彭 克，張 聰，徐丙垠，陳 羽，趙學(xué)深

（山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

0 引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，能源技術(shù)變革和創(chuàng)新也關(guān)系到社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展［1］。社會(huì)發(fā)展對(duì)能源需求量的急劇增加導(dǎo)致化石能源使用過(guò)度，并由此引發(fā)了一系列的環(huán)境污染和能源問(wèn)題。目前智能電網(wǎng)這一策略已在世界很多國(guó)家逐步實(shí)現(xiàn)，歐洲地區(qū)的智能電網(wǎng)建設(shè)取得了顯著的成效，我國(guó)在智能電網(wǎng)方面也有很大的突破。但是隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的逐步推進(jìn)，工業(yè)界與學(xué)術(shù)界都已意識(shí)到目前的技術(shù)體系下能源利用仍然存在一系列詬病，諸如可再生能源不能大規(guī)模有效消納、能源利用效率不高、安全性及可靠性較低等［2］。

為了解決能源問(wèn)題，美國(guó)早在2001年就提出了綜合能源系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃，目標(biāo)是促進(jìn)分布式能源和熱電聯(lián)供技術(shù)的推廣應(yīng)用以及提高清潔能源使用比重。歐盟在第七研發(fā)框架（FP7）中對(duì)優(yōu)質(zhì)能源網(wǎng)絡(luò)、能效和節(jié)能提出了新的要求［3-6］：提高歐洲電力和天然氣輸配系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（特別是歐洲能源市場(chǎng)整合背景下）的效率、安全可靠性及質(zhì)量；提高能源利用效率，促進(jìn)各產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步節(jié)能。本文主要總結(jié)了國(guó)內(nèi)外綜合能源系統(tǒng)的相關(guān)示范項(xiàng)目情況，對(duì)目前綜合能源系統(tǒng)發(fā)展做了介紹，分析了國(guó)內(nèi)外示范工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)我國(guó)綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展提出了建議。

1 綜合能源系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)

綜合能源系統(tǒng)是下一代智能的能源系統(tǒng)，使得能源系統(tǒng)的能量生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)和使用有了系統(tǒng)化、集成化和精細(xì)化的運(yùn)行和管理［7-8］。綜合能源系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要物理載體，是實(shí)現(xiàn)多能源互補(bǔ)、能源梯級(jí)利用等技術(shù)的關(guān)鍵，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)是綜合能源系統(tǒng)在地域上和功能上實(shí)現(xiàn)的具體體現(xiàn)，根據(jù)地理因素和能源特性，能源系統(tǒng)可分為跨區(qū)級(jí)、區(qū)域級(jí)和用戶級(jí)。

綜合能源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各種能源的協(xié)同優(yōu)化，利用各個(gè)能源系統(tǒng)之間在時(shí)空上的耦合機(jī)制，一方面實(shí)現(xiàn)能源的互補(bǔ)，提高可再生能源的利用率，從而減少對(duì)化石能源的利用；另一方面實(shí)現(xiàn)了能源梯級(jí)利用，從而提高了能源的綜合利用水平［5-7］。

以分布式冷熱電聯(lián)供（DES／CCHP）為代表的系統(tǒng)在我國(guó)已經(jīng)得到示范應(yīng)用，其將電力系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)和供冷系統(tǒng)通過(guò)相關(guān)的信息通信建立對(duì)應(yīng)的耦合關(guān)系，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。多能耦合和互動(dòng)是綜合能源系統(tǒng)典型的物理特征［1，8-14］。

圖1 典型綜合能源系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of typical integrated energy system

綜合能源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同能源形式之間的轉(zhuǎn)換，如可以將過(guò)剩電能轉(zhuǎn)化為易于儲(chǔ)存的氫能等其他能源形式，從而實(shí)現(xiàn)可再生能源的高效利用與大規(guī)模消納，從根本上對(duì)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。此外，由于各個(gè)能源系統(tǒng)之間的互聯(lián)，所以當(dāng)某個(gè)能源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，其他的能源系統(tǒng)通過(guò)獲取相應(yīng)信息［15］，利用能源之間的轉(zhuǎn)換供給彌補(bǔ)故障時(shí)的供能缺額，為能源系統(tǒng)在緊急情況下的協(xié)調(diào)控制提供了更為豐富的手段，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)綜合系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠運(yùn)行。

2 國(guó)外示范工程介紹

2.1 歐盟 ELECTRA示范項(xiàng)目

ELECTRA示范項(xiàng)目為實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉吹某浞掷茫塾?030年歐洲智能電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，針對(duì)不同規(guī)模、不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)，從運(yùn)行控制、儲(chǔ)能技術(shù)、電力市場(chǎng)機(jī)制等多個(gè)方面展開研究。項(xiàng)目組涵蓋了RSE、AIT等20多個(gè)歐洲研究機(jī)構(gòu)，整體研究思路是以分層分布式的控制策略代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中控制，提出以“網(wǎng)元（cell）互聯(lián)”的概念協(xié)調(diào)各種分布式能源的接入與就地平衡［16-17］，如圖2所示。網(wǎng)元定義為包含主動(dòng)負(fù)荷、分布式能源與儲(chǔ)能單元的既定區(qū)域。

在運(yùn)行控制方面，該項(xiàng)目利用網(wǎng)元互聯(lián)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分層分布式控制。在中壓網(wǎng)絡(luò)層面，側(cè)重電壓與頻率的控制；在用戶層面，根據(jù)建筑物冷熱電負(fù)荷規(guī)律、數(shù)量以及供能設(shè)備運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)運(yùn)行方案的切換，優(yōu)化冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的部件匹配和參數(shù)匹配，達(dá)到不同運(yùn)行工況的多目標(biāo)優(yōu)化。在儲(chǔ)能技術(shù)方面，針對(duì)不同容量及不同時(shí)間尺度的控制策略進(jìn)行了劃分，通過(guò)需求側(cè)管理實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與分布式能源的綜合優(yōu)化、削峰填谷等。電力市場(chǎng)機(jī)制作為上述技術(shù)研究的基礎(chǔ)，制定合適的激勵(lì)機(jī)制以促進(jìn)新技術(shù)的應(yīng)用。

2.2 歐盟E-DeMa項(xiàng)目

E-DeMa是歐盟智能電網(wǎng)計(jì)劃的項(xiàng)目之一，用戶可以通過(guò)對(duì)各時(shí)段電價(jià)差值的了解，達(dá)到節(jié)約用電的預(yù)期效果。項(xiàng)目重點(diǎn)在于建設(shè)具有高滲透率的分布式能源社區(qū)，將用戶、能源供應(yīng)商、能源銷售商、設(shè)備運(yùn)營(yíng)商等多個(gè)角色整合到一個(gè)系統(tǒng)中，并進(jìn)行虛擬的能源交易，交易內(nèi)容包括電量和備用容量等。該項(xiàng)目共有700個(gè)用戶參與，其中13個(gè)用戶安裝了微型熱電聯(lián)產(chǎn)裝置。

圖2 網(wǎng)元互聯(lián)示意圖Fig.2 Schematic diagram of cell interconnection

E-DeMa項(xiàng)目通過(guò)智能能源路由器實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的傳輸、分配、管理和控制等，如圖3所示，既可以實(shí)現(xiàn)用電智能監(jiān)控和需求響應(yīng)，也可以調(diào)度分布式能源供給電網(wǎng)或社區(qū)其他用戶［18-19］。智能能源路由器可以由智能電表和逆變器等組合而成，根據(jù)電廠發(fā)電和用戶負(fù)荷情況，從而選取最優(yōu)傳輸路徑來(lái)傳輸能量。對(duì)于接收到的能量，能源路由器都會(huì)重新計(jì)算網(wǎng)絡(luò)承載和用戶側(cè)負(fù)荷變化情況，重新分配物理地址，對(duì)其傳輸發(fā)送。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，使用能源路由器可以提高能源系統(tǒng)的整體效率，保障系統(tǒng)安全與穩(wěn)定。

圖3 能源路由器應(yīng)用模型Fig.3 Energy router application model

2.3 英國(guó)曼徹斯特示范工程

曼徹斯特每年在能源上的消耗都要超過(guò)2億英鎊，尤其是在電力消耗和家庭取暖方面。在曼徹斯特，可再生能源僅占3%，而大部分能源仍采用傳統(tǒng)的化石燃料，其中電網(wǎng)損失的能量為5%～10%［20］。

為了解決能源問(wèn)題，曼徹斯特大學(xué)做了綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行方法的研究，集成用戶監(jiān)控終端，開發(fā)了綜合能源電 ／熱／氣／水系統(tǒng)與用戶交互平臺(tái)，并在曼徹斯特得到成功應(yīng)用。該交互平臺(tái)從能源利用模式、能源節(jié)約策略和需求響應(yīng)3個(gè)方面對(duì)曼徹斯特能源系統(tǒng)進(jìn)行了整合［20-21］，如圖4所示。

圖4 曼徹斯特能源策略Fig.4 Manchester energy strategy

能源利用模式上，主要解決了能源的階梯利用問(wèn)題，利用能源之間的轉(zhuǎn)換，例如余熱與余電的轉(zhuǎn)換利用，實(shí)現(xiàn)了能源的高效利用；能源節(jié)約策略上，通過(guò)區(qū)域性分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了能源之間的綜合協(xié)調(diào)；需求響應(yīng)方面，通過(guò)集成用戶監(jiān)控終端采集底層數(shù)據(jù)信息，利用多種能源的需求側(cè)管理和響應(yīng)平臺(tái)，并結(jié)合能源利用模式和能源節(jié)約策略，調(diào)整能源負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)，控制峰谷差值大小，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。上述3個(gè)方面的技術(shù)的應(yīng)用在一定程度上緩解了曼徹斯特的能源問(wèn)題。

2.4 德國(guó)朗根費(fèi)爾德示范工程

能源轉(zhuǎn)型是德國(guó)的重大工業(yè)工程之一并計(jì)劃在2050年前實(shí)現(xiàn)，計(jì)劃在可再生能源的利用、多種能源綜合利用和化石能源高效利用方面取得顯著的成效［22］。雖然可再生能源發(fā)電現(xiàn)已占德國(guó)發(fā)電總量的25%以上，但因?yàn)榱畠r(jià)煤炭的用量不斷增加，德國(guó)的CO2排放量實(shí)際上還在增加，所以能源問(wèn)題亟待解決。

針對(duì)此類突出問(wèn)題，歐盟分布式能源實(shí)驗(yàn)室在分布式能源并網(wǎng)控制與管理和智能通信與量測(cè)等方面做了深入的分析和研究，并針對(duì)德國(guó)出現(xiàn)的這一典型能源問(wèn)題，開發(fā)了社區(qū)能源管理系統(tǒng)，并在德國(guó)朗根費(fèi)爾德得到應(yīng)用示范，如圖5所示。該系統(tǒng)主要是以智能社區(qū)為理論背景，智能社區(qū)綜合利用了現(xiàn)代信息通信、自動(dòng)控制和量測(cè)技術(shù)等，旨在為用戶提供優(yōu)質(zhì)用電服務(wù)，同時(shí)滿足分布式電源和電動(dòng)汽車等新能源技術(shù)的使用。朗根費(fèi)爾德所應(yīng)用的社區(qū)能源管理系統(tǒng)在智能社區(qū)這一概念的基礎(chǔ)上增加了交互平臺(tái)，使用戶能夠參與整個(gè)能源系統(tǒng)，這與2.3節(jié)中提到的曼徹斯特綜合能源系統(tǒng)交互平臺(tái)［20-21］是類似的。該系統(tǒng)分為3種工作模式：用戶用能成本最低模式、新能源最大消納模式和電網(wǎng)支撐模式［21］。

圖5 朗根費(fèi)爾德綜合能源系統(tǒng)Fig.5 Integrated energy system of Langenfeld

用戶用能成本最低模式在滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本要求下，實(shí)現(xiàn)社區(qū)內(nèi)用戶能源利用量的最小化；新能源最大消納模式也是在滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本要求下，實(shí)現(xiàn)分布式能源就地消納最大化，即實(shí)現(xiàn)社區(qū)能源的低碳化和自給自足；電網(wǎng)支撐模式是電網(wǎng)在需要社區(qū)提供能量支撐（如峰谷差較大等）情況下運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)起到可靠的支撐，優(yōu)化電網(wǎng)的運(yùn)行效率，提高電網(wǎng)安全性。

2.5 日本柏葉智慧城市

日本的能源匱乏，因此日本是最早開展綜合能源系統(tǒng)研究的亞洲國(guó)家。智慧城市理念倡導(dǎo)在各行各業(yè)中充分利用新一代信息技術(shù)，進(jìn)一步推動(dòng)信息技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的結(jié)合［23］。

目前在柏葉已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域能源管理一體化，柏葉智慧城市運(yùn)用了區(qū)域能源管理系統(tǒng)（AEMS），整個(gè)區(qū)域的能源信息被集中起來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一處理，把簡(jiǎn)單的節(jié)約能源發(fā)展成為能源循環(huán)與能源儲(chǔ)備［23］。另外，區(qū)域還設(shè)置了備用蓄電池設(shè)備，容量約為普通備用蓄電池的3000倍。其在電力充裕時(shí)或用電低谷期可儲(chǔ)存電能，用電高峰期供應(yīng)給寫字樓，節(jié)假日供應(yīng)給商業(yè)場(chǎng)所，以及在緊急情況發(fā)生時(shí)優(yōu)先供電給用戶住宅區(qū)使用等，有效地將電力提供給需求側(cè)。

圖6 柏葉智慧城能源系統(tǒng)Fig.6 Multi-energy system of Cypress wisdom city

AEMS作為柏葉智慧城能源系統(tǒng)的核心，還與樓宇能源管理系統(tǒng)（BEMS）和家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）進(jìn)行信息交換［24］，如圖 6 所示。 從服務(wù)和滿足家庭、社區(qū)需求出發(fā)，通過(guò)使用各種現(xiàn)代技術(shù)減少家庭、社會(huì)的能源消費(fèi)開支，提高能源資源的利用效率。重點(diǎn)通過(guò)可再生能源的開發(fā)和利用，推廣能源資源需求的智能化、可視化管理。比如通過(guò)用電量、燃?xì)?、用水量的可視化圖像或數(shù)字表達(dá)提醒人們節(jié)約使用；利用太陽(yáng)能、甲烷氣體、地源熱泵發(fā)電，開發(fā)儲(chǔ)存轉(zhuǎn)換系統(tǒng)供應(yīng)家庭生活應(yīng)急用電；通過(guò)智能交通管理系統(tǒng)幫助人們選擇更節(jié)能的出行方式等。

在柏葉智慧城市，除利用可再生能源與蓄電池實(shí)現(xiàn)能源的自產(chǎn)自消與二氧化碳排放量的大幅度削減外，還致力于積極研發(fā)能源創(chuàng)新技術(shù)。能源創(chuàng)新技術(shù)從如何利用二氧化碳角度出發(fā)，是一種將二氧化碳轉(zhuǎn)化為新能源的技術(shù)，即在太陽(yáng)光、新型催化劑、常溫常壓等反應(yīng)條件下，二氧化碳可以與水反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷和乙烯，這種新型能源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)碳排放量減半。

2.6 加拿大耶洛奈夫鎮(zhèn)示范項(xiàng)目

耶洛奈夫鎮(zhèn)人口約為2萬(wàn)，以旅游業(yè)為主，周邊水域較大，全年采暖期較長(zhǎng)（200 d左右）。該鎮(zhèn)存在的問(wèn)題主要如下：沒(méi)有較為完善的市政熱網(wǎng)系統(tǒng)，忽視用能效率，未充分利用當(dāng)?shù)乜稍偕茉?，居民?jié)能意識(shí)薄弱等。

耶洛奈夫鎮(zhèn)借助ICES（Integrated Community Energy Solutions）技術(shù)，結(jié)合綜合能源系統(tǒng)概念，對(duì)小鎮(zhèn)的能源系統(tǒng)進(jìn)行了改造。如圖7所示，小鎮(zhèn)從自身的優(yōu)勢(shì)和問(wèn)題出發(fā)，充分利用了可再生能源。

圖7 耶洛奈夫鎮(zhèn)能源系統(tǒng)Fig.7 Multi-energy system of Yellowknife town

當(dāng)?shù)毓I(yè)、商業(yè)和農(nóng)業(yè)等利用能源管理中心，將各種能源綜合管理和利用。利用余熱、廢熱和地?zé)岬龋瑴p少?gòu)U物排放，加大對(duì)廢物的回收再利用。以供熱為例，小鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)在傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)基礎(chǔ)上，還增加了地源熱泵、水電供熱、太陽(yáng)能熱風(fēng)系統(tǒng)、被動(dòng)式太陽(yáng)能供暖等，這在很大程度上提高了能源的利用效率和可再生能源的利用率［25-26］。

3 國(guó)內(nèi)示范工程介紹

3.1 北京延慶縣主動(dòng)配電網(wǎng)

延慶縣擁有豐富的可再生資源，而且擁有我國(guó)最大的微電網(wǎng)示范集群，可再生能源滲透率極高，這為主動(dòng)配電網(wǎng)示范工程的建設(shè)提供了有利條件。

圖8為延慶縣示范工程的能源分層控制策略示意圖。其中，延慶縣配電網(wǎng)改造采取了分區(qū)供電的方式，直流配電可以增大電纜傳輸容量，同時(shí)可以將直流負(fù)荷區(qū)直流母線連入交流負(fù)荷區(qū)直流接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)互相支持［27-28］。

圖8 延慶縣能源結(jié)構(gòu)Fig.8 Energy structure of Yanqing County

整個(gè)能源系統(tǒng)支持分布式電源的靈活安全接入，提升了能量傳輸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化配置能力和分布式能源的消納能力，提高了用戶的電能質(zhì)量和供電可靠性以及配電網(wǎng)設(shè)備利用效率。同時(shí)，利用用戶側(cè)可控資源的響應(yīng)能力，通過(guò)多種能源協(xié)同控制，平抑新能源波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了示范區(qū)高滲透率分布式新能源的充分消納，構(gòu)建起基于能源大數(shù)據(jù)平臺(tái)的能源管理中心。通過(guò)“區(qū)域自治，全局優(yōu)化”實(shí)現(xiàn)了能量的分層分級(jí)平衡，同時(shí)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)分布式能源預(yù)測(cè)、用戶用能行為分析等功能。

3.2 上海迪士尼度假區(qū)示范

上海迪士尼度假區(qū)是全球首個(gè)采用分布式電源技術(shù)的度假園區(qū)。上海迪士尼應(yīng)用了GE的分布式能源技術(shù)，如圖9所示，提供冷、熱、電和壓縮空氣四聯(lián)供：天然氣燃燒發(fā)電，然后將廢熱分三部分，一部分轉(zhuǎn)化為蒸汽，為園區(qū)中的娛樂(lè)設(shè)施提供動(dòng)力支持，一部分用于水加熱，提供給廚房和酒店等，最后一部分廢熱為化學(xué)反應(yīng)制冷提供反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)制冷［29-30］。

圖9 景區(qū)能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.9 Energy system structure of scenic area

由于采用了能源梯度利用模式，有效降低能源損耗，最大限度對(duì)能源利用，一次能源利用率達(dá)80%以上，相比于傳統(tǒng)模式，資源利用效率得到很大的提升。

該項(xiàng)目采用能源站集中控制系統(tǒng)與用戶側(cè)能源管理系統(tǒng)有效集成，保證站內(nèi)各系統(tǒng)始終處于高效運(yùn)行狀態(tài)；使用了大溫差制冷技術(shù)，降低了系統(tǒng)的整體能耗，提高了設(shè)備效率；采用了冷熱調(diào)峰設(shè)備滿足了用戶側(cè)不同時(shí)段的能源需求，同時(shí)通過(guò)多種儲(chǔ)能技術(shù)的低谷收集高峰釋放，提高整個(gè)系統(tǒng)的能源利用效率［29］。以高效、環(huán)保、節(jié)能的方式集中向園區(qū)供電，改善了區(qū)域用電方式，保護(hù)了核心區(qū)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。同時(shí)，在區(qū)域電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，項(xiàng)目的黑啟動(dòng)功能可以確保能源系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)用戶的用能安全［29］，避免過(guò)分依賴區(qū)域外的能源供應(yīng)，可在關(guān)鍵時(shí)刻對(duì)區(qū)域能源網(wǎng)絡(luò)起到較強(qiáng)的支撐作用。

3.3 天津中新生態(tài)城示范項(xiàng)目

天津中新生態(tài)城示范項(xiàng)目中，以微網(wǎng)的形式實(shí)現(xiàn)了冷／熱／電高效利用，具有了綜合能源的雛形。生態(tài)城是一個(gè)有綜合需求的能源供應(yīng)場(chǎng)所，能源系統(tǒng)集成多種能源輸入、多種產(chǎn)品輸出及多種能源轉(zhuǎn)換單元［31-33］。生態(tài)城各能源供應(yīng)比例如下：可再生能源占16.22%，其中太陽(yáng)能占2.33%，風(fēng)力占6.84%，地?zé)?熱泵占7.05%；余熱占4.05%，其中電廠余熱（循環(huán)水余熱）占3.60%，沼氣（垃圾及污泥）占0.45%；清潔能源占79.53%，其中分布式能源（冷熱電三聯(lián)供）占0.24%，燃?xì)庹?.82%，電廠蒸汽占17.97%，城市電網(wǎng)占52.50%。通過(guò)電、冷、熱能等相關(guān)環(huán)節(jié)的密切配合，實(shí)現(xiàn)能源的梯階高效利用。圖10為中新生態(tài)城的能源供給方式。

圖10 中新生態(tài)城能源供給方式Fig.10 Energy supply mode of China-Singapore eco-city

天津生態(tài)城是中國(guó)和新加坡兩國(guó)政府合作的旗艦項(xiàng)目，在能源利用上具有以下特點(diǎn)。

a.以能源站為核心，由停車場(chǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、新增儲(chǔ)能系統(tǒng)、以天然氣為燃料的冷 ／熱 ／電聯(lián)供系統(tǒng)構(gòu)成10kV能源微網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)冷／熱／電的梯階高效利用。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同分布式電源的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有助于分布式電源的優(yōu)化利用；靈活的運(yùn)行模式保障服務(wù)中心和能源站部分重要負(fù)荷的不間斷電力供應(yīng)。對(duì)用戶而言，廣泛使用微網(wǎng)可以在一定程度上降低電價(jià)，最大限度地獲得經(jīng)濟(jì)效益。

b.以動(dòng)漫園4棟樓的光伏發(fā)電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分別組建4個(gè)獨(dú)立的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)，提高光伏的利用率，同時(shí)可以提高重要負(fù)荷的供電可靠性。

利用光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的微網(wǎng)系統(tǒng)，用于動(dòng)漫園區(qū)4棟大廈，避免了光伏發(fā)電系統(tǒng)被切除的現(xiàn)象發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了可再生能源的最大化利用；靈活的運(yùn)行模式，提高了用戶側(cè)的供電可靠性；用戶可利用峰谷電價(jià)差運(yùn)行于微網(wǎng)模式。

3.4 崇明島示范工程

國(guó)網(wǎng)上海市電力公司和國(guó)電南瑞科技股份有限公司承建了以大規(guī)?？稍偕茉蠢脼樘卣鞯木C合示范工程。項(xiàng)目以建設(shè)“零碳輸入的智能國(guó)際生態(tài)島”為目標(biāo)，研究崇明島智能電網(wǎng)整體集成的解決方案［34］。

崇明島具有豐富的可再生能源，主要包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、潮汐能、地?zé)崮艿?，具有低碳、綠色、可持續(xù)發(fā)展的良好生態(tài)優(yōu)勢(shì)。崇明島能源管理模式如圖11所示，該示范項(xiàng)目將實(shí)現(xiàn)島內(nèi)綠色能源平穩(wěn)接入電網(wǎng)和分層分區(qū)就地消納、供電智能可靠、服務(wù)智能互動(dòng)、能效智能管理，達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行性和模式可復(fù)制性的多能協(xié)同示范作用。

圖11 崇明島能源管理模式Fig.11 Energy supply mode of Chongming island

該示范工程實(shí)現(xiàn)了多種可再生分布式電源的安全并網(wǎng)和就地消納；通過(guò)構(gòu)建靈活且具有彈性的智能用電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)、商業(yè)、環(huán)島電動(dòng)汽車供能體系和生態(tài)農(nóng)業(yè)等，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了用戶層與電網(wǎng)的友好交互，充分發(fā)掘了可再生能源的潛力。該項(xiàng)目率先完成了首套兆瓦級(jí)鈉硫儲(chǔ)能電站的工程化應(yīng)用，國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了配網(wǎng)層獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)和兆瓦級(jí)集裝箱式儲(chǔ)能系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行示范工程。崇明生態(tài)島將中國(guó)的生態(tài)文明理念運(yùn)用于不同層次的生態(tài)建設(shè)中，構(gòu)建出了適合本土發(fā)展的創(chuàng)新模式，該示范工程實(shí)踐證明了多能協(xié)同可以有效促進(jìn)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，其建設(shè)理念和成功經(jīng)驗(yàn)為我國(guó)發(fā)展建設(shè)生態(tài)文明發(fā)揮了良好的示范作用。

4 我國(guó)綜合能源系統(tǒng)發(fā)展建議

縱觀全球綜合能源發(fā)展動(dòng)態(tài)，通過(guò)上述國(guó)內(nèi)外示范工程的對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論：

a.在綜合能源系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展上，無(wú)論國(guó)內(nèi)與國(guó)外示范工程，通常將可再生能源的消納以及能源的高效利用作為目標(biāo)，以解決化石能源的枯竭危機(jī)；

b.多種能源之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化與控制是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，因此在各個(gè)示范工程的建設(shè)中，通常以能源管理中心或者平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)能源的管控，規(guī)模較大的系統(tǒng)甚至以分層分區(qū)的形式進(jìn)行管理，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多種能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行；

c.冷／熱／電／氣等能源轉(zhuǎn)化協(xié)調(diào)的關(guān)鍵設(shè)備通常采用微型燃?xì)廨啓C(jī)，形成局域的冷／熱／電聯(lián)供系統(tǒng)，通過(guò)能源管理中心制定冷 ／熱 ／電的聯(lián)合優(yōu)化策略。

因此，很多國(guó)家已將能源技術(shù)的突破作為科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的突破口，在政策上鼓勵(lì)發(fā)展新型能源技術(shù)，在能源利用上搶先占領(lǐng)制高點(diǎn)，這方面歐洲已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，通過(guò)與國(guó)外示范工程對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)我國(guó)在以下幾個(gè)方面仍然存在著差距。

a.能源政策方面。目前綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)費(fèi)用較高，因此需要國(guó)家給予政策性的補(bǔ)貼以激勵(lì)用戶進(jìn)行投資建設(shè)，國(guó)外在儲(chǔ)能、天然氣等方面的政策補(bǔ)貼已經(jīng)相對(duì)完善，而我國(guó)僅在光伏、風(fēng)電等新能源方面有相應(yīng)補(bǔ)貼政策，天然氣等補(bǔ)貼政策僅在上海等城市有初步的政策出臺(tái)。

b.互動(dòng)機(jī)制方面。綜合能源系統(tǒng)中多能協(xié)調(diào)互補(bǔ)通常需要與用戶互動(dòng)實(shí)現(xiàn)，因此制定合適的互動(dòng)機(jī)制如需求響應(yīng)機(jī)制等，激勵(lì)用戶參與是非常重要的手段，這方面由于國(guó)外的電力市場(chǎng)機(jī)制已經(jīng)非常成熟，因此在大多數(shù)示范工程中都考慮了互動(dòng)平臺(tái)或者是互動(dòng)機(jī)制的實(shí)施，而目前我國(guó)由于政策等各方面原因，需求響應(yīng)等互動(dòng)機(jī)制在實(shí)際工程中難以實(shí)施，僅在個(gè)別省份（如江蘇等地）有相關(guān)示范。

c.能源協(xié)調(diào)技術(shù)方面。目前我國(guó)多能協(xié)調(diào)技術(shù)主要依賴于局域的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，與其他形式的熱能、冷能，諸如冰／水蓄冷、熱泵等能源輸出相對(duì)獨(dú)立，從全局層面看，冷／熱／電仍然相對(duì)隔離，而且能源管控通常以微網(wǎng)的形式實(shí)現(xiàn)，規(guī)模相對(duì)較小。而國(guó)外示范工程則進(jìn)一步探索了新的能源協(xié)調(diào)技術(shù)與裝備，諸如能源路由器的使用，從全局層面上實(shí)現(xiàn)不同能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

未來(lái)我國(guó)要完成2020年非化石能源占一次能源消費(fèi)的15%和2030年非化石能源占一次能源消費(fèi)的20%的目標(biāo)［35-36］，需要在綜合能源領(lǐng)域不斷探索?？偨Y(jié)以上國(guó)內(nèi)外相關(guān)示范工程的經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展可以得到以下啟示。

a.完善能源政策體系。目前可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)政策的依賴度比較高，受政策影響程度很大，同時(shí)能源價(jià)格和稅收制度沒(méi)有為可再生能源建立公平的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，因此可再生能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展受到了制約。因此需要進(jìn)一步完善支持可再生能源發(fā)展的價(jià)格、財(cái)稅等優(yōu)惠政策，以促進(jìn)能源綜合利用。

b.多元化利用可再生能源。通過(guò)促進(jìn)可再生能源應(yīng)用成本的降低，積極引導(dǎo)太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等多元化可再生能源的充分利用，不斷探索新型能源技術(shù)，諸如太陽(yáng)能熱電／熱水／空調(diào)等，形成系統(tǒng)化的綜合能源技術(shù)體系。

c.協(xié)調(diào)化石能源的開發(fā)和利用。化石能源在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍然是整個(gè)能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，因此嚴(yán)格化石能源開發(fā)和利用是能源技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。按照統(tǒng)籌規(guī)劃、有效利用的思路，著力推進(jìn)化石能源高效率利用將是近期能源發(fā)展的重要方向。

d.建立區(qū)域能源管理中心。能源管理中心是實(shí)現(xiàn)能源綜合利用與節(jié)能減排的重要策略，將各種能源在一定區(qū)域集中管理，可以實(shí)現(xiàn)各能源之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有效地控制各能量流，實(shí)現(xiàn)能量定量傳遞到負(fù)荷側(cè)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行模式的切換，豐富能源系統(tǒng)的運(yùn)行模式。

e.健全需求響應(yīng)機(jī)制。需求響應(yīng)是充分發(fā)揮綜合能源系統(tǒng)效用的一個(gè)有效措施，同時(shí)也是提高整個(gè)能源供應(yīng)市場(chǎng)的穩(wěn)定水平和運(yùn)行效率的重要對(duì)策。良好的需求響應(yīng)機(jī)制可以為需求側(cè)管理創(chuàng)造更好的條件，同時(shí)可以充分發(fā)揮需求響應(yīng)的效益，形成良性循環(huán)。

f.推進(jìn)新型能源設(shè)備研發(fā)。綜合能源系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行需要新型能源設(shè)備作為支撐，需要研發(fā)諸如能源路由器等新型能源管理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多能量流的監(jiān)測(cè)與控制，保證能源的質(zhì)量與穩(wěn)定傳輸。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合能源系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是多能協(xié)同和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)能源的分級(jí)利用和循環(huán)利用。面對(duì)當(dāng)前的能源和環(huán)境形勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源的綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展，需要積極尋求新的能源發(fā)展道路。本文介紹了目前國(guó)內(nèi)外的部分典型示范工程，各個(gè)綜合能源示范工程的成功實(shí)踐表明綜合能源系統(tǒng)是解決我國(guó)未來(lái)能源問(wèn)題的有效途徑，但其是一個(gè)長(zhǎng)期的、復(fù)雜的、不斷更新的系統(tǒng)性工程，因此需不斷借鑒國(guó)外的先進(jìn)工程經(jīng)驗(yàn)，探索出適合我國(guó)發(fā)展的綜合能源技術(shù)與產(chǎn)業(yè)體系。

參考文獻(xiàn)：

［1］吳建中.歐洲綜合能源系統(tǒng)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)與現(xiàn)狀［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40（5）：1-7.WU Jianzhong.Drivers and state-of-the-art of integrated energy systems in Europe［J］.Automation of Electric Power Systems，2016，40（5）：1-7.

［2］孫宏斌，潘昭光，郭慶來(lái)，等.多能流能量管理研究：挑戰(zhàn)與展望［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40（15）：1-8.SUN Hongbin，PAN Zhaoguang，GUO Qinglai，et al.Energy management for multi-energy flow challenges and prospects［J］.Automation of Electric Power Systems，2016，40（15）：1-8.

［3］BEUZEKOM I V，MAZAIRAC L A J，GIBESCU M，et al.Optimal design and operation of an integrated multi-energy system for smart cities［C］∥IEEE International Energy Conference.Leuven，Belgium：IEEE，2016：1-7.

［4］歐盟第七研發(fā)框架計(jì)劃（FP7）［EB／OL］.（2010－11－25）［2017－01－22］.http：∥wenku.baidu.com ／link？url=3OPk9fP3gtW9jNywKmSJIMBHewl5fb2Gn2d4qFm0BL3cOl5e2pUAP63pZhKcBSl88Lq4ttFb2-e-Xt0k9lCyW4srxLaIMHF5KIikelskdRr8C.

［5］ZHANGX，SHAHIDEHPOURM，ALABDULWAHABA，etal.Optimal expansion planning of energy hub with multiple energy infrastructures［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2015，6（5）：2302-2311.

［6］Seventh Framework Programme（FP7）［EB／OL］.（2015-10-22）［2017-01-22］.http：∥tees.openrepository.com ／tees／bitstream／10149／133-050 ／5 ／133050.pdf.

［7］付學(xué)謙，孫宏斌，郭慶來(lái)，等.能源互聯(lián)網(wǎng)供能質(zhì)量綜合評(píng)估［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2016，36（10）：1-7.FU Xueqian，SUN Hongbin，GUO Qinglai，et al.Comprehensive evaluation of energy quality for energy internet［J］.Electric Power Automation Equipment，2016，36（10）：1-7.

［8］張勇軍，陳澤興，蔡澤祥，等.新一代信息能源系統(tǒng)：能源互聯(lián)網(wǎng)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2016，36（9）：1-7.ZHANG Yongjun，CHEN Zexing，CAI Zexiang，et al.New generation of cyber-energy system：energy internet［J］.Electric Power Automation Equipment，2016，36（9）：1-7.

［9］EDGHILL J，MCGREGOR D.The case of Barbados：the role of electric vehicles in creating a sustainable and integrated energy system for small island states［C］∥Hybrid and Electric Vehicles Conference.London，UK：IET，2014：1-7.

［10］GOMES R M F，SOUSA J B，PEREIRA F L.Modeling and control of the IES project ROV［C］∥European Control Conference.Cambridge，UK：［s.n.］，2003：3424-3429.

［11］董朝陽(yáng)，趙俊華，文福拴，等.從智能電網(wǎng)到能源互聯(lián)網(wǎng)：基本概念與研究框架［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38（15）：1-11.DONG Zhaoyang，ZHAO Junhua，WEN Fushuan，etal.From smartgrid to energy internetbasic conceptand research framework［J］.Automation of Electric Power Systems，2014，38（15）：1-11.

［12］徐憲東，賈宏杰，靳小龍，等.區(qū)域綜合能源系統(tǒng)電／氣／熱混合潮流算法研究［J］. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（14）：3634-3642.XU Xiandong，JIA Hongjie，JIN Xiaolong，et al.Study on hybrid heat-gas-power flow algorithm for integrated community energy system［J］.Proceedings of the CSEE，2015，35（14）：3634-3642.

［13］于波，孫恒楠，項(xiàng)添春，等.綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法［J］.電力建設(shè)，2016，37（2）：78-84.YU Bo，SUN Hengnan，XIANG Tianchun，et al.Planning design method of integrated energy system［J］.Electric Power Construction，2016，37（2）：78-84.

［14］KAMALINIA S，WU L，SHAHIDEHPOUR M.Stochastic midterm coordination of hydro and natural gas flexibilities for wind energy integration［J］.IEEE Transactions on Sustainable Energy，2014，5（4）：1070-1079.

［15］SHEIKH S，MALAKOOTI B.Integrated energy systems with multiobjective［C］∥Energytech.Tel-Aviv，Israel：IEEE，2011：1-5.

［16］MERINO J，RODRIGUEZ J，CAERTS C，et al.Scenarios and requirements for the operation of the 2030+electricity network［C］∥Cired-international Conference on Electricity Distribution.Lyon，F(xiàn)rance：［s.n.］，2015：1329-1333.

［17］MARTIN L，RADAELLI L，BRUNNER H，et al.ELECTRA IRP appoarch to voltage and frequency control for future power systems with high DER penetration［C］∥Cired-international Conference on Electricity Distribution.Lyon，F(xiàn)rance： ［s.n.］，2015：1357-1360.

［18］SMART ENERGY MADE IN GEMANY|E-DeMa［EB／OL］.（2014-01-02）［2017-01-22］.http：∥www.digitale-technologien.de／DT／Redaktion ／DE ／Downloads ／Factsheets ／factsheet-e-dema.pdf？_blob=publicationFile&v=2.

［19］E-Energy［EB ／OL］. （2014-12-05） ［2017-01-22］.http：∥www.digitale-technologien.de ／DT ／Navigation ／DE ／Service ／Abgelaufene_Programme／E-Energy／e-energy.html／.

［20］侯孚睿，王秀麗，鎖濤，等.英國(guó)電力容量市場(chǎng)設(shè)計(jì)及對(duì)中國(guó)電力市場(chǎng)改革的啟示［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39（24）：1-7.HOU Furui，WANG Xiuli，SUO Tao，etal.Capacitymarket design in the United Kingdom and revelation to China’s electricity market reform［J］.Automation of Electric Power Systems，2015，39（24）：1-7.

［21］時(shí)珊珊，蘇義榮，改傳躍.智能社區(qū)低碳能源管理系統(tǒng)方案研究［J］.華東電力，2014，42（12）：2918-2921.SHI Shanshan，SU Yirong，GAI Chuanyue.Scheme for low-carbon energy management system in intelligent community［J］.East China Electric Power，2014，42（12）：2918-2921.

［22］王偉亮，王丹，賈宏杰，等.能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的典型區(qū)域綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析研究綜述［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（12）：3292-3305.WANG Weiliang，WANG Dan，JIA Hongjie，et al.Review of steady-state analysis of typical regional integrated energy system under the background of energy internet［J］.Proceedings of the CSEE，2016，36（12）：3292-3305.

［23］千葉縣柏葉新城［EB／OL］.（2016-07-18）［2017-01-22］.http：∥wenku.baidu.com／link？url=Anu6DH25HH7xLIu2kvgxaqIjgbweHh-NUx_vcQC1IRa20cWDYUhNxCKkpK5d-P3nLXjLHW_ewgvr0Q_mqJoMABwTMclEURzYyWYZWUiydz5_.

［24］WANG J J，F(xiàn)U C，YANG K，et al.Reliability and availability analysis of redundant BCHP（Building Cooling，Heating and Power）system［J］.Energy，2013，61（4）：531-540.

［25］GRID2030［EB／OL］.（2011-07-29）［2017-01-22］.https：∥energy.gov／sites／prod ／files／oeprod／DocumentsandMedia／Electric_Vision_Document.pdf.

［26］WEIS T M，ILINCA A.Assessing the potential for a wind power incentive for remote villages in Canada［J］.Energy Policy，2010，38（10）：5504-5511

［27］黃仁樂(lè)，蒲天驕，劉克文，等.城市能源互聯(lián)網(wǎng)功能體系及應(yīng)用方案設(shè)計(jì)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39（9）：26-33.HUANG Renle，PU Tianjiao，LIU Kewen，et al.Design of hierarchy and functions of regional energy internet and its demonstration applications［J］.Automation ofElectric Power Systems，2015，39（9）：26-33.

［28］黃仁樂(lè)，程林，李洪濤.交直流混合主動(dòng)配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.電力建設(shè)，2015，36（1）：46-51.HUANG Renle，CHENG Lin，LIHongtao.Researchonkey technology of AC ／DC hybrid active distribution network［J］.Electric Power Construction，2015，36（1）：46-51.

［29］金成生，劉穩(wěn)堅(jiān)，邱尚青.微電網(wǎng)技術(shù)在上海迪士尼110 kV智慧變電站中的應(yīng)用［J］.華東電力，2014，42（5）：1027-1030.JIN Chengsheng，LIU Wenjian，QIU Shangqing.Application of microgrid technology in Shanghai Disney 110 kV intelligent substation［J］.East China Electric Power，2014，42（5）：1027-1030.

［30］上海迪士尼引進(jìn)分布式能源技術(shù)［EB／OL］.（2015-11-07）［2017-01-22］.http：∥www.china-epc.org／meiti／2015-07-15 ／7618.html.

［31］中新天津生態(tài)城能源規(guī)劃［EB／OL］.（2008-04-01）［2017-01-22］.http：∥wenku.baidu.com ／view ／8af98849cf84b9d528ea7ae6.html？from=search.

［32］李瓊.天津中新生態(tài)城動(dòng)漫園三聯(lián)供能源系統(tǒng)優(yōu)化分析［D］.天津：天津大學(xué)，2012.LI Qiong.Energy system optimization and analysis of cartoon and comics park in Tianjin Sino-Singapore ecocity ［D］.Tianjin：Tianjin University，2012.

［33］吳俊杰，馬秀琴，黃超，等.天津中新生態(tài)城綠色建筑評(píng)價(jià)體系及節(jié)能效益研究［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，40（4）：42-45.WU Junjie，MA Xiuqin，HUANG Chao，et al.Green building evaluation system and energy efficiency for Sino-Singaporean Tianjin eco-city［J］.Journal of Hebei University of Techology，2011，40（4）：42-45.

［34］郭茹，楊海真.崇明生態(tài)島可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，40（8）：1204-1209.GUO Ru，YANG Haizhen.Roadmap of renewable energy industry development in Chongming Ecoisland［J］.Journal of Tongji University（Natural Science），2012，40（8）：1204-1209.

［35］電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016— 2020 年）［EB／OL］.（2016－12－26）［2017－01－22］.http：∥www.cec.org.cn ／d ／file ／yaowenkuaidi／2016-12-26／41f185eae1301b0b82e16aa2a920e8fc.pdf.

［36］能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃［EB／OL］.（2016-12-16）［2017-01-22］.http：∥www.sdpc.gov.cn ／zcfb／zcfbtz／201612／W020161216659579-206185.pdf.