祝令凱，王 倩，鄭 威，鐘子威，張彥鵬

（1.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

能源是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源。隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源使用過(guò)程中的問(wèn)題逐漸暴露，不可再生能源的日益減少及能源利用率低下的問(wèn)題日益凸顯，傳統(tǒng)的用能模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)社會(huì)的發(fā)展需要，如何確保能源的可持續(xù)利用成為當(dāng)今世界關(guān)注的焦點(diǎn)［1］。目前多數(shù)研究是從改善能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)可再生能源的消納、提高能源的綜合利用效率等方面著手［2］。能源互聯(lián)網(wǎng)［3］、綜合能源系統(tǒng)［1］等概念的提出，為解決能源問(wèn)題提供了新的視點(diǎn)與角度，有效地帶動(dòng)了多個(gè)領(lǐng)域、多門(mén)學(xué)科、多個(gè)維度間的交革與創(chuàng)新［4］，有助于推動(dòng)能源領(lǐng)域開(kāi)展新一輪的改革發(fā)展。

以綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，簡(jiǎn)要介紹了綜合能源系統(tǒng)的概念及國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，然后根據(jù)綜合能源系統(tǒng)的特點(diǎn)，歸納出綜合能源系統(tǒng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景并作詳細(xì)闡述，同時(shí)在此基礎(chǔ)上對(duì)綜合能源系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展所面臨的問(wèn)題及解決方案進(jìn)行分析展望，為后期進(jìn)一步深入研究提供參考。

1 綜合能源系統(tǒng)及研究現(xiàn)狀

綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System，IES）的概念最早在2001 年提出，其主要目標(biāo)是為了促進(jìn)分布式能源的推廣應(yīng)用以及提高清潔能源的使用比重［5］。綜合能源系統(tǒng)的典型特點(diǎn)是具有多能耦合特性［6-8］，它打破了現(xiàn)有的各個(gè)能源系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行、互不聯(lián)系的模式，能夠?qū)⒏黝?lèi)能源進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)與配合，通過(guò)多種能源的耦合關(guān)聯(lián)，進(jìn)而對(duì)各種能量集中綜合利用，同時(shí)將能源的使用由傳統(tǒng)能源向清潔能源傾斜，實(shí)現(xiàn)了能源系統(tǒng)的供需互動(dòng)、相互協(xié)同、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了能源利用率，其低碳效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益明顯，是未來(lái)能源領(lǐng)域發(fā)展的方向和愿景。

綜合能源系統(tǒng)一直受到世界各國(guó)的廣泛重視，國(guó)內(nèi)外也已經(jīng)做了大量的研究。

國(guó)外對(duì)綜合能源系統(tǒng)的研究起步較早，尤其在應(yīng)用方面較為成熟。英國(guó)曼徹斯特城在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行方法的研究基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了集電、熱、氣、水等多種能量于一體的綜合能源系統(tǒng)并得以應(yīng)用［9］。日本作為一個(gè)能源匱乏的國(guó)家，在綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用方面做了深入的研究，其最典型的應(yīng)用即柏葉新城，該城市在綜合能源系統(tǒng)及智慧城市理念的基礎(chǔ)上，建成了集智慧能源、智慧交通于一體的智慧城市［10-11］。德國(guó)的哈馬碧湖城基于相關(guān)理論研究，將城市的水資源、各種分布式能源、生活垃圾等資源的處理整合到一個(gè)系統(tǒng)之中，以一種集成的方式實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)的都市生活，對(duì)實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義［12-13］。

國(guó)內(nèi)的學(xué)者對(duì)綜合能源系統(tǒng)也進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)［14-15］指出多能流系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不僅要注重“量”的差異，還要注重“質(zhì)”的差異。作者采用分析法對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性進(jìn)行分析，得到了多能流系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)節(jié)能最優(yōu)運(yùn)行策略。文獻(xiàn)［16］指出要兼顧不同能量在數(shù)量及品質(zhì)上的差異作為能源系統(tǒng)規(guī)劃的依據(jù)，提出基于效率分析法的五層級(jí)能源集線器模型用于系統(tǒng)特性的分析。文獻(xiàn)［17］就綜合能源系統(tǒng)的低碳效益進(jìn)行了詳細(xì)闡述，指出綜合能源系統(tǒng)在低碳排放上的優(yōu)勢(shì)，并給出了低碳系統(tǒng)的整體研究框架。文獻(xiàn)［18］提出了結(jié)合熱網(wǎng)的多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型，更直觀地展示了多種能源系統(tǒng)之間的供需互補(bǔ)。除了理論研究，國(guó)內(nèi)也已建立了相關(guān)的示范項(xiàng)目，如中新天津生態(tài)城［19］等，將在第3章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 典型應(yīng)用場(chǎng)景

主要對(duì)綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行歸納梳理，從空間尺度出發(fā)，以多能耦合應(yīng)用為主線進(jìn)行劃分，得到三個(gè)層級(jí)的系統(tǒng)：全局綜合能源系統(tǒng)、區(qū)域綜合能源系統(tǒng)和本地綜合能源系統(tǒng)。全局綜合能源系統(tǒng)，主要是指地理范圍較大的城市或在能源上聯(lián)系密切的城市群為單位構(gòu)建的綜合能源系統(tǒng)，是典型的跨區(qū)域性質(zhì)的綜合能源系統(tǒng)。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、能源市場(chǎng)的特殊性等，面向此類(lèi)應(yīng)用的系統(tǒng)難以在短期內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用，此處不再贅述。

2.1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)主要應(yīng)用于區(qū)域范圍不太大的地區(qū)，包括各種廠區(qū)、各種園區(qū)（如工業(yè)園區(qū)、生態(tài)園區(qū)、商業(yè)園區(qū)、生活園區(qū)等）、能量網(wǎng)絡(luò)上互聯(lián)互通的多個(gè)園區(qū)、一般規(guī)模的城市等。本部分以廠—區(qū)—區(qū)塊—市為主線，選取典型的區(qū)域應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行介紹。

2.1.1 面向典型廠區(qū)的綜合能源系統(tǒng)

面向廠區(qū)的綜合能源系統(tǒng)主要具有多能耦合特點(diǎn)的廠區(qū)。本部分以含有冷熱電聯(lián)產(chǎn)（Combined Cooling，Heating and Power，CCHP）系統(tǒng)和電轉(zhuǎn)氣（Power to Gas，P2G）系統(tǒng)的典型廠區(qū)為例，展開(kāi)相關(guān)介紹。CCHP 系統(tǒng)與P2G 系統(tǒng)相結(jié)合，使得不同能量網(wǎng)絡(luò)間的耦合特性更加緊密，在滿(mǎn)足電、熱、冷、氣等多種能量需求的同時(shí)提高能源的綜合利用效率，僅對(duì)余熱［20-21］進(jìn)行最大限度地利用，在電網(wǎng)用電低谷階段，直接將電能轉(zhuǎn)換為天然氣進(jìn)行間接存儲(chǔ)，促進(jìn)風(fēng)、光等新能源消納［22］，有效地減少能源的浪費(fèi)，具有很強(qiáng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)［23］。含電轉(zhuǎn)氣與冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的典型廠區(qū)綜合能源系統(tǒng)工藝如圖1所示。

圖1 典型廠區(qū)的綜合能源系統(tǒng)工藝

此類(lèi)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：利用用戶(hù)側(cè)附近現(xiàn)有的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，配合電轉(zhuǎn)氣技術(shù)以小規(guī)模、分散式的方式布置在負(fù)荷周邊，獨(dú)立地輸出各種能量，實(shí)現(xiàn)能量的就地供應(yīng)，降低了各種能量的傳輸成本，還可以對(duì)低谷階段的電能進(jìn)行存儲(chǔ)，大大提高了供能的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，并且整個(gè)系統(tǒng)的能源利用率高，大氣污染物排放少，低碳效益明顯，具有良好的生態(tài)效益和社會(huì)效益，是一種高效的能源綜合利用方式。該類(lèi)型的系統(tǒng)能源輸出多樣，且系統(tǒng)內(nèi)的能源可進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，能夠保證能量不間斷供應(yīng)，可應(yīng)用于獨(dú)立的廠區(qū)，或者對(duì)供電穩(wěn)定性要求較高、能源需求多樣化的場(chǎng)所。

2.1.2 面向生態(tài)園區(qū)的微網(wǎng)型綜合能源系統(tǒng)

隨著不可再生能源總量的下降及逐漸枯竭，越來(lái)越多的目光開(kāi)始轉(zhuǎn)向可再生能源。如何加大對(duì)風(fēng)能、光能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等可再生能源的開(kāi)發(fā)利用逐漸成為研究的熱點(diǎn)。面向生態(tài)園區(qū)的微網(wǎng)多能源系統(tǒng)是指將多種可再生能源的輸入、轉(zhuǎn)換、輸出、控制都集成到一個(gè)系統(tǒng)中，通過(guò)各種能源間的轉(zhuǎn)換利用，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部各種能量的功率平衡，穩(wěn)定可靠地滿(mǎn)足各類(lèi)負(fù)荷的需求，實(shí)現(xiàn)可再生能源的就地消納。

在該類(lèi)型的綜合能源系統(tǒng)中，系統(tǒng)的能源輸入主要為自然界中的多種可再生能源（風(fēng)能、光能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等）以及本區(qū)域內(nèi)可回收利用的能源（生活垃圾等）。以各種綠色能源為“源”，轉(zhuǎn)換為各種形式的能量供給“荷”，可以實(shí)現(xiàn)可再生能源的就地消納，大大提高了區(qū)域內(nèi)部的供電、供熱、供冷可靠性，既實(shí)現(xiàn)了多種能流的耦合互補(bǔ)，又能充分利用可再生能源，還可以自主獨(dú)立運(yùn)行，是兼具經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、社會(huì)效益的理想系統(tǒng)。

2.1.3 園區(qū)互聯(lián)的綜合能源系統(tǒng)

互聯(lián)型綜合能源系統(tǒng)是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)調(diào)整升級(jí)的重要空間表現(xiàn)形式，是未來(lái)能源系統(tǒng)的重要組成單元［24］，該類(lèi)型系統(tǒng)主要面向各類(lèi)工業(yè)園區(qū)、科技園區(qū)、商業(yè)綜合體、生活園區(qū)等場(chǎng)景，主要表現(xiàn)為各類(lèi)園區(qū)的互聯(lián)互通。園區(qū)互聯(lián)型綜合能源系統(tǒng)的主要組成單元包括各種單一綜合能源系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 互聯(lián)型綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

互聯(lián)型綜合能源系統(tǒng)通過(guò)控制管理中心將各個(gè)單一綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行集中管理與控制，實(shí)現(xiàn)能流的匯集。當(dāng)單一綜合能源系統(tǒng)中的能量未被本地區(qū)內(nèi)部及時(shí)消納或無(wú)法滿(mǎn)足本區(qū)域內(nèi)的使用時(shí)，互聯(lián)系統(tǒng)可以通過(guò)公共傳輸網(wǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)移消納［25］，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)互動(dòng)，節(jié)約資源集約空間，有效地避免能量的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域間多能流的互補(bǔ)和可再生能源的充分消納利用，大大提升整體的能源利用效率。由于各類(lèi)園區(qū)一般具有有利的自然資源條件及便利的硬件基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)兼有多類(lèi)型能源負(fù)荷需求，具備建設(shè)綜合能源系統(tǒng)試點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，是綜合能源系統(tǒng)落地應(yīng)用的重要場(chǎng)景［24］。

2.1.4 面向新型城市的綜合能源系統(tǒng)

隨著城市化水平的不斷提升，城市中的能源需求種類(lèi)多、數(shù)量大，城市日益成為能源供給和消費(fèi)的核心單位。新型綜合能源城市系統(tǒng)以城市為依托而發(fā)展起來(lái)，涵蓋各種綜合能源廠區(qū)系統(tǒng)、綜合能源園區(qū)系統(tǒng)、多個(gè)園區(qū)互聯(lián)的系統(tǒng)等。具體包括各種發(fā)電廠、熱電廠、配氣站、換熱站、能源樞紐站、能源存儲(chǔ)中心等。

由于新型城市能源系統(tǒng)所涵蓋的源荷多樣、耦合特性復(fù)雜、用能需求波動(dòng)性大，所以新型城市能源系統(tǒng)涵蓋的研究點(diǎn)較多。包括綜合規(guī)劃、整體調(diào)度、運(yùn)行優(yōu)化、負(fù)荷預(yù)測(cè)、市場(chǎng)交易、安全分析等［25］。一條可行研究思路就是從綜合能源系統(tǒng)的拓?fù)涮匦匀胧郑⒒谀芰髌胶獾膮^(qū)域綜合能源系統(tǒng)拓?fù)涿枋瞿Ｐ秃鸵?guī)劃模型，為未來(lái)綜合能源城市的建設(shè)和合理布局提供參考?，F(xiàn)有的關(guān)于城市能源系統(tǒng)的規(guī)劃多是針對(duì)新建系統(tǒng)展開(kāi)的，但是未來(lái)的綜合能源城市更多的是對(duì)現(xiàn)有城市的改造，為此探索應(yīng)用于不同場(chǎng)景下的城市規(guī)劃方案也至關(guān)重要。

2.2 本地綜合能源系統(tǒng)

從用戶(hù)負(fù)荷側(cè)出發(fā)，將電、氣、熱、冷、水、交通等能源網(wǎng)絡(luò)全部納入本地能源系統(tǒng)中來(lái)，實(shí)現(xiàn)以本地范圍內(nèi)能源系統(tǒng)的效益最大化為目的，在小范圍跨度內(nèi)構(gòu)建本地綜合能源系統(tǒng)。

2.2.1 樓宇型綜合能源系統(tǒng)

樓宇建筑通常涵蓋著整棟樓層的電、氣、熱、冷多種形式的能源。將上述多種能源形式的供應(yīng)進(jìn)行協(xié)調(diào)互補(bǔ)，可以得到面向樓宇的綜合能源系統(tǒng)。面向樓宇綜合能源系統(tǒng)作為中小型系統(tǒng)，其包含的能源設(shè)備數(shù)量少、容量小、類(lèi)型單一，能量傳輸線路距離較短，線路網(wǎng)損低，進(jìn)行建模分析時(shí)較為簡(jiǎn)單。但同時(shí)此類(lèi)型能源系統(tǒng)的不確定性因素多，容易受到用戶(hù)負(fù)荷變動(dòng)的影響，如外界環(huán)境、內(nèi)部政策等都對(duì)樓宇的用能方式有重要影響。

部分學(xué)者針對(duì)樓宇型綜合能源系統(tǒng)展開(kāi)了研究。文獻(xiàn)［26］以包含可再生能源的新型能源樓宇建筑為切入點(diǎn)，建立了包含有光伏發(fā)電等能源轉(zhuǎn)換形式的能源集線器模型，對(duì)能量的優(yōu)化運(yùn)行及調(diào)度研究展開(kāi)分析。文獻(xiàn)［27］考慮到樓宇建筑的不確定性大、易受到用能影響等特點(diǎn)，搭建了含有冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)等組成的能源集線器，研究了不確定性因素下的樓宇級(jí)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問(wèn)題。

以樓宇系統(tǒng)為研究對(duì)象，展開(kāi)多能系統(tǒng)的耦合分析，作為研究大型綜合能源系統(tǒng)的參考，具有明顯的示范效益，目前綜合能源系統(tǒng)的示范工程也大多是以樓宇建筑為主體進(jìn)行落地試驗(yàn)。

2.2.2 面向家庭的綜合能源系統(tǒng)

傳統(tǒng)意義上，家庭用戶(hù)所需要的各種能量均是從各種能源系統(tǒng)的公共網(wǎng)絡(luò)獲取，但隨著綜合能源系統(tǒng)概念的出現(xiàn)，及各種先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和普及，建設(shè)小型綜合能源系統(tǒng)的投資在承受能力范圍之內(nèi)，以家庭用戶(hù)為單位的綜合能源系統(tǒng)逐漸出現(xiàn)并有望成為未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中不可忽視的單元體。

家庭用戶(hù)可以充分利用本地的自然資源條件，建成以家庭住房為核心的家庭綜合能源系統(tǒng)。由于單個(gè)家庭的用能負(fù)荷可算可控，且數(shù)量不大，完全可以構(gòu)建面向家庭的綜合能源系統(tǒng)。通過(guò)光伏電池板［28］或薄膜發(fā)電［29］技術(shù)，用于電能的供應(yīng)，引入電動(dòng)汽車(chē)，可同時(shí)將智能交通納入系統(tǒng)中；通過(guò)光伏獲取熱量，用于家庭的熱量供應(yīng)；將生活垃圾、排泄物等加以循環(huán)利用，修建沼氣池等可以實(shí)現(xiàn)沼氣的利用；同時(shí)配合先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)，將本地系統(tǒng)中多余的、未能及時(shí)消費(fèi)的能量進(jìn)行就地存儲(chǔ)，留作備用，而本系統(tǒng)無(wú)法供應(yīng)的能量可外購(gòu)。不難發(fā)現(xiàn)，以家庭為單位的綜合能源系統(tǒng)若能合理安排和布置，完全可以實(shí)現(xiàn)各種能量的自給自足。同時(shí)在允許的情況下，本地用戶(hù)還可以向附近用戶(hù)出售多余的能量，獲取一定的經(jīng)濟(jì)收益。

此類(lèi)系統(tǒng)的特點(diǎn)是小型便利、可控性強(qiáng)，系統(tǒng)建成后即可收益，短時(shí)效益高，尤其適用于地處偏遠(yuǎn)、公網(wǎng)取能不便的家庭。

3 研究展望

3.1 典型示范應(yīng)用

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中面向園區(qū)的系統(tǒng)具有規(guī)模適中、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在落地應(yīng)用上更具優(yōu)勢(shì)。位于天津?yàn)I海新區(qū)的中新天津生態(tài)城，雖然起步時(shí)間較早，但已經(jīng)具備了綜合能源系統(tǒng)的雛形。生態(tài)城以發(fā)展低碳產(chǎn)業(yè)為核心，以能源利用為重點(diǎn)，創(chuàng)新發(fā)展方式，采用常規(guī)能源和可再生能源、集中能源和分布式能源相互銜接、相互補(bǔ)充的能源利用模式，確保能源的供應(yīng)安全可靠，能源供應(yīng)的結(jié)構(gòu)占比如圖3所示。生態(tài)城有效地利用了太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)?、沼氣等可再生能源，通過(guò)各種新能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，加強(qiáng)能源梯級(jí)利用，構(gòu)建了多元健康高效的能源體系，是典型的綜合能源應(yīng)用場(chǎng)景。

圖3 不同形式能源的占比

大同能源革命科技創(chuàng)新園，為破解傳統(tǒng)供能方式存在的問(wèn)題，提出了多種能源供給、多能協(xié)同互補(bǔ)、能源精細(xì)運(yùn)維的解決方案，致力于打造智慧能源、精細(xì)化運(yùn)維、建筑節(jié)能的能源發(fā)展新業(yè)態(tài)?？苿?chuàng)園示范區(qū)集辦公、科研、新能源產(chǎn)業(yè)、綜合商業(yè)服務(wù)于一體，通過(guò)對(duì)園內(nèi)負(fù)荷特性準(zhǔn)確分析，充分利用園區(qū)內(nèi)的多種資源，將可再生能源就近接入與消納，實(shí)行風(fēng)光等綠電交易，既提高能源利用率，也能降低能源運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)了“零碳、智慧”，是綜合能源的典型應(yīng)用場(chǎng)景。科創(chuàng)園內(nèi)的各種能源利用形式如圖4所示。

圖4 示范區(qū)能源利用結(jié)構(gòu)

由圖4可知，在用能方面，園區(qū)配置了電動(dòng)汽車(chē)、直流設(shè)備等多種多樣的能源利用設(shè)備，豐富了能源的利用形式，最大程度實(shí)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)可再生能源的高效利用。儲(chǔ)能方面，配置相變儲(chǔ)能、電儲(chǔ)能、氫能利用等方式，實(shí)現(xiàn)能源的存儲(chǔ)利用。能源調(diào)度管理方面，各個(gè)能源環(huán)節(jié)通過(guò)綜合能源服務(wù)中心進(jìn)行協(xié)調(diào)分配，云計(jì)算大數(shù)據(jù)服務(wù)中心為園區(qū)的多種信息交互提供保障，實(shí)現(xiàn)“智慧”園區(qū)。另外，園區(qū)在自給自足的同時(shí)將多余的能量與周邊的學(xué)校、住宅進(jìn)行市場(chǎng)交易，在保障園區(qū)正常運(yùn)行的同時(shí)可以獲取部分經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 發(fā)展方向討論

實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的落地應(yīng)用發(fā)展，面臨著政策、技術(shù)等方面的困難和阻力，本部分按照全局、區(qū)域、本地的主線，分別從國(guó)家、地區(qū)、本地3 個(gè)層面闡述相關(guān)問(wèn)題及發(fā)展方向。

3.2.1 國(guó)家層面

長(zhǎng)久以來(lái)，國(guó)內(nèi)的大型能源系統(tǒng)，譬如電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、熱系統(tǒng)等，都是單獨(dú)規(guī)劃、單獨(dú)運(yùn)行、單獨(dú)經(jīng)營(yíng)、單獨(dú)管理，行業(yè)之間存在著長(zhǎng)期壁壘。要實(shí)現(xiàn)多能源互補(bǔ)互聯(lián)，每一個(gè)能源系統(tǒng)都有著密不可分的關(guān)系，需要各個(gè)能源系統(tǒng)的積極參與。國(guó)家要出臺(tái)相關(guān)的法規(guī)政策，從政策上化解有關(guān)固有難題，協(xié)調(diào)能源系統(tǒng)所涉及的各個(gè)方面，打破行業(yè)壁壘，鼓勵(lì)、支持、引導(dǎo)各個(gè)能源環(huán)節(jié)參與到綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展中來(lái)，推動(dòng)構(gòu)建新型能源互聯(lián)體系，必要時(shí)成立能源管理的職能部門(mén)，如綜合能源服務(wù)公司或能源管理中心等，以平衡好各主體之間的利益，實(shí)現(xiàn)利益最大化，在國(guó)家層面上組織各行業(yè)積極有序地參與到綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展中來(lái)。

3.2.2 地區(qū)層面

我國(guó)地域?qū)拸V，各地區(qū)具備各自獨(dú)有特點(diǎn)。為此，各個(gè)區(qū)域要結(jié)合本地的實(shí)際情況，深入探索區(qū)域內(nèi)的能源供應(yīng)特點(diǎn)、傳輸形式、負(fù)荷響應(yīng)方式等，推進(jìn)屬地管理，尋求到適合本區(qū)域的供能輸能用能模式，積極構(gòu)建符合本地特點(diǎn)、有特色的綜合能源系統(tǒng)。此外，當(dāng)下各類(lèi)能源系統(tǒng)的管線獨(dú)立運(yùn)行和規(guī)劃，導(dǎo)致用能效率低、經(jīng)濟(jì)效益差等現(xiàn)象，進(jìn)行多能源系統(tǒng)的集中規(guī)劃已是勢(shì)在必行，要兼顧互聯(lián)系統(tǒng)間的多重約束，對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行整體規(guī)劃和協(xié)調(diào)，得到多個(gè)能源系統(tǒng)運(yùn)行的最佳配置方式。

3.2.3 本地層面

本地系統(tǒng)內(nèi)聚集有大量的負(fù)荷，用能設(shè)備集中，用能需求多樣，包含有電、熱、冷、氣等多種能源需求，鍋爐、大型機(jī)器、空調(diào)等大功率設(shè)備，電動(dòng)汽車(chē)等不確定性負(fù)荷等，要加強(qiáng)本地負(fù)荷的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)與及時(shí)監(jiān)管，利用大數(shù)據(jù)制訂本地的用能計(jì)劃，建立全面的需求響應(yīng)機(jī)制，加強(qiáng)負(fù)荷用戶(hù)間的協(xié)調(diào)調(diào)度，充分發(fā)展新能源技術(shù)，避免出現(xiàn)能源供應(yīng)不足或能量過(guò)剩的現(xiàn)象，促進(jìn)本地用能的穩(wěn)定發(fā)展。

此外，要引導(dǎo)廣泛參與，建立典型示范點(diǎn)和試驗(yàn)地。由于綜合能源系統(tǒng)是多能耦合的系統(tǒng)，其作用機(jī)理復(fù)雜、時(shí)空尺度不統(tǒng)一、不確定因素多等導(dǎo)致系統(tǒng)的建模復(fù)雜、模型分析不準(zhǔn)確，要建立典型的示范工程或區(qū)域，推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)的研究及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并從現(xiàn)實(shí)中探索系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制及運(yùn)行模式，為更廣泛的研究及推廣做鋪墊。

3.3 發(fā)展趨勢(shì)及建議

由現(xiàn)有的綜合能源應(yīng)用示范區(qū)及前述的發(fā)展方向，本部分對(duì)未來(lái)發(fā)展綜合能源系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)所遵循的發(fā)展思路提出建議。

3.3.1 能源供應(yīng)方面

在能源供應(yīng)方面，充分發(fā)掘可再生能源的優(yōu)勢(shì)，大力發(fā)展可再生能源，建設(shè)協(xié)同可靠的能源供應(yīng)體系。與傳統(tǒng)能源相比，光伏、風(fēng)力、地?zé)岬瓤稍偕茉从兄鵁o(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，涵蓋種類(lèi)多，均取自自然界中，資源量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)能源，能源成本低，清潔無(wú)污染，開(kāi)發(fā)潛力巨大。光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等能源利用方式已經(jīng)日趨成熟，要不斷探索新型的能源利用方式，多元化發(fā)展可再生能源，建設(shè)因地制宜的綜合能源結(jié)構(gòu)。

能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，要建設(shè)以電網(wǎng)絡(luò)為中心的混合多能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。綜合能源系統(tǒng)作為新一代能源系統(tǒng)，是以電能為中心、電網(wǎng)為主干、電力消費(fèi)為基礎(chǔ)的能源系統(tǒng)。隨著園區(qū)內(nèi)高比例的可再生能源接入，電動(dòng)汽車(chē)、直流設(shè)備等直流負(fù)荷的不斷發(fā)展，直流技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)愈加凸顯。與交流電網(wǎng)相比，直流電網(wǎng)有著運(yùn)行穩(wěn)定、控制靈活等特點(diǎn)，并且直流供電設(shè)備、直流用電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備統(tǒng)一接入網(wǎng)絡(luò)，可以避免直流—交流—直流的多級(jí)轉(zhuǎn)換，顯著降低電能損耗。所以，要強(qiáng)力推進(jìn)智能電網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)，依靠現(xiàn)有的大電網(wǎng)、配電網(wǎng)設(shè)施，著力發(fā)展直流電網(wǎng)，充分考慮交直流供電、交直流負(fù)荷消費(fèi)的特點(diǎn)，構(gòu)建交直流混合網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上延伸整個(gè)綜合能源系統(tǒng)的能量網(wǎng)絡(luò)。

3.3.2 規(guī)劃布局方面

規(guī)劃是指從空間尺度上對(duì)能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化布局，根據(jù)前述介紹，規(guī)劃既包括在全局層面上的廣域能流規(guī)劃，也包括區(qū)域?qū)用婧捅镜貙用娴木钟蚰芰饕?guī)劃，各個(gè)層面的系統(tǒng)通過(guò)能源站實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。三層級(jí)的綜合能源系統(tǒng)的分層拓?fù)浼軜?gòu)如圖5所示。

圖5 三層級(jí)系統(tǒng)分層拓?fù)?/p>

其中全局系統(tǒng)主要指外界能源的供給，傳遞方式包括各種管道運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、電力傳輸?shù)?，通過(guò)中心能源站實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)配；區(qū)域系統(tǒng)涵蓋了能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)及使用等，包括各種大型能源站、分布式供能系統(tǒng)、交直流混合供電網(wǎng)、冷熱供能系統(tǒng)、供氣樞紐站等，為下級(jí)系統(tǒng)供能的同時(shí)滿(mǎn)足本區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷需求；本地系統(tǒng)主要是面向終端用戶(hù)，區(qū)域內(nèi)部負(fù)荷需求多樣，將交通、供水、垃圾利用等一并集成到系統(tǒng)中，形成以微網(wǎng)或微元的局域用能單元。

綜合能源系統(tǒng)的層級(jí)規(guī)劃中，能源站及能源管網(wǎng)是重要的環(huán)節(jié)。能源站是協(xié)調(diào)本區(qū)域、相鄰區(qū)域及上下層區(qū)域能流的關(guān)鍵樞紐，管網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)能量及時(shí)可靠輸送的關(guān)鍵保障。

能源站的選址布局需要綜合考慮多方面的因素，要在各種投資運(yùn)營(yíng)成本最小的前提下，保證能源站的供能輻射區(qū)域最大，進(jìn)而得到能源站的最優(yōu)數(shù)量及位置分布，此外，站址選擇時(shí)還應(yīng)根據(jù)預(yù)測(cè)負(fù)荷的分布及實(shí)際地理形態(tài)，以保證準(zhǔn)確性。關(guān)于能源站的選址布局可參考兩種模型：蛛網(wǎng)模型和蜂窩模型，如圖6 所示。蛛網(wǎng)模型雖然主要是應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)分析，但模型本身描述的是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的場(chǎng)景，這與能源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化特性相吻合，可針對(duì)能源站址動(dòng)態(tài)特性展開(kāi)規(guī)劃研究。蜂窩模型主要應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)信息的傳播，但也可應(yīng)用到其他的場(chǎng)景，能源站的選址及容量配置采用蜂窩模型，最大優(yōu)點(diǎn)是可以避免有限資源的重復(fù)浪費(fèi)、提高站址之間的能量交換，有助于能量流的穩(wěn)定流動(dòng)。

圖6 能源站點(diǎn)布局模型

管網(wǎng)規(guī)劃主要是根據(jù)能量的流動(dòng)形式、傳輸損耗、時(shí)延特點(diǎn)等得到最優(yōu)布局，目前最常見(jiàn)的管網(wǎng)布局為輻射狀結(jié)構(gòu)，如圖7（a）所示。在該結(jié)構(gòu)中，上下級(jí)系統(tǒng)通過(guò)能流母線進(jìn)行能量交互，同時(shí)母線上接入了分布式能源和儲(chǔ)能裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易配置但可靠性較低。為提高可靠性，可采用多母線多層次的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，能夠可靠地保證多端供能，結(jié)構(gòu)如圖7（b）所示。

圖7 管網(wǎng)布局結(jié)構(gòu)

此外，城市能源系統(tǒng)的規(guī)劃一直是研究熱點(diǎn)，不同的規(guī)劃對(duì)象應(yīng)采用不同的策略。針對(duì)現(xiàn)有的老城區(qū)，大范圍的建設(shè)綜合能源系統(tǒng)較為困難，可采用分區(qū)域規(guī)劃的思想，在空間跨度較小的范圍內(nèi)，將可再生能源、電能、熱能等多種形式的能源集成，得到典型的微網(wǎng)能源系統(tǒng)，通過(guò)微網(wǎng)內(nèi)的能源站及能源管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)能源微網(wǎng)的能量交互。針對(duì)新建城區(qū)，新建綜合能源系統(tǒng)較為容易，需要在綜合考慮本地區(qū)的負(fù)荷、地形等因素后，實(shí)現(xiàn)能源站址、傳輸管網(wǎng)的合理規(guī)劃布局，得到理想的綜合能源系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于綜合能源系統(tǒng)的概念和相關(guān)研究，對(duì)綜合能源系統(tǒng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了展望，提出了全局范圍的綜合能源系統(tǒng)、區(qū)域范圍的綜合能源系統(tǒng)以及本地范圍的綜合能源系統(tǒng)，并分別對(duì)典型的應(yīng)用場(chǎng)景展開(kāi)了詳細(xì)的介紹，同時(shí)根據(jù)我國(guó)的國(guó)情和能源現(xiàn)狀，討論了未來(lái)的發(fā)展方向和關(guān)鍵問(wèn)題，并嘗試給出關(guān)鍵環(huán)節(jié)的發(fā)展思路及發(fā)展建議，以期為后續(xù)的研究提供參考。