综合能源系统典型应用场景展望

祝令凯，王 倩，郑 威，钟子威，张彦鹏

（1.山东电力研究院，山东 济南 250003；2.山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250003）

0 引言

能源是人类社会发展的重要基础资源。随着世界经济的飞速发展，能源使用过程中的问题逐渐暴露，不可再生能源的日益减少及能源利用率低下的问题日益凸显，传统的用能模式已经无法满足未来社会的发展需要，如何确保能源的可持续利用成为当今世界关注的焦点［1］。目前多数研究是从改善能源结构、促进可再生能源的消纳、提高能源的综合利用效率等方面着手［2］。能源互联网［3］、综合能源系统［1］等概念的提出，为解决能源问题提供了新的视点与角度，有效地带动了多个领域、多门学科、多个维度间的交革与创新［4］，有助于推动能源领域开展新一轮的改革发展。

以综合能源系统的应用为出发点，简要介绍了综合能源系统的概念及国内外的研究现状，然后根据综合能源系统的特点，归纳出综合能源系统的典型应用场景并作详细阐述，同时在此基础上对综合能源系统未来发展所面临的问题及解决方案进行分析展望，为后期进一步深入研究提供参考。

1 综合能源系统及研究现状

综合能源系统（Integrated Energy System，IES）的概念最早在2001 年提出，其主要目标是为了促进分布式能源的推广应用以及提高清洁能源的使用比重［5］。综合能源系统的典型特点是具有多能耦合特性［6-8］，它打破了现有的各个能源系统单独运行、互不联系的模式，能够将各类能源进行有机协调与配合，通过多种能源的耦合关联，进而对各种能量集中综合利用，同时将能源的使用由传统能源向清洁能源倾斜，实现了能源系统的供需互动、相互协同、优势互补，提高了能源利用率，其低碳效益、生态效益、经济效益明显，是未来能源领域发展的方向和愿景。

综合能源系统一直受到世界各国的广泛重视，国内外也已经做了大量的研究。

国外对综合能源系统的研究起步较早，尤其在应用方面较为成熟。英国曼彻斯特城在综合能源系统规划与运行方法的研究基础上，开发了集电、热、气、水等多种能量于一体的综合能源系统并得以应用［9］。日本作为一个能源匮乏的国家，在综合能源系统的应用方面做了深入的研究，其最典型的应用即柏叶新城，该城市在综合能源系统及智慧城市理念的基础上，建成了集智慧能源、智慧交通于一体的智慧城市［10-11］。德国的哈马碧湖城基于相关理论研究，将城市的水资源、各种分布式能源、生活垃圾等资源的处理整合到一个系统之中，以一种集成的方式实现了可持续的都市生活，对实现能源的可持续发展具有重大意义［12-13］。

国内的学者对综合能源系统也进行了大量的研究。文献［14-15］指出多能流系统运行过程中不仅要注重“量”的差异，还要注重“质”的差异。作者采用分析法对系统运行的经济性、节能性进行分析，得到了多能流系统的经济节能最优运行策略。文献［16］指出要兼顾不同能量在数量及品质上的差异作为能源系统规划的依据，提出基于效率分析法的五层级能源集线器模型用于系统特性的分析。文献［17］就综合能源系统的低碳效益进行了详细阐述，指出综合能源系统在低碳排放上的优势，并给出了低碳系统的整体研究框架。文献［18］提出了结合热网的多区域综合能源系统协同规划模型，更直观地展示了多种能源系统之间的供需互补。除了理论研究，国内也已建立了相关的示范项目，如中新天津生态城［19］等，将在第3章节进行详细介绍。

2 典型应用场景

主要对综合能源系统的应用场景进行归纳梳理，从空间尺度出发，以多能耦合应用为主线进行划分，得到三个层级的系统：全局综合能源系统、区域综合能源系统和本地综合能源系统。全局综合能源系统，主要是指地理范围较大的城市或在能源上联系密切的城市群为单位构建的综合能源系统，是典型的跨区域性质的综合能源系统。由于系统结构的复杂性、能源市场的特殊性等，面向此类应用的系统难以在短期内进行应用，此处不再赘述。

2.1 区域综合能源系统

区域综合能源系统主要应用于区域范围不太大的地区，包括各种厂区、各种园区（如工业园区、生态园区、商业园区、生活园区等）、能量网络上互联互通的多个园区、一般规模的城市等。本部分以厂—区—区块—市为主线，选取典型的区域应用场景进行介绍。

2.1.1 面向典型厂区的综合能源系统

面向厂区的综合能源系统主要具有多能耦合特点的厂区。本部分以含有冷热电联产（Combined Cooling，Heating and Power，CCHP）系统和电转气（Power to Gas，P2G）系统的典型厂区为例，展开相关介绍。CCHP 系统与P2G 系统相结合，使得不同能量网络间的耦合特性更加紧密，在满足电、热、冷、气等多种能量需求的同时提高能源的综合利用效率，仅对余热［20-21］进行最大限度地利用，在电网用电低谷阶段，直接将电能转换为天然气进行间接存储，促进风、光等新能源消纳［22］，有效地减少能源的浪费，具有很强的节能优势［23］。含电转气与冷热电联产系统的典型厂区综合能源系统工艺如图1所示。

图1 典型厂区的综合能源系统工艺

此类系统的优点：利用用户侧附近现有的冷热电联产系统，配合电转气技术以小规模、分散式的方式布置在负荷周边，独立地输出各种能量，实现能量的就地供应，降低了各种能量的传输成本，还可以对低谷阶段的电能进行存储，大大提高了供能的可靠性、经济性和稳定性，并且整个系统的能源利用率高，大气污染物排放少，低碳效益明显，具有良好的生态效益和社会效益，是一种高效的能源综合利用方式。该类型的系统能源输出多样，且系统内的能源可进行相互转换，能够保证能量不间断供应，可应用于独立的厂区，或者对供电稳定性要求较高、能源需求多样化的场所。

2.1.2 面向生态园区的微网型综合能源系统

随着不可再生能源总量的下降及逐渐枯竭，越来越多的目光开始转向可再生能源。如何加大对风能、光能、地热能、生物质能等可再生能源的开发利用逐渐成为研究的热点。面向生态园区的微网多能源系统是指将多种可再生能源的输入、转换、输出、控制都集成到一个系统中，通过各种能源间的转换利用，实现内部各种能量的功率平衡，稳定可靠地满足各类负荷的需求，实现可再生能源的就地消纳。

在该类型的综合能源系统中，系统的能源输入主要为自然界中的多种可再生能源（风能、光能、地热能、生物质能等）以及本区域内可回收利用的能源（生活垃圾等）。以各种绿色能源为“源”，转换为各种形式的能量供给“荷”，可以实现可再生能源的就地消纳，大大提高了区域内部的供电、供热、供冷可靠性，既实现了多种能流的耦合互补，又能充分利用可再生能源，还可以自主独立运行，是兼具经济效益、环境效益、社会效益的理想系统。

2.1.3 园区互联的综合能源系统

互联型综合能源系统是区域经济发展、产业调整升级的重要空间表现形式，是未来能源系统的重要组成单元［24］，该类型系统主要面向各类工业园区、科技园区、商业综合体、生活园区等场景，主要表现为各类园区的互联互通。园区互联型综合能源系统的主要组成单元包括各种单一综合能源系统、传输系统、控制系统、储能系统等。系统的结构如图2所示。

图2 互联型综合能源系统结构

互联型综合能源系统通过控制管理中心将各个单一综合能源系统进行集中管理与控制，实现能流的汇集。当单一综合能源系统中的能量未被本地区内部及时消纳或无法满足本区域内的使用时，互联系统可以通过公共传输网与储能系统实现跨区域内的转移消纳［25］，实现能源系统间的协调互动，节约资源集约空间，有效地避免能量的浪费，实现区域间多能流的互补和可再生能源的充分消纳利用，大大提升整体的能源利用效率。由于各类园区一般具有有利的自然资源条件及便利的硬件基础设施，同时兼有多类型能源负荷需求，具备建设综合能源系统试点的优势，是综合能源系统落地应用的重要场景［24］。

2.1.4 面向新型城市的综合能源系统

随着城市化水平的不断提升，城市中的能源需求种类多、数量大，城市日益成为能源供给和消费的核心单位。新型综合能源城市系统以城市为依托而发展起来，涵盖各种综合能源厂区系统、综合能源园区系统、多个园区互联的系统等。具体包括各种发电厂、热电厂、配气站、换热站、能源枢纽站、能源存储中心等。

由于新型城市能源系统所涵盖的源荷多样、耦合特性复杂、用能需求波动性大，所以新型城市能源系统涵盖的研究点较多。包括综合规划、整体调度、运行优化、负荷预测、市场交易、安全分析等［25］。一条可行研究思路就是从综合能源系统的拓扑特性入手，建立基于能流平衡的区域综合能源系统拓扑描述模型和规划模型，为未来综合能源城市的建设和合理布局提供参考。现有的关于城市能源系统的规划多是针对新建系统展开的，但是未来的综合能源城市更多的是对现有城市的改造，为此探索应用于不同场景下的城市规划方案也至关重要。

2.2 本地综合能源系统

从用户负荷侧出发，将电、气、热、冷、水、交通等能源网络全部纳入本地能源系统中来，实现以本地范围内能源系统的效益最大化为目的，在小范围跨度内构建本地综合能源系统。

2.2.1 楼宇型综合能源系统

楼宇建筑通常涵盖着整栋楼层的电、气、热、冷多种形式的能源。将上述多种能源形式的供应进行协调互补，可以得到面向楼宇的综合能源系统。面向楼宇综合能源系统作为中小型系统，其包含的能源设备数量少、容量小、类型单一，能量传输线路距离较短，线路网损低，进行建模分析时较为简单。但同时此类型能源系统的不确定性因素多，容易受到用户负荷变动的影响，如外界环境、内部政策等都对楼宇的用能方式有重要影响。

部分学者针对楼宇型综合能源系统展开了研究。文献［26］以包含可再生能源的新型能源楼宇建筑为切入点，建立了包含有光伏发电等能源转换形式的能源集线器模型，对能量的优化运行及调度研究展开分析。文献［27］考虑到楼宇建筑的不确定性大、易受到用能影响等特点，搭建了含有冷热电联产系统、插电式混合动力汽车等组成的能源集线器，研究了不确定性因素下的楼宇级综合能源系统经济运行问题。

以楼宇系统为研究对象，展开多能系统的耦合分析，作为研究大型综合能源系统的参考，具有明显的示范效益，目前综合能源系统的示范工程也大多是以楼宇建筑为主体进行落地试验。

2.2.2 面向家庭的综合能源系统

传统意义上，家庭用户所需要的各种能量均是从各种能源系统的公共网络获取，但随着综合能源系统概念的出现，及各种先进技术的发展和普及，建设小型综合能源系统的投资在承受能力范围之内，以家庭用户为单位的综合能源系统逐渐出现并有望成为未来能源结构中不可忽视的单元体。

家庭用户可以充分利用本地的自然资源条件，建成以家庭住房为核心的家庭综合能源系统。由于单个家庭的用能负荷可算可控，且数量不大，完全可以构建面向家庭的综合能源系统。通过光伏电池板［28］或薄膜发电［29］技术，用于电能的供应，引入电动汽车，可同时将智能交通纳入系统中；通过光伏获取热量，用于家庭的热量供应；将生活垃圾、排泄物等加以循环利用，修建沼气池等可以实现沼气的利用；同时配合先进的储能技术，将本地系统中多余的、未能及时消费的能量进行就地存储，留作备用，而本系统无法供应的能量可外购。不难发现，以家庭为单位的综合能源系统若能合理安排和布置，完全可以实现各种能量的自给自足。同时在允许的情况下，本地用户还可以向附近用户出售多余的能量，获取一定的经济收益。

此类系统的特点是小型便利、可控性强，系统建成后即可收益，短时效益高，尤其适用于地处偏远、公网取能不便的家庭。

3 研究展望

3.1 典型示范应用

区域综合能源系统中面向园区的系统具有规模适中、可操作性强等优点，在落地应用上更具优势。位于天津滨海新区的中新天津生态城，虽然起步时间较早，但已经具备了综合能源系统的雏形。生态城以发展低碳产业为核心，以能源利用为重点，创新发展方式，采用常规能源和可再生能源、集中能源和分布式能源相互衔接、相互补充的能源利用模式，确保能源的供应安全可靠，能源供应的结构占比如图3所示。生态城有效地利用了太阳能、风能、地热、沼气等可再生能源，通过各种新能源转换技术，加强能源梯级利用，构建了多元健康高效的能源体系，是典型的综合能源应用场景。

图3 不同形式能源的占比

大同能源革命科技创新园，为破解传统供能方式存在的问题，提出了多种能源供给、多能协同互补、能源精细运维的解决方案，致力于打造智慧能源、精细化运维、建筑节能的能源发展新业态。科创园示范区集办公、科研、新能源产业、综合商业服务于一体，通过对园内负荷特性准确分析，充分利用园区内的多种资源，将可再生能源就近接入与消纳，实行风光等绿电交易，既提高能源利用率，也能降低能源运营成本，实现了“零碳、智慧”，是综合能源的典型应用场景。科创园内的各种能源利用形式如图4所示。

图4 示范区能源利用结构

由图4可知，在用能方面，园区配置了电动汽车、直流设备等多种多样的能源利用设备，丰富了能源的利用形式，最大程度实现园区内可再生能源的高效利用。储能方面，配置相变储能、电储能、氢能利用等方式，实现能源的存储利用。能源调度管理方面，各个能源环节通过综合能源服务中心进行协调分配，云计算大数据服务中心为园区的多种信息交互提供保障，实现“智慧”园区。另外，园区在自给自足的同时将多余的能量与周边的学校、住宅进行市场交易，在保障园区正常运行的同时可以获取部分经济效益。

3.2 发展方向讨论

实现综合能源系统的落地应用发展，面临着政策、技术等方面的困难和阻力，本部分按照全局、区域、本地的主线，分别从国家、地区、本地3 个层面阐述相关问题及发展方向。

3.2.1 国家层面

长久以来，国内的大型能源系统，譬如电力系统、天然气系统、热系统等，都是单独规划、单独运行、单独经营、单独管理，行业之间存在着长期壁垒。要实现多能源互补互联，每一个能源系统都有着密不可分的关系，需要各个能源系统的积极参与。国家要出台相关的法规政策，从政策上化解有关固有难题，协调能源系统所涉及的各个方面，打破行业壁垒，鼓励、支持、引导各个能源环节参与到综合能源系统的发展中来，推动构建新型能源互联体系，必要时成立能源管理的职能部门，如综合能源服务公司或能源管理中心等，以平衡好各主体之间的利益，实现利益最大化，在国家层面上组织各行业积极有序地参与到综合能源系统的发展中来。

3.2.2 地区层面

我国地域宽广，各地区具备各自独有特点。为此，各个区域要结合本地的实际情况，深入探索区域内的能源供应特点、传输形式、负荷响应方式等，推进属地管理，寻求到适合本区域的供能输能用能模式，积极构建符合本地特点、有特色的综合能源系统。此外，当下各类能源系统的管线独立运行和规划，导致用能效率低、经济效益差等现象，进行多能源系统的集中规划已是势在必行，要兼顾互联系统间的多重约束，对区域综合能源系统进行整体规划和协调，得到多个能源系统运行的最佳配置方式。

3.2.3 本地层面

本地系统内聚集有大量的负荷，用能设备集中，用能需求多样，包含有电、热、冷、气等多种能源需求，锅炉、大型机器、空调等大功率设备，电动汽车等不确定性负荷等，要加强本地负荷的实时预测与及时监管，利用大数据制订本地的用能计划，建立全面的需求响应机制，加强负荷用户间的协调调度，充分发展新能源技术，避免出现能源供应不足或能量过剩的现象，促进本地用能的稳定发展。

此外，要引导广泛参与，建立典型示范点和试验地。由于综合能源系统是多能耦合的系统，其作用机理复杂、时空尺度不统一、不确定因素多等导致系统的建模复杂、模型分析不准确，要建立典型的示范工程或区域，推动关键技术的研究及现场试验，并从现实中探索系统的运行机制及运行模式，为更广泛的研究及推广做铺垫。

3.3 发展趋势及建议

由现有的综合能源应用示范区及前述的发展方向，本部分对未来发展综合能源系统中关键环节所遵循的发展思路提出建议。

3.3.1 能源供应方面

在能源供应方面，充分发掘可再生能源的优势，大力发展可再生能源，建设协同可靠的能源供应体系。与传统能源相比，光伏、风力、地热等可再生能源有着无可比拟的优势，涵盖种类多，均取自自然界中，资源量远远大于传统能源，能源成本低，清洁无污染，开发潜力巨大。光伏发电、风力发电等能源利用方式已经日趋成熟，要不断探索新型的能源利用方式，多元化发展可再生能源，建设因地制宜的综合能源结构。

能源网络建设方面，要建设以电网络为中心的混合多能网络系统。综合能源系统作为新一代能源系统，是以电能为中心、电网为主干、电力消费为基础的能源系统。随着园区内高比例的可再生能源接入，电动汽车、直流设备等直流负荷的不断发展，直流技术的应用发展趋势将会愈加凸显。与交流电网相比，直流电网有着运行稳定、控制灵活等特点，并且直流供电设备、直流用电设备、储能设备统一接入网络，可以避免直流—交流—直流的多级转换，显著降低电能损耗。所以，要强力推进智能电网的规划建设，依靠现有的大电网、配电网设施，着力发展直流电网，充分考虑交直流供电、交直流负荷消费的特点，构建交直流混合网，并在此基础上延伸整个综合能源系统的能量网络。

3.3.2 规划布局方面

规划是指从空间尺度上对能源系统实现最优化布局，根据前述介绍，规划既包括在全局层面上的广域能流规划，也包括区域层面和本地层面的局域能流规划，各个层面的系统通过能源站实现互联互通。三层级的综合能源系统的分层拓扑架构如图5所示。

图5 三层级系统分层拓扑

其中全局系统主要指外界能源的供给，传递方式包括各种管道运输、铁路运输、电力传输等，通过中心能源站实现统一调配；区域系统涵盖了能源的生产、转换、存储及使用等，包括各种大型能源站、分布式供能系统、交直流混合供电网、冷热供能系统、供气枢纽站等，为下级系统供能的同时满足本区域内的负荷需求；本地系统主要是面向终端用户，区域内部负荷需求多样，将交通、供水、垃圾利用等一并集成到系统中，形成以微网或微元的局域用能单元。

综合能源系统的层级规划中，能源站及能源管网是重要的环节。能源站是协调本区域、相邻区域及上下层区域能流的关键枢纽，管网是实现能量及时可靠输送的关键保障。

能源站的选址布局需要综合考虑多方面的因素，要在各种投资运营成本最小的前提下，保证能源站的供能辐射区域最大，进而得到能源站的最优数量及位置分布，此外，站址选择时还应根据预测负荷的分布及实际地理形态，以保证准确性。关于能源站的选址布局可参考两种模型：蛛网模型和蜂窝模型，如图6 所示。蛛网模型虽然主要是应用于经济学分析，但模型本身描述的是一个动态变化的场景，这与能源系统的动态变化特性相吻合，可针对能源站址动态特性展开规划研究。蜂窝模型主要应用到网络信息的传播，但也可应用到其他的场景，能源站的选址及容量配置采用蜂窝模型，最大优点是可以避免有限资源的重复浪费、提高站址之间的能量交换，有助于能量流的稳定流动。

图6 能源站点布局模型

管网规划主要是根据能量的流动形式、传输损耗、时延特点等得到最优布局，目前最常见的管网布局为辐射状结构，如图7（a）所示。在该结构中，上下级系统通过能流母线进行能量交互，同时母线上接入了分布式能源和储能装置，结构简单容易配置但可靠性较低。为提高可靠性，可采用多母线多层次的树状结构，能够可靠地保证多端供能，结构如图7（b）所示。

图7 管网布局结构

此外，城市能源系统的规划一直是研究热点，不同的规划对象应采用不同的策略。针对现有的老城区，大范围的建设综合能源系统较为困难，可采用分区域规划的思想，在空间跨度较小的范围内，将可再生能源、电能、热能等多种形式的能源集成，得到典型的微网能源系统，通过微网内的能源站及能源管网，实现各个能源微网的能量交互。针对新建城区，新建综合能源系统较为容易，需要在综合考虑本地区的负荷、地形等因素后，实现能源站址、传输管网的合理规划布局，得到理想的综合能源系统。

4 结语

基于综合能源系统的概念和相关研究，对综合能源系统的典型应用场景进行了展望，提出了全局范围的综合能源系统、区域范围的综合能源系统以及本地范围的综合能源系统，并分别对典型的应用场景展开了详细的介绍，同时根据我国的国情和能源现状，讨论了未来的发展方向和关键问题，并尝试给出关键环节的发展思路及发展建议，以期为后续的研究提供参考。