园区综合能源系统现状与技术趋势

2021-08-28董旭袁海山叶昀杨俊杰王军

能源与环境 2021年4期

董旭袁海山叶昀杨俊杰王军

（国网中兴有限公司北京 100032）

0 引言

综合能源系统指通过规划和运营相关的能源网点，并通过相关的计算机和信息技术对能源的产生、分配、储存、转化、消费等多个环节进行有机协调，以保证整体系统的协调性。综合能源系统最先由美国提出，也早在2006 年就将其作为国家战略。如今欧洲各国与亚洲部分国家都开始了综合能源系统的研究［1-2］。

目前，园区综合能源系统主要依靠于大型社区，以及相关的企业园区、工业园等，主要的特征是依靠于系统性的能源调度来为这些大型社区或者工业园区提高有效的功能服务，并保障这些园区功能的稳定性。因为部分工业园区需要稳定的能源来满足相关生产的需要，没有良好的能源供给会导致工业园区供电中断，导致生产中断而造成巨大的损失［2-3］。通过园区的智能系统调度来解决整体的需求问题以及调度问题，保障综合能源系统能够供应到园区各个位置，同时设定了相关的备用能源，保证在主要功能出现问题时及时启用备用功能，减少损失。

本文首先介绍了国内外综合能源系统的发展现状，再提出综合能源的基本架构与技术关键，最后对综合能源关键技术做未来展望，希望能为未来综合能源技术发展提供参考。

1 综合能源系统的发展现状

1.1 综合能源系统在国外的发展状况

受到国家因素和地理因素的影响，英国综合能源系统发展较为完善。目前，英国政府主张可持续化能源发展战略，同相关的综合能源系统结合起来，为英国节约了大量的能源损耗，解决了英国的供能问题。同时英国企业也注重能源系统在社区中的分散作用。作为能源消耗大国的美国，也在技术层面与管理层面为综合能源系统发展提供基础。技术层面，美国著名学府麻省理工学院、哈佛大学都设立有综合能源系统研究所。在管理层面，美国能源部、能源监管机构分别负责政策的制定与落实［4］。

在亚洲，日本政府早在2009 年就公布了未来三十年的减排计划，并且落实在全国，成为首个将能源结构优化和能效提升作为未来能源发展必由之路的亚洲国家。

1.2 综合能源系统在中国的发展现状

1.2.1 总体概况

相比于其他欧洲国家，由于我国工业起步晚，综合能源系统发展起步也较晚，我国综合能源技术仍然处于初级阶段。技术手段远远落后于欧美国家，目前的主要任务是促使作为电能供应商的传统电网公司向综合能源商转变。

1.2.2 相关政策支持

随着我国电力体制改革深化的进行，2015 年国务院发布《关于企业进一步发展深化电力体制进行改革的若干建议》，鼓励专业化能源技术服务有限公司通过与其客户的合作，来达成能源资源管理相关的合约，建设分布式电源保障，确保电力供应安全。同年7 月，国务院印发了《关于积极推进互联网与能源协同发展》，并进行了互联网能源协同发展节能行动布局报告。2016 年2 月24 日，国家发展改革委、国家能源局、工业和信息化部联合下发了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》，明确了包括加强多能协同综合能源网络建设等十大重点任务。2016 年7 月，国家发改委和国家能源局着重强调了创新资源管理模式和商业银行模式来进一步推动综合能源系统的发展。2019 年，国家能源局开展了“互联网+”智慧能源（能源互联网）示范项目验收工作，为今后智慧能源的发展提供了有效的范本［5］。2020 年9 月8 日，国家发展改革委、科技部、工业和信息化部、财政部等四部门联合印发了《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》，明确提出了“大力开展综合能源服务，推动源网荷储协同互动”的要求。

2 园区综合能源系统概念

综合能源系统架构是一种多元化的能源架构，主要目的是为了满足不同用户对能源的不同需求所建立的，同时该架构能够很好的起到一定的节能作用，减少不必要的能源损失。园区在相关的智能调度分布决策、整体的运营容错率以及最后的运营监管方面有着巨大的优势，综合能源服务体系在这些方面能够很好的实现透明化、准确化、高质量，为服务园区打下良好的基础。文献［6］提出以化学能源作为基础性能源的结构，这样能够最大有效的利用能源。文献［7］园区综合能源系统能够最大程度上的对能源进行规划，实现能源有效的利用，提高能源利用效率。文献［8］提出并具体分析了区域性能源在相关问题上的解决方式，在整体系统性统筹上有着巨大的优势，并且这种优势在解决大型社区或大型工业园上有着明显的作用。文献［2］对现有相关能源的需求进行分析，预计建设符合用电规律的能源站点和能源网络，提高能源的使用效率，建立以能源站点为基准的多动态能源网络，能够实时地保证用电安全的同时也能够保障能源站点供给的安全性。本文所考虑的园区综合能源系统的功能结构如图1 所示。

图1 综合能源系统模型

如图1 所示，综合能源系统中包含多种能量交互，同时进行电力系统与相关的功能系统的交互和电力系统与储能系统的交互。这些交互过程，会有一定的耗能，而电力系统应该及时响应相关用户需求侧，其本身的能源需求能够做到及时准确，发挥综合能源系统的作用。

3 园区综合能源系统关键技术

3.1 多能协同规划设计技术

该技术主要是依据目标区域的经济、人口、能源等各种实际情况，利用现代互联网技术，将园区产生或接受的各种能源进行最合理的分配，最后实现能源的最大利用效率。

3.1.1 发展现状

目前，欧洲多能协同规划设计技术较为成熟，其中英国帝国理工学院的研究人员选择了混合整数线性、非线性优化的方式，对城市的能源利用情况进行了探究，明确了能源利用需要、能源利用技术选择等方面的相关性，其结果证实借助于该技术可实现城市能源的合理利用。国内对系统的协调性、整体设计性也有充分的研究，其中国内部分学者在研究时选择国内背景作为出发点进行相关的设计和调研，建立符合国内国情的能源系统。另一部分学者对整个系统的供给侧及能源的供应方进行相关的调研，最后根据用户的具体需求进行系统化的调整［9-11］。

3.1.2 发展趋势

未来对可再生能源发电中的负荷波动、不确定性、多能源供需耦合性等实际问题进行研究，完善可再生能源发电系统的稳定性与提高电力质量；还需要开发具有高协同、高效率、多元化的多能源系统规划设计软件。

3.2 能源信息物理系统

能源信息物理系统（GCPS）指在能源感知方面，结合目前已有的计算机技术和深度网络，使相关的能源协调，更加富有安全性，在空间跨度上保证能量全面协调的实用性、可靠性以及经济性［12］。

3.2.1 发展现状

目前，有关GCPS 的大量研究主要集中在欧美国家，各国研究成果各不相同。美国GCPS 研究主要为理论和标准研究：参考架构、应用案例、时间同步、GCPS 安全和数据交换。欧盟则更加注重标准研究：开展GCPS 相关标准制定；我国则重视标准、技术、应用研究：聚焦参考结构、核心技术、标准需求以及应用案例等研究。2016 年，美国国家标准与技术研究院正式发表《信息物理系统框架》，提出GCPS 两层域架构模型。欧盟于2015 年发布《欧洲路线图和战略》，强调了GCPS 的战略意义和主要应用的关键领域。关于国内能源信息物理系统，2016年3 月，中山大学成立信息物理系统研究所，致力于GCPS 核心技术和特色应用研究。2016 年9 月份我国电子标准技术研究院与国内相关的企业开展了有关的论坛与交流活动，共同研究系统电力统筹技术的方向和整体的战略规划，将技术标准同国内国情结合起来，为有关公司开展的优秀技术、产品以及协调系统化解决方案的研究，提供一定的技术方向。为我国综合能源系统架构的完全建立提供了技术手段、专业知识与发展方向［13］。

3.2.2 发展趋势

能源信息物理系统的未来发展重点是“能源路由器”。以能源路由器为枢纽，配合信息系统的精确指导，来完成多种能源的精确分配与消费。主要研究适用于大功率电力电子交流器、提高能源路由器与传统负荷的性能匹配度、寻求适用于能源路由器的路由协议［14］。

3.3 能源转换技术

3.3.1 发展现状

多元有机化合物和有机材料是如今的研究重点。目前，硅材料将会在未来10 年以至更长时间里位于光电转换的核心地位。我国大力发展相关的新能源技术和可再生能源技术，其中，2019 年清华大学首先研发出了基于碳纳米管为负极的晶体硅太阳能电池板。有机化合物本身有着良好的光电转换效率，同时将传统材料进一步优化，利用新型材料和传统材料之间的融合技术为光电转化和可持续能源开发提供了重要的研究方向，目前该方向已成为光电材料学研究的一个重点领域。

3.3.2 发展趋势

加强新能源材料的国产化前瞻性的布局，将其纳入为我国战略性发展储备技术之中。具有利用价值的新型能源转换技术进一步发展，推动光电转换、风电转换等多项可持续再生能源技术的转换，为我国能源技术整体布局的健康稳定性提供多元化发展途径。

3.4 储能技术

储能技术能够承担可再生能源并网的稳定性、优化电力配置、妥善处理电力系统故障、提供更加稳定的电源。

3.4.1 发展现状

现阶段，综合能源系统中储能技术的发展面临3 方面的问题：①核心技术问题。从技术层面看，关键材料造价高、部分关键环节技术尚未掌握以及能量转化效率低等问题尚未被解决。②可靠性问题。大量储能技术成功接入系统后，将会改变系统的运行特性。通过制定储能环节不同的运行策略，结合相关可靠性指标，可量化分析多元储能对供能可靠性影响。但目前对于这方面的研究尚不深入，是限制储能技术大规模应用的因素之一。③联合规划创新问题。储能技术发展涉及多学科领域，体系复杂，需要多领域的研究人员联合攻关克难。但目前国内尚未有这样的机构或政策为其提供合作平台。现阶段，综合能源系统的示范项目多数经济效益不理想，若上述问题得以解决，可推动储能技术大规模应用于综合能源系统，降低其运行成本，进而推动综合能源系统的大范围应用。

3.4.2 发展趋势

电力的储存问题一直是未来发展的重要趋势之一，解决电力的储能问题能够为国家带来实质性发展。目前综合能源的储能技术着力点主要在于其经济学、人口学、社会学实现多元化储存最优，而该方法大多数是依靠相关的调度模型和可靠性评估以及最终的稳定性建模。通过多种方式验证该系统能否为一个地区实现储能，并在任何时间供给该地区能源，做到储能功能的安全。

3.5 大数据挖掘与处理技术

3.5.1 发展现状

综合能源系统依托的根本是现代互联网技术，其中存在大量的数据挖掘与处理工作。

在国内，2017 年4 月8 日，“综合能源数据分析平台构建及其在智慧城市中的应用”项目获得天津市科技进步二等奖，该项目主要内容为整合与挖掘综合能源数据价值和提高用能效率，经济效益高达两亿，成功弥补了国内综合能源数据分析的空白。

目前，国内学者提出优质的数据处理方案——多层级画像技术，其包含用户多层级画像技术、能源服务商综合画像技术；旨在为综合能源系统运行过程中各个环节建立数据模型，进行数据分析，从而做出最高效、合理的调节。用户多层级画像技术是指企业挖掘用户的多维属性和社交数据，抽象出完整的信息标签，组合并搭建出一个立体的用户虚拟模型，从而指导能源消耗分配。

3.5.2 发展趋势

数据处理技术的提升在于提高数据获取能力与分析能力；研究方向一是应该加强高级智能表研制工作，着力提升智能表计的灵敏性与抗噪能力，研制能够适应园区复杂环境的高敏感、高广度、强抗噪的智能表。二是研制先进算法，重点研制适应电力系统环境的海量数据，能够处理大量非线性数据的监督学习算法，破解大数据处理底层算法功能及性能瓶颈［15］。

3.6 微电网技术

微电网技术指使用分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控等组成的微型发电技术。园区的电力使用负荷大、强度高，对电能的质量要求高，故建立楼宇级的综合能源微电网是最好选择［16-18］。

3.6.1 发展现状

国际上欧盟各国也建立了多个微电网平台，德国卡塞尔大学的太阳能技术研究所最早建立了Demotec 微电网实验室，它结构上包括几个小型微电网系统，并且通过上层调度控制器实现整个微电网的重构，有利于故障情况下的快速恢复，保障电压质量和供电可靠性。荷兰在相关的微电网技术中取得了建设性的发展，在曼海姆市建设微电网项目，为该市工业园区、居民提供了稳定优质电源。这些微电网项目已经成为这些国家的地标性技术［19］。

中国的微电网技术发展时间较短，但在近几年取得了较为不错的成果，由国家牵头的“九七三”计划项目，关于发电功能控制系统相关基础性研究由天津大学主要承担，已经完成了系统设计、管理、运行控制，能量管理建模仿真等取得的实际性进展，并在2010 年在河南财专微电网示范工程进行初次运营，以及2014 年国家“866”课题示范工程“浙江温州南麂岛海岛微电网示范配网工程”建成试运行［20］。

3.6.2 发展趋势

能量平衡控制是微电网运行中最重要的问题。在微电网实际运行过程中，分布式电源需求量不断增加、大量柔性电力电子装置的出现将进一步增加微电网的复杂性，增加了微电网在并网运行和独立运行两种模式下能够维持功率平衡的难度。未来发展需要完善微电网技术，制定合理发电计划，保证能量平衡控制，做到成本最小、效率最高的运行［21-22］。

交直流混合微电网有效地将交流微电网与直流微电网各自的优点结合了起来，具有友好接入新能源、适应多元负荷需求、运行灵活、电能质量高等特点，是微电网未来发展的必然趋势。