多能互補能源綜合利用關鍵技術研究現(xiàn)狀及展望

文_陳曉雨 北京燃氣能源發(fā)展有限公司

雖然近些年國家一直在深入推進可再生能源技術研究和應用，但由于關鍵技術層面的限制，使得多能互補能源綜合系統(tǒng)建設在我國還面臨多方面技術限制，因此分析這些技術限制并探析發(fā)展前景，才能更好地推動多能互補能源綜合利用水平不斷提升。

1 理論解析

1.1 多能互補能源綜合利用

多能互補能源綜合利用系統(tǒng)是相對于傳統(tǒng)分布式的應用模式而言，具體是指將各種能源資源進行綜合性輸入，依照不同能源品位高低進行綜合互補利用，并且依照設定的能量配合關系，實現(xiàn)轉換，以達到能源最佳利用效率的能源利用網(wǎng)絡系統(tǒng)。多能互補的應用，能夠通過多種資源組合模式，在區(qū)域范圍內建設一體化的集成功能基礎社會實踐，從而實現(xiàn)多能協(xié)同供應，提升能源綜合梯級利用水平，為解決我國能源緊缺、結構不平衡現(xiàn)狀提供具體操作路徑。

1.2 多能互補的提出與發(fā)展

據(jù)相關文獻，我國學術界關于多能互補的研究起始于20世紀80年代初期，主要是將各種能源進行綜合利用，對于同一主體在不同生產(chǎn)時期采用不同的能源供給方式，此時的研究與應用處于能源互補的初級階段。進入20世紀90年代，更多的學者將多能互補與生態(tài)產(chǎn)業(yè)、良性循環(huán)等概念結合研究，多能互補的應用范圍也得以拓展。但直到2010年之后，關于多能互補方面的研究在數(shù)量和質量層面才得以深度發(fā)展，不同學者從更加細化的方面對技術研究、推廣應用等進行深度分析，推動了我國能源綜合應用水平的不斷提升。

2 多能互補能源綜合利用關鍵技術研究現(xiàn)狀

2.1 技術研究現(xiàn)狀

基于多能互補研究文獻變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，2016年之后，我國關于這方面的研究幾乎呈直線上升狀態(tài)，這一現(xiàn)象與國家相關部門在2016年相繼推出《關于多能互補集成優(yōu)化示范工程建設的實施意見》《關于推進互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源發(fā)展的指導意見》等具有較為密切的關系，使得這方面的技術研究進入高速發(fā)展階段。如以某框架結構建筑為例，提出以太陽能耦合地源熱泵、回收新風系統(tǒng)、毛細管末端輻射、風光互補發(fā)電為基礎的多能互補系統(tǒng)；微電網(wǎng)概念提出的Metropolis準則與天牛搜索算法結合改進，合理安排機組出力，降低并網(wǎng)模式下微電網(wǎng)運行的總發(fā)電成本；基于大數(shù)據(jù)技術的多能互補能源體系的優(yōu)化策略，橫向多源互補和縱向“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)調系統(tǒng)提出，以及大數(shù)據(jù)在能源互補各個方面的具體應用形式等。

2.2 技術應用現(xiàn)狀

自2016年國家能源局組織評選《首批多能互補集成優(yōu)化示范工程》以來，我國各地區(qū)在多能互補項目建設方面的投入力度不斷增加，運行類別由原本的終端一體化供能系統(tǒng)和風光水火儲多能互補系統(tǒng)兩種基本形式，朝向多元化、大范圍、智能化方向發(fā)展。尤其是在地域范圍層面，由原來以中西部地區(qū)應用為主，朝向全國范圍內推廣。截止2020年底，河北崇禮多能互補綜合示范工程、山東濟寧“太陽能+”多能互補工程、魯能海西700MW多能互補工程、張家口“奧運風光城”多能互補集成優(yōu)化示范工程、中國華能多能互補能源基地等多個項目都進入不同運行階段。

3 多能互補能源綜合利用關鍵技術

3.1 規(guī)劃設計技術

規(guī)劃設計是多能互補能源綜合利用技術的前提程序，在傳統(tǒng)的能源利用模式中，能源利用之間的協(xié)同優(yōu)化較為簡單，沒有考慮不同能留系統(tǒng)的耦合，并且建模和分析方法具有較為明顯的差異。目前在這方面的研究中，部分學者開始將大數(shù)據(jù)技術和人工智能算法技術導入模型規(guī)劃中，實現(xiàn)了對能量的轉換、分配、存儲等環(huán)節(jié)的分別建模，并以此指導規(guī)劃設計。例如，一種基于日前經(jīng)濟優(yōu)化調度的綜合能源系統(tǒng)結構，其具體設計模式如圖1所示。

圖1 基于日前優(yōu)化的多能互補綜合能源系統(tǒng)結構圖

3.2 能量管理技術

能源管理系統(tǒng)的作用主要是基于信息流實現(xiàn)對能量流的監(jiān)測和調控，以此確保系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運行。近些年來，在智能技術的支撐下，實現(xiàn)了電力能量系統(tǒng)的智能管理。但由于多能互補系統(tǒng)是以多能流耦合為基本運行特征的，使得其能量流管理必須綜合考慮電網(wǎng)、可再生能源、非可再生能源、儲能系統(tǒng)及負荷等多方面因素，因此在這方面的研究進展相對較為緩慢。

3.3 協(xié)調優(yōu)化控制技術

在多能互補系統(tǒng)運行中，系統(tǒng)內部的協(xié)調優(yōu)化對能源利用效率具有直接性影響，如基于產(chǎn)業(yè)園區(qū)為運行基礎的，集成多元能源監(jiān)控、能量管理、能效管控和需求側效應等綜合為一體的綜合能源控制系統(tǒng)方案。在其方案所提出的綜合能源控制體系中，以數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)為基礎，構建涵蓋自動控制系統(tǒng)、監(jiān)視平臺、管理人員、控制機構為框架的分析系統(tǒng)，能夠基于分析結果對系統(tǒng)運行的電、熱、冷等系統(tǒng)進行調節(jié)分配，以此實現(xiàn)能源的高效分配。優(yōu)化控制的具體方法以通過智能算法為運行基礎，將運算得出結果與控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互后，再實現(xiàn)對設備的運行的具體優(yōu)化，具有較高的運行效率，其優(yōu)化控制模型圖2所示。

圖2 多能互補能源系統(tǒng)的協(xié)調優(yōu)化控制

3.4 儲能技術

儲能水平對多能互補能源系統(tǒng)保持穩(wěn)定運行和經(jīng)濟效益實現(xiàn)具有直接性影響，在系統(tǒng)中設置更加合理水平的電力儲能設備，不僅能夠實現(xiàn)能源臨時性的高效存儲，還能夠較好的應對電力能源輸入輸出的波動，降低電網(wǎng)接入難度。同時，不同的儲熱、儲氫技術的發(fā)展，還能在能源形式轉化中起到更好促進作用，并提升可再生能源的應用規(guī)模，有效提升供電質量和可靠性。目前我國在儲能技術方面的研究較為寬泛，但是在技術水平上較之實際應用要求還存在一定差距。

4 多能互補能源綜合利用技術發(fā)展趨勢

在國家相關部門政策驅動和市場需求的雙重推動下，多能互補能源綜合利用技術具有廣闊的發(fā)展前景。就技術層面而言，首先是智能化方向發(fā)展，無論是在系統(tǒng)整體設計還是在控制優(yōu)化等層面，都將會依托大數(shù)據(jù)和智能算法運行為基礎，構建完善的自運行系統(tǒng)，減少人工因素在系統(tǒng)運行中的干擾，確保系統(tǒng)能夠達到高智能運行水平。其次是朝著物聯(lián)網(wǎng)絡方向發(fā)展，也就是能夠建立起以能源物聯(lián)為基礎的綜合性網(wǎng)絡體系，將多能互補系統(tǒng)運行與電力改革有機結合，在完善電力交易機制的基礎上，實現(xiàn)更高水平的經(jīng)濟效益。