多能互补技术发展现状分析

彭丽 王彤 吴鹏 张伟阔 敬旭业

(1.华电电力科学研究院有限公司 北京 100039;2.中国中煤能源集团有限公司 北京 100120)

随着全球新一轮能源革命不断深化，能源系统逐渐由传统化石能源向低碳化及多元化的现代能源系统转型，这就要求煤炭、石油、电力等传统能源领域不再局限于独立运行，而需以多种能源形式实现融合、协同、互补发展，从而提升能源利用率、改善能源结构以及优化市场化资源配置能力[1-2]。因此，多能互补是实现一次能源高效低成本开发和二次能源经济安全运行的关键。

多能互补是可再生能源发展的衍生物，从能源供给侧、用户需求侧、能源输配侧实现多能互补和融合等，按照能源形式的供给和消纳特性的不同，优化冷、热、气、电、氢等多种类型能源的生产和利用的综合互补，实现能源、经济、环境的协调发展[3-4]。

从运行模式上，多能互补系统的研究主要包括两类：一类是以综合能源基地作为研究对象，进行多能互补研究；另一类是对终端一体化系统进行多能互补研究。关于终端一体化的多能互补研究，针对终端用户，通过冷热电三联供、分布式可再生能源和能源智能微网等方式，进行传统一次和二次能源间的互补利用和统筹优化，最终实现多能协同供应和能源综合梯级利用[5]。

1 国内外多能互补发展与趋势分析

多能互补系统是未来能源发展的新方向[1]，诸多国家将多能源系统列为其未来国家能源发展战略的规划重点，提出了很多有关研究和发展多能源系统的政策，并逐步开始落地实施[6]。北欧地区的部分国家在20世纪80年代，就开始对多能源互补的供热系统进行研究，1989年瑞典建成了太阳能（集热器面积5 500 m2）和生物质（木屑）联合供热的Falkcnberg项目。

英国相关的综合能源服务公司数量众多，业务相对成熟[7]。德国在发展多能源系统方面则更加注重能源系统和通信系统的集成，研究重点在于实现先进的信息通信技术与能源领域的融合发展，围绕智能电网领域开展新能源体系下的E-Energy 研究计划是其代表性项目。在北美地区，美国非常重视对综合能源相关技术的发展，是首个颁布发展多能源系统的相关计划和政策的国家，2013年成立了能源系统集成研究小组，研究多种能源系统的集成方式。

在亚洲地区，日本是最早提出要建设多能源系统，且多能源系统覆盖到全国的国家，通过建设多能源系统优化能源系统结构，提高能源利用效率，扩大清洁能源的开发利用规模。

我国在较早时期提出了多能互补理念，但是规模化应用滞后，与国外存在较大差距。2004 年，华能南澳的54 MW/100 kW 规模的风光互补发电系统成功并入当地的10 kV 电网系统，由此成为国内第一个商业化的风光互补发电系统。2009 年，西藏那曲的50 kW规模的离网型风光互补发电站正式建成；2013 年，新疆和田波波娜和新华的20 MW 规模的水光互补电站正式并网发电；2015年，850 MW规模的龙羊峡区域水光互补工程项目实现并网发电，成为全球最大的水光互补工程项目。

2016年，国家能源局为推动电、热、气等多种能源系统的互补融合，提出了要尽快推进多能源集成互补示范工程的建设，从而提高能源利用效率，满足供需互动，实现能源、经济与环境的协调发展[8]。2017年，国家能源局首次组织开展了多能互补系统集成优化的示范工程项目，入选项目共23个，其中涉及终端一体化系统集成供能方面的项目有17个，占比73.91%；综合能源系统基地风光水火储多能互补系统示范项目有6个。

2021年，国家发改委和能源局提出充分发挥多能互补系统集成优化和源网荷储一体化在保障能源效率和安全发展中的作用，积极探索具体实施路径。2022年3月22日和2022年4月2日，发改委、科技部等发布的“十四五”科技规划提出要加快能源产业的数字化和智能化升级，实现源网荷储互动、多能协同互补及用能需求智能调控。

由此可知，研究并发展多能互补的能源系统，促进可再生能源消纳，提高能源系统综合效率，进而推进能源系统转型，已被提升至国家战略的高度，但目前我国的多能互补能源系统研究尚处于示范应用阶段。

2 多能互补系统模式

2.1 综合能源系统基地多能互补系统

综合能源基地融合了煤炭、天然气等传统的一次能源，以及风、光、水能等二次能源，通过充分发挥各类资源协同互补的优势，实现了“风-光-水-火-储”等多能源一体化运行，提升了电力系统消纳风电、光伏发电等间歇性，同时提高了电力输出功率的稳定性[5]。

我国具有丰富的可再生能源，开发潜力巨大，一些地区，如金沙江、黄河上游的水电站等，新疆哈密、甘肃酒泉、内蒙古的风电基地，海南、青海海西地区的光电基地都具备建设大型综合能源系统基地的基础和条件。通过多种能源系统之间协同互补运行，提高可再生能源利用率，缓解我国集中式可再生能源发电面临的严重弃风、弃光问题。例如：张家口建设的总规模为风电500 MW、光伏100 MW、储能70 MW 的国家级“风-光-储-输”示范基地，釆用了世界首创的“风-光-储-输”联合发电的技术路线，总投资达到100亿元。

2.2 终端一体化多能互补系统

该系统重点针对终端用户涉及的冷、热、电、气等用能需求，在园区、城镇、大型公用设施等区域，加强终端供能系统的统筹规划和一体化建设。该模式下的多能互补系统的主要目标体现在，最大化实现综合能源系统的用、供能等效率，冷、热、电、气等负荷就地/就近协同互补、平衡调节，供能经济合理且市场竞争力较大。

3 多能互补能源系统技术发展分析

3.1 多能互补规划设计分析

因传统能源系统独立运行，在设计规划时，重点是对涉及的单一能源形式，如热、冷、电、气等进行单独分析规划，或只对单个设备进行建模仿真，优化其运行方式，而无须综合开展各类能源系统间的协同互补优化研究。因各系统设备及设备特性差异大，传统建模方法不能满足多能互补系统建模需求[1]。

为了充分实现综合能源基地多能互补系统中能源站各个子系统间互相耦合、相互协同，需经过详细、合理计算各系统间的能量流、物料流，从而确保能源结构的合理配置优化与能源的稳定可靠输出。同时，在计算过程中，通常认为系统负荷是动态变化的，输入相应的风、光等资源条件等参数，对综合能源基地多能互补系统进行设计规划。

目前，国内少数计算工具和平台因使用环节繁琐等原因，没有进行大规模推广应用，只是停留在科研层面。通常来说，对于多能互补系统，研究人员在对其进行建模、计算、分析前，需要事先通过设定约束条件、目标函数以及优化变量，釆用规划优化算法对该系统进行规划和设计，得到系统所优化变量的最优取值。大体而言，成本和负荷约束等作为约束条件；经济性最优或环保型最佳作为目标函数；供能、储能的设备类型和数量作为优化变量，对系统的规划方案进行优化。

3.2 多能互补系统关键技术

3.2.1 协调优化控制技术

多能互补系统多能流间的耦合将会对系统的长周期安全平稳运行带来新的挑战，需要研究人员采用合适的协调优化控制技术，包含智能电网、传统一次能源和可再生能源等各类能源、储能系统，以及热、冷、电、气等各类负荷等进行控制策略研究，实现多能互补系统的安全、稳定、经济、高效及可靠等指标[9]。

目前，较多研究是针对单纯供电的微电网控制策略。从热力系统控制的角度来看，针对区域多能源系统制定控制策略，主要通过优化热力网络的压力、温度及流量等参数，减少系统的运行成本。针对涉及冷、热、电、气等多能流耦合的多能互补系统，主要利用信息通信技术，对各类分布式设备的协同互补合作，实现可控能源协同调度。

现阶段，关于多能互补系统下的分布式协同控制策略的研究仍处在起步阶段。因多能互补系统内冷、热、气等其他能源调度，相对于电力系统调度而言，存在一定的滞后，增加了多种能源协同调度的难度。下一步重点考虑具有多时间和空间尺度下不同能源形式间的协同调度策略研究。

3.2.2 多能混合建模技术

多能混合建模是集成优化研究的前提和基础，单一能流模型并不适用于含有多能流耦合网络的多能互补系统的建模。对于多能耦合系统，多种类型的能源、多个能量系统均含有相应的能量流、物料流信息，且各种能量流的传输速度、介质和形式均不相同，输入变量也不尽相同，这就要求多能流系统下各系统均需满足不同的物理定律。因此，该系统的潮流计算将包含更多的变量，且具有更强的非线性和更复杂的求解过程。目前，能量枢纽模型被认为是研究多能混合建模技术的通用模型。例如：采用能量枢纽模型可以将电能、煤炭等形式的能源作为输入，经由能量枢纽内部的能量转化、存储、传输设备进行处理后，输出电、热、气等形式的能量用于负荷供应。

3.2.3 综合能量管理系统

对于多能互补系统而言，能量管理系统主要是采用信息流调控能量流，实现安全、稳定、经济、高效运行。多数研究以微电网作为研究对象，具备初级能量管理的功能，可进行基础的优化调度，但难以完成多能流耦合系统的高级分析和决策。当前，以微电网的研究成果为基础，围绕多能流耦合、多时间尺度、多管理主体，研究多能流系统的实时建模与安全状态评估，优化运行调度与能量管理相关的理论体系，通过具体典型应用场景，对该系统下的综合能量管理系统进行验证。

3.2.4 储能技术

先进的储能技术，包括化学储能、机械储能、储氢、储热等将在多能流耦合互补系统中发挥关键作用，通过配置储能，可以有效减少因新能源发电功率输出波动所带来的随机性，减小其接入电网的难度。此外，随着储氢、储热等相关储能技术的迅速发展，促进了电能向热能、氢能等其他形式能源的转移。因此，储能技术不仅有利于电网调频调峰、改善供电可靠性和质量，还有效促进了新型电力系统下，可再生能源的大规模应用，对于“双碳”目标实现具有支撑作用。不同的储能方式具有不同的特点，需基于系统运行的经济性和容量配置等要求，确定储能方式与规模。

4 多能互补能源系统案例分析

自2021年以来，一大批多能互补示范项目逐步落地并启动。2021年12月，华能陇东多能互补综合能源基地全面开工，是我国首个千万千瓦级“风-光-火-储-输”多能互补绿色智慧综合能源基地；2022年1月，位于贵州六盘水市六枝特区的“风-光-水-火-储”+一体化综合能源基地项目与湖南火电签约，由中国能建建设；2022年2月，国家电投江西公司与上饶市签署战略框架协议，规划建设“风-光-火-储”一体化综合能源基地；2022 年3 月，新疆首个中国华电乌鲁木齐100万kW“风-光-电”综合能源基地多能互补项目正式开建。

多能互补系统示范工程项目多是通过与众多国外机构合作而建成。上海迪士尼度假区通过能源梯级利用，减少能源损耗，提高能源利用效率[10]；天津生态城建立了“源-网-荷储”一体规划的综合能源系统，旨在推进实现多能协同运行，并实现运行经济化与环境友好化建设[11]；雄安新区对地热能开展梯级利用，建成了以“地热+”为核心的多能互补系统示范工程[12]。终端一体化供能系统示范项目基本是围绕园区开展的，包括武汉未来科技城、协鑫苏州工业园区、张家口洁源“奥运风光城”、青岛中德生态园等区域的多能互补集成优化示范工程。

矿区多能互补系统应用目前处于起步阶段，主要围绕终端一体化中的冷热用能需求开展，以矿区工业余热替代燃煤锅炉房为主，将煤矿开采过程中产生的回风、矿井排水、空压机、瓦斯发电余热等进行回收提质后进行供暖。矿（园）区多能互补系统模式依然要立足于矿区现有资源和自然条件特点，陕煤集团结合矿区生态修复开展了“榆北矿区采煤沉陷地新能源+生态修复关键技术与综合碳中和效应”相关研究，国能神东煤炭集团以建设矿区生态建设先行示范区为契机提出打造“神东零碳发展示范矿区”。

5 结语

央企国企纷纷在发展“风光储一体化”多能互补项目方面持续发力，中国能建、中国华能、国家能源集团、国家电投、中国大唐、中国华电、中国三峡、华润电力等企业均签约多项“风光储一体化”多能互补项目。对于华电集团矿区，既有冷、热、电、气等用能需求，又有大量闲置土地资源和各生产环节余热余压等能源，矿区多能互补系统可因地制宜地将现有多种能源组合，实现本地能源生产与用能负荷的基本平衡，以充分利用当地的风、光等各类能源，助力“双碳”目标的实现。从华电集团矿区低碳转型发展来看，有必要开发和建设多能互补能源基地，充分利用矿区资源优势，挖掘能源之间的灵活互补能力，延长资源型产业链，实现传统单一的煤炭和煤电基地开发利用向多元化综合能源大基地开发转变，从而释放矿区多能互补能源基地的协同价值，给矿区带来更合理的能源利用效果、更高的安全价值以及更好的经济价值。