綜合能源系統(tǒng)與儲能

曾鳴，邱鋒凱

（華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室， 北京 102206）

0 前言

能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，世界各國都將其視為國家核心戰(zhàn)略資源。以化石能源規(guī)?；脼榛A(chǔ)的第一次工業(yè)革命和以電能規(guī)模化利用為基礎(chǔ)的第二次工業(yè)革命，塑造了當(dāng)前能源開發(fā)利用的基本格局。然而，隨著經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)發(fā)展，能源生產(chǎn)和需求不斷增長，傳統(tǒng)化石能源的過度開發(fā)和利用，導(dǎo)致了環(huán)境污染、氣候變暖、化石能源枯竭等問題，對可持續(xù)發(fā)展和高能效提出了重大挑戰(zhàn)。同時，全球化和“一帶一路”使得國際能源合作進(jìn)一步加強(qiáng)，開放包容、普惠共享的能源利益共同體、責(zé)任共同體和命運(yùn)共同體將帶來更加多元的能源文化、技術(shù)和市場。在此背景下，如何吸納多元化的能源文化和技術(shù)，提高各種能源的利用效率、強(qiáng)化能源系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化、實現(xiàn)多能源的互補(bǔ)互濟(jì)顯得尤為重要[1]。

傳統(tǒng)能源系統(tǒng)在解決上述問題時面臨著一些問題：一是能源子系統(tǒng)之間在規(guī)劃、運(yùn)行和管理層面都相互獨(dú)立，存在管理和體制上的壁壘；二是各種能源的特性不盡相同，在能源生產(chǎn)、傳輸和使用環(huán)節(jié)實現(xiàn)互補(bǔ)協(xié)調(diào)都存有困難，存在技術(shù)上的壁壘；三是能源之間缺乏價值轉(zhuǎn)換媒介和機(jī)制，難以體現(xiàn)能源互補(bǔ)后帶來經(jīng)濟(jì)和社會效益，存在市場模式上的壁壘[2]。因此，要有效解決能源可持續(xù)發(fā)展問題、綜合能效問題、多元能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)問題，需要突破一些固有思維，構(gòu)建新思路、新技術(shù)、新體系。在此背景下，綜合能源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1 綜合能源系統(tǒng)的內(nèi)涵和基本架構(gòu)

綜合能源系統(tǒng)是指一定區(qū)域內(nèi)的能源系統(tǒng)利用先進(jìn)的物理信息技術(shù)和創(chuàng)新管理模式，整合區(qū)域內(nèi)煤炭、石油、天然氣、電能、熱能等多種能源資源，實現(xiàn)多異質(zhì)能源子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)規(guī)劃、優(yōu)化運(yùn)行、協(xié)同管理、交互響應(yīng)和互補(bǔ)互濟(jì)，在滿足系統(tǒng)內(nèi)多元化用能需求的同時，有效提升能源利用效率、促進(jìn)能源可持續(xù)發(fā)展的新型一體化能源系統(tǒng)。綜合能源系統(tǒng)的提出旨在解決前述傳統(tǒng)能源系統(tǒng)無法解決的問題，現(xiàn)實意義不言而喻：一是創(chuàng)新管理體制，實現(xiàn)多種能源子系統(tǒng)的統(tǒng)籌管理和協(xié)調(diào)規(guī)劃，打破體制壁壘；二是創(chuàng)新技術(shù)，通過研究異質(zhì)能源的物理特性，明晰能源之間的互補(bǔ)性和可替代性，開發(fā)能源轉(zhuǎn)化和存儲新技術(shù)（如動態(tài)Energy Hub），提高能源開發(fā)和利用效率，打破技術(shù)壁壘；三是創(chuàng)新市場模式，建立統(tǒng)一的市場價值衡量標(biāo)準(zhǔn)和價值轉(zhuǎn)換媒介，使得能源轉(zhuǎn)化互補(bǔ)能體現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)和社會價值，并挖掘新的潛在市場[3]。

與能源互聯(lián)網(wǎng)類似，綜合能源系統(tǒng)最終目的也旨在提升綜合能效、促進(jìn)能源可持續(xù)發(fā)展，但后者更側(cè)重于物理信息系統(tǒng)，并且是依托于能源系統(tǒng)自身，通過新思路、新技術(shù)來解決能源系統(tǒng)的發(fā)展和優(yōu)化問題（而非強(qiáng)調(diào)互聯(lián)網(wǎng)思維、ΙCT技術(shù)和純市場化手段）。歸納而言，綜合能源系統(tǒng)的內(nèi)涵就是多種能源子系統(tǒng)之間的“多能互補(bǔ)、協(xié)調(diào)優(yōu)化”。

“多能互補(bǔ)”指電力系統(tǒng)、煤炭、石油系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、天然氣供應(yīng)系統(tǒng)等多種能源子系統(tǒng)之間的互補(bǔ)協(xié)調(diào)，突出強(qiáng)調(diào)各類能源之間的平等性和“可替代性/互補(bǔ)性”。按照綜合能源系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)想，系統(tǒng)中各能源系統(tǒng)之間在物理-信息層面是互聯(lián)互通的[4]。這種互聯(lián)互通是為了讓各種能源都能找到自己合適的定位，最大化發(fā)揮作用，以清潔能源來承擔(dān)基本負(fù)荷、以化石能源來承擔(dān)高峰負(fù)荷、以二次能源為轉(zhuǎn)換媒介，并在各種能源需要相互支撐時可以通過信息信號的指揮下實現(xiàn)物理能源的合理調(diào)配。“協(xié)調(diào)優(yōu)化”是指實現(xiàn)多種能源子系統(tǒng)在能源開發(fā)、能源傳輸、能源轉(zhuǎn)化、綜合利用等環(huán)節(jié)的相互協(xié)調(diào)，以實現(xiàn)滿足多元需求、提高用能效率、降低能量損耗、減少污染排放等目的。綜合能源系統(tǒng)包含了能源生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)化、存儲、消費(fèi)等能源開發(fā)到利用的所有環(huán)節(jié)，也是其“一體化特性”的體現(xiàn)。然而，雖然綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)分開、且存在許多終端能源自平衡單元，但要保證系統(tǒng)高效則必須保障系統(tǒng)鏈“分而不散”就需要確保綜合能源系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)性，這種協(xié)調(diào)性更多體現(xiàn)在物理能源的轉(zhuǎn)化和利用以及能源信息的互動和響應(yīng)方面[5]。

對于綜合能源系統(tǒng)的總體架構(gòu)，則可概括為“外松內(nèi)緊，分而不散”。從系統(tǒng)外部來看，綜合能源系統(tǒng)具有明顯的開放性，多種能源可以根據(jù)一定規(guī)則自由接入、內(nèi)外部信息合理共享；從系統(tǒng)內(nèi)部看，縱向各環(huán)節(jié)之間擁有緊密的協(xié)調(diào)機(jī)制，橫向各能源子系統(tǒng)之間互聯(lián)互通，終端自平衡單元之間在物理層和信息層都緊密互聯(lián)；從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，綜合能源系統(tǒng)擁有多個環(huán)節(jié)、多個能源子系統(tǒng)、多個終端自平衡單元，但是看似分散的結(jié)構(gòu)擁有系統(tǒng)級、區(qū)域級和元件級的協(xié)調(diào)機(jī)制和優(yōu)化控制手段，每個元件、每個部分、每個環(huán)節(jié)都與各自系統(tǒng)緊密互聯(lián)、信息互動而非孤立存在[6]。具體的架構(gòu)形態(tài)可以通過對于物理層、信息層和市場層的剖析來確定：

綜合能源系統(tǒng)的物理層主要是指所有能源子系統(tǒng)的能源生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)化、存儲和消費(fèi)過程中所涉及的物理設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。物理層是要保證綜合能源系統(tǒng)中物理能源的正常生產(chǎn)、傳輸、交易和利用，是綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。它的物理層猶如一個生物組織體，這個組織體中存在若干個相對獨(dú)立又廣泛互聯(lián)的物理單元。這些物理單元在執(zhí)行任務(wù)時相對獨(dú)立，同時正常情況下每個單元能夠?qū)崿F(xiàn)自我平衡，類似一個小型的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，我們稱之為多能源自平衡單元。在自平衡單元中，供能端由石油、煤炭、天然氣、核能等傳統(tǒng)能源系統(tǒng)和風(fēng)能、太陽能、水能等清潔能源系統(tǒng)構(gòu)成多能源供能系統(tǒng)，供能方式有集中式供能和分布式供能兩種；網(wǎng)絡(luò)輸送端以微型網(wǎng)絡(luò)為主，每個微型網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)局部區(qū)域的能量傳輸，這些微型網(wǎng)絡(luò)包含了分布式能源系統(tǒng)、儲能裝置以及多元化負(fù)荷設(shè)備；用能端有微型網(wǎng)絡(luò)中的分散用戶，也有用能相對集中的用戶，可以由微型網(wǎng)絡(luò)供能，也可以由多能源供能系統(tǒng)直接供能。同時，能源自平衡單元之間又通過傳輸通道連接，在某個多能源自平衡單位無法實現(xiàn)自平衡或者需要在不同自平衡單元之間優(yōu)化配置時，多個單元之間可以有效互動。

綜合能源系統(tǒng)的信息層主要由信息采集、存儲、分析、處理的相關(guān)硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)組成，它是綜合能源系統(tǒng)的大腦中樞。它有若干個信息集成控制單元組成，每個控制單元可以實現(xiàn)某方面或者某區(qū)域內(nèi)的信息采集、存儲和分析，將信息匯聚成信息流進(jìn)行處理。此外，綜合能源系統(tǒng)主體多元、系統(tǒng)鏈長、能源形式多樣、市場環(huán)境復(fù)雜，所以擁有海量數(shù)據(jù)，需要有模塊化的存儲數(shù)據(jù)庫，以及專業(yè)化的分析和處理系統(tǒng)。這些信息分析和處理的結(jié)果，結(jié)合原始數(shù)據(jù)一起，形成新的信息流向物理層以及能源市場發(fā)布，并轉(zhuǎn)變?yōu)椴僮髦噶罨蚴袌鲂盘柕取?/p>

綜合能源系統(tǒng)市場層是電力市場、天然氣市場等傳統(tǒng)能源市場在綜合能源系統(tǒng)中耦合的體現(xiàn)，突出體現(xiàn)各種能源在“能源互補(bǔ)、協(xié)調(diào)優(yōu)化”過程中的創(chuàng)新價值，包括交易規(guī)則、價格機(jī)制、監(jiān)管機(jī)制、市場主體、交易產(chǎn)品、業(yè)務(wù)類型和交易模式等內(nèi)容。在市場層中，政府制定市場基本規(guī)則并實施監(jiān)管，市場信號引導(dǎo)企業(yè)行為推動市場發(fā)展，企業(yè)是能源和服務(wù)的提供者、新技術(shù)的創(chuàng)造者，用戶是被服務(wù)對象也是市場監(jiān)管者。

2 綜合能源系統(tǒng)中的儲能定位和作用

傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中，產(chǎn)供銷是必不可少的環(huán)節(jié)，但在綜合能源系統(tǒng)中，儲能成為另一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。綜合能源系統(tǒng)中各能源子系統(tǒng)的融合都需要儲能的支持：電力系統(tǒng)與交通系統(tǒng)的融合少不了移動儲能和電動汽車的支持；天然氣系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的融合需要制氫技術(shù)等化學(xué)儲能的支持；電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)的融合需要儲電和儲熱技術(shù)的支持等[7]?？梢姡嵌喾N能源子系統(tǒng)融合的紐帶，也是綜合能源系統(tǒng)的“心臟”[8]。不過，綜合能源系統(tǒng)中的儲能與傳統(tǒng)意義上的儲能有所不同。傳統(tǒng)意義上的儲能是指通過裝置或物理介質(zhì)將能量儲存起來以便需要時可以加以利用的能量存儲技術(shù)，更多的是指電能的存儲，重點在于電能存儲和雙向轉(zhuǎn)化技術(shù)；綜合能源系統(tǒng)中的儲能除了上述內(nèi)涵外，更加注重電能與其他能源之間的單向轉(zhuǎn)化和存儲技術(shù)，以及其他多能源之間的單/雙向轉(zhuǎn)化和存儲技術(shù)[9]。其最終目標(biāo)是要實現(xiàn)多元能源在時間、空間維度上的完全解耦，實現(xiàn)綜合能源解決方案的一般商品化產(chǎn)供銷模式。

從不同系統(tǒng)層級來看，儲能在綜合能源系統(tǒng)中具有緩沖器、聚合器、穩(wěn)定器的作用。儲能是廣域綜合能源系統(tǒng)的緩沖器：利用規(guī)?；瘍δ芗夹g(shù)協(xié)調(diào)集中式能源生產(chǎn)，利用能源子系統(tǒng)之間的單/雙向轉(zhuǎn)化、存儲技術(shù)來協(xié)調(diào)多能源調(diào)配，利用能源系統(tǒng)產(chǎn)供銷各環(huán)節(jié)存儲裝置和技術(shù)來合理確定（最優(yōu)化）能量存儲和轉(zhuǎn)化方案，從而最大限度地參與廣域能量協(xié)調(diào)調(diào)度和管理，為大規(guī)模能源生產(chǎn)利用提供“緩沖”，為廣域綜合能源系統(tǒng)能量互補(bǔ)提供支撐；儲能是區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的聚合器：隨著綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各能源子系統(tǒng)壁壘被打通、分布式終端逐漸增加、市場需求定制化特征凸顯，能源交易將會向分散化轉(zhuǎn)變、能源需求將會向即時化轉(zhuǎn)變，同時要求主體對市場信號擁有快速響應(yīng)能力。區(qū)域綜合能源系統(tǒng)是廣域綜合能源系統(tǒng)和終端能源系統(tǒng)的連接點，它既要最大限度滿足下游主體多元化需求，但又不能處于“等電來”的狀態(tài)，而對于分布式能源、電動汽車、散點用戶的聚合管理難度也較大。在此背景下，儲能可以充當(dāng)起能量的聚合器，集中起產(chǎn)能端和用能端資源，與能源轉(zhuǎn)換裝置相互配合共同維持系統(tǒng)和能源市場靈敏高效運(yùn)行；儲能是終端能源系統(tǒng)的穩(wěn)定器：終端能源系統(tǒng)的主要形態(tài)是多能源自平衡單元，主要元件和主體包括分布式能源、微型網(wǎng)絡(luò)、綜合能源服務(wù)商等。多能源自平衡單元的“自平衡特性”表明了終端能源系統(tǒng)不以依靠大系統(tǒng)維持內(nèi)部供需平衡為主要手段，而是強(qiáng)調(diào)通過單元內(nèi)部源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)調(diào)互動、多能互補(bǔ)來實現(xiàn)自我平衡[10]。然而，可再生能源的波動性和散點用戶能量需求的不確定性帶來了終端能源系統(tǒng)雙側(cè)不確定性。對此，儲能系統(tǒng)可為終端能源系統(tǒng)提供輔助服務(wù)、能源備用、能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)等服務(wù)，實現(xiàn)終端系統(tǒng)內(nèi)能源生產(chǎn)與消費(fèi)的平衡，是終端能源系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保障，起到穩(wěn)定器的作用。

3 結(jié)束語

目前，綜合能源系統(tǒng)及儲能已得到廣泛重視和研究，但綜合能源系統(tǒng)的落地和儲能系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的規(guī)劃等問題仍沒有被完全解決，需要相關(guān)學(xué)者和專家繼續(xù)攻堅克難。為進(jìn)一步解讀綜合能源系統(tǒng)及儲能相關(guān)概念和理論，本文分別對綜合能源系統(tǒng)的內(nèi)涵和架構(gòu)以及儲能在綜合能源系統(tǒng)中的定位和作用做了詳盡的分析。隨著綜合能源系統(tǒng)與儲能的進(jìn)一步發(fā)展，在不遠(yuǎn)的將來綜合能源系統(tǒng)定會首先在國內(nèi)越來越多的地方實現(xiàn)落地，儲能系統(tǒng)也能在綜合能源系統(tǒng)中發(fā)揮越來越大的效用。