穆云飞:用户侧综合能源系统研究

编者按：2019年9月5～6日，以“多元化布局和产业链延伸”为主题的“2019(第十五届)中国分布式能源国际论坛”在北京召开，本次会议由中国能源研究会分布式能源专业委员会、中国能源网、能源Link主办。会上，天津大学电气工程系副教授穆云飞做了《用户侧综合能源系统研究》的主题发言。

穆云飞：各位专家下午好！主要介绍一下我们在用户侧综合能源系统的认识，我这次的汇报分为四个部分，首先看一下研究背景和意义，综合能源系统或者叫能源互联网在2014年在我们国家就获得广泛的关注，中央财经领导小组也提出来要加强能源革命，国务院也制定了能源互联网+的计划，本质上要推动综合能源系统发展。

同时在高校和研究所领域，2015年清华大学发起了能源互联网的第一届香山会议，2016年10月份在天津大学基金委的支持下举办了新一代综合能源系统的双清论坛，2017年11月份清华大学发起了首届能源互联网的会议，2018年10月份由天津大学主办和IAT合作举办了一个国际学术期刊。

我们对能源互联网，或者我们报告主题叫用户侧综合能源系统有一个简单理解，我们认为综合能源系统是传统的电力、燃气、热力三个系统日益紧密耦合形成的以电力系统为核心的综合能源系统，刚才也有专家讲到电力在能源系统里，特别在新能源消纳里的核心作用，所以我们初步理解是一个电力系统为核心的综合能源系统。

我们看到在能源环节中，通过我们燃气电厂，通过各种P2G，包括我们的蓄热、热泵、三联供等不同的能源转换装备将这三个系统有机融合在一起，用户侧从目前阶段来看是不同能源形式耦合最为紧密的形式，因为资产归属相对统一，相对灵活，目前耦合程度也更为紧密，所以用户侧综合能源系统是前期一个重要的对象。

我们再比较几个基本的概念，综合能源系统我们理解是在规划、建设和运行过程中对各种能源的生产、传输、分配、转换、存储、消费、交易等环节实施有机协调和优化而形成的能源的产销储一体化的系统，还有一个跟他类似的概念叫能源互联网，我们认为能源互联网是更加强调信息环节跟物理环节的融合，是一次的综合能源系统为物理载体，进一步深度融合各类智能化的信息技术，可以实现不同能源的互通，互济和互联网型的能源系统。

我们可以理解综合能源系统是一次系统，而能源互联网是一二次融合的系统。国网公司也提出泛在电力物联网的概念，主要是围绕电力系统的环节，以电力系统作为主要的载体，充分利用移动互联、人工智能等现代信息技术，通讯技术来实现人机交互，具有状态感知，信息高效处理，应用便捷灵活特征的智能能源服务的系统。

我们说综合能源系统更关注的是未来发展的整体能源系统的形态，而泛在电力物联网前期主要是关注以电力为核心载体的电力环节应用。我们说从综合能源系统来看，我们可以看成是未来人类社会的新一代能源系统，智能电网或者是泛在电力物联网处在一个相对核心的地位，刚才专家也讲到电能主要是其他能源生产传输必须的能源，很多能源需要转化为电来利用，就这个发展来讲整体可以作为一个载体的形式而存在，所以我们认为我们国家综合能源系统或者是能源互联网的建设应该充分利用前期在智能电网的研究成果，在这个基础上进一步开展研究。

下面看一下构建综合能源系统的意义，我们说构建综合能源系统，有助于国家可再生能源的规模化开发，有助于综合能源利用或者是梯级利用，以后能效的提升，有助于系统能源可持续发展，提高能源利用效率，提高社会供能可持续性和安全性，同时有利于各类分布式的，比如集中式的分布式能源并网的利用。

这个概念全球也获得了广泛的关注，比如说美国很早就开展这方面的研究，2007年就颁布了能源独立安全法，要求供能系统、电力和燃气环节必须要开展协同规划，主要是因为美国风电相对比较高，大部分跟风控调频调峰的电厂主要是燃气电厂，其中有一个现象是导致我们燃气网络的气压不断的抖动，其实他们在研究过程中很关注电力和燃气的协同规划。2008年提出来未来可再生能源传输与管理系统，我们叫做FREEDM新型电网结构。2009年将智能电网列入国家战略，终极目标还是我们综合能源系统。

加拿大有他的地方，地广人稀，所以更加关注社区级的综合能源系统，也是通过国会立法把社区级的综合能源系统上升到国家战略，也组建了几个大型的项目。欧洲具有综合能源系统发展的天然土壤，在欧盟的第五、第六框架，包括地平线2020计划把综合能源系统作为一个核心的研究方向，当然美国、丹麦、法国、德国也都结合自己的特点开展相应各具特色的研究。

下面我介绍一下综合能源系统研究中面临的挑战，第一个是思想观念上的挑战，最早手机操作系统，塞班在应用很广的时候，安卓系统其实效果还不太好，但是一旦起来以后，我们说这个趋势就很难阻挡，包括我们现在互联网模式下的美团、快递，其实也是发展的很快。当传统能源企业如果还觉得商业模式不成熟的情况下再发展综合能源系统不可行的情况下，其实转变是会非常快的，所以对综合能源系统发展我们要有一个思想观念上的转变。

第二是体制上的挑战，刚才专家也有提到，我们国家体制下电力、燃气、供热、石油、煤炭都有行业的狮子和老虎，他们缺乏合作的动力，由此也限制了国家综合能源系统的发展。所以构建综合能源服务商，不同能源企业之间走向合作也是综合能源系统发展一个非常重要的助推。

第三是技术上的挑战，我们说对我们单一能源系统的控制，包括建模、运行、分析、控制相对来讲比较成熟，但是不同能源形式，不同品类，不同时间尺度的能源混杂在一起，形态究竟是什么样子，模型怎么去构建，怎么进行系统分析，怎么样进行规划，怎么样进行控制，其实也是有很多问题在里面，像一开始黄院长讲的，如果没有良好的系统设计，预测不准，其实这个系统很难达到一个盈利的状态。

第四个是各类风险因素的挑战，刚才也有专家提到，我们说我们要投资一个用户侧综合能源系统，其实会面临着很多风险因素，技术因素，比如说我们的设备国产化，特别是燃气机等设备的国产化，实际上对我们成本的降低有非常重要的影响。另外新技术的引入，我们发现一个新技术的引入可能会带来一个新的产业，甚至是颠覆另外一个产业，所以在投资建设的时候，我们说技术因素一定要得到深入的考虑。第二个是政策因素，我们国家虽然出台了很多指导性的意见，但是很多细则相对不太明朗，包括公司合作的模式不太健全，能源价格体制的管制不太健全，比如说我们光伏补贴的取消，实际上对我们整个行业的影响是非常大的，包括我们未来能源价值的波动，国际局势的变化会导致燃气价格的波动，对我们整个投资回收都会产生一个非常重要的影响。在有就是能源体制和项目运营等等，这里面有很多因素，所以中期建设规划和后期运维，怎么把这些因素综合考虑决定了我们投资的成功和失败。

未来对于用户侧综合能源系统服务商面对上游能源企业的管控下，只能在狭窄的区间内获得利润空间，所以建设和规划运营阶段怎么样考虑风险因素是一个值得关注的非常重要的问题。

下面看一下从研究角度，我们有一些关注的点，我就快速地简单说一下，第一个关键技术就是综合能源系统未来的形态会发生一个什么样的变化，究竟是一个怎么样的能源系统，这里面分为三个层次，第一个是未来智能电网，或者泛在电力物联网的形态特征及演化规律，现在对电网本身有一个非常大的冲击，从配电而言这个图我们可以看出来，会转变为一种用户侧集成了各种能源，网络层有各种互联，包括未来的虚拟电厂的应用，所以不确定性非常强，各个分区可以互济的模式可能未来是比较主流的发展方式。

第二个层次是电网和其他系统的融合比如说电气和冷热系统的演化规律是什么，比如说涉及到不同分区的冷热互联，不同能源的融合都会对未来综合能源系统产生一个非常重要的影响。

第三个层次，我们要突破单一能源系统的概念，从更高的角度去看这个问题，能源系统融合以后会产生大量的能源大数据，举几个简单的例子，能源大数据对整个城市系统的发展有非常重要的支撑，比如说对政府企业的角色，对我们用户服务水平提升，其实都会有非常重要的作用，所以综合能源系统未来演化的过程中，我们要站在一个更高的角度去理解这个问题，要打破能源系统的界限。

第二个关键技术，适用于综合能源系统研究的建模和综合仿真技术，就要研究时间复杂性，还有空间复杂性，比如说单一能源系统内部的，不同能源系统之间的，还有行为的复杂性，现在有很多专家提到人的行为在整个能源系统里怎么建模分析，再加上能源系统本身的复杂性，其实问题会变得异常的复杂。

第三个关键技术，我们说能源系统的评估指标体系和评估方法，这里面实际上无论是建设阶段，规划阶段系统的设计，包括我们运行策略的评价，实际上通过评价反馈到我们系统的各个环节，实际上都有着非常重要的作用。

第四个关键技术，我们规划的时候不仅要满足我们用户多样化的需求，还要实现通过我们综合能源系统引入的多能互补的能力，通过这样的能力来支撑我们系统运行，往往来讲综合能源系统的一次投资往往是非常高的，但是我们盈利往往是期望在后期运行阶段更快地通过节能把我们的成本给收回来，所以规划过程中我们要实现能源维度，时空维度和指标维度的统一，通过这三个维度下，通过取优找到最优的规划设计方案。

第五个关键技术，涉及到运行层面，一个是稳态的运行优化，要实现横向不同能源之间的互补，还关系到安全稳定情况下，异常态下或者故障态下怎么进行紧急控制也是我们要解决的非常重要的问题，这里面涉及到一个非常复杂的建模过程，实际上这些问题都有待于突破。

第六个关键技术，涉及到能源系统和信息系统的协同优化，通过人工智能、大数据、信息物理融合已经成为现在学术圈新一轮的研究热点，所以我们的融合怎么样来保证他们之间的协调来提升系统的效率，其实也是关注的重点。

第七个关键技术，刚才也讲了我们在分析能源系统的时候要跳开能源系统的局限，把它进一步上升到城市或者是更大范围的层面，来实现能源系统和城市基础设施协同发展的技术研究，这个其实也是非常值得深思的，现在包括电力公司也建很多综合能源大数据的平台，通过这些平台支撑政府决策，支撑用户的服务，其实已经有了一些应用。

结合会议的主题，综合能源系统对电能质量，包括电能的影响，这里面的技术挑战刚才也说到了，包括可再生能源，多能互补，电动汽车，用户角色转变等因素，用户侧的综合能源系统正在发生着显著变化，怎么把充满冲击性的对象在我们综合能源系统的环境下有效的平抑，这是一个有效的问题。

还有一个政策上的挑战，包括前面专家所讲到的能源主体，用能主体，参与主体之间的动态博弈，以及负荷的动态变化，实际上做分析的时候一定要考虑不同主体，不同能源之间的滚动优化博弈的分析方法。

后面我快速介绍一下天大做的一点工作，我们的对象目前主要以用户端为主，因为是好落地，好实现的前期对象，我们有一些建模方法，分析方法，还有一些运行优化的方法，我们提出来一个综合能源系统的动态模型的方法，可以把我们系统运行过程中的参数，我们运行状态的变化考虑出来，这样的话来实现我们系统运行状态和我们数字系统分析时候的有机融合，这样的话我们的运行策略就会更加精准。

第二个，我们考虑多能互补之后一个典型的创造性概念就是多态虚拟储能的概念，我们通过热泵和建筑体的结合，利用延迟热惰性参与系统的需求响应，这是建筑层面的。

第三个，怎么样利用电动洗车集群实现我们跟系统的互动响应，也提出来相应的模型和一些运行的方法。

第四个，从系统分析层面我们提出来综合能源系统电气冷热多能流静态分析模型，比如说多能流的可靠性分析的方法，其实也是我们研究的一个重点，还包括一些电气冷热综合系统的动态仿真算法，包括考虑时滞稳定性的研究，包括多能流系统可靠性分析的研究，我们团队都有不同的方向在一起共同研究，具体技术部分就简单地说一下。

我们参与了一些大量的示范工程，有的是我们配合能源企业来做的，有的是我们自己构建的，第一个我们天大有一个小的综合能源微网的实验室，我们也刚刚地对它进行了改造和装修，如果各位专家感兴趣，我们非常欢迎各位专家到我们那儿给我们一些指导，是典型的微网结构，这里面包括了各式各样的储能系统，还有一个三联供系统，还有各类的交直流负荷，种类也是非常全，这是我们实验室具体设备的照片。我们天大签署了一个863项目，我们做了一个天大滨海工业研究院微网的项目，最终指标是可再生能源利用率大于70%，也是通过了科技部的验收。

会议组织方面，天大在智能电网最早开展了第一届智能电网学术论坛，另外跟中瑞之间有一个中瑞合作的项目，2012年天大召开了亚太地区第一届智能电网的国际会议，2014年王老师在这方面做的非常成熟，我们召开了微网的一个国际论坛，也是中美，包括世界各国来了很多专家，这个就是我刚才说的比较重要的是基金委的双清论坛，是2016年召开的，当时有40多个院士、长江、杰青、优青参加了我们的会议，同时我们跟国际期刊应用能源结合，我们在天津召开了应用能源微网的国际会议，2018年我们开了一个国际供用电会议。我们天大跟瑞典的大学合作成立了一个联合实验室，目标就是在分布式能源和微网领域的实验室，像伯克利，包括英国卡迪夫，帝国理工等都在我们这里面做一个联合的实验，这是在天大召开的第一届会议的情况。

天大还主办了一个IET的杂志，是王老师做期刊的主编，未来想冲击一下，因为是个新刊，未来想冲击一下SCI的检索，也欢迎各位专家赐稿。我们的成果，前期主要在电网和综合能源结合领域，特别是在配电网规划层面涉及到400多个城市，八千余项工程，工程资金超过万亿。

最后做一个总结，我们是搞电气工程的，我们希望在智能电网的基础上构建这样一个综合能源系统，实现不同能源的互通、互济和即插即用，提高能源利用效率，实现可再生能源规模化发展，我的汇报到此结束，谢谢各位专家。