國內(nèi)外多能互補(bǔ)研究的前沿與熱點(diǎn)分析

黃超華

摘 要：【目的/意義】當(dāng)前我國正處于傳統(tǒng)能源體系向現(xiàn)代能源體系轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，本文旨在揭示國內(nèi)外多能互補(bǔ)研究領(lǐng)域的研究前沿、研究熱點(diǎn)，為相關(guān)研究和發(fā)展提供參考?！痉椒?過程】從CNKI、Web of Science 數(shù)據(jù)庫檢索獲取數(shù)據(jù)，使用CiteSpace工具進(jìn)行詞頻統(tǒng)計(jì)、共現(xiàn)分析?！窘Y(jié)果/結(jié)論】發(fā)掘出、可視化表達(dá)出、并對比了國內(nèi)外多能互補(bǔ)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、研究熱點(diǎn)、研究前沿、主要貢獻(xiàn)者和關(guān)鍵文獻(xiàn)信息。

關(guān)鍵詞：多能互補(bǔ);CiteSpace;知識(shí)圖譜;研究前沿;研究熱點(diǎn)

1. 引言

在過去幾十年中，全球人口持續(xù)增長、社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、生活水平顯著提高，電力供需急劇增加，大量化石能源被不斷開采、利用[2]。《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2018》披露，2017年全球發(fā)電量達(dá)2.5萬TWh，其中煤、天然氣、石油發(fā)電量分別占38.1%，23.2%和3.5%。然而，如果這些化石燃料依舊按照2017年的水平被開采，世界剩余煤、石油、天然氣儲(chǔ)量將只能持續(xù)134，50.2和52.6年[3]。不僅如此，化石燃料的過度燃燒導(dǎo)致二氧化硫、氮氧化物等空氣污染物大幅排放，引起并加劇全球酸雨、溫室效應(yīng)和光化學(xué)污染等環(huán)境問題[4]。國際能源署2017年公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2015年世界燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放量達(dá)到322.9億噸，135.4億噸直接歸因于熱電生產(chǎn);其中，中國因生產(chǎn)電力和熱力產(chǎn)生的碳排放量高達(dá)44.2億噸，占總量的32.64%，占比最大[5]。

當(dāng)前，我國正處于傳統(tǒng)能源體系向現(xiàn)代能源體系轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，能源系統(tǒng)發(fā)展不平衡、不協(xié)調(diào)、不可持續(xù)問題得到空前重視。2016年，國家在政策層面開始部署多能互補(bǔ)項(xiàng)目的建設(shè)，當(dāng)年7月，國家發(fā)改委、能源局發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實(shí)施意見》（發(fā)改能源[2016]1430號(hào)）[1]，并隨后公布了全國首批多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范項(xiàng)目，于是，越來越多研究者、工程師聚焦于新能源與傳統(tǒng)能源的互補(bǔ)利用問題。特別是將多種能源組合起來，形成互補(bǔ)系統(tǒng)，聯(lián)合發(fā)電，打捆外送，成為越來越受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。

本文從全球視角和國內(nèi)視角，檢索梳理多能互補(bǔ)相關(guān)的科學(xué)文獻(xiàn);運(yùn)用CiteSpace可視化分析的文獻(xiàn)計(jì)量方法，挖掘核心文獻(xiàn)關(guān)鍵詞，剖析文獻(xiàn)的可視化結(jié)果以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，清晰地展示國內(nèi)外多能互補(bǔ)的研究熱點(diǎn)與研究前沿。

2. 數(shù)據(jù)

中文數(shù)據(jù)源于CNKI數(shù)據(jù)庫。選取學(xué)術(shù)期刊、碩博論文子庫，分別以多能互補(bǔ)、互補(bǔ)發(fā)電、混合發(fā)電為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，篩選剔除英文文獻(xiàn)、相關(guān)度較低的文獻(xiàn)，再次檢索，得到424條信息，導(dǎo)出為Refworks格式并保存。

英文數(shù)據(jù)源于Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫。選擇“高級(jí)檢索”選框進(jìn)行主題詞檢索。本次檢索所用主題詞為：Hybrid Power Supply，Hybrid Power Plant，Hybrid Power System（s），語言為English， 文獻(xiàn)類型為文章（Article）、綜述（Reviews），時(shí)間跨度為所有年份（1900-2019），數(shù)據(jù)庫選擇Science Citation Index Expanded （SCI-EXPANDED） 和Social Sciences Citation Index （SSCI），得到1050篇相關(guān)文獻(xiàn)。將文獻(xiàn)的作者、標(biāo)題、關(guān)鍵詞、摘要、來源出版物、被引頻次、引用的參考文獻(xiàn)等所有記錄，導(dǎo)出為純文本格式并保存。

3. 分析

3.1 研究熱點(diǎn)

在CiteSpace軟件中，將時(shí)間區(qū)域設(shè)置為1984-2019（經(jīng)檢測，最早論文出版于1984年），時(shí)間跨度設(shè)為6年。信息來源（Term source）選擇標(biāo)題（Title）、摘要（Abstract）、作者關(guān)鍵詞（Author Keywords）和增補(bǔ)關(guān)鍵詞（Keywords Plus）;節(jié)點(diǎn)類型（Node Type）選擇關(guān)鍵詞（Keywords）;選擇標(biāo)準(zhǔn)（Selection Criteria）選擇出現(xiàn)頻次最高的前50%，圖譜修剪算法（Pruning）選擇Pathfinder算法，則可生成關(guān)鍵詞知識(shí)圖譜，共得到242個(gè)關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)以及371條關(guān)鍵詞連線并得到關(guān)鍵詞可視化界面，如圖1。在CiteSpace軟件中新建項(xiàng)目，導(dǎo)入Web of Science 數(shù)據(jù)，將事件區(qū)域設(shè)置為1972-2019（經(jīng)檢測，最早論文出版于1972年），時(shí)間跨度為6年。其他參數(shù)與“國內(nèi)研究現(xiàn)狀”設(shè)置相同，則可生成關(guān)鍵詞知識(shí)圖譜，共得到212個(gè)關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)和384條關(guān)鍵詞連線，如圖2。圖中圓形節(jié)點(diǎn)為關(guān)鍵詞，其大小代表關(guān)鍵詞累計(jì)出現(xiàn)的頻次，累計(jì)詞頻越高，持續(xù)熱度越大。

國內(nèi)文獻(xiàn)中，除去檢索所用的關(guān)鍵詞多能互補(bǔ)、互補(bǔ)發(fā)電、混合發(fā)電外，多能源互補(bǔ)發(fā)電國內(nèi)研究的研究現(xiàn)狀表現(xiàn)為：（1）研究對象聚焦于：新能源、分布式能源、可再生能源、清潔能源;（2）主要能源側(cè)重于：太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、沼氣、廢物處理，抽水蓄能，燃煤機(jī)組;（3）研究要點(diǎn)包括有：能源轉(zhuǎn)型、智慧能源、節(jié)能減排、集成優(yōu)化、協(xié)調(diào)控制、需求響應(yīng)、農(nóng)村能源建設(shè)。除此之外，從圖中線條顏色可以得到兩個(gè)明顯的結(jié)論：（1）1990-1995年期間，國內(nèi)農(nóng)村能源建設(shè)、生活用能研究較熱;（2）2014-2019 年期間，能源互聯(lián)網(wǎng)、分布式能源系統(tǒng)、能源轉(zhuǎn)型獲得普遍關(guān)注。

國外文獻(xiàn)中，除去檢索所用的關(guān)鍵詞“Hybrid power system”以外，多能源互補(bǔ)發(fā)電國外研究的研究現(xiàn)狀表現(xiàn)為：（1）研究對象聚焦于：可再生能源（renewable energy），儲(chǔ)能系統(tǒng)（energy storage，battery），能源系統(tǒng)（energy system），微電網(wǎng)（micro grid），電動(dòng)汽車（electric vehicle，vehicle）;（2）主要能源側(cè)重于：風(fēng)能（wind energy、wind power、wind turbine），太陽能（solar energy、photovoltaic）;（3）研究要點(diǎn)包括：系統(tǒng)設(shè)計(jì)（design），系統(tǒng)可行性（feasibility），系統(tǒng)性能（performance）;系統(tǒng)運(yùn)行（operation），系統(tǒng)優(yōu)化（optimization），系統(tǒng)控制策略（control strategy），以及相對應(yīng)的模型（model）、算法（algorithm）和成本（cost）。

3.2 研究前沿

圖1和圖2中紫色圓環(huán)代表國內(nèi)多能源互補(bǔ)發(fā)電研究的關(guān)鍵研究前沿，是軟件根據(jù)中性度（Centrality）大于0.1的原則自動(dòng)篩選出來的。通過對二圖數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、列表，得到表1、表2。

從表1國內(nèi)研究前沿中可以看出，1984-1989年間，多能互補(bǔ)、農(nóng)村能源建設(shè)首次得到關(guān)注，并持續(xù)成為研究前沿;1990-1995年間，太陽能等氣候資源、新能源的互補(bǔ)發(fā)電，在國內(nèi)成為廣泛關(guān)注的研究點(diǎn);1996-2001年間，可再生能源是關(guān)注要點(diǎn);2002-2007間風(fēng)力發(fā)電、抽水蓄能成為新的前沿;2008-2013年間，光伏電站、混合發(fā)電得到持續(xù)關(guān)注;2014-2019年間，工業(yè)園區(qū)、區(qū)域能源等能源體系、示范工程項(xiàng)目的能源集成優(yōu)化、互動(dòng)機(jī)制成為新的熱點(diǎn)，這是由于2016年7月4日，國家發(fā)展改革委會(huì)同國家能源局公布了《關(guān)于推進(jìn)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化師范工程建設(shè)的實(shí)施意見》（發(fā)改能源[2016]1430號(hào)），掀起了國內(nèi)多能互補(bǔ)集成優(yōu)化研究的高潮。

從表2國外研究前沿可以看出：（1）2000年以前，多能互補(bǔ)外文文獻(xiàn)聚焦于混合能源發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（hybrid power system， generation， design）;（2）2000-2010年間，側(cè)重于機(jī)組設(shè)備性能（gas turbine，energy storage，performance）、系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化（hybrid power plant， optimization），不確定性處理（uncertainty）等;（3）2010年以后，風(fēng)電場相關(guān)研究（wind power plant）得到廣泛關(guān)注。

3.3 方向聚類

在圖1通過CiteSpace自動(dòng)聚類，得到國內(nèi)多能互補(bǔ)研究的可視化聚類圖譜（圖3），由于國外研究論文數(shù)量較多，按照關(guān)鍵詞聚類得到的結(jié)果并不清晰，因此，此處選擇節(jié)點(diǎn)類型（Node Type）為論文（paper），裁剪算法（Pruning）選擇最小生成樹（Minimum spanning tree），對文獻(xiàn)進(jìn)行耦合分析并聚類，得到圖4。圖片左上角是運(yùn)行參數(shù)，其中Modularity表示網(wǎng)絡(luò)的模塊度，值越大，聚類效果越好。圖3中，Modularity值為0.8122，說明聚類效果較好。Mean Silhouette是用來衡量網(wǎng)絡(luò)同質(zhì)性的指標(biāo)，值處于-1與1之間，這里為0.5614，表現(xiàn)了較高的同質(zhì)性，即多能源互補(bǔ)發(fā)電各類別研究之間存在著密切的聯(lián)系。圖4中，Modularity 值為0.9363，說明聚類效果非常好。Mean Silhouette值為0.3681，表現(xiàn)了較高的同質(zhì)性，即多能源互補(bǔ)發(fā)電各類別研究之間存在著較為密切的聯(lián)系。

圖3中節(jié)點(diǎn)表示關(guān)鍵詞，其大小與頻次成正比;線條顏色代表不同年份，與圖上部的年份條相對應(yīng)。黑色字體是圓形節(jié)點(diǎn)所表示的關(guān)鍵詞，以#開始的紅色字體表示類別標(biāo)簽，如#10需求響應(yīng)。從得到的圖譜來看，國內(nèi)多能互補(bǔ)研究有幾個(gè)較大的主題：（1）關(guān)于風(fēng)電的研究，包括#3風(fēng)力發(fā)電，#9風(fēng)電波動(dòng)性;（2）關(guān)于光電的研究，包括#7太陽能輻射，#8光伏發(fā)電;（3）關(guān)于能源系統(tǒng)的研究，包括#1現(xiàn)代能源，#2分布式能源系統(tǒng)，#8微電網(wǎng)，#10需求響應(yīng);（4）關(guān)于節(jié)能減排的研究，包括#5煙氣脫硫裝置。

從得到的圖譜圖4來看，多能源互補(bǔ)發(fā)電外文文獻(xiàn)有幾個(gè)較大的研究主題：（1）關(guān)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究，包括#1air energy storage system，#2super capacitor，#15battery bank，（2）關(guān)于系統(tǒng)運(yùn)行的研究，包括#3demand side management，#20rule-based optimization，#21isolated wind-diesel;（3）關(guān)于燃料的研究，包括# 6solid oxide fuel，# 8hybrid fuel cell system;（4）關(guān)于轉(zhuǎn)換器的研究，包括# 14 dc converter，# 23frequency control，# 23frequency regulation。

3.4 關(guān)鍵文獻(xiàn)

研究發(fā)現(xiàn)，隨著能源危機(jī)敲響警鐘、氣候問題逐漸凸顯，全球許多研究者、工程師都在尋找新的方法將風(fēng)電、光伏等間歇性強(qiáng)的新能源與水電、火電能傳統(tǒng)能源整合。這其中，多能源互補(bǔ)發(fā)電，是一個(gè)重要的關(guān)注點(diǎn)。

國內(nèi)文獻(xiàn)中，李露瑩等[8]提出了一種風(fēng)光水混合發(fā)電系統(tǒng)，并分析了風(fēng)光水抽水蓄能混合發(fā)電、風(fēng)光互補(bǔ)抽水蓄能發(fā)電以及風(fēng)光水簡單發(fā)電3種運(yùn)行方案的差異。盛四清等[9]針對風(fēng)電、光伏出力的強(qiáng)波動(dòng)性和電網(wǎng)負(fù)荷的強(qiáng)峰谷性，提出了風(fēng)光蓄一體化出力的調(diào)度策略，利用抽水蓄能的靈活可調(diào)度性平移間歇性能源的出力，并利用改進(jìn)的粒子群算法求解。吳志明等[10]針對風(fēng)光火大規(guī)模能源基地聯(lián)合外送問題，提出了大型能源基地聯(lián)合外送中電源容量優(yōu)化模型，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電在時(shí)空分布上的互補(bǔ)效益，提高輸電工程的通道利用率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。葛曉琳等[11]提出，含梯級(jí)水電站的風(fēng)水火聯(lián)合調(diào)度對于減少煤炭消耗量、提高清潔能源利用效率具有重要的意義，他們綜合考慮檢修計(jì)劃影響、梯級(jí)水電站間水力約束以及風(fēng)力、熱力與電力相互耦合的復(fù)雜約束，提出了風(fēng)水火系統(tǒng)長期優(yōu)化調(diào)度方法。國內(nèi)文獻(xiàn)比較偏重理論，對于風(fēng)電、光伏能源接入系統(tǒng)中帶來系統(tǒng)的間歇性、波動(dòng)性影響研究較為薄弱。

國外文獻(xiàn)中，Salkuti S.R[12]綜合考慮風(fēng)能和光伏能源的間歇特性、用電需求和火電機(jī)組的不確定特性性，提出了風(fēng)-光-火混合發(fā)電系統(tǒng)的日前多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度策略，優(yōu)化混合發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行成本、供電可靠性和供電碳排，并使用NSGA-II 算法對模型進(jìn)行求解。Zhang Y. et al.[13]將大型電動(dòng)汽車與風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合，形成了包含電動(dòng)汽車調(diào)度的風(fēng)-水-火混合發(fā)電問題，并應(yīng)用粒子群優(yōu)化算法對模型進(jìn)行求解。Hemmati R. et al.[14]將儲(chǔ)能系統(tǒng)引入風(fēng)-光-火混合發(fā)電系統(tǒng)中，以同時(shí)達(dá)到平滑功率波動(dòng)和減少電力損耗的目的，并使用IEEE-24 bus 測試系統(tǒng)對所提出的策略進(jìn)行了檢驗(yàn)。Wang X. et al.[15]提出了風(fēng)-光-水-火互補(bǔ)運(yùn)行系統(tǒng)的短期調(diào)度策略，以期通過最大化可再生能源輸出、最小化火電波動(dòng)，來達(dá)到消除棄風(fēng)、棄光的問題，并將所提策略成功應(yīng)用于甘肅、青海等地。這些研究對于將風(fēng)電、光電整合進(jìn)入傳統(tǒng)能源電網(wǎng)中具有非常重要的作用，但是卻普遍存在計(jì)算量大、實(shí)踐操作難度高的問題，并且較少將供電可靠性、清潔性，處理新能源的間歇性這三個(gè)問題同時(shí)進(jìn)行考慮。

綜上所述，不論是美國、英國等歐洲發(fā)達(dá)國家，還是中國、印度等亞洲發(fā)展中國家，都十分關(guān)注多能互補(bǔ)研究。特別是在中國將“多能互補(bǔ)集成工程”提升到政策層面以后，國內(nèi)更是掀起了研究的熱潮。然而，是將間歇性新能源電源接入傳統(tǒng)電源后，如何科學(xué)安排系統(tǒng)內(nèi)的電力供應(yīng)，既能夠平衡混合供電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性問題，又能夠兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、清潔性問題，仍然是亟待解決的難題。

4. 結(jié)論

本文基于CNKI，Web of Science數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，借助Citespace軟件，采用詞頻統(tǒng)計(jì)、共現(xiàn)分析等手段，可視化發(fā)掘國內(nèi)外該領(lǐng)域的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞、研究前沿和主要貢獻(xiàn)者等信息，主要包括以下幾方面結(jié)論：

第一，研究現(xiàn)狀。時(shí)間上，國內(nèi)最早文獻(xiàn)出現(xiàn)于1984年，而國外則是1972年;質(zhì)量上，國內(nèi)文獻(xiàn)來源于期刊、碩博數(shù)據(jù)庫，而國外文獻(xiàn)僅來源于SSCI/SCI數(shù)據(jù)庫，且國外文獻(xiàn)數(shù)量比國內(nèi)文獻(xiàn)數(shù)量的2倍還多，但好在國外文獻(xiàn)的最大貢獻(xiàn)者是中國。由此可見，雖然中國的國內(nèi)互補(bǔ)相關(guān)研究開展較晚，但前進(jìn)速度驚人，且更加看重論文質(zhì)量，更加傾向于發(fā)表在國際期刊上。

第二，研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)有所重合，但各有側(cè)重。具體來說，研究對象是基本重合的，聚焦于可再生能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、微電網(wǎng)、電動(dòng)汽車;主要能源側(cè)重是一致的，對于風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、抽水蓄能都十分關(guān)注。但國內(nèi)外研究要點(diǎn)具有明顯的差異性，國內(nèi)聚焦于能源轉(zhuǎn)型、智慧能源、節(jié)能減排、集成優(yōu)化、協(xié)調(diào)控制等，但國外更加關(guān)注多能互補(bǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的可行性、系統(tǒng)的性能，以及系統(tǒng)如何運(yùn)行、如何優(yōu)化、如何控制等。在這一方面，看出國內(nèi)研究未來應(yīng)側(cè)重于對具體系統(tǒng)的精細(xì)度、精準(zhǔn)度和專業(yè)度上，即系統(tǒng)如何設(shè)計(jì)、系統(tǒng)如何可行，系統(tǒng)性能如何等。

第三，研究前沿。36年間（1984-2019），國內(nèi)多能互補(bǔ)研究前沿幾乎每6年都有一個(gè)轉(zhuǎn)折，每一個(gè)時(shí)間段都聚焦于不同的前沿。如1984-1989的農(nóng)村能源建設(shè)，1990-1995的氣候資源、新能源，1996-2001的可再生能源，2002-2007的風(fēng)力發(fā)電、抽水蓄能，2008-2013的光伏發(fā)電，以及2014-2019的工業(yè)園區(qū)、區(qū)域能源體系。國外研究則不同，雖跨度48年（1972-2019），但2000年以前，聚焦于互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，2001-2010，側(cè)重于機(jī)組設(shè)備性能、設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化，2010年以后，側(cè)重于風(fēng)電場等不確定氣候因素的處理。

第四，關(guān)鍵文獻(xiàn)。從國內(nèi)外選取的關(guān)鍵文獻(xiàn)分析中，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)文獻(xiàn)比較偏重理論，對于風(fēng)電、光伏能源接入系統(tǒng)中帶來系統(tǒng)的間歇性、波動(dòng)性影響研究較為薄弱;國外文獻(xiàn)側(cè)重系統(tǒng)的可行性、系統(tǒng)性能，但是也普遍存在計(jì)算量大、實(shí)踐操作難度高的問題。將間歇性新能源電源接入傳統(tǒng)電源后，如何既能夠平衡混合供電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性問題，又能夠兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、清潔性問題，仍然是亟待解決的難題。

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