综合能源系统与储能

曾鸣，邱锋凯

（华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室， 北京 102206）

0 前言

能源是人类生存和发展的基础，是国民经济的命脉，世界各国都将其视为国家核心战略资源。以化石能源规模化利用为基础的第一次工业革命和以电能规模化利用为基础的第二次工业革命，塑造了当前能源开发利用的基本格局。然而，随着经济社会的持续发展，能源生产和需求不断增长，传统化石能源的过度开发和利用，导致了环境污染、气候变暖、化石能源枯竭等问题，对可持续发展和高能效提出了重大挑战。同时，全球化和“一带一路”使得国际能源合作进一步加强，开放包容、普惠共享的能源利益共同体、责任共同体和命运共同体将带来更加多元的能源文化、技术和市场。在此背景下，如何吸纳多元化的能源文化和技术，提高各种能源的利用效率、强化能源系统之间的协调优化、实现多能源的互补互济显得尤为重要[1]。

传统能源系统在解决上述问题时面临着一些问题：一是能源子系统之间在规划、运行和管理层面都相互独立，存在管理和体制上的壁垒；二是各种能源的特性不尽相同，在能源生产、传输和使用环节实现互补协调都存有困难，存在技术上的壁垒；三是能源之间缺乏价值转换媒介和机制，难以体现能源互补后带来经济和社会效益，存在市场模式上的壁垒[2]。因此，要有效解决能源可持续发展问题、综合能效问题、多元能源协调互补问题，需要突破一些固有思维，构建新思路、新技术、新体系。在此背景下，综合能源系统应运而生。

1 综合能源系统的内涵和基本架构

综合能源系统是指一定区域内的能源系统利用先进的物理信息技术和创新管理模式，整合区域内煤炭、石油、天然气、电能、热能等多种能源资源，实现多异质能源子系统之间的协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济，在满足系统内多元化用能需求的同时，有效提升能源利用效率、促进能源可持续发展的新型一体化能源系统。综合能源系统的提出旨在解决前述传统能源系统无法解决的问题，现实意义不言而喻：一是创新管理体制，实现多种能源子系统的统筹管理和协调规划，打破体制壁垒；二是创新技术，通过研究异质能源的物理特性，明晰能源之间的互补性和可替代性，开发能源转化和存储新技术（如动态Energy Hub），提高能源开发和利用效率，打破技术壁垒；三是创新市场模式，建立统一的市场价值衡量标准和价值转换媒介，使得能源转化互补能体现出其经济和社会价值，并挖掘新的潜在市场[3]。

与能源互联网类似，综合能源系统最终目的也旨在提升综合能效、促进能源可持续发展，但后者更侧重于物理信息系统，并且是依托于能源系统自身，通过新思路、新技术来解决能源系统的发展和优化问题（而非强调互联网思维、ΙCT技术和纯市场化手段）。归纳而言，综合能源系统的内涵就是多种能源子系统之间的“多能互补、协调优化”。

“多能互补”指电力系统、煤炭、石油系统、供热系统、天然气供应系统等多种能源子系统之间的互补协调，突出强调各类能源之间的平等性和“可替代性/互补性”。按照综合能源系统架构的设想，系统中各能源系统之间在物理-信息层面是互联互通的[4]。这种互联互通是为了让各种能源都能找到自己合适的定位，最大化发挥作用，以清洁能源来承担基本负荷、以化石能源来承担高峰负荷、以二次能源为转换媒介，并在各种能源需要相互支撑时可以通过信息信号的指挥下实现物理能源的合理调配。“协调优化”是指实现多种能源子系统在能源开发、能源传输、能源转化、综合利用等环节的相互协调，以实现满足多元需求、提高用能效率、降低能量损耗、减少污染排放等目的。综合能源系统包含了能源生产、传输、转化、存储、消费等能源开发到利用的所有环节，也是其“一体化特性”的体现。然而，虽然综合能源系统内各环节分开、且存在许多终端能源自平衡单元，但要保证系统高效则必须保障系统链“分而不散”就需要确保综合能源系统各环节的协调性，这种协调性更多体现在物理能源的转化和利用以及能源信息的互动和响应方面[5]。

对于综合能源系统的总体架构，则可概括为“外松内紧，分而不散”。从系统外部来看，综合能源系统具有明显的开放性，多种能源可以根据一定规则自由接入、内外部信息合理共享；从系统内部看，纵向各环节之间拥有紧密的协调机制，横向各能源子系统之间互联互通，终端自平衡单元之间在物理层和信息层都紧密互联；从系统结构看，综合能源系统拥有多个环节、多个能源子系统、多个终端自平衡单元，但是看似分散的结构拥有系统级、区域级和元件级的协调机制和优化控制手段，每个元件、每个部分、每个环节都与各自系统紧密互联、信息互动而非孤立存在[6]。具体的架构形态可以通过对于物理层、信息层和市场层的剖析来确定：

综合能源系统的物理层主要是指所有能源子系统的能源生产、传输、转化、存储和消费过程中所涉及的物理设备和网络架构。物理层是要保证综合能源系统中物理能源的正常生产、传输、交易和利用，是综合能源系统运行的基础。它的物理层犹如一个生物组织体，这个组织体中存在若干个相对独立又广泛互联的物理单元。这些物理单元在执行任务时相对独立，同时正常情况下每个单元能够实现自我平衡，类似一个小型的区域综合能源系统，我们称之为多能源自平衡单元。在自平衡单元中，供能端由石油、煤炭、天然气、核能等传统能源系统和风能、太阳能、水能等清洁能源系统构成多能源供能系统，供能方式有集中式供能和分布式供能两种；网络输送端以微型网络为主，每个微型网络承担局部区域的能量传输，这些微型网络包含了分布式能源系统、储能装置以及多元化负荷设备；用能端有微型网络中的分散用户，也有用能相对集中的用户，可以由微型网络供能，也可以由多能源供能系统直接供能。同时，能源自平衡单元之间又通过传输通道连接，在某个多能源自平衡单位无法实现自平衡或者需要在不同自平衡单元之间优化配置时，多个单元之间可以有效互动。

综合能源系统的信息层主要由信息采集、存储、分析、处理的相关硬件设备和软件系统组成，它是综合能源系统的大脑中枢。它有若干个信息集成控制单元组成，每个控制单元可以实现某方面或者某区域内的信息采集、存储和分析，将信息汇聚成信息流进行处理。此外，综合能源系统主体多元、系统链长、能源形式多样、市场环境复杂，所以拥有海量数据，需要有模块化的存储数据库，以及专业化的分析和处理系统。这些信息分析和处理的结果，结合原始数据一起，形成新的信息流向物理层以及能源市场发布，并转变为操作指令或市场信号等。

综合能源系统市场层是电力市场、天然气市场等传统能源市场在综合能源系统中耦合的体现，突出体现各种能源在“能源互补、协调优化”过程中的创新价值，包括交易规则、价格机制、监管机制、市场主体、交易产品、业务类型和交易模式等内容。在市场层中，政府制定市场基本规则并实施监管，市场信号引导企业行为推动市场发展，企业是能源和服务的提供者、新技术的创造者，用户是被服务对象也是市场监管者。

2 综合能源系统中的储能定位和作用

传统能源系统中，产供销是必不可少的环节，但在综合能源系统中，储能成为另一个关键环节。综合能源系统中各能源子系统的融合都需要储能的支持：电力系统与交通系统的融合少不了移动储能和电动汽车的支持；天然气系统和电力系统的融合需要制氢技术等化学储能的支持；电力系统与热力系统的融合需要储电和储热技术的支持等[7]。可见，它是多种能源子系统融合的纽带，也是综合能源系统的“心脏”[8]。不过，综合能源系统中的储能与传统意义上的储能有所不同。传统意义上的储能是指通过装置或物理介质将能量储存起来以便需要时可以加以利用的能量存储技术，更多的是指电能的存储，重点在于电能存储和双向转化技术；综合能源系统中的储能除了上述内涵外，更加注重电能与其他能源之间的单向转化和存储技术，以及其他多能源之间的单/双向转化和存储技术[9]。其最终目标是要实现多元能源在时间、空间维度上的完全解耦，实现综合能源解决方案的一般商品化产供销模式。

从不同系统层级来看，储能在综合能源系统中具有缓冲器、聚合器、稳定器的作用。储能是广域综合能源系统的缓冲器：利用规模化储能技术协调集中式能源生产，利用能源子系统之间的单/双向转化、存储技术来协调多能源调配，利用能源系统产供销各环节存储装置和技术来合理确定（最优化）能量存储和转化方案，从而最大限度地参与广域能量协调调度和管理，为大规模能源生产利用提供“缓冲”，为广域综合能源系统能量互补提供支撑；储能是区域综合能源系统的聚合器：随着综合能源系统内各能源子系统壁垒被打通、分布式终端逐渐增加、市场需求定制化特征凸显，能源交易将会向分散化转变、能源需求将会向即时化转变，同时要求主体对市场信号拥有快速响应能力。区域综合能源系统是广域综合能源系统和终端能源系统的连接点，它既要最大限度满足下游主体多元化需求，但又不能处于“等电来”的状态，而对于分布式能源、电动汽车、散点用户的聚合管理难度也较大。在此背景下，储能可以充当起能量的聚合器，集中起产能端和用能端资源，与能源转换装置相互配合共同维持系统和能源市场灵敏高效运行；储能是终端能源系统的稳定器：终端能源系统的主要形态是多能源自平衡单元，主要元件和主体包括分布式能源、微型网络、综合能源服务商等。多能源自平衡单元的“自平衡特性”表明了终端能源系统不以依靠大系统维持内部供需平衡为主要手段，而是强调通过单元内部源-网-荷-储协调互动、多能互补来实现自我平衡[10]。然而，可再生能源的波动性和散点用户能量需求的不确定性带来了终端能源系统双侧不确定性。对此，储能系统可为终端能源系统提供辅助服务、能源备用、能源协调互补等服务，实现终端系统内能源生产与消费的平衡，是终端能源系统安全稳定经济运行的重要保障，起到稳定器的作用。

3 结束语

目前，综合能源系统及储能已得到广泛重视和研究，但综合能源系统的落地和储能系统在配电网中的规划等问题仍没有被完全解决，需要相关学者和专家继续攻坚克难。为进一步解读综合能源系统及储能相关概念和理论，本文分别对综合能源系统的内涵和架构以及储能在综合能源系统中的定位和作用做了详尽的分析。随着综合能源系统与储能的进一步发展，在不远的将来综合能源系统定会首先在国内越来越多的地方实现落地，储能系统也能在综合能源系统中发挥越来越大的效用。