多能互補(bǔ)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

彭麗 王彤 吳鵬 張偉闊 敬旭業(yè)

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司 北京 100039;2.中國中煤能源集團(tuán)有限公司 北京 100120)

隨著全球新一輪能源革命不斷深化，能源系統(tǒng)逐漸由傳統(tǒng)化石能源向低碳化及多元化的現(xiàn)代能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，這就要求煤炭、石油、電力等傳統(tǒng)能源領(lǐng)域不再局限于獨(dú)立運(yùn)行，而需以多種能源形式實(shí)現(xiàn)融合、協(xié)同、互補(bǔ)發(fā)展，從而提升能源利用率、改善能源結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化市場化資源配置能力[1-2]。因此，多能互補(bǔ)是實(shí)現(xiàn)一次能源高效低成本開發(fā)和二次能源經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

多能互補(bǔ)是可再生能源發(fā)展的衍生物，從能源供給側(cè)、用戶需求側(cè)、能源輸配側(cè)實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)和融合等，按照能源形式的供給和消納特性的不同，優(yōu)化冷、熱、氣、電、氫等多種類型能源的生產(chǎn)和利用的綜合互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)能源、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[3-4]。

從運(yùn)行模式上，多能互補(bǔ)系統(tǒng)的研究主要包括兩類：一類是以綜合能源基地作為研究對象，進(jìn)行多能互補(bǔ)研究；另一類是對終端一體化系統(tǒng)進(jìn)行多能互補(bǔ)研究。關(guān)于終端一體化的多能互補(bǔ)研究，針對終端用戶，通過冷熱電三聯(lián)供、分布式可再生能源和能源智能微網(wǎng)等方式，進(jìn)行傳統(tǒng)一次和二次能源間的互補(bǔ)利用和統(tǒng)籌優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級利用[5]。

1 國內(nèi)外多能互補(bǔ)發(fā)展與趨勢分析

多能互補(bǔ)系統(tǒng)是未來能源發(fā)展的新方向[1]，諸多國家將多能源系統(tǒng)列為其未來國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的規(guī)劃重點(diǎn)，提出了很多有關(guān)研究和發(fā)展多能源系統(tǒng)的政策，并逐步開始落地實(shí)施[6]。北歐地區(qū)的部分國家在20世紀(jì)80年代，就開始對多能源互補(bǔ)的供熱系統(tǒng)進(jìn)行研究，1989年瑞典建成了太陽能（集熱器面積5 500 m2）和生物質(zhì)（木屑）聯(lián)合供熱的Falkcnberg項(xiàng)目。

英國相關(guān)的綜合能源服務(wù)公司數(shù)量眾多，業(yè)務(wù)相對成熟[7]。德國在發(fā)展多能源系統(tǒng)方面則更加注重能源系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的集成，研究重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的信息通信技術(shù)與能源領(lǐng)域的融合發(fā)展，圍繞智能電網(wǎng)領(lǐng)域開展新能源體系下的E-Energy 研究計(jì)劃是其代表性項(xiàng)目。在北美地區(qū)，美國非常重視對綜合能源相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，是首個頒布發(fā)展多能源系統(tǒng)的相關(guān)計(jì)劃和政策的國家，2013年成立了能源系統(tǒng)集成研究小組，研究多種能源系統(tǒng)的集成方式。

在亞洲地區(qū)，日本是最早提出要建設(shè)多能源系統(tǒng)，且多能源系統(tǒng)覆蓋到全國的國家，通過建設(shè)多能源系統(tǒng)優(yōu)化能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率，擴(kuò)大清潔能源的開發(fā)利用規(guī)模。

我國在較早時期提出了多能互補(bǔ)理念，但是規(guī)?；瘧?yīng)用滯后，與國外存在較大差距。2004 年，華能南澳的54 MW/100 kW 規(guī)模的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)成功并入當(dāng)?shù)氐?0 kV 電網(wǎng)系統(tǒng)，由此成為國內(nèi)第一個商業(yè)化的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。2009 年，西藏那曲的50 kW規(guī)模的離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站正式建成；2013 年，新疆和田波波娜和新華的20 MW 規(guī)模的水光互補(bǔ)電站正式并網(wǎng)發(fā)電；2015年，850 MW規(guī)模的龍羊峽區(qū)域水光互補(bǔ)工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，成為全球最大的水光互補(bǔ)工程項(xiàng)目。

2016年，國家能源局為推動電、熱、氣等多種能源系統(tǒng)的互補(bǔ)融合，提出了要盡快推進(jìn)多能源集成互補(bǔ)示范工程的建設(shè)，從而提高能源利用效率，滿足供需互動，實(shí)現(xiàn)能源、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展[8]。2017年，國家能源局首次組織開展了多能互補(bǔ)系統(tǒng)集成優(yōu)化的示范工程項(xiàng)目，入選項(xiàng)目共23個，其中涉及終端一體化系統(tǒng)集成供能方面的項(xiàng)目有17個，占比73.91%；綜合能源系統(tǒng)基地風(fēng)光水火儲多能互補(bǔ)系統(tǒng)示范項(xiàng)目有6個。

2021年，國家發(fā)改委和能源局提出充分發(fā)揮多能互補(bǔ)系統(tǒng)集成優(yōu)化和源網(wǎng)荷儲一體化在保障能源效率和安全發(fā)展中的作用，積極探索具體實(shí)施路徑。2022年3月22日和2022年4月2日，發(fā)改委、科技部等發(fā)布的“十四五”科技規(guī)劃提出要加快能源產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化和智能化升級，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲互動、多能協(xié)同互補(bǔ)及用能需求智能調(diào)控。

由此可知，研究并發(fā)展多能互補(bǔ)的能源系統(tǒng)，促進(jìn)可再生能源消納，提高能源系統(tǒng)綜合效率，進(jìn)而推進(jìn)能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，已被提升至國家戰(zhàn)略的高度，但目前我國的多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)研究尚處于示范應(yīng)用階段。

2 多能互補(bǔ)系統(tǒng)模式

2.1 綜合能源系統(tǒng)基地多能互補(bǔ)系統(tǒng)

綜合能源基地融合了煤炭、天然氣等傳統(tǒng)的一次能源，以及風(fēng)、光、水能等二次能源，通過充分發(fā)揮各類資源協(xié)同互補(bǔ)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了“風(fēng)-光-水-火-儲”等多能源一體化運(yùn)行，提升了電力系統(tǒng)消納風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性，同時提高了電力輸出功率的穩(wěn)定性[5]。

我國具有豐富的可再生能源，開發(fā)潛力巨大，一些地區(qū)，如金沙江、黃河上游的水電站等，新疆哈密、甘肅酒泉、內(nèi)蒙古的風(fēng)電基地，海南、青海海西地區(qū)的光電基地都具備建設(shè)大型綜合能源系統(tǒng)基地的基礎(chǔ)和條件。通過多種能源系統(tǒng)之間協(xié)同互補(bǔ)運(yùn)行，提高可再生能源利用率，緩解我國集中式可再生能源發(fā)電面臨的嚴(yán)重棄風(fēng)、棄光問題。例如：張家口建設(shè)的總規(guī)模為風(fēng)電500 MW、光伏100 MW、儲能70 MW 的國家級“風(fēng)-光-儲-輸”示范基地，釆用了世界首創(chuàng)的“風(fēng)-光-儲-輸”聯(lián)合發(fā)電的技術(shù)路線，總投資達(dá)到100億元。

2.2 終端一體化多能互補(bǔ)系統(tǒng)

該系統(tǒng)重點(diǎn)針對終端用戶涉及的冷、熱、電、氣等用能需求，在園區(qū)、城鎮(zhèn)、大型公用設(shè)施等區(qū)域，加強(qiáng)終端供能系統(tǒng)的統(tǒng)籌規(guī)劃和一體化建設(shè)。該模式下的多能互補(bǔ)系統(tǒng)的主要目標(biāo)體現(xiàn)在，最大化實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的用、供能等效率，冷、熱、電、氣等負(fù)荷就地/就近協(xié)同互補(bǔ)、平衡調(diào)節(jié)，供能經(jīng)濟(jì)合理且市場競爭力較大。

3 多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展分析

3.1 多能互補(bǔ)規(guī)劃設(shè)計(jì)分析

因傳統(tǒng)能源系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，在設(shè)計(jì)規(guī)劃時，重點(diǎn)是對涉及的單一能源形式，如熱、冷、電、氣等進(jìn)行單獨(dú)分析規(guī)劃，或只對單個設(shè)備進(jìn)行建模仿真，優(yōu)化其運(yùn)行方式，而無須綜合開展各類能源系統(tǒng)間的協(xié)同互補(bǔ)優(yōu)化研究。因各系統(tǒng)設(shè)備及設(shè)備特性差異大，傳統(tǒng)建模方法不能滿足多能互補(bǔ)系統(tǒng)建模需求[1]。

為了充分實(shí)現(xiàn)綜合能源基地多能互補(bǔ)系統(tǒng)中能源站各個子系統(tǒng)間互相耦合、相互協(xié)同，需經(jīng)過詳細(xì)、合理計(jì)算各系統(tǒng)間的能量流、物料流，從而確保能源結(jié)構(gòu)的合理配置優(yōu)化與能源的穩(wěn)定可靠輸出。同時，在計(jì)算過程中，通常認(rèn)為系統(tǒng)負(fù)荷是動態(tài)變化的，輸入相應(yīng)的風(fēng)、光等資源條件等參數(shù)，對綜合能源基地多能互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃。

目前，國內(nèi)少數(shù)計(jì)算工具和平臺因使用環(huán)節(jié)繁瑣等原因，沒有進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用，只是停留在科研層面。通常來說，對于多能互補(bǔ)系統(tǒng)，研究人員在對其進(jìn)行建模、計(jì)算、分析前，需要事先通過設(shè)定約束條件、目標(biāo)函數(shù)以及優(yōu)化變量，釆用規(guī)劃優(yōu)化算法對該系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，得到系統(tǒng)所優(yōu)化變量的最優(yōu)取值。大體而言，成本和負(fù)荷約束等作為約束條件；經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)或環(huán)保型最佳作為目標(biāo)函數(shù)；供能、儲能的設(shè)備類型和數(shù)量作為優(yōu)化變量，對系統(tǒng)的規(guī)劃方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 多能互補(bǔ)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)

多能互補(bǔ)系統(tǒng)多能流間的耦合將會對系統(tǒng)的長周期安全平穩(wěn)運(yùn)行帶來新的挑戰(zhàn)，需要研究人員采用合適的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)，包含智能電網(wǎng)、傳統(tǒng)一次能源和可再生能源等各類能源、儲能系統(tǒng)，以及熱、冷、電、氣等各類負(fù)荷等進(jìn)行控制策略研究，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效及可靠等指標(biāo)[9]。

目前，較多研究是針對單純供電的微電網(wǎng)控制策略。從熱力系統(tǒng)控制的角度來看，針對區(qū)域多能源系統(tǒng)制定控制策略，主要通過優(yōu)化熱力網(wǎng)絡(luò)的壓力、溫度及流量等參數(shù)，減少系統(tǒng)的運(yùn)行成本。針對涉及冷、熱、電、氣等多能流耦合的多能互補(bǔ)系統(tǒng)，主要利用信息通信技術(shù)，對各類分布式設(shè)備的協(xié)同互補(bǔ)合作，實(shí)現(xiàn)可控能源協(xié)同調(diào)度。

現(xiàn)階段，關(guān)于多能互補(bǔ)系統(tǒng)下的分布式協(xié)同控制策略的研究仍處在起步階段。因多能互補(bǔ)系統(tǒng)內(nèi)冷、熱、氣等其他能源調(diào)度，相對于電力系統(tǒng)調(diào)度而言，存在一定的滯后，增加了多種能源協(xié)同調(diào)度的難度。下一步重點(diǎn)考慮具有多時間和空間尺度下不同能源形式間的協(xié)同調(diào)度策略研究。

3.2.2 多能混合建模技術(shù)

多能混合建模是集成優(yōu)化研究的前提和基礎(chǔ)，單一能流模型并不適用于含有多能流耦合網(wǎng)絡(luò)的多能互補(bǔ)系統(tǒng)的建模。對于多能耦合系統(tǒng)，多種類型的能源、多個能量系統(tǒng)均含有相應(yīng)的能量流、物料流信息，且各種能量流的傳輸速度、介質(zhì)和形式均不相同，輸入變量也不盡相同，這就要求多能流系統(tǒng)下各系統(tǒng)均需滿足不同的物理定律。因此，該系統(tǒng)的潮流計(jì)算將包含更多的變量，且具有更強(qiáng)的非線性和更復(fù)雜的求解過程。目前，能量樞紐模型被認(rèn)為是研究多能混合建模技術(shù)的通用模型。例如：采用能量樞紐模型可以將電能、煤炭等形式的能源作為輸入，經(jīng)由能量樞紐內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化、存儲、傳輸設(shè)備進(jìn)行處理后，輸出電、熱、氣等形式的能量用于負(fù)荷供應(yīng)。

3.2.3 綜合能量管理系統(tǒng)

對于多能互補(bǔ)系統(tǒng)而言，能量管理系統(tǒng)主要是采用信息流調(diào)控能量流，實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。多數(shù)研究以微電網(wǎng)作為研究對象，具備初級能量管理的功能，可進(jìn)行基礎(chǔ)的優(yōu)化調(diào)度，但難以完成多能流耦合系統(tǒng)的高級分析和決策。當(dāng)前，以微電網(wǎng)的研究成果為基礎(chǔ)，圍繞多能流耦合、多時間尺度、多管理主體，研究多能流系統(tǒng)的實(shí)時建模與安全狀態(tài)評估，優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度與能量管理相關(guān)的理論體系，通過具體典型應(yīng)用場景，對該系統(tǒng)下的綜合能量管理系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2.4 儲能技術(shù)

先進(jìn)的儲能技術(shù)，包括化學(xué)儲能、機(jī)械儲能、儲氫、儲熱等將在多能流耦合互補(bǔ)系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，通過配置儲能，可以有效減少因新能源發(fā)電功率輸出波動所帶來的隨機(jī)性，減小其接入電網(wǎng)的難度。此外，隨著儲氫、儲熱等相關(guān)儲能技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電能向熱能、氫能等其他形式能源的轉(zhuǎn)移。因此，儲能技術(shù)不僅有利于電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰、改善供電可靠性和質(zhì)量，還有效促進(jìn)了新型電力系統(tǒng)下，可再生能源的大規(guī)模應(yīng)用，對于“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有支撐作用。不同的儲能方式具有不同的特點(diǎn)，需基于系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和容量配置等要求，確定儲能方式與規(guī)模。

4 多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)案例分析

自2021年以來，一大批多能互補(bǔ)示范項(xiàng)目逐步落地并啟動。2021年12月，華能隴東多能互補(bǔ)綜合能源基地全面開工，是我國首個千萬千瓦級“風(fēng)-光-火-儲-輸”多能互補(bǔ)綠色智慧綜合能源基地；2022年1月，位于貴州六盤水市六枝特區(qū)的“風(fēng)-光-水-火-儲”+一體化綜合能源基地項(xiàng)目與湖南火電簽約，由中國能建建設(shè)；2022年2月，國家電投江西公司與上饒市簽署戰(zhàn)略框架協(xié)議，規(guī)劃建設(shè)“風(fēng)-光-火-儲”一體化綜合能源基地；2022 年3 月，新疆首個中國華電烏魯木齊100萬kW“風(fēng)-光-電”綜合能源基地多能互補(bǔ)項(xiàng)目正式開建。

多能互補(bǔ)系統(tǒng)示范工程項(xiàng)目多是通過與眾多國外機(jī)構(gòu)合作而建成。上海迪士尼度假區(qū)通過能源梯級利用，減少能源損耗，提高能源利用效率[10]；天津生態(tài)城建立了“源-網(wǎng)-荷儲”一體規(guī)劃的綜合能源系統(tǒng)，旨在推進(jìn)實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)化與環(huán)境友好化建設(shè)[11]；雄安新區(qū)對地?zé)崮荛_展梯級利用，建成了以“地?zé)?”為核心的多能互補(bǔ)系統(tǒng)示范工程[12]。終端一體化供能系統(tǒng)示范項(xiàng)目基本是圍繞園區(qū)開展的，包括武漢未來科技城、協(xié)鑫蘇州工業(yè)園區(qū)、張家口潔源“奧運(yùn)風(fēng)光城”、青島中德生態(tài)園等區(qū)域的多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程。

礦區(qū)多能互補(bǔ)系統(tǒng)應(yīng)用目前處于起步階段，主要圍繞終端一體化中的冷熱用能需求開展，以礦區(qū)工業(yè)余熱替代燃煤鍋爐房為主，將煤礦開采過程中產(chǎn)生的回風(fēng)、礦井排水、空壓機(jī)、瓦斯發(fā)電余熱等進(jìn)行回收提質(zhì)后進(jìn)行供暖。礦（園）區(qū)多能互補(bǔ)系統(tǒng)模式依然要立足于礦區(qū)現(xiàn)有資源和自然條件特點(diǎn)，陜煤集團(tuán)結(jié)合礦區(qū)生態(tài)修復(fù)開展了“榆北礦區(qū)采煤沉陷地新能源+生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)與綜合碳中和效應(yīng)”相關(guān)研究，國能神東煤炭集團(tuán)以建設(shè)礦區(qū)生態(tài)建設(shè)先行示范區(qū)為契機(jī)提出打造“神東零碳發(fā)展示范礦區(qū)”。

5 結(jié)語

央企國企紛紛在發(fā)展“風(fēng)光儲一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目方面持續(xù)發(fā)力，中國能建、中國華能、國家能源集團(tuán)、國家電投、中國大唐、中國華電、中國三峽、華潤電力等企業(yè)均簽約多項(xiàng)“風(fēng)光儲一體化”多能互補(bǔ)項(xiàng)目。對于華電集團(tuán)礦區(qū)，既有冷、熱、電、氣等用能需求，又有大量閑置土地資源和各生產(chǎn)環(huán)節(jié)余熱余壓等能源，礦區(qū)多能互補(bǔ)系統(tǒng)可因地制宜地將現(xiàn)有多種能源組合，實(shí)現(xiàn)本地能源生產(chǎn)與用能負(fù)荷的基本平衡，以充分利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)、光等各類能源，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。從華電集團(tuán)礦區(qū)低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展來看，有必要開發(fā)和建設(shè)多能互補(bǔ)能源基地，充分利用礦區(qū)資源優(yōu)勢，挖掘能源之間的靈活互補(bǔ)能力，延長資源型產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)單一的煤炭和煤電基地開發(fā)利用向多元化綜合能源大基地開發(fā)轉(zhuǎn)變，從而釋放礦區(qū)多能互補(bǔ)能源基地的協(xié)同價值，給礦區(qū)帶來更合理的能源利用效果、更高的安全價值以及更好的經(jīng)濟(jì)價值。