构建“电为核心”的现代能源体系

王振彪

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司，北京 石景山 100040)

0 引言

目前，我国已探明煤炭储量只够开采几十年，油、气对外依存度分别高达72%和43%[1]。化石能源消费带来的环境污染和碳减排形势严峻：我国煤炭消费占一次能源消费比重约58%，石油、天然气消费占一次能源消费比重约27%，碳排放量占全球碳排放总量的28%，兑现2030年减排承诺任务艰巨；同时化石能源带来的环境和大气污染问题日益突出。

为破解能源安全和碳减排困局，应大力开发风能、太阳能等绿色、低碳能源，替代化石能源。而风、光、水等资源在时间和空间分布上的不均衡性、随机性、波动性等特点，必须转化为电能，才能实现“清洁低碳、安全高效”的开发和利用。清洁能源大规模开发利用，将推动终端电气化率持续提升，电能将成为最主要的终端用能。因此，现代能源体系必定是以电为核心、由清洁能源主导的供需互动的新型能源体系。

综合能源涵盖电力、煤炭、石油、天然气、可再生能源等多种能源资源。以电力为核心，实施多异质能源协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济，已成为发展综合能源的广泛共识[2]。文献[3]分析得出广域综合能源规划途径，通过源-网-荷-储同步调度得到综合能源精确的运行方式，基于分布式自适应鲁棒优化得出综合能源完整的优化架构。文献[4]通过建立综合能源站工程+ 智慧能源微网工程，实现多能互补，实现能源的梯级利用循环利用，实现冷热电气水一站式服务，其整体能源利用效率和供能可靠率得以大幅度提高。

目前，已有研究多针对终端用户开展的综合供能系统的优化设计、智慧运营等工作[5-11]，而在供给侧能源基地综合能源系统、需求侧综合能源服务、特别是供需互动方面，相关的研究成果较少。本文论述了“电为核心”的现代能源体系的建设意义和目标，提出“电为核心”的现代能源体系主要包括能源基地建设、综合能源服务体系构建、能源基地与智慧城市的供需互动。

1 “电为核心”现代能源体系的内涵

1.1 建设目标

随着终端电气化率持续提升，预计2025年将达到30%左右，电能将超过煤炭成为最主要的终端用能。随着清洁能源大规模开发利用，电气化率持续提升，“电为核心”现代能源体系的特征愈加明显：在系统组成上，能源供应系统将更加清洁低碳、多元协调互补。高比例新能源接入电力系统，各品类能源将协同耦合共同发挥调节补偿作用，提升电力系统安全性和灵活性； 在运营模式上，需求侧响应和储能在电力系统中发挥重要调节作用。可削减、可时移负荷将以需求侧响应的形式参与电力系统运行，实现高频的供需协调与供需互动，储能设备在电力系统中可通过供需互动发挥重要调节作用；在支撑技术上，工业互联网支撑能源电力系统安全、高效、智能运行。发展工业互联网推动数字化、智能化转型，对能源领域更深度赋能，持续推动能源清洁化转型，助力能源生产挖潜增效，保障能源传输高效运行，促进终端能源消费优化升级，支撑供需互动与供需协调高效开展。

1.2 “电为核心”现代能源体系的内容

“电为核心”的现代能源体系主要包括能源基地建设、综合能源服务体系构建、能源基地与智慧城市的供需互动。

(1) 供给侧能源基地建设。能源基地将在现代能源体系中发挥电力供应保障的支柱性作用。2016年，国家发展改革委、国家能源局《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》等一系列政策出台，要求加快推进风光水火储多能互补能源基地的建设。2020年，《中共中央 国务院关于新时代推进西部大开发形成新格局的指导意见》发布，新一轮西部大开发顶层设计出台，实施“西电东送”是我国能源资源与负荷需求逆向分布的客观要求，也决定了能源基地在现代能源体系中电力供应保障的支柱性作用。

(2) 需求侧综合能源服务。多源输入、多元输出的综合能源系统将成为我国能源系统提质增效的发展方向和发展重点。综合能源服务产业将进入快速成长阶段，用能技术进步和用能结构优化将推动终端能源利用效率持续提升，电、热(冷)、气等不同能源形式相互耦合逐步增多，工业互联网技术支撑供需双向互动高效开展，可时移负荷以需求侧响应的形式更加高频地参与系统运行。

(3) 供需高效互动。在供给侧大力推进能源基地建设，在需求侧推进综合能源服务为基础的智慧能源，以能源基地为依托，以电能和氢能为纽带，以工业互联网技术为支撑，以商业模式创新为保障，实现供需高效、高频互动，是提升电力系统安全性和灵活性，保证供需平衡，建设“电为核心”现代能源体系的必然选择。

2 能源基地典型模式及基地建设核心技术

2.1 能源基地典型模式

能源基地不是风光水火储简单组合叠加，独立运行，各自并网，而是要充分耦合，发挥不同能源形式在时空特性、能源特性上的互补，实现能源系统更灵活的配合和更强力的供电保障，保证清洁低碳、安全高效电力供应，同时实现大容量新能源的稳定、安全消纳。从新能源消纳和电网主动支撑保障电网安全的角度出发，建议重点以风光火储一体化、风光水储一体化、风光氢储一体化这3种典型模式建设。

2.1.1 风光火储一体化模式

风光火储一体化能源基地建设是高比例新能源消纳与火电机组转型发展的共同选择，风光火储一体化将是最主要的能源基地模式。新能源优先发电上网，火电机组发挥托底、保供的基础性作用，储能系统以快速响应的优势为火电机组快速调频，储能装置可提供向上和向下调峰的能力，通过火电机组与储能(储电、储氢)的灵活性来封装新能源的间歇性、波动性和不确定性，从而实现大容量新能源的稳定、安全消纳，保证能源基地向大电网提供安全、稳定、低碳、灵活、高效的电能。

以托克托电厂为例，采用火风为主、光氢为辅的形式打造千万千瓦级能源基地：(1)以和林格尔县600 MW风电基地建设为契机，分期建设百万千瓦级风电基地；(2)充分利用厂区空地建设光伏，前期可以先布置20 MW光伏，可用在夏季为空冷机组进行调峰，也可与风电互补用于制氢，多余电量并入厂用电；(3)在储能配置上，充分考虑不同时间段机组负荷跟随自动发电控制(automatic generation control，AGC)指令现状及储能参与AGC辅助服务的设备容量覆盖率，前期可以先配置20 MW/10 MW·h容量配置，满足2台机组的调频要求；(4)在制氢系统方面，利用风电和光伏的互补特性，20 MW风电和20 MW光伏接到电厂附近的制氢站进行电解制氢，制氢装置设计为4台1 000 m3/h碱性电解水制氢装置，氢气产量可充分满足未来托县新机场的氢气需求，电解水制氢过程中产生的氧气可送到电厂进行富氧燃烧，产生明显的节煤和深度调峰的收益。

2.1.2 风光水储一体化模式

我国西南地区风光资源丰富和水资源富集，水电机组作为优质的调节电源以及水电先行建设的场地和送出通道优势，通过风光水储耦合互补，可同时新能源消纳问题和水电弃水问题，对提高新能源的消纳比例、提升现有送出通道利用率具有重要意义。

水电机组具有快速调节性能，可将新能源发电锯齿形出力曲线调整为平滑稳定曲线，为电网提供优质电能。利用水电先行建设的场地和送出通道优势，结合当地资源禀赋发展新能源，开展风光水储耦合互补，通过水电和适当的储能设备调节，提升新能源消纳水平，提高水电站对电网的调节能力和送出线路的利用率。

龙羊峡水光互补电站是目前世界最大的水光互补并网光伏项目，通过水力发电和光伏发电的快速补偿，解决光伏发电的安全并网问题，填补了国内外大规模水光互补关键技术的空白，为我国清洁能源提供了互补的新型发展模式。

2.1.3 风光氢储一体化模式

对于风光资源丰富，但没有煤电、水电机组削峰填谷，或者煤电机组面临淘汰的地区，风光氢储一体化能源基地建设是重点。随着储能、制氢成本的逐渐下降，通过配套适当的储能或电制氢用以削峰填谷，可显著提升风电、光伏并网的可靠性。将分布式电源整合形成多能互补的能源综合利用网，以组网的形式克服分布式电源随机性和间歇性的缺点，在保障电力安全的基础上，促进新能源开发利用。

以张北地区建设200 MW风电场为例，假设年利用小时数为2 000 h，弃风率为5%，在贴现率为12%的条件下，风电并网不制氢的年投资回报率约为10.63%。若在风场建设时另外配置20 MW的电解制氢装置，供应6座1 000 kg/d的加氢站，风电耦合制氢的年投资回报率达到11.86%，比风电平价并网的方案提高了1.23%。

2.2 能源基地建设核心技术

2.2.1 并网主动支撑关键技术

新能源并网主动支撑技术：包括提供主动频率支撑能力、电压支撑和较大惯量，提高系统暂态稳定能力；储能系统的合理配置，实现削峰填谷；新能源发电预测技术，合理安排运行方式。火电并网主动支撑技术：加大信息化和工业化的融合，实现全工况下的智能控制和全生命周期的设备检测管理；煤电机组的灵活性改造和提升调峰能力；更好地发挥电力支撑、调峰、备用等作用。

2.2.2 系统灵活性关键技术

“电为核心”的现代能源体系中，源网荷储各环节存在更多协调互动，以整体最优为目标，充分发挥各类资源特性，以灵活高效的方式共同推动系统优化运行，促进新能源高效消纳。

在供给侧，气电和水电是优质的灵活性调节电源；在需求侧，可大力发展需求响应，完善峰谷电价，提高对新能源的消纳能力；在储能侧，涉及到供需两方面，抽水蓄能、电化学储能，特别是以电制氢为代表的电转其他能源已成为综合能源系统中的关键技术。电转热、电转冷方面，热泵等将有很大发展潜力；电制氢处于研发示范阶段，未来将有广阔的应用前景。在电网侧，可以通过空间维度的互联互济实现不同区域时间维度的互补，并支撑供需互动与供需协调高效实现。

2.2.3 工业互联网支撑系统数字化与智能化

一方面，对于单一发电形式，要加大信息化和工业化的融合，实现全工况下的智能控制和全生命周期的设备健康管理，不断提升发电过程的经济性和安全性；另一方面，对于能源基地多源耦合系统，以电网安全稳定和新能源优先上网为前提，推进新能源与传统能源的协同一体化智能控制。进而在调度控制层、管理层、远程诊断层建立高效的智能管控平台，实现全流程数据共享，推进新一代信息技术与产业深度融合，以构筑更高效、更清洁、更经济、更安全的现代能源新体系，实现能源转型升级。

图1 园区综合能源系统构成Fig.1 Composition of comprehensive energy system in the park

3 需求侧综合能源服务体系构建

从用能需求总量及布局上看，“十四五”期间能源需求格局加速演变，工业、建筑和交通三大领域将成为终端用能的重心，电能逐步占据终端用能的核心地位。电气化水平的持续提升，不仅是人民美好生活的客观需要，同时也是降低能源对外依存度，保障能源安全的必然选择。2050年电能占终端能源比重有望达到52%左右。工业领域随着电供能设备技术经济性提升和高质量工艺产品需求增加，电气化水平不断提升，将在2050年攀升至45%～52%；建筑领域电气化率将提升至52%～65%[12]；交通领域是电气化增长速度最快的部门，将重点在铁路和公路客运领域快速提升电气化率。

从能源利用效率及配置上看，多源输入、多元输出的综合能源系统将成为我国能源系统提质增效的发展方向和发展重点。综合能源服务产业将进入快速成长阶段，用能技术进步和用能结构优化将推动终端能源利用效率持续提升，冷热电气等不同能源形式相互耦合逐步增多，工业互联网技术支撑供需双向互动高效开展，可时移负荷以需求侧响应的形式更加高频地参与系统运行。近期看，冷热电协同是近期发展重点，工业园区将成为突破口。

3.1 综合能源服务典型模式

需求侧综合能源系统是一个以电为核心、电从就地和远方来的局域能源互联网。以大规模集中式能源基地为电能托底，充分挖掘就地可再生能源潜力，对外输出冷热电气多种能源。

3.1.1 工业领域综合能源服务模式

该模式主要包括以传统的生产制造业、过程工业，新型研发类产业、数据中心等，终端负荷主要是冷热电，其中热负荷分为高温热负荷和中低温热负荷。该模式的能源需求的典型特征是用能规模大，且负荷相对稳定。

以绍兴某大型工业园区为例。工业园区规划占地面积约4×106m2，以大规模集成电路制造等工业为主，用电负荷预计1 000 MW，生产工艺制冷1 300 MW，生产用1.5 MPa蒸汽180～260 t/h，全年运行8 760 h。此外还有少量的建筑供暖(供暖期90天)、制冷、生活热水等负荷。

构建如图1所示园区综合能源系统。以4×9F燃机联合循环配套余热锅炉供蒸汽并互为备用，用户侧配备电压缩式水冷机组制冷，建筑采暖、制冷采用吸收式冷温水机及离心压缩式水冷机组，冬季采暖期以工业制冷冷却水为采暖热泵的低温热源；生活热水采用压缩式热泵从工业制冷冷却水中提取热量实现节能。在园区内布置分布式光伏板，预计总装机容量150 MW，建设充电桩、布置储能电池等。在环境温度28 ℃时，外供240 t/h蒸汽时发电能力1 175 MW，配套分布式光伏150 MW。考虑到电制冷需要约330 MW电负荷，冷热电负荷基本持平。在尖峰和峰时阶段，光伏发电优先+燃机尽可能发电满足园区用电、冷负荷需求，不外购电量以降低运行成本；在谷时阶段，太阳能发电优先，但除2台燃机较低负荷运行保障供应蒸汽负荷外，根据电网购电成本和天然气发电成本，确定优化运行方式。通过系统的优化配置与优化运行可以实现园区用能的经济、绿色、稳定、高效。

图3 公共建筑采暖联合运行方案一周逐时供能Fig.3 hourly energy supply for one week of heating joint operation scheme of public buildings

3.1.2 建筑领域综合能源服务模式

该模式的核心是提升综合能源系统供能效率，提高终端用能的经济性，一方面是优化系统配置，做到科学、合理用能；另一方面是峰谷电价不断完善的情况下，利用储能设备时移负荷，参与需求侧响应。该模式具备需求侧响应和供需互动的有利条件，未来可充分发挥其灵活性特点，提高电力系统整体运行效率，促进新能源消纳。

以华北地区典型的混合功能区域为例。该区域内有办公楼、酒店、住宅(公寓)、学校、商场等建筑，总供热面积15×104m2，供热时间为11月16日0时至次年3月15日24时。峰谷平电价分别为1.288 4、0.302 3、0.769 7元/(kW·h)在负荷预测的基础上，进行系统优化配置和优化运行策略研究，对典型建筑的运行成本进行分析。

图2 办公楼供热方式的经济性比较Fig.2 Economic comparison of heating modes in the park

分别比较了电锅炉、热泵、热泵+储热供热方案的经济性，结果如图2所示，显然，热泵+储热供热方案的经济性最高。采用热泵+储热罐为核心的供热方案，其中储热采用可以高温供水的CO2热泵，整个供暖季电费成本低至6元/m2左右；系统设备总容量下降15%左右。

图3为热泵+储热方案一周逐时能量平衡图，联合运行方案充分利用储能的灵活性，在夜间及下午的电价低谷段进行储能，耗电费用较低，当电价处于峰段时，停止电驱动供能设备，利用储能设备供能，从而避开电价较高时段，满足园区供暖负荷的前提下有效降低了运行费用。

本文对比分析了“热泵+储能”联合运行方案对办公楼、酒店、商场、学校、住宅及综合园区等不同供能对象进行供暖的电费成本，如图4所示。

由图4可知：相对于热泵无储热、燃气锅炉、电锅炉供能方案，“热泵+储能”联合供能方案在针对不同供能对象时，供热电费成本皆为最低，相对于电费成本最高的电锅炉方案可节约67%～83%，其中办公楼与商场最为明显。

综上所述，“热泵+储能”的公共建筑联合供能方案能够灵活利用峰谷电价，结合需求侧负荷优化配置系统，通过需求侧响应和供需的互动，提高电力系统整体运行效率，有效降低了运行成本。

3.1.3 交通领域综合能源服务模式

图4 建筑物不同供热方案的供热成本比较Fig.4 Heating cost comparison of different heating schemes for buildings

交通领域是终端电能替代的新引擎。目前，电动汽车技术已经比较成熟，氢能汽车技术也基本成熟，与燃油交通相比，电动汽车与氢能汽车的环保性和经济性优势显著。纯电动汽车逐步在小客车领域普及，氢燃料电池车在重载和长距离运输领域技术优势明显。交通领域的能源服务除了电能、氢能的能源供应以外，其规模大、灵活性高的储电和储氢能力将是需求侧响应和供需互动的突破口。

以京津冀地区某大型物流园区为例。就地风、光资源有限，天然气价格高，区域能源自给成本高。园区主要用能需求来自电动汽车和氢能汽车，以及园区办公和生活的冷热电需求，是能源基地向园区电力直供的典型应用场景，园区供能示意如图5所示。

图5 大型物流园区供能示意图Fig.5 Energy supply diagram of large logistics park

该系统的电力输入设计为能源基地电力直供，园区配置光-储-充一体化充电装置满足电动汽车充电需求。配置热泵+储热系统满足办公和生活冷、热需求。氢能需求可由2个渠道满足：一是园区内自行配置制氢-储氢系统满足加氢车辆用能需求，适用于远离能源基地，运氢交通不便利的园区；二是能源基地制氢，适用于氢能可“直供”的区域，电能和氢能共同作为供需联动的纽带。同时，储热系统、储氢系统、电动汽车等以需求侧响应的形式参与电力系统运行，电动汽车与储电装置参与供需互动。

3.2 综合能源服务要点

3.2.1 科学合理的系统配置

优化配置技术涵盖基于地域或气象条件的可再生能源资源预测和用户全年逐时电、热(冷)负荷预测技术，基于气象和用户逐时负荷的综合能源系统建模和全工况模拟技术；综合初投资和优化算法的全生命周期系统优化配置技术和优化运行策略。

3.2.2 智能微网技术

需求侧综合能源系统是由一系列分布式发电装置、储能装置、能量转换装置、相关保护及控制装置汇集而成的发配输一体的小型柔性智能电网，可自动实现移峰填谷、智能被动地接受分布式电源输送的电能、可以智能地集成用户所有的行为信息，供应商借助大数据获得用户消费规律以实现精确供能及能源优化互补，提高能效。

3.2.3 工业互联网技术

通过数字化与智能化深度赋能，助力能源生产挖潜增效，提升运维管理水平，促进数据流、业务流、能源流三流合一，优化调度控制性能。随着区块链等技术逐步成熟，运算支撑技术将支撑电动汽车、氢能站作为灵活性负荷和储能参与智能电网运行，实现网-储优化互动，促进清洁能源高效利用。

4 供需互动

在供给侧大力推进能源基地建设，在需求侧推进综合能源服务为基础的智慧能源，供需高效、高频互动建设“电为核心”的现代能源体系。

工业互联网推动数字化、智能化转型，是供需高效互动的技术支撑。通过智慧城市虚拟电厂各元素的运行数据、负荷预测的数据分析，助力能源生产挖潜增效；借助于大数据分析中心，调动区域分散式储能装置和发电装置，促进终端能源消费优化升级；通过智能充电桩、5G技术、移动APP技术可以随时掌握在线可充(放)电能力(负荷及电量、持续时间)，对移峰填谷、经营决策提供实时数据支持。

商业运营管理模式的创新，利用市场手段鼓励需求侧响应，是供需高效互动的重要保障。借鉴期货或股市交易模式，将智能充电桩、5G、大数据分析、移动APP等技术结合，搭建盖各类电力消费者、虚拟电厂、分散式电源主等的电力交易商务平台，同时建立与省级电力交易中心、集中式电能供应商的交易关系，激励可时移负荷以需求侧响应的形式参与系统运行，激发需求侧综合能源系统的更多灵活性，充分调动P2X灵活调节能力。

5 结论

能源结构转型对能源供给侧带来了严峻挑战，现有的以集中式发电为主的能源供给模式将无法完全满足未来能源电力结构的需求，构建“电为核心”的现代能源体系将成为推动能源革命、保证电网安全的重要手段，也将是供给侧能源企业创新发展、提高效益的重要途径。

“电为核心”的现代能源体系主要包括能源基地建设、综合能源服务体系构建、能源基地与智慧城市的供需互动。“电为核心”的现代能源体系，在系统组成上，能源供应系统将更加清洁低碳、多元协调互补； 在运营模式上，需求侧响应和储能在电力系统中发挥重要调节作用；在支撑技术上，工业互联网支撑能源电力系统安全、高效、智能运行。