穆云飛:用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)研究

編者按：2019年9月5～6日，以“多元化布局和產(chǎn)業(yè)鏈延伸”為主題的“2019(第十五屆)中國分布式能源國際論壇”在北京召開，本次會議由中國能源研究會分布式能源專業(yè)委員會、中國能源網(wǎng)、能源Link主辦。會上，天津大學(xué)電氣工程系副教授穆云飛做了《用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)研究》的主題發(fā)言。

穆云飛：各位專家下午好！主要介紹一下我們在用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)的認識，我這次的匯報分為四個部分，首先看一下研究背景和意義，綜合能源系統(tǒng)或者叫能源互聯(lián)網(wǎng)在2014年在我們國家就獲得廣泛的關(guān)注，中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組也提出來要加強能源革命，國務(wù)院也制定了能源互聯(lián)網(wǎng)+的計劃，本質(zhì)上要推動綜合能源系統(tǒng)發(fā)展。

同時在高校和研究所領(lǐng)域，2015年清華大學(xué)發(fā)起了能源互聯(lián)網(wǎng)的第一屆香山會議，2016年10月份在天津大學(xué)基金委的支持下舉辦了新一代綜合能源系統(tǒng)的雙清論壇，2017年11月份清華大學(xué)發(fā)起了首屆能源互聯(lián)網(wǎng)的會議，2018年10月份由天津大學(xué)主辦和IAT合作舉辦了一個國際學(xué)術(shù)期刊。

我們對能源互聯(lián)網(wǎng)，或者我們報告主題叫用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)有一個簡單理解，我們認為綜合能源系統(tǒng)是傳統(tǒng)的電力、燃氣、熱力三個系統(tǒng)日益緊密耦合形成的以電力系統(tǒng)為核心的綜合能源系統(tǒng)，剛才也有專家講到電力在能源系統(tǒng)里，特別在新能源消納里的核心作用，所以我們初步理解是一個電力系統(tǒng)為核心的綜合能源系統(tǒng)。

我們看到在能源環(huán)節(jié)中，通過我們?nèi)細怆姀S，通過各種P2G，包括我們的蓄熱、熱泵、三聯(lián)供等不同的能源轉(zhuǎn)換裝備將這三個系統(tǒng)有機融合在一起，用戶側(cè)從目前階段來看是不同能源形式耦合最為緊密的形式，因為資產(chǎn)歸屬相對統(tǒng)一，相對靈活，目前耦合程度也更為緊密，所以用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)是前期一個重要的對象。

我們再比較幾個基本的概念，綜合能源系統(tǒng)我們理解是在規(guī)劃、建設(shè)和運行過程中對各種能源的生產(chǎn)、傳輸、分配、轉(zhuǎn)換、存儲、消費、交易等環(huán)節(jié)實施有機協(xié)調(diào)和優(yōu)化而形成的能源的產(chǎn)銷儲一體化的系統(tǒng)，還有一個跟他類似的概念叫能源互聯(lián)網(wǎng)，我們認為能源互聯(lián)網(wǎng)是更加強調(diào)信息環(huán)節(jié)跟物理環(huán)節(jié)的融合，是一次的綜合能源系統(tǒng)為物理載體，進一步深度融合各類智能化的信息技術(shù)，可以實現(xiàn)不同能源的互通，互濟和互聯(lián)網(wǎng)型的能源系統(tǒng)。

我們可以理解綜合能源系統(tǒng)是一次系統(tǒng)，而能源互聯(lián)網(wǎng)是一二次融合的系統(tǒng)。國網(wǎng)公司也提出泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的概念，主要是圍繞電力系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，以電力系統(tǒng)作為主要的載體，充分利用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)，通訊技術(shù)來實現(xiàn)人機交互，具有狀態(tài)感知，信息高效處理，應(yīng)用便捷靈活特征的智能能源服務(wù)的系統(tǒng)。

我們說綜合能源系統(tǒng)更關(guān)注的是未來發(fā)展的整體能源系統(tǒng)的形態(tài)，而泛在電力物聯(lián)網(wǎng)前期主要是關(guān)注以電力為核心載體的電力環(huán)節(jié)應(yīng)用。我們說從綜合能源系統(tǒng)來看，我們可以看成是未來人類社會的新一代能源系統(tǒng)，智能電網(wǎng)或者是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)處在一個相對核心的地位，剛才專家也講到電能主要是其他能源生產(chǎn)傳輸必須的能源，很多能源需要轉(zhuǎn)化為電來利用，就這個發(fā)展來講整體可以作為一個載體的形式而存在，所以我們認為我們國家綜合能源系統(tǒng)或者是能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)該充分利用前期在智能電網(wǎng)的研究成果，在這個基礎(chǔ)上進一步開展研究。

下面看一下構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)的意義，我們說構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)，有助于國家可再生能源的規(guī)?；_發(fā)，有助于綜合能源利用或者是梯級利用，以后能效的提升，有助于系統(tǒng)能源可持續(xù)發(fā)展，提高能源利用效率，提高社會供能可持續(xù)性和安全性，同時有利于各類分布式的，比如集中式的分布式能源并網(wǎng)的利用。

這個概念全球也獲得了廣泛的關(guān)注，比如說美國很早就開展這方面的研究，2007年就頒布了能源獨立安全法，要求供能系統(tǒng)、電力和燃氣環(huán)節(jié)必須要開展協(xié)同規(guī)劃，主要是因為美國風(fēng)電相對比較高，大部分跟風(fēng)控調(diào)頻調(diào)峰的電廠主要是燃氣電廠，其中有一個現(xiàn)象是導(dǎo)致我們?nèi)細饩W(wǎng)絡(luò)的氣壓不斷的抖動，其實他們在研究過程中很關(guān)注電力和燃氣的協(xié)同規(guī)劃。2008年提出來未來可再生能源傳輸與管理系統(tǒng)，我們叫做FREEDM新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。2009年將智能電網(wǎng)列入國家戰(zhàn)略，終極目標(biāo)還是我們綜合能源系統(tǒng)。

加拿大有他的地方，地廣人稀，所以更加關(guān)注社區(qū)級的綜合能源系統(tǒng)，也是通過國會立法把社區(qū)級的綜合能源系統(tǒng)上升到國家戰(zhàn)略，也組建了幾個大型的項目。歐洲具有綜合能源系統(tǒng)發(fā)展的天然土壤，在歐盟的第五、第六框架，包括地平線2020計劃把綜合能源系統(tǒng)作為一個核心的研究方向，當(dāng)然美國、丹麥、法國、德國也都結(jié)合自己的特點開展相應(yīng)各具特色的研究。

下面我介紹一下綜合能源系統(tǒng)研究中面臨的挑戰(zhàn)，第一個是思想觀念上的挑戰(zhàn)，最早手機操作系統(tǒng)，塞班在應(yīng)用很廣的時候，安卓系統(tǒng)其實效果還不太好，但是一旦起來以后，我們說這個趨勢就很難阻擋，包括我們現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)模式下的美團、快遞，其實也是發(fā)展的很快。當(dāng)傳統(tǒng)能源企業(yè)如果還覺得商業(yè)模式不成熟的情況下再發(fā)展綜合能源系統(tǒng)不可行的情況下，其實轉(zhuǎn)變是會非?？斓?，所以對綜合能源系統(tǒng)發(fā)展我們要有一個思想觀念上的轉(zhuǎn)變。

第二是體制上的挑戰(zhàn)，剛才專家也有提到，我們國家體制下電力、燃氣、供熱、石油、煤炭都有行業(yè)的獅子和老虎，他們?nèi)狈献鞯膭恿?，由此也限制了國家綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展。所以構(gòu)建綜合能源服務(wù)商，不同能源企業(yè)之間走向合作也是綜合能源系統(tǒng)發(fā)展一個非常重要的助推。

第三是技術(shù)上的挑戰(zhàn)，我們說對我們單一能源系統(tǒng)的控制，包括建模、運行、分析、控制相對來講比較成熟，但是不同能源形式，不同品類，不同時間尺度的能源混雜在一起，形態(tài)究竟是什么樣子，模型怎么去構(gòu)建，怎么進行系統(tǒng)分析，怎么樣進行規(guī)劃，怎么樣進行控制，其實也是有很多問題在里面，像一開始黃院長講的，如果沒有良好的系統(tǒng)設(shè)計，預(yù)測不準，其實這個系統(tǒng)很難達到一個盈利的狀態(tài)。

第四個是各類風(fēng)險因素的挑戰(zhàn)，剛才也有專家提到，我們說我們要投資一個用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)，其實會面臨著很多風(fēng)險因素，技術(shù)因素，比如說我們的設(shè)備國產(chǎn)化，特別是燃氣機等設(shè)備的國產(chǎn)化，實際上對我們成本的降低有非常重要的影響。另外新技術(shù)的引入，我們發(fā)現(xiàn)一個新技術(shù)的引入可能會帶來一個新的產(chǎn)業(yè)，甚至是顛覆另外一個產(chǎn)業(yè)，所以在投資建設(shè)的時候，我們說技術(shù)因素一定要得到深入的考慮。第二個是政策因素，我們國家雖然出臺了很多指導(dǎo)性的意見，但是很多細則相對不太明朗，包括公司合作的模式不太健全，能源價格體制的管制不太健全，比如說我們光伏補貼的取消，實際上對我們整個行業(yè)的影響是非常大的，包括我們未來能源價值的波動，國際局勢的變化會導(dǎo)致燃氣價格的波動，對我們整個投資回收都會產(chǎn)生一個非常重要的影響。在有就是能源體制和項目運營等等，這里面有很多因素，所以中期建設(shè)規(guī)劃和后期運維，怎么把這些因素綜合考慮決定了我們投資的成功和失敗。

未來對于用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)服務(wù)商面對上游能源企業(yè)的管控下，只能在狹窄的區(qū)間內(nèi)獲得利潤空間，所以建設(shè)和規(guī)劃運營階段怎么樣考慮風(fēng)險因素是一個值得關(guān)注的非常重要的問題。

下面看一下從研究角度，我們有一些關(guān)注的點，我就快速地簡單說一下，第一個關(guān)鍵技術(shù)就是綜合能源系統(tǒng)未來的形態(tài)會發(fā)生一個什么樣的變化，究竟是一個怎么樣的能源系統(tǒng)，這里面分為三個層次，第一個是未來智能電網(wǎng)，或者泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的形態(tài)特征及演化規(guī)律，現(xiàn)在對電網(wǎng)本身有一個非常大的沖擊，從配電而言這個圖我們可以看出來，會轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N用戶側(cè)集成了各種能源，網(wǎng)絡(luò)層有各種互聯(lián)，包括未來的虛擬電廠的應(yīng)用，所以不確定性非常強，各個分區(qū)可以互濟的模式可能未來是比較主流的發(fā)展方式。

第二個層次是電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的融合比如說電氣和冷熱系統(tǒng)的演化規(guī)律是什么，比如說涉及到不同分區(qū)的冷熱互聯(lián)，不同能源的融合都會對未來綜合能源系統(tǒng)產(chǎn)生一個非常重要的影響。

第三個層次，我們要突破單一能源系統(tǒng)的概念，從更高的角度去看這個問題，能源系統(tǒng)融合以后會產(chǎn)生大量的能源大數(shù)據(jù)，舉幾個簡單的例子，能源大數(shù)據(jù)對整個城市系統(tǒng)的發(fā)展有非常重要的支撐，比如說對政府企業(yè)的角色，對我們用戶服務(wù)水平提升，其實都會有非常重要的作用，所以綜合能源系統(tǒng)未來演化的過程中，我們要站在一個更高的角度去理解這個問題，要打破能源系統(tǒng)的界限。

第二個關(guān)鍵技術(shù)，適用于綜合能源系統(tǒng)研究的建模和綜合仿真技術(shù)，就要研究時間復(fù)雜性，還有空間復(fù)雜性，比如說單一能源系統(tǒng)內(nèi)部的，不同能源系統(tǒng)之間的，還有行為的復(fù)雜性，現(xiàn)在有很多專家提到人的行為在整個能源系統(tǒng)里怎么建模分析，再加上能源系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，其實問題會變得異常的復(fù)雜。

第三個關(guān)鍵技術(shù)，我們說能源系統(tǒng)的評估指標(biāo)體系和評估方法，這里面實際上無論是建設(shè)階段，規(guī)劃階段系統(tǒng)的設(shè)計，包括我們運行策略的評價，實際上通過評價反饋到我們系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，實際上都有著非常重要的作用。

第四個關(guān)鍵技術(shù)，我們規(guī)劃的時候不僅要滿足我們用戶多樣化的需求，還要實現(xiàn)通過我們綜合能源系統(tǒng)引入的多能互補的能力，通過這樣的能力來支撐我們系統(tǒng)運行，往往來講綜合能源系統(tǒng)的一次投資往往是非常高的，但是我們盈利往往是期望在后期運行階段更快地通過節(jié)能把我們的成本給收回來，所以規(guī)劃過程中我們要實現(xiàn)能源維度，時空維度和指標(biāo)維度的統(tǒng)一，通過這三個維度下，通過取優(yōu)找到最優(yōu)的規(guī)劃設(shè)計方案。

第五個關(guān)鍵技術(shù)，涉及到運行層面，一個是穩(wěn)態(tài)的運行優(yōu)化，要實現(xiàn)橫向不同能源之間的互補，還關(guān)系到安全穩(wěn)定情況下，異常態(tài)下或者故障態(tài)下怎么進行緊急控制也是我們要解決的非常重要的問題，這里面涉及到一個非常復(fù)雜的建模過程，實際上這些問題都有待于突破。

第六個關(guān)鍵技術(shù)，涉及到能源系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，通過人工智能、大數(shù)據(jù)、信息物理融合已經(jīng)成為現(xiàn)在學(xué)術(shù)圈新一輪的研究熱點，所以我們的融合怎么樣來保證他們之間的協(xié)調(diào)來提升系統(tǒng)的效率，其實也是關(guān)注的重點。

第七個關(guān)鍵技術(shù)，剛才也講了我們在分析能源系統(tǒng)的時候要跳開能源系統(tǒng)的局限，把它進一步上升到城市或者是更大范圍的層面，來實現(xiàn)能源系統(tǒng)和城市基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同發(fā)展的技術(shù)研究，這個其實也是非常值得深思的，現(xiàn)在包括電力公司也建很多綜合能源大數(shù)據(jù)的平臺，通過這些平臺支撐政府決策，支撐用戶的服務(wù)，其實已經(jīng)有了一些應(yīng)用。

結(jié)合會議的主題，綜合能源系統(tǒng)對電能質(zhì)量，包括電能的影響，這里面的技術(shù)挑戰(zhàn)剛才也說到了，包括可再生能源，多能互補，電動汽車，用戶角色轉(zhuǎn)變等因素，用戶側(cè)的綜合能源系統(tǒng)正在發(fā)生著顯著變化，怎么把充滿沖擊性的對象在我們綜合能源系統(tǒng)的環(huán)境下有效的平抑，這是一個有效的問題。

還有一個政策上的挑戰(zhàn)，包括前面專家所講到的能源主體，用能主體，參與主體之間的動態(tài)博弈，以及負荷的動態(tài)變化，實際上做分析的時候一定要考慮不同主體，不同能源之間的滾動優(yōu)化博弈的分析方法。

后面我快速介紹一下天大做的一點工作，我們的對象目前主要以用戶端為主，因為是好落地，好實現(xiàn)的前期對象，我們有一些建模方法，分析方法，還有一些運行優(yōu)化的方法，我們提出來一個綜合能源系統(tǒng)的動態(tài)模型的方法，可以把我們系統(tǒng)運行過程中的參數(shù)，我們運行狀態(tài)的變化考慮出來，這樣的話來實現(xiàn)我們系統(tǒng)運行狀態(tài)和我們數(shù)字系統(tǒng)分析時候的有機融合，這樣的話我們的運行策略就會更加精準。

第二個，我們考慮多能互補之后一個典型的創(chuàng)造性概念就是多態(tài)虛擬儲能的概念，我們通過熱泵和建筑體的結(jié)合，利用延遲熱惰性參與系統(tǒng)的需求響應(yīng)，這是建筑層面的。

第三個，怎么樣利用電動洗車集群實現(xiàn)我們跟系統(tǒng)的互動響應(yīng)，也提出來相應(yīng)的模型和一些運行的方法。

第四個，從系統(tǒng)分析層面我們提出來綜合能源系統(tǒng)電氣冷熱多能流靜態(tài)分析模型，比如說多能流的可靠性分析的方法，其實也是我們研究的一個重點，還包括一些電氣冷熱綜合系統(tǒng)的動態(tài)仿真算法，包括考慮時滯穩(wěn)定性的研究，包括多能流系統(tǒng)可靠性分析的研究，我們團隊都有不同的方向在一起共同研究，具體技術(shù)部分就簡單地說一下。

我們參與了一些大量的示范工程，有的是我們配合能源企業(yè)來做的，有的是我們自己構(gòu)建的，第一個我們天大有一個小的綜合能源微網(wǎng)的實驗室，我們也剛剛地對它進行了改造和裝修，如果各位專家感興趣，我們非常歡迎各位專家到我們那兒給我們一些指導(dǎo)，是典型的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這里面包括了各式各樣的儲能系統(tǒng)，還有一個三聯(lián)供系統(tǒng)，還有各類的交直流負荷，種類也是非常全，這是我們實驗室具體設(shè)備的照片。我們天大簽署了一個863項目，我們做了一個天大濱海工業(yè)研究院微網(wǎng)的項目，最終指標(biāo)是可再生能源利用率大于70%，也是通過了科技部的驗收。

會議組織方面，天大在智能電網(wǎng)最早開展了第一屆智能電網(wǎng)學(xué)術(shù)論壇，另外跟中瑞之間有一個中瑞合作的項目，2012年天大召開了亞太地區(qū)第一屆智能電網(wǎng)的國際會議，2014年王老師在這方面做的非常成熟，我們召開了微網(wǎng)的一個國際論壇，也是中美，包括世界各國來了很多專家，這個就是我剛才說的比較重要的是基金委的雙清論壇，是2016年召開的，當(dāng)時有40多個院士、長江、杰青、優(yōu)青參加了我們的會議，同時我們跟國際期刊應(yīng)用能源結(jié)合，我們在天津召開了應(yīng)用能源微網(wǎng)的國際會議，2018年我們開了一個國際供用電會議。我們天大跟瑞典的大學(xué)合作成立了一個聯(lián)合實驗室，目標(biāo)就是在分布式能源和微網(wǎng)領(lǐng)域的實驗室，像伯克利，包括英國卡迪夫，帝國理工等都在我們這里面做一個聯(lián)合的實驗，這是在天大召開的第一屆會議的情況。

天大還主辦了一個IET的雜志，是王老師做期刊的主編，未來想沖擊一下，因為是個新刊，未來想沖擊一下SCI的檢索，也歡迎各位專家賜稿。我們的成果，前期主要在電網(wǎng)和綜合能源結(jié)合領(lǐng)域，特別是在配電網(wǎng)規(guī)劃層面涉及到400多個城市，八千余項工程，工程資金超過萬億。

最后做一個總結(jié)，我們是搞電氣工程的，我們希望在智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建這樣一個綜合能源系統(tǒng)，實現(xiàn)不同能源的互通、互濟和即插即用，提高能源利用效率，實現(xiàn)可再生能源規(guī)模化發(fā)展，我的匯報到此結(jié)束，謝謝各位專家。