李海爭，曹建軍，王俊，李偉起

1.國能國華（北京）分布式能源科技有限責任公司；2.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院

0 引言

中國能源消費總量巨大，但能源清潔度和用能效率相對較低。根據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒 2021》，2020年中國一次能源消費量達到 49.8×108tce，其中化石能源占比 84.7%［1］。相比于發(fā)達國家，中國的單位 GDP能耗水平相對較高，約為世界平均水平的1.5倍、發(fā)達國家的 2～3倍［2］。

中國不同地區(qū)能源資源稟賦差異較大，終端負荷和能源需求分布不均且逐漸趨于多元化，而傳統(tǒng)能源供應(yīng)商又相對獨立，故存在協(xié)調(diào)和優(yōu)化相對不足等問題。綜合能源系統(tǒng)具有清潔低碳、多能互補的優(yōu)勢，能夠較好地實現(xiàn)不同能源之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化。近年來，該領(lǐng)域發(fā)展得到了國家政策的大力支持，并在多家單位推廣試點，成為能源領(lǐng)域投資的新方向。自2017年起，國家電網(wǎng)有限公司、中國南方電網(wǎng)有限責任公司等先后宣布向綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型。電網(wǎng)轉(zhuǎn)型是中國綜合能源系統(tǒng)建設(shè)的必然選擇。目前綜合能源系統(tǒng)概念相對模糊，電網(wǎng)接入方式的相關(guān)討論相對匱乏，因此在轉(zhuǎn)型建設(shè)過程中，急需對上述問題進行綜合討論和分析。

本文基于對相關(guān)文獻的研究整理，明確綜合能源系統(tǒng)的概念、構(gòu)成及其優(yōu)勢，并提出可能的電網(wǎng)接入方式，區(qū)分各自的適用范圍。結(jié)合國內(nèi)外綜合能源系統(tǒng)的提出背景進行案例調(diào)研，梳理各國綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展情況與電網(wǎng)接入方式，總結(jié)中國綜合能源系統(tǒng)在未來發(fā)展過程中存在的問題，并給出相應(yīng)的戰(zhàn)略建議。

1 綜合能源系統(tǒng)概念、構(gòu)成及優(yōu)勢

“碳達峰”和“碳中和”（簡稱“雙碳”）作為中國經(jīng)濟戰(zhàn)略發(fā)展的重要理念，對于經(jīng)濟發(fā)展、能源轉(zhuǎn)型和人民生活均具有深遠意義。為了實現(xiàn)“雙碳”目標，有學者研究指出通過積極建設(shè)具有多能互補和源網(wǎng)荷儲一體化功能的綜合能源系統(tǒng)，不僅可以有效提升終端用能效率，提高清潔能源消費占比，還能減少管理區(qū)域內(nèi)的碳排放總量［3-4］。綜合能源系統(tǒng)的概念在國內(nèi)外發(fā)展研究多年，最早出現(xiàn)在熱電協(xié)同優(yōu)化領(lǐng)域，主要針對能源領(lǐng)域中不同形式能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化，如，通過對高低品位熱能與電能進行協(xié)調(diào)優(yōu)化，即冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)（CCHP），可以實現(xiàn)提升燃料利用效率的目的。但隨著近年來可再生能源相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，源端與受端的能源多樣化發(fā)展以及能源傳輸與設(shè)備的革新，促使能源系統(tǒng)進一步耦合，賦予了綜合能源系統(tǒng)新的含義。

1.1 綜合能源系統(tǒng)的概念與結(jié)構(gòu)

從廣義上講，綜合能源系統(tǒng)指在規(guī)劃、建設(shè)和運行等過程中，通過對多種能源的生產(chǎn)、傳輸、分配、轉(zhuǎn)換、儲存、消費等環(huán)節(jié)進行有機協(xié)調(diào)與優(yōu)化，形成以滿足冷、熱、電等多種用能需求的能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)［5］。

圖1展示了綜合能源系統(tǒng)的典型物理結(jié)構(gòu)，包括域外網(wǎng)絡(luò)、綜合能源系統(tǒng)和用戶需求三大部分。用戶需求一般包括對氣、冷、熱、電的需求。域外網(wǎng)絡(luò)一般可供應(yīng)電力、燃氣以及熱力等。狹義的綜合能源系統(tǒng)主要包含生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲、傳輸和分配等設(shè)施。生產(chǎn)設(shè)施用于區(qū)域內(nèi)能源生產(chǎn)，一般包括太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、地熱供熱等設(shè)施；轉(zhuǎn)換設(shè)施用于進行能源品種間的轉(zhuǎn)換，包括冷、熱、電聯(lián)供的燃氣分布式發(fā)電，直接供熱的燃氣鍋爐和電鍋爐，以及電制冷設(shè)備等；儲存設(shè)施用于能源的短期儲存，一般包括蓄冷、蓄熱、儲電、儲氣設(shè)施等；傳輸和分配設(shè)施指各類能源輸送網(wǎng)絡(luò)，包括電網(wǎng)、燃氣管道、熱水管道和冷水管道等。系統(tǒng)范圍方面，綜合能源系統(tǒng)具有城市級、園區(qū)級和樓宇級等不同類型。

圖1 綜合能源系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 綜合能源系統(tǒng)的特征

一是多能協(xié)同，電為核心。綜合能源系統(tǒng)能夠?qū)^(qū)域外的商品能源（如電、熱、氣等）與區(qū)域內(nèi)的一次能源（如風能、太陽能、地熱能、生物質(zhì)能等）通過相互轉(zhuǎn)化、相互耦合，以滿足終端用戶的冷、熱、電、氣等能源需求。電力及其設(shè)施因其與其他能源品種進行轉(zhuǎn)換的便捷性和技術(shù)成熟性，一般被視為綜合能源系統(tǒng)的核心。

二是清潔低碳，靈活高效。首先，綜合能源系統(tǒng)能夠在本區(qū)域內(nèi)進行風電、光伏發(fā)電等清潔電力的生產(chǎn)與消納，同時儲能等技術(shù)的應(yīng)用能夠減少可再生能源的棄電現(xiàn)象，更進一步推動電力的清潔化和低碳化，其中尤以電化學儲能技術(shù)發(fā)展迅速［6］。其次，綜合能源系統(tǒng)通過多能互補、梯級利用實現(xiàn)更高的能源利用效率，電力自產(chǎn)自銷避免了長距離能源運輸?shù)膿p失，因此能夠提高整體能源系統(tǒng)的效率。再次，綜合能源系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)設(shè)備規(guī)模小，調(diào)節(jié)更為靈活。

三是智能管理，安全可靠。綜合能源系統(tǒng)的能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、儲存及消費均具有一定的時空分布規(guī)律，如，受環(huán)境和技術(shù)本身制約，風電、光伏發(fā)電的生產(chǎn)具有間歇性和波動性，供熱鍋爐具有熱負荷慣性等。終端用能的需求受人類生產(chǎn)生活習慣的影響而具有顯著的分時分地波動，如，電動汽車充電負荷隨著使用者在居住地和工作地之間移動，居民區(qū)用電需求在傍晚具有顯著提高等。綜合能源系統(tǒng)收集能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、儲存、消費數(shù)據(jù)，通過智能管理可以提高整體系統(tǒng)效率并降低系統(tǒng)成本。對于嚴重依賴外部能源輸入的地區(qū)，如，偏遠山區(qū)、海島以及高負荷需求的城市，綜合能源系統(tǒng)可以通過利用本區(qū)域內(nèi)的可再生能源生產(chǎn)電力，能夠?qū)崿F(xiàn)抵抗外部能源系統(tǒng)失效時帶來的沖擊，從而提高能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。

2 綜合能源系統(tǒng)與電網(wǎng)

電力系統(tǒng)作為綜合能源系統(tǒng)中最為核心的部分，通常會以輻射狀的配電方式接入綜合能源系統(tǒng)所在地區(qū)，然后根據(jù)不同地區(qū)資源稟賦、用戶負荷、用戶類型的區(qū)別，再以不同的方式接入綜合能源系統(tǒng)與之配合。由于綜合能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)之間存在區(qū)別，電網(wǎng)接入方式會影響整個系統(tǒng)的性能，而目前此方面研究較少，因此有必要對綜合能源系統(tǒng)的電網(wǎng)接入方式進行探討。

2.1 綜合能源系統(tǒng)對電網(wǎng)的新要求

綜合能源系統(tǒng)本質(zhì)上是能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費、市場以及信息技術(shù)之間的深度融合［7］。其多能協(xié)同、以電為核心的基本特征決定了綜合能源系統(tǒng)與電網(wǎng)之間需要先一步進行耦合。因此相比于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)，綜合能源系統(tǒng)在基礎(chǔ)設(shè)施、能源技術(shù)、信息技術(shù)與管理機制4個方面對電網(wǎng)提出了新的要求。

基礎(chǔ)設(shè)施方面，不同于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中電、熱、冷、氣供應(yīng)子系統(tǒng)僅依據(jù)自身峰值負荷便能進行設(shè)計和建設(shè)，綜合能源系統(tǒng)需要建設(shè)分布式電網(wǎng)，以實現(xiàn)多源接入、多能互聯(lián)，這就要求電網(wǎng)具有大范圍調(diào)度能力，提升抗波動能力。

能源技術(shù)方面，綜合能源系統(tǒng)多采用分布式發(fā)電技術(shù)，需要從技術(shù)上提高能源利用效率，同時可再生能源發(fā)電具有間歇性和波動性的問題，因此需要通過耦合儲能技術(shù)，提升系統(tǒng)的抗波動能力。

信息技術(shù)方面，綜合能源系統(tǒng)涉及到大量的數(shù)據(jù)采集和預測，要及時了解用戶端能源需求，這要求電網(wǎng)具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，能夠在短時間內(nèi)準確計算最優(yōu)指令，同時還要求電網(wǎng)能夠具有智能控制能力，并迅速執(zhí)行最優(yōu)指令。

管理機制方面，綜合能源系統(tǒng)會向電網(wǎng)引入競爭機制來提高能源利用效率，包括能源供給競爭與電網(wǎng)管理競爭。同時，如何優(yōu)化綜合能源系統(tǒng)可以滿足對經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益之間的綜合考量，加大了對管理機制的評價難度。

2.2 電網(wǎng)對綜合能源系統(tǒng)的影響

電網(wǎng)作為綜合能源系統(tǒng)的核心與關(guān)鍵，是能源轉(zhuǎn)化和調(diào)控的重要環(huán)節(jié)［8］。首先，電能因其高效便利的特點，被廣泛利用于綜合能源系統(tǒng)的各個方面。其他能源的供應(yīng)和消費需要電能的供應(yīng)才能正常運行，太陽能、風能等可再生能源也需要轉(zhuǎn)化成電能才能實現(xiàn)規(guī)?；_發(fā)。其次，電網(wǎng)具有調(diào)節(jié)綜合能源系統(tǒng)擾動的功能，保障綜合能源系統(tǒng)的靈活性和安全性，以及外接分布式能源設(shè)備，合理開發(fā)可再生能源。再次，電網(wǎng)是協(xié)調(diào)各種能源利用環(huán)節(jié)的紐帶，通過智慧電網(wǎng)可提高電氣設(shè)備利用率和綜合能源利用率。

2.3 綜合能源系統(tǒng)的電網(wǎng)接入方式

通常情況下，電網(wǎng)為區(qū)域輸入電能，但綜合能源系統(tǒng)不但可以提供從外部電網(wǎng)所購電能，還可以將過剩的電力出售給電網(wǎng)，此外部分特殊地區(qū)也可以離網(wǎng)運行。因此，綜合能源系統(tǒng)與電網(wǎng)接入方式可分為3類，分別為離網(wǎng)運行、并網(wǎng)不上網(wǎng)、并網(wǎng)且上網(wǎng)（見圖2）。

圖2 綜合能源系統(tǒng)電網(wǎng)接入方式示意圖

離網(wǎng)運行是指綜合能源系統(tǒng)獨立運行，與電網(wǎng)不存在直接關(guān)系。離網(wǎng)運行的典型場景為偏遠農(nóng)村、海島、遷移性用戶，如牧民。離網(wǎng)的原因通常是主干電網(wǎng)延伸到該地區(qū)具有極大技術(shù)困難，或在當?shù)匕l(fā)展綜合能源系統(tǒng)不具備經(jīng)濟性。通過當?shù)啬茉吹母咝Ю?，如太陽能、風能、生物質(zhì)能等，綜合能源系統(tǒng)可以滿足本地區(qū)用戶的基本能源需求，但這種情況一般要求用戶的需求不能太大。

并網(wǎng)不上網(wǎng)是指綜合能源系統(tǒng)可以使用電網(wǎng)資源，但是不向當?shù)仉娋W(wǎng)輸出功率。并網(wǎng)不上網(wǎng)的情況多發(fā)生在一些需要外部電網(wǎng)的電力輸入才能滿足用戶能源需求的地區(qū)。這些地區(qū)具有本地能源資源匱乏、用戶對能源需求相對較大的特征。

并網(wǎng)且上網(wǎng)是指綜合能源系統(tǒng)并網(wǎng)運行，且當?shù)仉娋W(wǎng)可以向綜合能源系統(tǒng)回購電能，此時綜合能源系統(tǒng)相當于電網(wǎng)運行中的一個電源點。這種情況一般出現(xiàn)在本地可利用的能源較為豐富，不但能滿足用戶需求甚至還有富余，通過向電網(wǎng)售電，能帶來一定的經(jīng)濟效益。

2.4 綜合能源系統(tǒng)的電網(wǎng)接入問題

綜合能源系統(tǒng)并網(wǎng)運行，可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性，但同時也會對公用電網(wǎng)的安全運行造成一定的影響，特別是“并網(wǎng)且上網(wǎng)”的綜合能源系統(tǒng)，會對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量、供電可靠性和繼電保護都產(chǎn)生較大的影響（如表1所示）。

表1 綜合能源系統(tǒng)電網(wǎng)接入方式對配電網(wǎng)的影響

電網(wǎng)可以為綜合能源系統(tǒng)提供域外保障，消納域內(nèi)棄能，但同時也對電網(wǎng)接入提出了更高的要求。因此，離網(wǎng)運行的電網(wǎng)接入方式將會出現(xiàn)可再生能源供應(yīng)與域內(nèi)能源消費的隨機性無法調(diào)節(jié)，冬夏負荷高峰多變等問題，并網(wǎng)不上網(wǎng)容易造成綜合能源系統(tǒng)的棄光、棄風。

綜合能源系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接并不僅僅受限于電網(wǎng)可靠性，還涉及一些體制方面的問題。中國電網(wǎng)企業(yè)的營業(yè)收入主要來源于售電收入，如果適合于安裝綜合能源的用戶都選擇安裝綜合能源系統(tǒng)，這將對電網(wǎng)企業(yè)的售電量和售電收入產(chǎn)生一定影響，特別是在綜合能源系統(tǒng)得到大范圍的推廣后，甚至可能影響到電網(wǎng)企業(yè)的市場占有率和盈利水平。因此，在現(xiàn)行的價格體制下，綜合能源系統(tǒng)會搶奪一部分電網(wǎng)企業(yè)的能源市場。由于綜合能源系統(tǒng)接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)企業(yè)需要為其提供運行備用，同時還需要對系統(tǒng)的線路、保護裝置、控制設(shè)備等進行升級改造，電網(wǎng)企業(yè)缺乏配合綜合能源系統(tǒng)發(fā)展的動力。因此，若無法建立合理的價格管理體制和分攤機制，電網(wǎng)企業(yè)和綜合能源系統(tǒng)業(yè)主在綜合能源系統(tǒng)接入電網(wǎng)過程中無法獲得收益或降低成本，綜合能源系統(tǒng)的并網(wǎng)將存在很大的困難。

此外，在“雙碳”發(fā)展背景下，為了減少二氧化碳排放，發(fā)電側(cè)將會接入越來越多的可再生能源，由此給電網(wǎng)帶來了更多不確定因素，電力供應(yīng)容易出現(xiàn)間歇性、波動性的問題。有研究表明，虛擬同步發(fā)電機技術(shù)［9］、儲能技術(shù)［10］等措施可以實現(xiàn)對電網(wǎng)接入進行調(diào)控，從而解決上述問題。

3 國外綜合能源系統(tǒng)電網(wǎng)接入方式

3.1 國外綜合能源系統(tǒng)發(fā)展概述

為了促進未來能源的可持續(xù)供應(yīng)，全球?qū)C合能源系統(tǒng)的研究十分火熱，目前有超過70個國家和地區(qū)正大力開展相關(guān)系統(tǒng)研究［11-12］。

3.1.1 國外綜合能源系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

綜合能源系統(tǒng)在歐洲、美國、日本等發(fā)達國家和地區(qū)已經(jīng)有了廣泛的發(fā)展和推廣，其中歐洲作為最早提出此概念的地區(qū)，綜合能源系統(tǒng)發(fā)展也最為迅速；美國同樣注重綜合能源系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)與理論的研究，并希望以此引領(lǐng)世界能源領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新與革命；日本則把綜合能源系統(tǒng)作為實現(xiàn)減排目標的重要手段。

漢英顏色詞在語用方面有著諸多差異。為了忠實于原文內(nèi)容，可以選擇不局限于原文形式，譯者在翻譯時可以采取意譯法。

歐洲綜合能源系統(tǒng)的提出和快速發(fā)展是為了消納大規(guī)?？稍偕茉?，提升能源系統(tǒng)的綜合規(guī)劃、運行、管理和梯級利用，增強能源系統(tǒng)總體安全可靠性，以及降低能源費用［11］。在此背景下，歐盟先后啟動了諸如Horizon 2020、CRESCENDO等項目探索城市綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展，西班牙、法國、英國、德國、意大利等國家相關(guān)項目普遍較多，北歐及東歐等國家項目相對較少。

歐洲各國根據(jù)自身需求在綜合能源系統(tǒng)發(fā)展上各有側(cè)重，英國注重系統(tǒng)間能量流的集成，德國則更側(cè)重能源系統(tǒng)和通信信息系統(tǒng)間的集成。由于歐洲國家發(fā)電側(cè)電力市場化程度較高，上網(wǎng)電價由市場機制形成，大多數(shù)綜合能源系統(tǒng)的電網(wǎng)接入方式采用了并網(wǎng)且上網(wǎng)的模式。

美國非常注重與綜合能源相關(guān)理論技術(shù)的研發(fā)，以及通過系統(tǒng)集成和過程設(shè)計的方法來實現(xiàn)最佳的能源生產(chǎn)和使用配置。在2001年，美國能源部（DOE）核能辦公室在已有的核能-可再生混合能源系統(tǒng)計劃的基礎(chǔ)上提出了綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展計劃，旨在評估協(xié)調(diào)使用核能和可再生能源對電力、工業(yè)和運輸部門能源需求的持續(xù)供應(yīng)，提高清潔能源供應(yīng)與利用比重，進一步提高社會供能系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，工作重點是促進對分布式能源（DER）和冷熱電三聯(lián)供（CCHP）技術(shù)的進步和推廣應(yīng)用［13］。DOE隨后通過立法等措施，從國家戰(zhàn)略的層面提出要在電網(wǎng)基礎(chǔ)上構(gòu)建一個高效能、低投資、安全可靠、靈活應(yīng)變的綜合能源系統(tǒng)。在美國聯(lián)邦政府的推動下，部分城市的社區(qū)、公共機構(gòu)以及偏遠地區(qū)和部分軍事設(shè)施開展了以微電網(wǎng)形式為主的綜合能源系統(tǒng)項目。

日本是亞洲首先開展綜合能源系統(tǒng)研究的國家。2009年9月，日本政府公布了其在2020年、2030年和 2050年溫室氣體減排目標，并認為構(gòu)建覆蓋全國的綜合能源系統(tǒng)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和提升能效、大力規(guī)?；_發(fā)可再生能源，是實現(xiàn)這一系列目標的必經(jīng)之路。在政府的積極推動下，日本的主要能源研究機構(gòu)均投入到了綜合能源系統(tǒng)研究中［14］。日本綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)主要是在社區(qū)綜合能源系統(tǒng)（包括電力、燃氣、熱力、可再生能源等）基礎(chǔ)上，將交通、供水、信息和醫(yī)療系統(tǒng)集成到一體化綜合能源系統(tǒng)中。日本城市社區(qū)人口較為密集，可供利用的可再生能源有限，綜合能源系統(tǒng)仍需要電網(wǎng)的輸入才能滿足用戶需求，因此，日本綜合能源系統(tǒng)的電網(wǎng)接入方式多采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的模式。

3.1.2 國外綜合能源系統(tǒng)發(fā)展特征

不同國家和地區(qū)在綜合能源系統(tǒng)發(fā)展過程中，根據(jù)實際情況，如資源稟賦、技術(shù)水平、生活方式等方面的區(qū)別，制定了適用于本國或地區(qū)內(nèi)的綜合能源發(fā)展戰(zhàn)略，因此具有不同的發(fā)展特征。

歐洲地區(qū)的綜合能源系統(tǒng)發(fā)展框架側(cè)重于對多種能源的協(xié)同優(yōu)化和互補，歐洲各國也具有適應(yīng)各自需求的發(fā)展認知。如：英國側(cè)重于建立安全可靠、可持續(xù)發(fā)展的國家能源系統(tǒng)和社區(qū)分布式綜合能源系統(tǒng)；而德國則重點關(guān)注高效的系統(tǒng)間集成和分布式電源與終端負荷間的智能調(diào)控。

日本因其本土能源資源匱乏和低碳意識的特點，對于綜合能源系統(tǒng)和溫室氣體減排的研究額外重視。日本將實現(xiàn)溫室氣體的減排目標寄托于綜合能源系統(tǒng)和可再生能源，構(gòu)建了全國的綜合能源系統(tǒng)旨在提升能效和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。

3.2 國外綜合能源系統(tǒng)與電網(wǎng)接入案例分析

3.2.1 德國RegModHarz項目—并網(wǎng)且上網(wǎng)

RegModHarz項目開展于德國的哈茨山區(qū)，從2008年起，歷經(jīng)4年建設(shè)完成。該地區(qū)可再生能源豐富，綜合能源系統(tǒng)的電網(wǎng)接入方式采用并網(wǎng)且上網(wǎng)模式，主要包括2個光伏電站、2個風電場、1個生物質(zhì)發(fā)電廠與1個抽水蓄能電站，年均發(fā)電量見表2。

表2 德國RegModHarz項目年均發(fā)電量

RegModHarz項目最具代表性的特點在于“虛擬電廠（VPP）”。該技術(shù)指的是通過虛擬的集合和調(diào)配，將分散的新能源發(fā)電設(shè)備統(tǒng)一并網(wǎng)且上網(wǎng)。虛擬電廠與分散式電源進行通訊連接，對于數(shù)據(jù)變化能夠快速反應(yīng)。同時，用電側(cè)的家庭用戶安裝了雙向能源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過記錄每15 min的用戶用電數(shù)據(jù)，整理出用戶每天的用電習慣，進而通過網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)儲存到VPP數(shù)據(jù)庫中。此外，當電價發(fā)生變動時，雙向能源管理系統(tǒng)還可以通過無線控制開關(guān)的插座，實現(xiàn)對用電時間和用電量的調(diào)控。除對用戶側(cè)的管理，虛擬電廠還可以通過一個控制中心實現(xiàn)對新能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)以及儲能系統(tǒng)的整合和管理，從而在電網(wǎng)運行中起到關(guān)鍵作用。其甚至還能直接參與電力交易，將可再生能源輸入電力批發(fā)市場，進行競價上網(wǎng)以獲取盈利。目前哈茨地區(qū)可再生能源比例達到 38.5%，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)依然能夠承受。

3.2.2 美國馬里蘭大學CCHP項目—離網(wǎng)運行

2001年，美國BROAD公司在馬里蘭大學參與建造了全球第一個直接利用發(fā)電尾氣制冷的項目。該項目采用了離網(wǎng)運行模式，主要在使用燃氣輪機向建筑供電的同時，利用一臺煙氣單效制冷機回收燃氣輪機排放煙氣中的余熱，并向建筑物供熱、供冷，從而提高整個系統(tǒng)的一次能源利用率，實現(xiàn)能源的梯級利用（如圖3所示）。由于該系統(tǒng)所服務(wù)的對象是一棟建筑，其能源需求較小，故該系統(tǒng)能夠在脫離電網(wǎng)的情況下獨立運行。

圖3 美國馬里蘭大學CCHP項目系統(tǒng)流程

3.2.3 日本千住技術(shù)區(qū)—并網(wǎng)不上網(wǎng)

2010年，在日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省補助事業(yè)“分布式能源復合優(yōu)化通過實證事業(yè)”的影響下，東京千住燃氣技術(shù)站（東京都荒川區(qū)南千?。﹥?nèi)的多數(shù)的建筑和近鄰的養(yǎng)老院間建立了擁有智能供應(yīng)的綜合能源系統(tǒng)（見圖4）。

圖4 日本千住技術(shù)區(qū)綜合能源系統(tǒng)流程

能源供應(yīng)設(shè)施包括太陽能發(fā)電設(shè)備、太陽能集熱裝置、高效燃氣輪機熱電聯(lián)合系統(tǒng)（CGS），以及有效利用太陽能和CGS廢熱的混合熱源系統(tǒng)。一方面，在電網(wǎng)接入方式上采取了并網(wǎng)不上網(wǎng)模式，電力公司將高效燃氣輪機、太陽能發(fā)電設(shè)備與電力設(shè)備相結(jié)合，以提供熱源給每座建筑物。另一方面，對于熱量、CGS廢熱（蒸汽，熱水）和太陽能（熱水）產(chǎn)生的熱量在C樓回收，并向A館、B館和C館提供制冷、供暖和熱水。C樓的能源中心管理著由各種能源（太陽能、CGS余熱、電、氣）驅(qū)動的混合熱源系統(tǒng)。為了以最節(jié)能的方式控制這幾組不同的熱源，其開發(fā)并安裝了熱源集成控制面板，該面板可優(yōu)先利用太陽能和CGS余熱。此外，在特殊療養(yǎng)院和C樓之間設(shè)計并安裝了雙向熱交換設(shè)施，可以相互交換多余的太陽能和CGS廢熱。

由于太陽能發(fā)電受天氣影響而存在較大波動，該項目利用已有CGS產(chǎn)生的電力來平衡太陽能發(fā)電的輸出波動。具體而言，CGS根據(jù)太陽能發(fā)電輸出功率的波動進行反向輸出調(diào)整，使得太陽能發(fā)電與CGS發(fā)電的合計輸出功率趨于穩(wěn)定。

該項目為千住技術(shù)區(qū)的節(jié)能減排做出了重要貢獻。與建設(shè)前 1990年的能耗與排放量相比，2011年該技術(shù)區(qū)節(jié)能率為13.6%，減排率達到35.8%（見表 3）。

表3 千住技術(shù)區(qū)節(jié)能減排效果

4 國內(nèi)綜合能源系統(tǒng)電網(wǎng)接入方式

4.1 國內(nèi)綜合能源系統(tǒng)發(fā)展概述

相比于西方發(fā)達國家，中國綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展起步較晚。近年來，在國家相關(guān)政策的推動下，傳統(tǒng)能源企業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都紛紛向綜合能源服務(wù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型。在發(fā)展的過程中，綜合能源系統(tǒng)暴露出了一些問題，也面臨著一定的阻礙。

4.1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

2015年以來，中國發(fā)布了多項發(fā)展綜合能源系統(tǒng)的相關(guān)政策（見表4）。目前國內(nèi)已有一批示范性項目正在建設(shè)或已投入運行，微電網(wǎng)是其中的重要方式之一。國內(nèi)首批多能互補集成優(yōu)化示范工程包括終端一體化集成供能系統(tǒng)項目17個、風光水火儲多能互補系統(tǒng)項目6個，對有關(guān)電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱力管網(wǎng)的配套工程規(guī)劃建設(shè)提出一定要求。首批新能源微電網(wǎng)確定了28個示范項目，重點在技術(shù)、運營、市場三方面分別突出了集成應(yīng)用、管理模式和交易機制的創(chuàng)新。首批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源確定了55個示范項目，大部分項目都集中分布在東部沿海各省。

表4 綜合能源系統(tǒng)發(fā)展方面的相關(guān)政策文件

在國家政策的鼓勵支持下，一些傳統(tǒng)的能源公司如國家電網(wǎng)有限公司、中國南方電網(wǎng)有限責任公司紛紛開始轉(zhuǎn)型，進軍綜合能源服務(wù)領(lǐng)域，發(fā)展分布式清潔能源發(fā)電、多能互補、增量配售電、節(jié)能改造等服務(wù)。與此同時，阿里巴巴集團控股有限公司、百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（北京）有限公司、深圳市騰訊計算機系統(tǒng)有限公司與華為技術(shù)有限公司等一些互聯(lián)網(wǎng)公司也在利用自身技術(shù)優(yōu)勢向綜合能源服務(wù)領(lǐng)域跨界，開發(fā)能源管理系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)、購售電平臺、能源數(shù)據(jù)增值服務(wù)等。

4.1.2 發(fā)展特征

根據(jù)封紅麗［12］對部分國內(nèi)綜合能源系統(tǒng)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中國綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展整體仍處于初級階段，而相關(guān)項目尚處于孵化、試點的狀態(tài)，且規(guī)模較小。當前國內(nèi)綜合能源系統(tǒng)的建設(shè)主要依托于電網(wǎng)，因地制宜加入光伏、風電、生物質(zhì)、地源熱泵等其他元素，同時配合綜合能源管控平臺進行能源間的智能調(diào)度。但是國內(nèi)參與綜合能源系統(tǒng)建設(shè)的企業(yè)相對繁多，企業(yè)間優(yōu)劣勢對比明顯、能力差異較大，對于不同地區(qū)復雜的資源稟賦與市場環(huán)境還沒有形成清晰的發(fā)展路徑。同時，國內(nèi)示范類綜合能源系統(tǒng)項目雖然數(shù)量較多，但互相之間的業(yè)務(wù)類型較為相似，商業(yè)模式創(chuàng)新不足。

由于中國能源市場結(jié)構(gòu)龐大，能源清潔度、智能化和用能效率相對較低，且傳統(tǒng)能源供應(yīng)商相對獨立，存在協(xié)調(diào)和優(yōu)化不足的問題。封紅麗［15］認為，目前國內(nèi)綜合能源系統(tǒng)相關(guān)項目在可再生能源接入與多種能源的調(diào)度技術(shù)上遇到瓶頸，一定程度上阻礙了綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展。一方面，由于國內(nèi)電力市場化交易還處于試點階段，分布式能源發(fā)電不能直接參與電力交易而獲取盈利，同時因缺乏國家層面的補貼政策扶持，綜合能源系統(tǒng)項目總體的經(jīng)濟性評價不高。另一方面，由于目前綜合能源系項目小且新，不符合銀行融資的要求，致使項目落地困難，且能源費用拖欠問題嚴重，導致投資的風險較高，一定程度上影響了企業(yè)投資的積極性。

4.2 國內(nèi)綜合源能系統(tǒng)與電網(wǎng)接入案例分析

由于中國目前電力市場化改革仍處于深化完善階段，市場化交易的相關(guān)體制機制還有待進一步完善，因此目前國內(nèi)大多數(shù)綜合能源系統(tǒng)項目在電網(wǎng)接入方式上主要采用的是并網(wǎng)不上網(wǎng)模式。隨著市場投資主體發(fā)生變化，逐漸出現(xiàn)了并網(wǎng)且上網(wǎng)模式的綜合能源系統(tǒng)項目。

4.2.1 國網(wǎng)客服中心綜合能源服務(wù)項目

國網(wǎng)客服中心于2015年6月投運，是集生產(chǎn)、辦公、生活為一體的大型園區(qū)。該園區(qū)以電能作為唯一的外部能源，配有光伏發(fā)電、地源熱泵、冰蓄冷等多種能源轉(zhuǎn)換裝置，使用發(fā)電地磚（系國內(nèi)首次工程應(yīng)用）、光伏發(fā)電樹以及發(fā)電單車等創(chuàng)新設(shè)備，對園區(qū)內(nèi)太陽能、地熱能、空氣熱能實現(xiàn)了高效且規(guī)模化利用。依托綠色復合能源網(wǎng)運行調(diào)控平臺，實現(xiàn)對園區(qū)冷、熱、電、熱水的綜合分析、統(tǒng)一調(diào)度和優(yōu)化管理。綠色復合能源網(wǎng)運行調(diào)控平臺主要包括光伏發(fā)電、太陽能熱水、太陽能空調(diào)、地源熱泵、冰蓄冷、蓄熱式電鍋爐、儲能微網(wǎng)7個子系統(tǒng)，如表5所示。

表5 國網(wǎng)客服中心綜合能源服務(wù)項目系統(tǒng)組成

該園區(qū)在運行效果良好的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟效益也初顯成效。截至2018年，園區(qū)7個子系統(tǒng)的年度經(jīng)濟效益總計達到 987.7×104元。其中，地源熱泵系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)是經(jīng)濟效益最好的兩個子系統(tǒng)，具體如表6所示。

表6 國網(wǎng)客服中心綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析

節(jié)約成本方面，截至2018年，園區(qū)每年節(jié)約用電約11 002 MW·h，因此可節(jié)約電費約987.7×104元。到2022年，預計可累計節(jié)約7 078.6×104元，具體如圖5所示。

圖5 2016—2022年國網(wǎng)客服中心綜合能源系統(tǒng)節(jié)約成本趨勢

環(huán)境效益方面，通過核算園區(qū)內(nèi)能源系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，折算出一年可減少標煤使用約3 531 t，這意味著減少了CO2排放約1×104t、SO2排放約73 t、NOx排放約40 t。

4.2.2 北辰商務(wù)中心綜合能源示范工程

北辰商務(wù)中心辦公大樓綜合能源示范工程于2016年11月動工，2017年5月投入運行使用。目前該工程運行良好，極具示范作用。該示范工程基于居民負荷和工商業(yè)負荷的互補性理念，利用產(chǎn)業(yè)、城鎮(zhèn)融合發(fā)展帶來的負荷多樣性，方便了綜合能源供應(yīng)和靈活調(diào)配的需求，主要包括6部分子系統(tǒng)，如表7所示。

表7 北辰商務(wù)中心綜合能源示范工程系統(tǒng)組成

在綜合能源智慧管控平臺上，對各產(chǎn)能系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測控制，可以實現(xiàn)3種形式能源的調(diào)節(jié)與互動：一是儲能系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)互動，利用儲能系統(tǒng)來穩(wěn)定光伏發(fā)電系統(tǒng)供能；二是儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)互動，用以削峰填谷，轉(zhuǎn)移用電高峰負荷，提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，同時利用峰谷電價差節(jié)省整體電費支出；三是大樓溫度趨優(yōu)控制，綜合能源智慧管控平臺對大樓房間的溫度變化進行實時監(jiān)測，從而調(diào)節(jié)地源熱泵工作狀態(tài)，在辦公環(huán)境舒適度和節(jié)能降耗之間實現(xiàn)最優(yōu)平衡。

經(jīng)濟效益方面，該示范工程共投資約1 000×104元，扣除天津市政府約240×104元的項目補貼，預計7年內(nèi)可收回全部投資成本，優(yōu)于計劃預期，具體如表8所示。投運一年共節(jié)約用電2 080 MW?h，節(jié)能費用約99.33×104元，減少CO2排放量2 073.1 t。

表8 北辰商務(wù)中心綜合能源系統(tǒng)節(jié)約費用

4.2.3 明珠工業(yè)園示范區(qū)綜合智慧能源項目

明珠工業(yè)園區(qū)的綜合能源服務(wù)項目是國家2016年重點研發(fā)計劃“智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備”的首批項目，對于綠色工業(yè)園區(qū)建設(shè)具有推廣前景和示范意義。通過多能互補協(xié)同控制和優(yōu)化調(diào)度，從而實現(xiàn)一次能源的高效利用和可再生能源的就地消納，進而提高工業(yè)園區(qū)的綜合用能利用效率，降低用能成本，減少 CO2排放。該項目的能源應(yīng)用子系統(tǒng)主要包括分布式光伏、壓差發(fā)電、燃氣鍋爐、中央空調(diào)、廠內(nèi)配用電、電儲能等，能源種類涉及冷、熱、電和氣，用能場景涵蓋源、網(wǎng)、荷和儲。該項目最大特點在于通過虛擬電廠實現(xiàn)供能企業(yè)和用戶之間的互動，即采用了并網(wǎng)且上網(wǎng)模式的電網(wǎng)接入方式。

經(jīng)濟效益方面，較項目實施前，該園區(qū)單位產(chǎn)值能耗降低 6%，用能費用降低 28%，更有意義的是削減峰值負荷大于20%，為能源供應(yīng)帶來了多參與主體、多樣負荷特性的新發(fā)展動力。同時，該項目實現(xiàn)每年減少CO2排放1.6×104t，是協(xié)助工業(yè)園區(qū)進行智慧能源管理實現(xiàn)能耗“雙控”“雙碳”目標的典型示范。

5 結(jié)論及建議

綜合能源系統(tǒng)能夠采用先進管理方法以及科學技術(shù)對能源系統(tǒng)中的不同能源進行整合，使不同的能源子系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)規(guī)劃、互補互濟，從而實現(xiàn)能源的梯級利用，提高能源利用效率。電網(wǎng)接入的方式作為綜合能源系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵，主要包括離網(wǎng)運行、并網(wǎng)不上網(wǎng)、并網(wǎng)且上網(wǎng)3種方式。關(guān)于綜合能源系統(tǒng)的研究國外開展較早，項目建設(shè)及商業(yè)運行也相對迅速。德國、美國和日本的案例表明，國外綜合能源系統(tǒng)間的協(xié)同互動逐漸加強，但不同區(qū)域或建筑依然相對獨立規(guī)建與運維。中國綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展起步較晚，目前還以項目試點為主，以國網(wǎng)客服中心和北辰商務(wù)中心為例的樓宇級綜合能源系統(tǒng)多采用并網(wǎng)不上網(wǎng)模式，明珠工業(yè)園則采用了并網(wǎng)且上網(wǎng)模式，整體呈現(xiàn)從樓宇級擴大到園區(qū)級，以電為核心、多能耦合的特征。

中國能源轉(zhuǎn)型進入關(guān)鍵時期，隨著互聯(lián)網(wǎng)、新能源技術(shù)以及電力體制改革進程加快，建設(shè)綜合能源系統(tǒng)已成為消納可再生能源、提升能源效率、降低用能成本的重要手段。針對綜合能源系統(tǒng)目前所存在的問題，以及未來發(fā)展過程中面臨的阻礙，建議如下：

一是加強重點技術(shù)研發(fā)，掃清能源與信息技術(shù)障礙。中國綜合能源系統(tǒng)要解決的問題首先是可再生能源接入技術(shù)障礙，其次是如何依托于互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)，進行多種能源供應(yīng)與用戶需求之間的智能調(diào)度。同時還要對綜合能源系統(tǒng)的不同電網(wǎng)接入方式進行建模優(yōu)化，采取虛擬同步發(fā)電機技術(shù)、儲能技術(shù)等措施，減少可再生能源接入對電網(wǎng)的沖擊。

二是落實財政補貼保障，夯實項目開發(fā)的政策基礎(chǔ)。由于中國多數(shù)綜合能源系統(tǒng)發(fā)展仍處于起步階段，亟須國家從財政上給予一定的保障，推動相關(guān)項目產(chǎn)業(yè)的孵化和落地。此外還應(yīng)通過政策導向避免部分行業(yè)企業(yè)對綜合能源系統(tǒng)的壟斷，為綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展營造良好環(huán)境。

三是推進電力市場改革，開創(chuàng)分布式電力交易模式。推進分布式發(fā)電的市場化交易體系建設(shè)，完善可再生能源價格機制，可以促進風光等資源的就近消納，減少綜合能源項目新增補貼資金需求。同時，通過市場的手段增加綜合能源系統(tǒng)項目的經(jīng)濟性，通過供需雙方的平等協(xié)議形成協(xié)作關(guān)系與利益的分布式共享，促進新能源全產(chǎn)業(yè)鏈的健康有序發(fā)展。

四是創(chuàng)新商業(yè)服務(wù)模式，提升綜合能源服務(wù)競爭力。提供綜合能源服務(wù)的企業(yè)應(yīng)當借助大數(shù)據(jù)深入調(diào)查用戶的實際用能習慣與潛在用能需求，結(jié)合各地不同的資源稟賦，因地制宜進行綜合能源系統(tǒng)的項目設(shè)計，從而打破目前千篇一律的商業(yè)模式，提升企業(yè)競爭力。