(chuàng)新，未來綜合智慧能源系統(tǒng)將會更加高效和智能化。利用信息通信技術(shù)準(zhǔn)確預(yù)測用戶用能變化并對其進行實時優(yōu)化匹配，有利于在能源利用方面取得新的突破。