构建深度耦合综合能源系统探析

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作者：乔瑾 郝喜国 崔旭



随着全球低碳化、去碳化进程的加速推进，可再生能源在电力系统中占比越来越高。然而由此衍生出来的新挑战和新问题也直面在前，风电、光伏发电的间歇性、波动性、随机性对于基荷电站的需求难以满足，高比例新能源对于电网调峰调频及稳定性造成冲击，源随荷动的传统用电模式导致新能源电力消纳出现错位。如何构建适应低碳化的电力系统成为摆在当前一个重大课题。就当前可再生能源领域而言，很难说有哪一种清洁能源可以像燃煤发电或燃气发电独立且经济性较好地支撑起稳定可靠连续的电力系统，因此构建多能互补的综合能源系统将是未来的重要发展方向。

深度耦合综合能源系统的特征

以高比例可再生能源为主体的深度耦合综合能源系统指以电能为中心，利用先进的物理、信息技术手段，依托高度灵敏的智能化电网、基于快速精准响应的调度平台，整合风电、光伏、储能、氢能、水电、火电辅助调峰系统等多种异质能源子系统集成于一体的复杂综合系统。
该系统具备快速响应、即时决策、横向可多能互补互济、纵向可源网荷储无缝衔接协调的特征；在任何场景下，系统时刻都能达到稳定度高、可靠性强、安全性稳、能效性优、经济性佳的最优运行状态。从而实现多种异质能源子系统之间的协调规划、协同管理、智能灵活调度、优化运行、交互响应和互补互济。该系统在满足以安全经济可靠为目标的用能需求的同时，也有效地提升了能源利用效率，推动能源电力系统向清洁化、综合化、智慧化和去中心化转型。

构建深度耦合综合能源系统的必要性

当前，实现“双碳”目标，能源是主战场，电力是主力军，大力发展风能、太阳能等新能源是关键。随着新能源大规模开发、高比例并网，并逐步成为电力供应的主体，系统电力电量平衡、安全稳定控制等将面临前所未有的挑战，构建功能更强大、运行更灵活、更具有韧性的新型电力系统成为迫切需要。新型电力系统提出的同时，为我们带来了诸多新问题和新挑战。以我国为例，新型电力系统有显著的“三双”特征：即“双高”（高比例可再生能源和高比例电力电子装备）、“双峰”（电力网络冬夏负荷高峰）和“双侧随机”（供给侧随机性和需求侧随机性）。就“双高”而言，可再生能源系统中高比例应用的电力电子装备由于缺乏转动惯量，对于电网的频率调节同样具有短板，这也需要其他形式能源予以协助参与调频。就“双峰”而言，可再生能源基于“靠天吃饭”特性，决定了其无法在宽幅负荷内自如运行，也就限制了其参与调峰能力，掣肘了其对于电网负荷波动响应能力，这就需要其他形式能源协助参与调峰。就“双侧随机”而言，可再生能源受外界自然环境影响较大，出力具有随机性、间隙性和不稳定性特征，无法做到即用即发、即用随发，相比传统能源而言，年度利用小时数较低，无法提供持续稳定基荷，势必需要其他形式能源予以补充和辅助。可再生能源这些特征就决定了未来能源系统需要从“源随荷动”向“源荷互动”的综合能源模式转变。
从目前实践的经验来看，无论国内还是国际综合能源系统构建尚停留在起步阶段。其典型特点为在选定了待耦合的可再生能源发电方式后，仅从装机容量上或发电量上进行简单“1 +1=2”搭配，而没有进行深度统筹各类发电方式特点、运行工况模式、负荷跟随特性、调峰调频特性、基荷稳定特性、电力产用灵活特性、适应各类极端场景特性，且全生命周期内整体配置最佳、可靠性最强、发电成本最优、达到“1+1>2”效果的一套深度耦合综合能源系统。
因此，对于新型电力系统构建的支撑，不仅需要建立起多能互补的综合能源系统，而且更要在深度耦合上挖掘潜力，实现能源革命质的突破。

如何构建深度耦合综合能源系统

一、升级具备容纳高比例可再生能源的智能化电网
当前电网的构建基于高比例传统能源基础之上。新能源革命以来，可再生能源装机和上网电量占比逐步走高，由此带来的诸如弃风弃光等消纳问题逐步显现，成为制约可再生能源与其他能源深度融合的重要门槛，也即意味着现有电网无法适应高比例可再生能源系统的需求，亟需升级革命。改造升级为能够容纳高比例可再生能源的综合能源系统是各异质能源子系统进一步深度耦合的物质基础。
二、提升综合能源系统的控制逻辑算力
综合能源系统由各个子系统构建成了其 “总系统 ”，各子系统除需满足和优化本级控制逻辑外，还需要考虑 “总系统”层面的控制逻辑。“总系统”控制逻辑算力需求并非各个子系统简单相加的数量级，而是各个子系统相乘的数量级。这就需要在传统能源系统控制逻辑基础上指数级提升综合能源系统的控制逻辑算力，这样才能保证子系统的快速组合、分析、优化和决策，从而保证子系统和“总系统”的安全性、可靠性、经济性、最优性。
三、提升现代气象预报和模拟能力
可再生能源系统出力和状态很大程度上由自然气象环境决定。为了保证综合能源“总系统”的可靠性和科学性，就需要夯实底层各个子系统的基础。而对子系统出力的准确把握就需要建立在精准预报和科学气象模拟能力之上。预报和模拟能力提升越高，各个子系统发挥自身特性的优势就越充分，从而保证其对综合能源系统的可靠性支撑。
四、打破壁垒，实现产业链和技术之间的“深度耦合”
构建深度耦合综合能源系统，从当前看属于极为复杂的一项系统工程，对于团队综合能力要求极高。因为在当前较浅层面耦合电力系统构建过程中，团队成员基本上各司一职，因此，综合能源系统对于团队成员提出了更高要求：既要熟悉和掌握每个能源系统专业版块内容，又要深度了解同一耦合系统内其他专业版块的设计、施工、运行、电网响应特性等内容，只有对系统内各个部分理解深入了，才有可能深入挖掘各子系统技术、造价、施工、运行、调度特性和潜力，实现积极互动，进而在不同场景和模式下优化考量和匹配。
对于个人与团队发展而言，需要培养一人多能、一人多专团队，对于综合能源系统内各个子系统内容、子系统内各产业链、子系统全生命周期流程均需深入学习。尤其注重研究在横向上对比、归纳各个子系统的优劣势，这些子系统在优劣互补上如何实现功能最大化和效益最大化。
五、建立可以兼容共用的数字化大平台
平台与各类发电系统版块连接，各发电系统设计成果可以即时上传到公用平台上。平台还可以模拟各种情景模式下电力调度、调峰调频响应、基荷支撑、各系统出力配比、LCOE经济性分析等内容，以助于在平台上进行“总系统”和各个子系统优化调配。对于各类电站的设计数据成果、设备采购与性能参数数据、施工过程数据、电站运行维护数据均可上传至数字化平台数据库上，以便设计团队、采购团队、施工团队、运维团队及时共享，为未来综合能源系统模拟设计、模拟运行提供参考依据，进而提高综合能源系统构建的精准性。在综合能源各个子系统之间、各子系统与电网系统之间建立起具有高度灵敏性和极速反应的“万物互联”智能网络，同时发挥网络自适应、主动调节的快速机动灵活潜力，并且辅以自学习能力，对于各类场景和状况及应对策略逐渐纳入系统库，不断积累完善升级，形成一个强大数据库和经验库，从而具备灵活应对各类内、外部环境变化的高度适应能力。
六、增强综合能源系统的弹性
在综合能源系统深度耦合考量过程中，可以深入发掘一切有利于提升系统弹性的发电方式，并将其“榨干耗尽”，物尽其用。适度配置抽水蓄能、电化学储能、飞轮储能、氢燃料电站等各类可以灵活调度的发电系统。在综合考量该部分增加的配置和运行费用、为电网调峰调频等辅助服务带来的收益及综合系统弹性增加的效益基础上，择优选取最佳经济性配比。
七、积极探索建立示范模型
当前处于构建深度耦合综合能源系统的起步阶段，需在“先立后破”的基础上稳妥推进。因此，有必要建立不同场景、不同范围、不同环境的综合能源系统示范项目。通过项目的设计、建设、运行、经济效益分析、综合效果对比和得失不断积累经验，逐步升级迭代和完善，探索出符合各种需求并具备有效方案的综合能源系统。
八、打通“发输配售用”堵点，实现电力生产关系适应性升级
传统电力行业基于电力生产、消费和分配流程各环节特点，一般将发电、输电、配电、售电全部或部分切分开来管理，不同国家根据自身电力发展状况和特点，成立了相应的发电公司、输电公司、配电公司及售电公司或者其中的某些组合，各个版块管理生产链条中的某一个或某几个环节，长此以往，形成了各自的“势力范围”，这种结构形式在传统电力行业发展中发挥着极其重要的作用。然而，在传统电力向新能源革命转变的过程中，电力领域的生产力与生产关系正在悄然地发生着重大变革。基于此，客观上就需要生产关系适当调整，适应生产力特点的变化。这就需要从体制机制上进行升级、优化组织“发输配售用”各个环节，打通制约构建新型电力系统的各个堵点，实现从发到用全链条实时畅通无阻、信息高度及时共享、整体响应性超强的一体化融合，为多种能源深度耦合提供基础而关键的保障。
综合能源系统的构建并非一蹴而就，而是一个循序渐进的过程。这既需要各个新能源板块继续在自身纵深业务方向上发展，挖掘潜力；又需要结合现代化数字技术，深度跨学科融入能源系统，在横向上将所有子系统“一网打尽”，打造“形神如一”的紧密联系体；还需要从体制机制上予以支持和优化升级，做好基础铺垫。

（作者工作单位：中国电建集团国际工程有限公司）