多能互補技術發展現狀分析

彭麗 王彤 吳鵬 張偉闊 敬旭業

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

隨著全球新一輪能源革命不斷深化，能源系統逐漸由傳統化石能源向低碳化及多元化的現代能源系統轉型，這就要求煤炭、石油、電力等傳統能源領域不再局限于獨立運行，而需以多種能源形式實現融合、協同、互補發展，從而提升能源利用率、改善能源結構以及優化市場化資源配置能力[1-2]。因此，多能互補是實現一次能源高效低成本開發和二次能源經濟安全運行的關鍵。

多能互補是可再生能源發展的衍生物，從能源供給側、用戶需求側、能源輸配側實現多能互補和融合等，按照能源形式的供給和消納特性的不同，優化冷、熱、氣、電、氫等多種類型能源的生產和利用的綜合互補，實現能源、經濟、環境的協調發展[3-4]。

從運行模式上，多能互補系統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，進行多能互補研究；另一類是對終端一體化系統進行多能互補研究。關于終端一體化的多能互補研究，針對終端用戶，通過冷熱電三聯供、分布式可再生能源和能源智能微網等方式，進行傳統一次和二次能源間的互補利用和統籌優化，最終實現多能協同供應和能源綜合梯級利用[5]。

1 國內外多能互補發展與趨勢分析

多能互補系統是未來能源發展的新方向[1]，諸多國家將多能源系統列為其未來國家能源發展戰略的規劃重點，提出了很多有關研究和發展多能源系統的政策，并逐步開始落地實施[6]。北歐地區的部分國家在20世紀80年代，就開始對多能源互補的供熱系統進行研究，1989年瑞典建成了太陽能（集熱器面積5 500 m2）和生物質（木屑）聯合供熱的Falkcnberg項目。

英國相關的綜合能源服務公司數量眾多，業務相對成熟[7]。德國在發展多能源系統方面則更加注重能源系統和通信系統的集成，研究重點在于實現先進的信息通信技術與能源領域的融合發展，圍繞智能電網領域開展新能源體系下的E-Energy 研究計劃是其代表性項目。在北美地區，美國非常重視對綜合能源相關技術的發展，是首個頒布發展多能源系統的相關計劃和政策的國家，2013年成立了能源系統集成研究小組，研究多種能源系統的集成方式。

在亞洲地區，日本是最早提出要建設多能源系統，且多能源系統覆蓋到全國的國家，通過建設多能源系統優化能源系統結構，提高能源利用效率，擴大清潔能源的開發利用規模。

我國在較早時期提出了多能互補理念，但是規?；瘧脺?，與國外存在較大差距。2004 年，華能南澳的54 MW/100 kW 規模的風光互補發電系統成功并入當地的10 kV 電網系統，由此成為國內第一個商業化的風光互補發電系統。2009 年，西藏那曲的50 kW規模的離網型風光互補發電站正式建成；2013 年，新疆和田波波娜和新華的20 MW 規模的水光互補電站正式并網發電；2015年，850 MW規模的龍羊峽區域水光互補工程項目實現并網發電，成為全球最大的水光互補工程項目。

2016年，國家能源局為推動電、熱、氣等多種能源系統的互補融合，提出了要盡快推進多能源集成互補示范工程的建設，從而提高能源利用效率，滿足供需互動，實現能源、經濟與環境的協調發展[8]。2017年，國家能源局首次組織開展了多能互補系統集成優化的示范工程項目，入選項目共23個，其中涉及終端一體化系統集成供能方面的項目有17個，占比73.91%；綜合能源系統基地風光水火儲多能互補系統示范項目有6個。

2021年，國家發改委和能源局提出充分發揮多能互補系統集成優化和源網荷儲一體化在保障能源效率和安全發展中的作用，積極探索具體實施路徑。2022年3月22日和2022年4月2日，發改委、科技部等發布的“十四五”科技規劃提出要加快能源產業的數字化和智能化升級，實現源網荷儲互動、多能協同互補及用能需求智能調控。

由此可知，研究并發展多能互補的能源系統，促進可再生能源消納，提高能源系統綜合效率，進而推進能源系統轉型，已被提升至國家戰略的高度，但目前我國的多能互補能源系統研究尚處于示范應用階段。

2 多能互補系統模式

2.1 綜合能源系統基地多能互補系統

綜合能源基地融合了煤炭、天然氣等傳統的一次能源，以及風、光、水能等二次能源，通過充分發揮各類資源協同互補的優勢，實現了“風-光-水-火-儲”等多能源一體化運行，提升了電力系統消納風電、光伏發電等間歇性，同時提高了電力輸出功率的穩定性[5]。

我國具有豐富的可再生能源，開發潛力巨大，一些地區，如金沙江、黃河上游的水電站等，新疆哈密、甘肅酒泉、內蒙古的風電基地，海南、青海海西地區的光電基地都具備建設大型綜合能源系統基地的基礎和條件。通過多種能源系統之間協同互補運行，提高可再生能源利用率，緩解我國集中式可再生能源發電面臨的嚴重棄風、棄光問題。例如：張家口建設的總規模為風電500 MW、光伏100 MW、儲能70 MW 的國家級“風-光-儲-輸”示范基地，釆用了世界首創的“風-光-儲-輸”聯合發電的技術路線，總投資達到100億元。

2.2 終端一體化多能互補系統

該系統重點針對終端用戶涉及的冷、熱、電、氣等用能需求，在園區、城鎮、大型公用設施等區域，加強終端供能系統的統籌規劃和一體化建設。該模式下的多能互補系統的主要目標體現在，最大化實現綜合能源系統的用、供能等效率，冷、熱、電、氣等負荷就地/就近協同互補、平衡調節，供能經濟合理且市場競爭力較大。

3 多能互補能源系統技術發展分析

3.1 多能互補規劃設計分析

因傳統能源系統獨立運行，在設計規劃時，重點是對涉及的單一能源形式，如熱、冷、電、氣等進行單獨分析規劃，或只對單個設備進行建模仿真，優化其運行方式，而無須綜合開展各類能源系統間的協同互補優化研究。因各系統設備及設備特性差異大，傳統建模方法不能滿足多能互補系統建模需求[1]。

為了充分實現綜合能源基地多能互補系統中能源站各個子系統間互相耦合、相互協同，需經過詳細、合理計算各系統間的能量流、物料流，從而確保能源結構的合理配置優化與能源的穩定可靠輸出。同時，在計算過程中，通常認為系統負荷是動態變化的，輸入相應的風、光等資源條件等參數，對綜合能源基地多能互補系統進行設計規劃。

目前，國內少數計算工具和平臺因使用環節繁瑣等原因，沒有進行大規模推廣應用，只是停留在科研層面。通常來說，對于多能互補系統，研究人員在對其進行建模、計算、分析前，需要事先通過設定約束條件、目標函數以及優化變量，釆用規劃優化算法對該系統進行規劃和設計，得到系統所優化變量的最優取值。大體而言，成本和負荷約束等作為約束條件；經濟性最優或環保型最佳作為目標函數；供能、儲能的設備類型和數量作為優化變量，對系統的規劃方案進行優化。

3.2 多能互補系統關鍵技術

3.2.1 協調優化控制技術

多能互補系統多能流間的耦合將會對系統的長周期安全平穩運行帶來新的挑戰，需要研究人員采用合適的協調優化控制技術，包含智能電網、傳統一次能源和可再生能源等各類能源、儲能系統，以及熱、冷、電、氣等各類負荷等進行控制策略研究，實現多能互補系統的安全、穩定、經濟、高效及可靠等指標[9]。

目前，較多研究是針對單純供電的微電網控制策略。從熱力系統控制的角度來看，針對區域多能源系統制定控制策略，主要通過優化熱力網絡的壓力、溫度及流量等參數，減少系統的運行成本。針對涉及冷、熱、電、氣等多能流耦合的多能互補系統，主要利用信息通信技術，對各類分布式設備的協同互補合作，實現可控能源協同調度。

現階段，關于多能互補系統下的分布式協同控制策略的研究仍處在起步階段。因多能互補系統內冷、熱、氣等其他能源調度，相對于電力系統調度而言，存在一定的滯后，增加了多種能源協同調度的難度。下一步重點考慮具有多時間和空間尺度下不同能源形式間的協同調度策略研究。

3.2.2 多能混合建模技術

多能混合建模是集成優化研究的前提和基礎，單一能流模型并不適用于含有多能流耦合網絡的多能互補系統的建模。對于多能耦合系統，多種類型的能源、多個能量系統均含有相應的能量流、物料流信息，且各種能量流的傳輸速度、介質和形式均不相同，輸入變量也不盡相同，這就要求多能流系統下各系統均需滿足不同的物理定律。因此，該系統的潮流計算將包含更多的變量，且具有更強的非線性和更復雜的求解過程。目前，能量樞紐模型被認為是研究多能混合建模技術的通用模型。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，經由能量樞紐內部的能量轉化、存儲、傳輸設備進行處理后，輸出電、熱、氣等形式的能量用于負荷供應。

3.2.3 綜合能量管理系統

對于多能互補系統而言，能量管理系統主要是采用信息流調控能量流，實現安全、穩定、經濟、高效運行。多數研究以微電網作為研究對象，具備初級能量管理的功能，可進行基礎的優化調度，但難以完成多能流耦合系統的高級分析和決策。當前，以微電網的研究成果為基礎，圍繞多能流耦合、多時間尺度、多管理主體，研究多能流系統的實時建模與安全狀態評估，優化運行調度與能量管理相關的理論體系，通過具體典型應用場景，對該系統下的綜合能量管理系統進行驗證。

3.2.4 儲能技術

先進的儲能技術，包括化學儲能、機械儲能、儲氫、儲熱等將在多能流耦合互補系統中發揮關鍵作用，通過配置儲能，可以有效減少因新能源發電功率輸出波動所帶來的隨機性，減小其接入電網的難度。此外，隨著儲氫、儲熱等相關儲能技術的迅速發展，促進了電能向熱能、氫能等其他形式能源的轉移。因此，儲能技術不僅有利于電網調頻調峰、改善供電可靠性和質量，還有效促進了新型電力系統下，可再生能源的大規模應用，對于“雙碳”目標實現具有支撐作用。不同的儲能方式具有不同的特點，需基于系統運行的經濟性和容量配置等要求，確定儲能方式與規模。

4 多能互補能源系統案例分析

自2021年以來，一大批多能互補示范項目逐步落地并啟動。2021年12月，華能隴東多能互補綜合能源基地全面開工，是我國首個千萬千瓦級“風-光-火-儲-輸”多能互補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的“風-光-水-火-儲”+一體化綜合能源基地項目與湖南火電簽約，由中國能建建設；2022年2月，國家電投江西公司與上饒市簽署戰略框架協議，規劃建設“風-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-光-電”綜合能源基地多能互補項目正式開建。

多能互補系統示范工程項目多是通過與眾多國外機構合作而建成。上海迪士尼度假區通過能源梯級利用，減少能源損耗，提高能源利用效率[10]；天津生態城建立了“源-網-荷儲”一體規劃的綜合能源系統，旨在推進實現多能協同運行，并實現運行經濟化與環境友好化建設[11]；雄安新區對地熱能開展梯級利用，建成了以“地熱+”為核心的多能互補系統示范工程[12]。終端一體化供能系統示范項目基本是圍繞園區開展的，包括武漢未來科技城、協鑫蘇州工業園區、張家口潔源“奧運風光城”、青島中德生態園等區域的多能互補集成優化示范工程。

礦區多能互補系統應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，以礦區工業余熱替代燃煤鍋爐房為主，將煤礦開采過程中產生的回風、礦井排水、空壓機、瓦斯發電余熱等進行回收提質后進行供暖。礦（園）區多能互補系統模式依然要立足于礦區現有資源和自然條件特點，陜煤集團結合礦區生態修復開展了“榆北礦區采煤沉陷地新能源+生態修復關鍵技術與綜合碳中和效應”相關研究，國能神東煤炭集團以建設礦區生態建設先行示范區為契機提出打造“神東零碳發展示范礦區”。

5 結語

央企國企紛紛在發展“風光儲一體化”多能互補項目方面持續發力，中國能建、中國華能、國家能源集團、國家電投、中國大唐、中國華電、中國三峽、華潤電力等企業均簽約多項“風光儲一體化”多能互補項目。對于華電集團礦區，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環節余熱余壓等能源，礦區多能互補系統可因地制宜地將現有多種能源組合，實現本地能源生產與用能負荷的基本平衡，以充分利用當地的風、光等各類能源，助力“雙碳”目標的實現。從華電集團礦區低碳轉型發展來看，有必要開發和建設多能互補能源基地，充分利用礦區資源優勢，挖掘能源之間的靈活互補能力，延長資源型產業鏈，實現傳統單一的煤炭和煤電基地開發利用向多元化綜合能源大基地開發轉變，從而釋放礦區多能互補能源基地的協同價值，給礦區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濟價值。