综合能源多能互补关键技术研究现状及发展趋势

王文坦 周全 侯强 戴安 周静 王哲

摘 要：综合能源多能互补系统通过整合多种可利用能源，实现多种形式能量流的协调优化和高效互补，是新型能源体系的重要组成部分，对于提高可再生能源消纳比例和能源综合利用效率具有重要意义。简述了综合能源多能互补系统的发展背景，重点从多能互补系统分析规划技术、协调优化控制技术、储能技术和能量管理技术等方面梳理了多能互补系统关键技术的研究现状，对我国多能互补系统的应用案例进行了分析，对多能互补系统技术的研究和发展趋势进行了展望。

关键词：综合能源系统；多能互补；多能流；协调控制；能量管理

中图分类号：TM61；TK01 文献标志码：A

0 引 言

党的二十大报告提出，要深入推进能源革命，加快规划建设新型能源体系。新型能源体系是以清洁、低碳、可再生能源为基础，利用先进技术和系统来实现能源的高效利用和可持续发展的能源体系。作为新型能源体系的重要组成部分，综合能源系统是一种新型能源供应和管理系统，具有源网荷储一体化、多能互补、供需协调等特点[1]，可以通过整合区域内不同形式的可利用能源，实现多种形式能量的协调优化和高效互补，提升可再生能源开发消纳水平和非化石能源消费比重，满足区域内终端用户对电、热、冷、气等多方面的能量需求，提高能源综合利用效率。

相较于单一的传统能源生产和应用模式，综合能源系统的关键特征在于多能互补，通过有机整合不同供能主体和不同能源形式，连通原本相互独立的能源孤岛，利用多主体、多能流之间的互补效应，平抑供需关系变化以及随机性能源接入带来的冲击，实现能源的削峰填谷和高效利用[2]。2020年，国家发展改革委、科技部、工业和信息化部、财政部共同发布《关于扩大战略性新兴产业投资，培育壮大新增长点增长极的指导意见》[3]，将综合能源系统的规划建设列为战略性新兴产业之一。发展多能互补的综合能源系统是国家能源体系转型升级的战略需求。

1 综合能源多能互补系统模式

2016年，国家能源局发布了《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》[4]，将多能互补项目分为终端一体化和综合能源基地两种模式。第一种根据终端用户的用能需求，利用不同能源特点和互补机制，形成终端一体化集成供能系统，通过热电冷三联供、分布式能源和智能微网等方式，实现多能协同供应和能源综合梯级利用。第二种模式以大型综合能源基地作为对象，通过集成资源组合优势，形成不同能源相结合的风光水火储多能互补系统。2017年，国家能源局发布《关于公布首批多能互补集成优化示范工程的通知》[5]，公布了23个多能互补集成优化示范工程项目。2021年，国家能源局发布《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》[6]，进一步提出我国“源网荷储一体化”和“多能互补”的具体实施路径。

2 多能互补关键技术

多能互补系统的能源形式不仅包括风能、太阳能、水能、生物质能、氢能等可再生能源，还包括煤炭、天然气、柴油等传统能源。通过高效整合能源供给侧不同形式的能源，减少弃水、弃风、弃光、限电等现象，提高电力输出功率的稳定性，提升电力系统消纳风电、光伏发电等间歇性可再生能源的能力。综合考虑不同用能需求，通过智能微网等方式实现电、热、冷、气等多能协同和能源综合梯级利用。在综合能源多能互补系统的发展和应用过程中，需重点解决的关键技术包括分析规划技术、协调优化控制技术、储能技术和能量管理技术等[7]。

2.1 多能互补系统的分析规划技术

综合能源多能互补系统存在多种协同互补模式，其中综合能源基地多能互补系统属于源端互补模式，电源侧不同供能主体按利用时间和空间维度上的互补效应进行互补，这种模式下需对风、光等非可控清洁能源的不确定性进行分析，对多能互补效应进行量化评估研究，建立多能混合模型。国内外学者从衡量设备出力互补性的角度，用相关系数来量化时间序列之间的相关程度，常用作衡量互补性的相关系数有Pearson相关系数[8]、Kendall相关系数[9]和Spearman相关系数[10]等。有学者用系统出力的波动性或可靠性来衡量系统的互补性，Zhang等[11]构建了量化评估风光时空互补特性的三层框架模型，第一层构建了虚拟能源系统，第二层分析一个区域内的时间互补特性，第三层对多个区域的空间互补特性进行量化，该模型能有效降低省级区域的风光供能系统波动性。Tang等[12]提出了一种以负荷满足度作为互补性指标的规划模型，通过模型计算风电和光电集成的位置和容量，获得互补性较高的规划集成方案，以保证负荷供应和电能质量。

终端一体化集成供能系统属于源荷互动模式。这种模式下需综合考虑用户的用能需求和能量的经济性比选，建立以分布式能源系统为核心的分析规划模型，通常用稳态模型描述电力系统，用动态模型描述天然气和热力系统，再耦合各种关键设备，实现多能流的统一建模[13]。多能流建模方法主要包括能源集线器模型（又称能量枢纽模型）、统一能路模型和能量网络模型等。徐宪东等[14]基于能源集线器模型构建了热电联产系统模型，提出了混合潮流算法，对3种运行模式下电力网络和燃气管网进行分析计算。龚萍等[15]以能量网格为基础构建了广义多能流模型，以全生命周期成本最小为目标，建立了综合能源系统多阶段规划模型，通过计算得出各规划阶段的设备和路线的最佳配置方案。韩华春等[16]开发了一种基于多能流联合解算与分析的在线仿真系统，包含电、气、热、冷、蒸汽5种用能设备和管网，可以对综合能源系统建设方案进行全网运行状态模拟、故障恢复分析等的可行性验证，为综合能源系统规划提供仿真层面的数据支撑。

在综合能源多能互补系统的规划设计方法上，通常使用双层优化模型将规划设计阶段和运营调度阶段耦合起来进行规划问题的求解。通过设定规划目标，在一定的约束条件下，采用优化算法计算出指定变量的最优值，规划目标有可再生能源消纳率或经济性指标等，常用的约束条件有时间约束、成本约束、设备出力约束或者负荷约束等。Wang等[17]基于双层优化模型，通过多目标优化生成多个兼顾方案，再以运行调度阶段经济性最优为目标对规划方案进行筛选，实现了规划设计和运行调度的协调优化。陈云辉等[18]建立了包含可再生能源元件、能量储存元件和能量转换元件的能量枢纽模型，以经济性为规划目标，以设备容量与运行边界为约束条件，得到最佳的区域能源站规划配置方案。

2.2 协调优化控制技术

协调优化控制技术可分为协同控制管理技术和优化调度管理技术两大类。协同控制管理技术的核心是基于能源互联网的多智能体系的分布式协同控制[19]，本质是利用信息通信技术实现综合能源系统内各节点设备的协同工作，对系统内的供能端和用能端进行协同调度，其实施方案主要包括两类：一类根据多能互补系统中的拓扑结构、节电设备功能及负荷特性，设计多智能体分布式系统，利用系统内各智能体的自治性、主动性和社会性等控制各节点设备的开关状态，维持多能互补系统运行的稳定性[20]。另一类根据多能互补系统中各设备的运行状态和供能、储能、用能特性，设计多智能体一致性协议，利用系统内各智能体的反应性和进化性等行为特性，调整各节点设备的关键运行参数，保障多能互补系统内的能量平衡和能量质量[21-22]。华光辉等[23]研究了区域综合能源系统层级构架，提出了协控系统的拓扑关系及硬件和软件结构，并在苏州同里新能源小镇综合能源示范区开展了试验验证和示范运营。

优化调度管理技术可以分为面向稳态的优化调度模型、算法和效益分析等，以及考虑具体网格约束和动态特性的协调调度。Wang等[24]研究了多能互补系统在多目标需求下三种能源形式的优化调度。Liu等[25]研究了天然气安全约束下的电、气优化调度。袁桂丽等[26]针对负荷需求特性和可再生能源的不确定性，以经济性最优为目标建立了优化控制模型，采用改进的遗传算法求解，提升系统协调发电能力，降低系统运行成本。刘芯汝[27]综合考虑风、光处理特性及电、热需求响应对系统运行的影响，构建包含电、热、气不同能量形式的多能互补系统协同优化控制模型。司方远等[28]以区域综合能源系统为研究对象，提出了多元灵活资源聚合下的研究框架，采用“主动调节能力评估、自洽协调优化、集群协同控制”的技术路线，实现了影响主动调节能力的关键指标可建模、信息可获取，主动调节能力可优化，对多元不确定环境可应变，多能源能量可共享，多主体联动有序协同的目标。

2.3 储能技术

储能系统在综合能源多能互补系统中发挥着重要作用。在源侧可以平滑可再生能源发电的波动，应用于可再生能源的能量时移、发电容量固化和出力平滑等；在用户侧可以应用于能量时移、参与电网需求响应、提高电能质量、提升供电可靠性等。

储能技术是综合能源多能互补系统的支撑性技术。按照储存介质进行分类，可分为物理储能、电化学储能、电磁储能、热储能和化学储能。从基础研究、关键技术发展和集成示范的情况来看，各种储能技术大致可分为四个梯队[29]：第一梯队为抽水蓄能，占2022年全国储能装机的77.1%左右；第二梯队有锂离子电池、压缩空气储能、液流电池、铅蓄电池和储热储冷技术；第三梯队有钠离子电池、飞轮储能和超级电容器；第四梯队有重力储能、热泵储电、液态金属等。

不同储能方式各有特点，例如抽水蓄能和压缩空气储能寿命较长、规模较大，锂电池储能和飞轮储能响应时间快、效率较高，不同的储能方式适用于不同的应用需求和经济性要求。在多能互补系统中，对储能的应用研究侧重于不同场景下的容量优化配置、优化调度、控制策略、运营模式等[30]。施泉生等[31]将热、电、气三种储能方式应用于微网系统，建立了相应的经济优化运行模型，认为多种储能形式相结合的综合能源系统可以有效减少弃风量，环保效益和经济效益良好。林俐等[32]以氢储能技术为纽带，耦合电能、热能和氢能，构建了基于燃氢燃气轮机的多能互补系统模型，以提高能源的综合利用效率。李山山等[33]设计了园区综合能源系统下的共享服务机制，分析了服务模式特征，建立了以用户净用能成本最小为目标的协调运行模型及策略。

2.4 能量管理技术

在传统能源系统中，不同能源系统相对独立，隶属于不同公司进行管理和运营，比如电网、热力管和天然气网等，不同能源系统间缺少耦合和协同。传统智能电网能量管理系统发展成熟[34]，基本满足电力系统安全运行的需要。与传统能源系统中的能量管理相比，综合能源多能互补系统中的能量管理面临着多能流耦合、多时空尺度和多管理主体等多方面的技术挑战。

近年来，微电网不断发展，部分微电网已具备初步的多能流能量管理功能[35]，可以实现监测和基础调度功能。Su等[36]建立了随机微电网能量调度模型，集成风能、太阳能、插电式电动汽车、分布式发电机和分布式储能，通过随机调度优化降低微电网的运行成本，提高对可再生能源的适应性。孙宏斌等[37]认为多能流能量管理系统应包含建模、实时状态估计、安全控制、优化调度等核心功能，提出了多能流能量管理系统家族的概念，采取分布自治、集中协同的构架，不同的家族成员通过双向通信实现多能流的协同管理。孙宏斌等[38]按照多能流能量管理系统家族“分布自律—集中协同”的分层互联架构，设计研发了面向能源互联网的多能流综合能量管理系统，实现了对广域范围内大量分布式资源的灵活控制与管理。郭泰等[39]设计了“单质能流层—多能耦合层”两层模型架构，提出了面向异质能流标准化建模方法和基于聚合—派生的多能耦合层标准化建模方法，并将标准化模型生成模块集成到多能流能量管理系统中，实现了冷、热、电、气多能流系统模型的标准化表达与信息交互。

3 我国综合能源多能互补系统案例分析

自2017年首批多能互补集成优化示范工程建设以来，多能互补示范工程和示范项目逐步落地并启动，因不同地域的能源资源禀赋有所差异，示范工程的多能互补形式各有特色。上海崇明岛示范项目构建了具有弹性的智能配电网，是国内首个配网级独立运行的风电和储能系统[40]。雄安新区建成了以“地热+”为核心的多能互补系统示范工程，对地热能开展梯级利用[41]。随着云计算、移动互联网、大数据、物联网、人工智能等技术的兴起，综合能源多能互补系统迎来了新的机遇与发展。宁波市城市级智慧能源管理服务系统充分利用“大云物移智”等信息化技术[42]，打造了综合智慧能源数字化服务新业态，实现全品类能源生产、供给、存储、消费数据汇聚和在线监测，有效促进了用能信息的互联共享。

近年来，一些大型企业纷纷在发展“水风光火储一体化”和“源网荷储一体化”项目方面持续发力。中国长江三峡集团有限公司勾勒新能源“线路图”——加强新型储能和“源网荷储”一体化技术研究，科学合理布局抽水蓄能、氢能、光热等新业务，更好实现风、光、储多能互补、协同共舞，大力推广“新能源+”新模式。中国长江三峡集团有限公司统筹推进“源网荷储”和多能互补业务，调整存量与做优增量并重，围绕大通道、建设大基地、带动全产业链发展——瞄准风、光、水、储一体化协调发展的世界级清洁能源基地。金沙江下游水风光多能互补一体化开发基地开工建设；青海海南、海西基地光伏光热、内蒙古蒙西基地库布其光伏治沙、安徽阜阳南部风光电等大基地项目加速推进；内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗纳日松光伏制氢产业示范项目全面并网发电。

4 多能互补系统技术研究与发展趋势

多能流是综合能源多能互补系统的关键特征之一，未来综合能源多能互补系统技术的研究和发展将围绕着多能流展开：

（1）突破各能源系统的简单组合，发展多能互补、能势匹配、梯级利用的多能流耦合理论，深入探究多能互补高效转化与耦合机理，建立多目标、多场景的协同规划研究方法。进一步研究适用于综合能源多能互补系统的综合性能评价方法，兼顾高效性、安全性、稳定性、经济性和灵活性，指导多能流系统的设备选型和容量匹配，实现源网荷储各部分的高效协同运行。

（2）综合考虑源侧可再生能源的波动性和负荷侧用户用能的不确定性，进一步研究多能流实时建模和状态估计技术，建立多能流系统的主动调控机制，揭示不同时空尺度下多能流系统的全工况运行特性，实现多能流系统的实时监测与优化调控。

（3）充分利用能源互联网技术，将数字孪生、虚拟电厂等先进技术应用于多能流系统，推动综合能源系统向数字化和智能化方向发展。

5 结束语

为实现双碳目标，我国将着力构建新型能源体系，综合能源多能互补系统是国家能源体系转型升级的战略需求。本文简述了综合能源多能互补系统的发展背景，对多能互补关键技术的研究现状进行了梳理，重点对分析规划技术、协调优化控制技术、储能技术和能量管理技术的发展和应用情况进行了论述，对我国多能互补系统的应用案例进行了分析，并对综合能源多能互补系统的发展趋势进行了展望。

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Key Technologies of Multi-energy Complementary for Integrated Energy Sources：Research Status and Development Trends

WANG Wentan1，ZHOU Quan1，HOU Qiang1，DAI An1，ZHOU Jing1，2，WANG Zhe1

（1. Hubei Intelligent Integrated Energy Industry Technology Research Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China；2. China Yangtze Power Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：As an essential part of the new energy system，the Integrated Energy Multi-energy Complementary System （IEMS）achieves the coordinated optimization and efficient complementary of multiple energy flows through the integration of a variety of available energy sources. It is of great significance for improving the proportion of renewable energy consumption and the comprehensive energy consumption efficiency. Based on the development background，we focus on collating current research status of the key technologies for IEMS from various aspects. These aspects specifically involve analysis and planning technology，coordination and optimization of control technology，energy storage and management technology. Additionally，we review application cases of multi-energy complementary system in China and anticipates future research and development trends.

Key words：integrated energy system；multi-energy complementary；multi-energy flow；coordinated control；energy management

基金项目：三峡电能有限公司科研项目（6123020005）

作者简介：王文坦，男，高级工程师，博士，主要研究方向为综合能源技术与应用、低碳技术与应用。E-mail：wangwt05@foxmail.com