能源是社會和經濟發展的動力和基礎。由于傳統化石能源日益枯竭，提高能源利用效率、開發新能源、加強可再生能源綜合利用成為解決社會經濟發展過程中的能源需求增長與能源緊缺之間矛盾的必然選擇。由于不同能源系統發展的差異，供能往往都是單獨規劃、單獨設計、獨立運行，彼此間缺乏協調，由此所造成了能源利用率低、自愈能力不強、供能系統整體安全性有待提高等問題。

1. 多能互補簡介

多能互補并非一個全新的概念，在能源領域中，長期存在著不同能源形式協同優化的情況，幾乎每一種能源在其利用過程中，都需要借助多種能源的轉換配合才能實現高效利用。在能源系統的規劃、設計、建設和運行階段，對不同供用能系統進行整體上的互補、協調和優化，可實現能源的梯級利用和協同優化，為解決上述問題提供了思路。不同能源供應系統的運行特性各異，通過彼此間協調，可降低或消除能源供應環節的不確定性，從而更有利于可再生能源的安全消納。

隨著分布式發電供能技術，能源系統監視、控制和管理技術，以及新的能源交易方式的快速發展和廣泛應用，能源耦合緊密，互補互濟。綜合能源系統作為多能互補在區域供能系統中最廣泛的實現形式，其多種能源的源、網、荷深度融合、緊密互動對系統分析、設計、運行提出了新的要求。綜合能源系統一般涵蓋集成的供電、供氣、供暖、供冷、供氫和電氣化交通等能源系統，以及相關的通信和信息基礎設施。傳統的能源系統相互獨立的運行模式無法適應綜合能源系統多能互補的能源生產和利用方式，在能量生產、傳輸、存儲和管理的各個方面，都需要以考慮運用系統化、集成化和精細化的方法來分析整個能源系統，進而提高系統魯棒性和用能效率，并顯著降低用能價格。

2. 多能互補在綜合能源系統應用相關研究

綜合能源系統相關技術一直受到世界各國的重視，不同國家往往結合自身需求和特點，各自制定適合自身的綜合能源發展戰略。國內外專家學者做了相當多的研究，主要研究內容可歸納為圖1，包括以下幾個方面：


圖:多能互補相關研究關系圖

1)多能互補靜態建模

能源集線器(energyhub)模型反映了能量系統間的靜態轉換和存儲環節，最早由瑞士蘇黎世聯邦理工學院的研究團隊提出。該模型是綜合能源系統通用建模的一次有益嘗試，大量的相關研究已用于含有冷熱電氣系統的耦合關系描述，并被廣泛應用于各類綜合能源系統相關研究中(如綜合能源系統的規劃、分布式能源系統管理、需求管理控制、區域能源系統運行調度等)。該模型反映了能源在傳輸和轉換環節的靜態關系，而無法描述綜合能源系統內復雜多樣的動態行為。

2)多能互補動態建模

多能互補動態模型一般包括動態能源集線器和動態能源連接器模型。動態能源集線器在傳統集線器模型的基礎上，考慮能量轉換機組的動態特性。動態能源連接器描述了電能、液態工質或氣態燃料輸送環節的靜態特征和動態變化規律，研究兩端傳遞環節和協調反饋環節，對多個能源輸送環節進行統一和協調控制。

3)區域多能互補協同優化策略

從系統的角度看，耦合不同的能量載體相對于常規的去耦能量供應網顯示出許多潛在的優點，冗余能流路徑提供的一定程度的自由度為多能協同優化提供了空間。通過能量系統互連互通，改善不同能源在不同供需背景下的時空不平衡，實現降低系統用能成本、提高用能的效率以及增強供能的可靠性的目的。同時，這也使得協同優化問題的規模和求解難度也不斷提高，設計易于實施且優化效果明顯的運行策略一直是國內外的研究熱點之一。

4)家庭能源中心運行智能管理

用戶側的靈活資源、分布式電源、儲能設備將得到更加廣泛的應用，電、氣、冷、熱等多種能源形式在用能端的交叉耦合和相互轉換也將更為緊密，同時也為多元用戶主動參與綜合能源系統互動提供物質基礎，也促進了能量流、信息流、業務流等特性各異的物理對象的融合。未來的綜合能源系統不再是由供給側到用戶側的單向能量傳遞，能源用戶也由過去的能源使用者轉換成能源消費者和服務商，傳統能源系統中供給者、消費者的概念被淡化，取而代之的是綜合能源系統供需雙側的智能交互。

5)多種儲能的控制方法和配置策略

現階段，按照時間尺度來劃分，電儲能一般用于“低儲高發”、聯絡線功率控制和電能質量治理三個方面，經濟效益在峰谷電價差和延緩電網升級兩方面。由于供冷是非時變的，儲熱沒有套利空間，一般用于與CCHP機組協調調度，優化CCHP機組的運行狀態，使以熱定電的CCHP機組可在用電峰時段多發電，燃氣鍋爐運行在效率較高的狀態，在用電谷時段停機由儲能供熱，顯著提高機組的經濟效益。另外，對于電制冷機組，其經濟效益與實時電價關系密切，加入蓄冷可以顯著降低電空調的運行成本，減少電制冷機組的配置容量。

3. 多能互補在綜合能源系統中的關鍵問題

雖然就多能互補的相關問題已開展了大量的研究，但綜合能源系統的推廣仍面臨許多挑戰，在一些關鍵問題上仍需要進一步研究。

1)多能互補協同運行調度

多能互補的協同調度優化一直是這一領域研究的重點和關鍵，是系統規劃和市場互動博弈的基礎。通過多個系統的協同合作，實現區域系統的經濟和能效目標，并促進區域新能源的大規模消納。相反的，系統的耦合在取得效益增益的同時，故障后發生的影響范圍和影響程度也會擴大，特別是對于不同時間尺度的系統來說，很容易發生故障傳遞，因此，對于多能互補的系統風險評估還需要進一步深入研究。

2)多能互補協同規劃策略

對于多能互補的協同規劃，規劃場景構建與預測較傳統的電力系統規劃更加復雜，綜合政策、市場、氣象等重要信息，構建基于數據分析的規劃場景。依據源荷互補特性劃分互動集群，分別建立集群內源-荷-儲優化配置模型和供能網絡規劃模型，并基于分解協調思想實現互動集群和互濟網絡的協同優化規劃。在各場景下，通過冷熱電負荷需求、規劃問題不確定性及負荷可調潛力分析，計算用能需求的時空分布，據此確定規劃策略。

3)考慮用能替代的綜合需求響應

對多能互補系統，用戶參與需求響應的手段不僅限于傳統的電能削減和在時間上的平移。用能替代正逐漸成為綜合需求響應的一個重要方式，能量的替代使用可降低用戶側的用能成本，在滿足用能需求的前提下響應各個能源系統的調度期望，可觀的響應收益為用戶相應行為提供充足的驅動力。但是，當前調度、規劃以及市場的研究中，很多都忽略了這種新的用戶響應形式。

4)熱/電/氣多能流計算

無論是在規劃還是調度運行中，能流計算一直是多能系統靜態分析的一個關鍵問題。一般采用改進的能源集線器模型，考慮耦合單元作為平衡節點對于電力網絡和天然氣網絡潮流的影響，形成該系統適用的潮流求解算法。相應的研究可分為統一求解法和解耦求解法兩類。采用統一求解法時，需要建立電力-天然氣系統的混合模型，然后在統一的框架下建立包含多個能網狀態的潮流方程，對系統綜合潮流進行求解，在算法求解方面往往要求較高。而解耦求解法需分析不同模式下多個系統的耦合關系，將電力潮流與天然氣以及熱力系統解耦計算，因此可以在原有獨立的潮流計算模塊上增加電/氣/熱耦合分析模塊來實現，計算難度較小。

5)多能市場互動策略與交易機制

綜合能源系統的多能互動參與主體主要包括園區綜合能量管理中心、各類工業用戶、居民用戶、電動汽車、新能源、儲能、熱電冷聯產系統等。各類主體在互動框架中扮演著不同的角色，根據自身的用電特性、風險偏好和響應潛力，響應電價信息和管理中心發布的可中斷信息，調整自身負荷計劃，從而達到柔性互動的目標。然多能主體眾多，不同的用戶利益訴求不同，其參與互動的目標也有所差異，因此一個能夠吸引用戶參加的健全的互動機制，應在一定程度上滿足各個主體不同的利益目標，多能互動典型設計方案如圖2。


圖2 多能互動機制設計方案

4. 前景展望

隨著能量需求呈現多樣化和分布化趨勢，以多能互補為中心的綜合能源系統理論研究和工程實踐也隨之展開，然而在實踐和研究過程中，各子系統通過大量的異質元件耦合，耦合元件在不同的管理模式、運行場景和控制策略下相互影響，呈現不同的電氣、熱力、水力特性，對所耦合的能源系統產生強烈的非線性、不確定的影響，綜合能源系統無論在科學研究還是工程應用方面仍面臨著巨大的挑戰。為進一步提高用能效率，促進多種新能源的規模化利用，多種能源的源、網、荷深度融合、緊密互動又是未來能量系統發展的必然趨勢，據此，綜合能源系統多能互補研究具有前瞻性和巨大的工程應用價值。