綜合能源系統與儲能

曾鳴，邱鋒凱

（華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室， 北京 102206）

0 前言

能源是人類生存和發展的基礎，是國民經濟的命脈，世界各國都將其視為國家核心戰略資源。以化石能源規?；脼榛A的第一次工業革命和以電能規?；脼榛A的第二次工業革命，塑造了當前能源開發利用的基本格局。然而，隨著經濟社會的持續發展，能源生產和需求不斷增長，傳統化石能源的過度開發和利用，導致了環境污染、氣候變暖、化石能源枯竭等問題，對可持續發展和高能效提出了重大挑戰。同時，全球化和“一帶一路”使得國際能源合作進一步加強，開放包容、普惠共享的能源利益共同體、責任共同體和命運共同體將帶來更加多元的能源文化、技術和市場。在此背景下，如何吸納多元化的能源文化和技術，提高各種能源的利用效率、強化能源系統之間的協調優化、實現多能源的互補互濟顯得尤為重要[1]。

傳統能源系統在解決上述問題時面臨著一些問題：一是能源子系統之間在規劃、運行和管理層面都相互獨立，存在管理和體制上的壁壘；二是各種能源的特性不盡相同，在能源生產、傳輸和使用環節實現互補協調都存有困難，存在技術上的壁壘；三是能源之間缺乏價值轉換媒介和機制，難以體現能源互補后帶來經濟和社會效益，存在市場模式上的壁壘[2]。因此，要有效解決能源可持續發展問題、綜合能效問題、多元能源協調互補問題，需要突破一些固有思維，構建新思路、新技術、新體系。在此背景下，綜合能源系統應運而生。

1 綜合能源系統的內涵和基本架構

綜合能源系統是指一定區域內的能源系統利用先進的物理信息技術和創新管理模式，整合區域內煤炭、石油、天然氣、電能、熱能等多種能源資源，實現多異質能源子系統之間的協調規劃、優化運行、協同管理、交互響應和互補互濟，在滿足系統內多元化用能需求的同時，有效提升能源利用效率、促進能源可持續發展的新型一體化能源系統。綜合能源系統的提出旨在解決前述傳統能源系統無法解決的問題，現實意義不言而喻：一是創新管理體制，實現多種能源子系統的統籌管理和協調規劃，打破體制壁壘；二是創新技術，通過研究異質能源的物理特性，明晰能源之間的互補性和可替代性，開發能源轉化和存儲新技術（如動態Energy Hub），提高能源開發和利用效率，打破技術壁壘；三是創新市場模式，建立統一的市場價值衡量標準和價值轉換媒介，使得能源轉化互補能體現出其經濟和社會價值，并挖掘新的潛在市場[3]。

與能源互聯網類似，綜合能源系統最終目的也旨在提升綜合能效、促進能源可持續發展，但后者更側重于物理信息系統，并且是依托于能源系統自身，通過新思路、新技術來解決能源系統的發展和優化問題（而非強調互聯網思維、ΙCT技術和純市場化手段）。歸納而言，綜合能源系統的內涵就是多種能源子系統之間的“多能互補、協調優化”。

“多能互補”指電力系統、煤炭、石油系統、供熱系統、天然氣供應系統等多種能源子系統之間的互補協調，突出強調各類能源之間的平等性和“可替代性/互補性”。按照綜合能源系統架構的設想，系統中各能源系統之間在物理-信息層面是互聯互通的[4]。這種互聯互通是為了讓各種能源都能找到自己合適的定位，最大化發揮作用，以清潔能源來承擔基本負荷、以化石能源來承擔高峰負荷、以二次能源為轉換媒介，并在各種能源需要相互支撐時可以通過信息信號的指揮下實現物理能源的合理調配。“協調優化”是指實現多種能源子系統在能源開發、能源傳輸、能源轉化、綜合利用等環節的相互協調，以實現滿足多元需求、提高用能效率、降低能量損耗、減少污染排放等目的。綜合能源系統包含了能源生產、傳輸、轉化、存儲、消費等能源開發到利用的所有環節，也是其“一體化特性”的體現。然而，雖然綜合能源系統內各環節分開、且存在許多終端能源自平衡單元，但要保證系統高效則必須保障系統鏈“分而不散”就需要確保綜合能源系統各環節的協調性，這種協調性更多體現在物理能源的轉化和利用以及能源信息的互動和響應方面[5]。

對于綜合能源系統的總體架構，則可概括為“外松內緊，分而不散”。從系統外部來看，綜合能源系統具有明顯的開放性，多種能源可以根據一定規則自由接入、內外部信息合理共享；從系統內部看，縱向各環節之間擁有緊密的協調機制，橫向各能源子系統之間互聯互通，終端自平衡單元之間在物理層和信息層都緊密互聯；從系統結構看，綜合能源系統擁有多個環節、多個能源子系統、多個終端自平衡單元，但是看似分散的結構擁有系統級、區域級和元件級的協調機制和優化控制手段，每個元件、每個部分、每個環節都與各自系統緊密互聯、信息互動而非孤立存在[6]。具體的架構形態可以通過對于物理層、信息層和市場層的剖析來確定：

綜合能源系統的物理層主要是指所有能源子系統的能源生產、傳輸、轉化、存儲和消費過程中所涉及的物理設備和網絡架構。物理層是要保證綜合能源系統中物理能源的正常生產、傳輸、交易和利用，是綜合能源系統運行的基礎。它的物理層猶如一個生物組織體，這個組織體中存在若干個相對獨立又廣泛互聯的物理單元。這些物理單元在執行任務時相對獨立，同時正常情況下每個單元能夠實現自我平衡，類似一個小型的區域綜合能源系統，我們稱之為多能源自平衡單元。在自平衡單元中，供能端由石油、煤炭、天然氣、核能等傳統能源系統和風能、太陽能、水能等清潔能源系統構成多能源供能系統，供能方式有集中式供能和分布式供能兩種；網絡輸送端以微型網絡為主，每個微型網絡承擔局部區域的能量傳輸，這些微型網絡包含了分布式能源系統、儲能裝置以及多元化負荷設備；用能端有微型網絡中的分散用戶，也有用能相對集中的用戶，可以由微型網絡供能，也可以由多能源供能系統直接供能。同時，能源自平衡單元之間又通過傳輸通道連接，在某個多能源自平衡單位無法實現自平衡或者需要在不同自平衡單元之間優化配置時，多個單元之間可以有效互動。

綜合能源系統的信息層主要由信息采集、存儲、分析、處理的相關硬件設備和軟件系統組成，它是綜合能源系統的大腦中樞。它有若干個信息集成控制單元組成，每個控制單元可以實現某方面或者某區域內的信息采集、存儲和分析，將信息匯聚成信息流進行處理。此外，綜合能源系統主體多元、系統鏈長、能源形式多樣、市場環境復雜，所以擁有海量數據，需要有模塊化的存儲數據庫，以及專業化的分析和處理系統。這些信息分析和處理的結果，結合原始數據一起，形成新的信息流向物理層以及能源市場發布，并轉變為操作指令或市場信號等。

綜合能源系統市場層是電力市場、天然氣市場等傳統能源市場在綜合能源系統中耦合的體現，突出體現各種能源在“能源互補、協調優化”過程中的創新價值，包括交易規則、價格機制、監管機制、市場主體、交易產品、業務類型和交易模式等內容。在市場層中，政府制定市場基本規則并實施監管，市場信號引導企業行為推動市場發展，企業是能源和服務的提供者、新技術的創造者，用戶是被服務對象也是市場監管者。

2 綜合能源系統中的儲能定位和作用

傳統能源系統中，產供銷是必不可少的環節，但在綜合能源系統中，儲能成為另一個關鍵環節。綜合能源系統中各能源子系統的融合都需要儲能的支持：電力系統與交通系統的融合少不了移動儲能和電動汽車的支持；天然氣系統和電力系統的融合需要制氫技術等化學儲能的支持；電力系統與熱力系統的融合需要儲電和儲熱技術的支持等[7]?？梢?，它是多種能源子系統融合的紐帶，也是綜合能源系統的“心臟”[8]。不過，綜合能源系統中的儲能與傳統意義上的儲能有所不同。傳統意義上的儲能是指通過裝置或物理介質將能量儲存起來以便需要時可以加以利用的能量存儲技術，更多的是指電能的存儲，重點在于電能存儲和雙向轉化技術；綜合能源系統中的儲能除了上述內涵外，更加注重電能與其他能源之間的單向轉化和存儲技術，以及其他多能源之間的單/雙向轉化和存儲技術[9]。其最終目標是要實現多元能源在時間、空間維度上的完全解耦，實現綜合能源解決方案的一般商品化產供銷模式。

從不同系統層級來看，儲能在綜合能源系統中具有緩沖器、聚合器、穩定器的作用。儲能是廣域綜合能源系統的緩沖器：利用規模化儲能技術協調集中式能源生產，利用能源子系統之間的單/雙向轉化、存儲技術來協調多能源調配，利用能源系統產供銷各環節存儲裝置和技術來合理確定（最優化）能量存儲和轉化方案，從而最大限度地參與廣域能量協調調度和管理，為大規模能源生產利用提供“緩沖”，為廣域綜合能源系統能量互補提供支撐；儲能是區域綜合能源系統的聚合器：隨著綜合能源系統內各能源子系統壁壘被打通、分布式終端逐漸增加、市場需求定制化特征凸顯，能源交易將會向分散化轉變、能源需求將會向即時化轉變，同時要求主體對市場信號擁有快速響應能力。區域綜合能源系統是廣域綜合能源系統和終端能源系統的連接點，它既要最大限度滿足下游主體多元化需求，但又不能處于“等電來”的狀態，而對于分布式能源、電動汽車、散點用戶的聚合管理難度也較大。在此背景下，儲能可以充當起能量的聚合器，集中起產能端和用能端資源，與能源轉換裝置相互配合共同維持系統和能源市場靈敏高效運行；儲能是終端能源系統的穩定器：終端能源系統的主要形態是多能源自平衡單元，主要元件和主體包括分布式能源、微型網絡、綜合能源服務商等。多能源自平衡單元的“自平衡特性”表明了終端能源系統不以依靠大系統維持內部供需平衡為主要手段，而是強調通過單元內部源-網-荷-儲協調互動、多能互補來實現自我平衡[10]。然而，可再生能源的波動性和散點用戶能量需求的不確定性帶來了終端能源系統雙側不確定性。對此，儲能系統可為終端能源系統提供輔助服務、能源備用、能源協調互補等服務，實現終端系統內能源生產與消費的平衡，是終端能源系統安全穩定經濟運行的重要保障，起到穩定器的作用。

3 結束語

目前，綜合能源系統及儲能已得到廣泛重視和研究，但綜合能源系統的落地和儲能系統在配電網中的規劃等問題仍沒有被完全解決，需要相關學者和專家繼續攻堅克難。為進一步解讀綜合能源系統及儲能相關概念和理論，本文分別對綜合能源系統的內涵和架構以及儲能在綜合能源系統中的定位和作用做了詳盡的分析。隨著綜合能源系統與儲能的進一步發展，在不遠的將來綜合能源系統定會首先在國內越來越多的地方實現落地，儲能系統也能在綜合能源系統中發揮越來越大的效用。