綜合能源系統(tǒng)作為將多類型能源生產(chǎn)、存儲、傳輸、消費以及能源市場交易深度融合而衍生的全新能源工業(yè)形態(tài)，是未來能源互聯(lián)網(wǎng)的主要物理載體。各類產(chǎn)業(yè)園區(qū)具備綜合能源系統(tǒng)建設的自然資源、空間資源、電網(wǎng)基礎和用戶資源，成為綜合能源服務、業(yè)務創(chuàng)新和效益增長的主戰(zhàn)場。本文研究了產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)形態(tài)特征與演化路線這一科學問題，考慮綜合能源系統(tǒng)因地制宜、統(tǒng)籌開發(fā)、互補利用的實施原則，未來產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)將呈現(xiàn)多元化典型形態(tài)，包括冷熱電聯(lián)供分布式能源站、園區(qū)光儲微網(wǎng)、小水電+分散式風電、園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)和多能互補綜合能源系統(tǒng)。從本質上看，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)具備多能互補、物理信息深度融合以及源網(wǎng)荷儲協(xié)調互動的特征內(nèi)涵。

當前，融合信息技術、互聯(lián)網(wǎng)技術和能源技術的新一輪能源革命正徐徐拉開大幕，有望很快進入徹底改變?nèi)祟惸茉瓷a(chǎn)和使用方式的新紀元[1]。

作為這一次能源革命重要支點的能源互聯(lián)網(wǎng)，最簡單的形式是互聯(lián)網(wǎng)與能源各環(huán)節(jié)的深度融合，其特質是利用信息通信和智能技術將各種能源的生產(chǎn)(加工)、傳輸、存儲、消費以及市場交易深度融合而產(chǎn)生的全新能源產(chǎn)業(yè)形態(tài)[2-4]。能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，將大力助推中國能源轉型與體制創(chuàng)新，加快中國能源革命。隨著分布式發(fā)電供能技術、能源系統(tǒng)監(jiān)控和管理技術以及新的能源交易方式的日臻成熟和廣泛應用，作為能源互聯(lián)網(wǎng)的主要物理載體，集成電、氣、熱、冷、氫供應和電氣化交通等的綜合能源系統(tǒng)，成為各國新的科技戰(zhàn)略競爭和合作的焦點[5-8]。

2014年6月，中共中央總書記、國家主席習近平在中央財經(jīng)領導小組第六次會議上部署了國家能源革命與發(fā)展戰(zhàn)略，提出了推動能源革命的戰(zhàn)略部署，成為指導國家能源轉型和體制創(chuàng)新的行動綱要。2016年2月，國家發(fā)改委、能源局、工信部聯(lián)合發(fā)布《關于推進“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導意見》，意見強調，能源互聯(lián)網(wǎng)是推動中國能源革命的重要戰(zhàn)略支撐，對提升清潔能源比重，促進傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用，提升能源綜合效率，推動能源市場開放和產(chǎn)業(yè)轉型升級具有重要意義[9]。

在指導意見重點任務中，明確提出加強多能協(xié)同綜合能源網(wǎng)絡建設。單純的“互聯(lián)網(wǎng)+”能源并不是能源互聯(lián)網(wǎng)的真正含義。能源互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵是將互聯(lián)網(wǎng)應用于電力系統(tǒng)、天然氣和交通運輸系統(tǒng)等能源系統(tǒng)的互聯(lián)，通過能源轉換和存儲技術，消納大規(guī)模間歇性可再生能源，同時，通過互聯(lián)網(wǎng)及智能終端技術，實現(xiàn)全網(wǎng)能量的動態(tài)分配、轉換、存儲和共享，最終提高資源利用率。

為加快推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設，提高能源系統(tǒng)利用效率，增加有效供給，促進經(jīng)濟穩(wěn)定增長，國家發(fā)改委和能源局發(fā)布《關于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設的實施意見》[10]。實施意見強調，多能互補集成優(yōu)化示范工程的建設是“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源系統(tǒng)構建的重要任務之一，有利于提高能源供需協(xié)調性，促進能源清潔利用和就近消納，減少棄風、棄光以及棄水限電，推動可再生能源消納，對于建設低碳、清潔、高效、安全的現(xiàn)代能源體系具有十分重要的現(xiàn)實和戰(zhàn)略意義。實施意見提出多能互補集成優(yōu)化示范工程推進建設的主要任務包括終端一體化集成供能系統(tǒng)以及風光水火儲多能互補系統(tǒng)。

在南方電網(wǎng)公司層面，2017年公司年中工作會議要求，加快構建“一主兩翼、國際拓展”產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局，大力拓展產(chǎn)業(yè)價值鏈，固本開新、搶占先機，抓緊試點探索，加快公司競爭性業(yè)務發(fā)展;積極向綜合能源服務公司轉型，培育新的效益增長點。南方電網(wǎng)公司2018年工作會議上進一步強調，要大力發(fā)展綜合能源業(yè)務;以網(wǎng)省地三級綜合能源公司為業(yè)務實施主體，以產(chǎn)業(yè)園區(qū)、工業(yè)聚集區(qū)、大型公共建筑、大型商業(yè)綜合體為重點對象，以電為核心和紐帶，拓展投融資、規(guī)劃設計、建設管理、運營維護等多種服務需求;圍繞“源網(wǎng)荷儲”能源產(chǎn)業(yè)鏈，大力發(fā)展清潔能源、分布式能源，拓展節(jié)能服務、儲能業(yè)務和電動汽車充電業(yè)務;結合能源大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、電力期貨、碳排放交易等，探索開拓新興綜合能源業(yè)務;目標至2035年，全面完成向綜合能源服務公司轉型。

由上述研究背景綜述可見，多能互補綜合能源系統(tǒng)已成為全球能源領域重要的技術增長點和制高點，將是未來能源工業(yè)重要技術發(fā)展方向，能源領域重要商業(yè)模式創(chuàng)新方向。各類產(chǎn)業(yè)園區(qū)具備綜合能源系統(tǒng)建設試點的自然資源、空間資源、電網(wǎng)基礎和用戶資源，成為綜合能源服務、業(yè)務創(chuàng)新和效益增長的主戰(zhàn)場。作為對能源領域具有革命性影響的新生事物，綜合能源系統(tǒng)概念的討論和發(fā)展呈現(xiàn)出“百家爭鳴”現(xiàn)狀。

本文梳理了典型產(chǎn)業(yè)園區(qū)的綜合能源需求，在此基礎上，分析了未來產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)將呈現(xiàn)若干種形態(tài)特征，包括冷熱電聯(lián)供分布式能源站、園區(qū)光儲微網(wǎng)、小水電+分散式風電、園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)和多能互補綜合能源系統(tǒng)。然后，對產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多能互補、物理信息深度融合以及“源網(wǎng)荷儲”協(xié)調互動的特征內(nèi)涵進行了剖析。最后，結合我國能源和信息基礎設施及能源市場等方面的現(xiàn)有條件，從近期、中期和遠期三個發(fā)展階段探討了產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)演化路線。

1、產(chǎn)業(yè)園區(qū)用能需求分析

目前國內(nèi)推行的產(chǎn)業(yè)園區(qū)大多強調同類產(chǎn)業(yè)的集群效應。國內(nèi)典型產(chǎn)業(yè)園區(qū)重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)包括裝備制造業(yè)、石化精煉、制漿造紙、電力產(chǎn)業(yè)、有色產(chǎn)業(yè)、煙酒產(chǎn)業(yè)、鋼鐵冶金產(chǎn)業(yè)、建材產(chǎn)業(yè)、煤炭產(chǎn)業(yè)、醫(yī)藥、食品加工、旅游商品特色產(chǎn)業(yè)、污水處理以及電子信息、新材料、生物技術、節(jié)能環(huán)保、新能源等新興產(chǎn)業(yè)。因此，根據(jù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃布局，園區(qū)中產(chǎn)業(yè)大致可歸類為3種類型:離散制造業(yè)、過程工業(yè)和新興研發(fā)產(chǎn)業(yè)。針對3種類型產(chǎn)業(yè)綜合能源需求分析如下。

1.1 離散制造業(yè)用能需求分析

離散制造業(yè)主要包括通信設施、航空航天、電子設備、機床、汽車、各類型家電、玩具制造業(yè)以及服裝等產(chǎn)業(yè)類型，其產(chǎn)品大多是由零部件組裝起來的、具備使用功能的某種物品，消耗的能源以生產(chǎn)加工設備耗用的動力為主，主要消耗電能;但是該類型產(chǎn)業(yè)園區(qū)廠房的采暖和空調往往占總能耗比例較大[11]。

上述園區(qū)產(chǎn)房用能的特點基本與建筑物終端用能相近，其中，用電耗能占總能耗約14%，采暖空調和熱水供應用能約占80%。在我國北方地區(qū)，終端用能需求的熱電比約為5.7。在南方地區(qū)，如果同時采用余熱鍋爐的蒸汽溴化鋰吸收式制冷與電制冷以及低溫余熱供熱水，其用能需求的熱電比將遠大于3。

1.2 過程工業(yè)用能需求分析

過程工業(yè)包括電力、冶金、化工、建材、造紙、食品、醫(yī)藥等工業(yè)類型，其原料和產(chǎn)品一般都是具有特定功能和性質的材料或者物料。實際上，我國產(chǎn)業(yè)結構中，過程工業(yè)的耗能總量遠大于離散制造業(yè)耗能總量，而過程工業(yè)終端用能的構成中，用電占總耗能比例較小，其熱電比一般大于3。過程工業(yè)的用熱需求當中，蒸汽一般占比較大，其次為物流加熱。針對不同的工業(yè)過程，用熱需求的溫度范圍差異性較大。例如，建材工業(yè)用熱范圍為800～1 000℃，而食品工業(yè)用熱一般在100℃左右;煉油工業(yè)用熱需求范圍較廣，可從100℃到500℃。

工業(yè)用冷需求的溫度范圍也很廣，從乙烯工業(yè)、空氣液化分離過程約-180℃的深冷需求，到0～20℃左右的一般淺冷需求都有。

與建筑物終端能源需求相比，工業(yè)用能需求更大。工業(yè)用能需求占我國總能耗40%以上，其熱電比與建筑物終端能源需求相比更大。以煉油工業(yè)為例，包括蒸汽需求和熱需求在內(nèi)的熱電比一般也大于3[11]。

1.3 新興研發(fā)類型產(chǎn)業(yè)用能需求分析

對于園區(qū)中電子信息、新材料、生物技術、節(jié)能環(huán)保、新能源等新興研發(fā)類型產(chǎn)業(yè)，使用生產(chǎn)用蒸汽的幾率不大，即使有生產(chǎn)用蒸汽負荷，蒸汽用戶點也會很分散，每個熱用戶的蒸汽用量估計不會太大。考慮到生產(chǎn)和輸送蒸汽的經(jīng)濟性，分散的蒸汽用戶可采取燃氣、電等小型熱源解決。

因此，產(chǎn)業(yè)園區(qū)大部分用熱、用冷需求都是可以通過多能互補集成綜合能源技術來生產(chǎn)和提供。園區(qū)多能互補綜合能源供能方式不僅可提高分布式能源轉換效率，而且可通過更高層次上的集成優(yōu)化最終提升能源終端利用效率，從而實現(xiàn)最大的經(jīng)濟效益。

2、產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)典型形態(tài)

綜合能源系統(tǒng)的核心在于能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化。由上述分析可知，各類型產(chǎn)業(yè)園區(qū)呈現(xiàn)電/冷/熱等多元化的用能需求。同時，由于產(chǎn)業(yè)園區(qū)所在特定的地理位置和復雜的地形地貌，可導致相應氣候和生態(tài)條件復雜多樣，因而不同區(qū)域的產(chǎn)業(yè)園區(qū)具有不同的自然資源優(yōu)勢。在不同的應用場景中，不同類型的能源形式扮演不同類型的角色，而主導能源形式也隨之變化。

綜上所述，考慮綜合能源系統(tǒng)因地制宜、統(tǒng)籌開發(fā)、互補利用的實施原則，未來產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)將呈現(xiàn)若干種典型形態(tài)，分別分析如下。

2.1 冷熱電聯(lián)供分布式能源站

針對新能源資源匱乏的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，冷熱電聯(lián)供(combined cooling，heating and power，CCHP)分布式能源站是重要的綜合能源利用形態(tài)之一。冷熱電聯(lián)供機組通過協(xié)調優(yōu)化輸出電能與高低品位熱能，以提升天然氣能源利用效率[6]。從本質上來講，冷熱電聯(lián)供機組和冰蓄冷空調均為局部的綜合能源系統(tǒng)，也可認為是綜合能源系統(tǒng)的雛形[12]。

CCHP分布式能源站通常以小容量、小規(guī)模和分散的方式安裝在客戶端，可以自主運行或連接到配電網(wǎng)絡，優(yōu)先滿足用戶自己能量需求，通過冷電、熱電或冷熱電聯(lián)供的方式實現(xiàn)能量梯級利用，涵蓋能量生產(chǎn)、控制和存儲的局部能源系統(tǒng)[13]。

綜合供能系統(tǒng)種類繁多，而相應的分類方法也多種多樣。驅動綜合供能系統(tǒng)的動力設備選型對系統(tǒng)設計和性能具有舉足輕重的作用，因此根據(jù)動力設備類型對綜合供能系統(tǒng)進行分類是目前最常用的方法。作為由多種能源技術集成得到的綜合供能系統(tǒng)，其系統(tǒng)的集成形式也是多種多樣的。結合產(chǎn)業(yè)園區(qū)的實際情況與需求，按照動力設備類型和冷熱電、熱電、冷電3種聯(lián)供形式進行分類，分布式綜合供能的集成方案包括以下類型:燃氣輪機/內(nèi)燃機作為動力裝置的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、燃氣輪機為主蒸汽輪機為輔的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、燃氣輪機/內(nèi)燃機作為動力裝置的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、燃氣輪機/內(nèi)燃機作為動力裝置的冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)以及燃氣輪機為主蒸汽輪機為輔的冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

在應用過程中，需要根據(jù)實際的環(huán)境和需求進行綜合考慮，選取最適宜的綜合供能系統(tǒng)，取得較好的經(jīng)濟和社會效益。對于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，當燃料價格、電價、冷價或熱價浮動時，一般來說，以燃氣輪機作為動力裝置的冷熱電聯(lián)產(chǎn)和燃氣輪機為主蒸汽輪機為輔的冷熱電聯(lián)產(chǎn)方案經(jīng)濟效益較好。針對價格對單一方案的影響，一般來說:1)對于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，電價變化對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響要大于冷價及熱價變化對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響;2)系統(tǒng)運行時若出現(xiàn)棄冷現(xiàn)象，有可能會致使系統(tǒng)虧損。同時，棄冷或棄熱越多，冷價或熱價變化對經(jīng)濟性的影響越小;天然氣消耗量越大，天然氣價格變化對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響越大。

冷熱電聯(lián)供分布式能源站運營方式可包括經(jīng)濟最優(yōu)運行模式、系統(tǒng)高效運行模式、以冷定電運行模式和以電定冷運行模式，在產(chǎn)業(yè)園區(qū)應用中可根據(jù)實際情況進行選擇配置。

2.2 園區(qū)光儲微網(wǎng)

工業(yè)園區(qū)占地面積大，具有發(fā)展屋頂分布式光伏的優(yōu)勢。針對部分電負荷需求比例較大的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，如電子信息、新材料、生物技術、節(jié)能環(huán)保、新能源等新興研發(fā)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，可充分利用屋頂資源，建設園區(qū)分布式光伏屋頂，并集成分布式儲能系統(tǒng)，形成園區(qū)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)[14]。

產(chǎn)業(yè)園區(qū)典型光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)的形態(tài)示意圖如圖1所示，微電網(wǎng)系統(tǒng)包含園區(qū)內(nèi)分布式光伏及分布式儲能單元，微電網(wǎng)通過公共耦合點PCC(point of common coupling，PCC)接入上級配電網(wǎng)。其中，園區(qū)內(nèi)分布式光伏充分建設利用園區(qū)屋頂光伏全覆蓋、停車場光伏覆蓋、公交站光伏覆蓋以及電動汽車充電站光伏覆蓋，從而最大地提高產(chǎn)業(yè)園區(qū)可再生能源滲透率，實現(xiàn)屋頂、停車場、公交站、電動汽車充電站等太陽能光伏充分利用，促進產(chǎn)業(yè)園區(qū)綠色低碳發(fā)展。在園區(qū)光儲微電網(wǎng)運營模式中，電網(wǎng)公司與工業(yè)園區(qū)具有充足場地/屋頂資源的工業(yè)用戶簽訂能源管理合同，由電網(wǎng)公司作為分布式光伏和分布式儲能的投資商和運營商，租用工業(yè)用戶的場地資源建設和運營分布式光伏和分布式儲能系統(tǒng)。由于分布式儲能系統(tǒng)由電網(wǎng)公司投資，電網(wǎng)公司對分布式儲能充放電擁有控制權，考慮到電池儲能除追求自身收益最大化以外，還需要配合完成產(chǎn)業(yè)園區(qū)關于峰值負荷削減目標。

此外，由于配備儲能系統(tǒng)，當計劃性孤島需求或外部電網(wǎng)故障擾動時，園區(qū)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)可由并網(wǎng)運行模式切換至離網(wǎng)運行模式，系統(tǒng)不同運行模式間可確保平滑切換。園區(qū)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)孤島機制可有效提高園區(qū)供電可靠性。

圖1產(chǎn)業(yè)園區(qū)典型光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)的形態(tài)示意圖

2.3 小水電+分散式風電

我國水能資源極為豐富，如貴州省位于云貴高原東坡，氣候溫和多雨，水系發(fā)達，支流眾多，河流落差集中，是中國水力資源較為豐富的地區(qū)之一。因此，結合當?shù)貙嶋H開發(fā)建設小型水電，既可解決當?shù)赜秒婋y題，又可服務發(fā)展地方經(jīng)濟;此外，目前國家實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，大力推動清潔能源開發(fā)利用，政策層面為小水電的發(fā)展提供了較大的發(fā)展空間和機遇[15-16]。

小水電通常是指容量在50 MW以下的水力發(fā)電站，從容量角度來看，小水電位于所有類型水電站的末端。此外，一般而言，小水電并網(wǎng)電壓等級均偏低，絕大多數(shù)小水電并入10～110 kV配電網(wǎng)。

小水電具有數(shù)量多、分布廣、容量小的特點。在實際中，與中大型水電站一般具有蓄水調節(jié)水庫不同，大多數(shù)小水電為徑流式電站，本質上無調節(jié)能力。

小水電出力具有明顯季節(jié)性的特點，在豐水期，小水電機組集中發(fā)電，當?shù)嘏潆娋W(wǎng)難以消納過多水電時，可能導致調度機構出于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行強制要求小水電棄水限電;而相反枯水期間，小水電機組發(fā)電量不足，無法為上級電網(wǎng)供應足夠的電力。小水電出力不能與當?shù)赜秒娦枨笃ヅ洌虼似溥\行受到了較大限制。與此同時，目前各地電網(wǎng)企業(yè)對小水電的發(fā)電管理仍較為粗放，存在小水電管理體系不完善、缺乏調度和監(jiān)測技術等問題;絕大多數(shù)小型水電站的并網(wǎng)運行不受電力調度機構管理和控制，呈現(xiàn)“多來多發(fā)、少來少發(fā)、有水則發(fā)、無水則停”的自由和無序狀態(tài)。

而分散式風電是指風力發(fā)電機組以多點方式接入中低壓配電網(wǎng)絡，并網(wǎng)運行受電力調度機構統(tǒng)一調度的風力發(fā)電利用模式。目前，與集中式風電開發(fā)模式通過輸電網(wǎng)消納大規(guī)模風電不同，在分散式風電發(fā)展初期，風電機組需就近規(guī)劃和接入在運行的10 kV、35 kV和110 kV 3個電壓等級的配電網(wǎng)網(wǎng)絡，其并網(wǎng)最高電壓等級為110 kV。由于傳統(tǒng)110 kV電網(wǎng)傳輸距離約為100 km，因此分散式風電將就近被本地電網(wǎng)消納。

時間上出力的波動特性使得分散式風電和小水電兩種電源具備較大的互補特性。以中國南方為例，在水力資源方面，受亞熱帶季風氣候影響，一般而言，春夏季為河流豐水期，秋冬季為河流枯水期。在風力資源方面，冬季主要受西伯利亞高壓的影響，風向較為穩(wěn)定，風力資源豐富。風能資源總體時間分布特征為夏季風小，冬春季風較大。其次，就出力波動性而言，小水電日波動小，但季節(jié)性波動較大;而風電的日波動性很大，季節(jié)性波動卻較小[17]。

綜上所述，在建設場地有限的產(chǎn)業(yè)園區(qū)可結合當?shù)刎S富的水電資源優(yōu)勢以及小水電和風電的天然互補特征，發(fā)展小水電+分散式風電多能互補綜合能源系統(tǒng)的建設形式，從而最大限度的利用當?shù)厍鍧嵞茉矗瑴p輕間歇性可再生能源發(fā)電并網(wǎng)給配電網(wǎng)絡帶來的沖擊。風水多能互補綜合能源系統(tǒng)形態(tài)示意圖如圖2所示。此外，以小水電為基礎，還可形成水光多能互補、風水光多能互補等典型綜合能源系統(tǒng)。

圖2產(chǎn)業(yè)園區(qū)風水互補綜合能源系統(tǒng)形態(tài)示意圖

2.4 園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)

產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)是在主網(wǎng)配網(wǎng)協(xié)同控制的基礎上，具備分布式發(fā)電、儲能、需求側響應、柔性負荷和電動汽車等豐富的電源負荷調控手段，能夠針對能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)的實際運行狀態(tài)，以經(jīng)濟性和安全性等為控制目標，自適應調節(jié)其網(wǎng)絡結構、發(fā)電單元及負荷的智能配電網(wǎng)絡。

典型產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)示意圖如圖3所示。在產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)中，大量的分布式發(fā)電單元從不同節(jié)點并網(wǎng)后將導致配電網(wǎng)由傳統(tǒng)輻射狀的網(wǎng)絡變?yōu)閿?shù)量眾多的中小電源和用戶的互聯(lián)網(wǎng)絡，從傳統(tǒng)意義上“配電系統(tǒng)”轉變成為一個“電力交換系統(tǒng)”[18-19]。從本質上來看，主動配電網(wǎng)主要包含3方面特征:交直流混合架構、運行態(tài)勢準確感知以及源網(wǎng)荷協(xié)調控制。

圖3 產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)示意圖

隨著光伏、電動汽車等直流源荷在工業(yè)園區(qū)中快速增加，傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)絡的兼容性和適應性亟待提高。園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)可根據(jù)需求采用交直流混合架構，其中直流子配電網(wǎng)為直流源荷的接入提供了極為便利的途徑。各類型沖擊負載，可再生能源發(fā)電和直流負荷可通過DC/DC變壓器直接連接至直流配電網(wǎng)絡，由于無需傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)絡中的DC/AC環(huán)節(jié)，有效簡化了控制系統(tǒng)，降低了損耗，節(jié)省了工程造價。此外，通過交直流雙向變流器，可實現(xiàn)對混合網(wǎng)絡潮流的柔性控制以及全局系統(tǒng)能量的優(yōu)化調度和管理。

通過根據(jù)園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)中各種測量設備的測量和狀態(tài)估計數(shù)據(jù)準確判斷當前配電網(wǎng)的運行狀態(tài)，以及基于負荷歷史數(shù)據(jù)和數(shù)值天氣預報高精度預測負荷/可再生能源信息，可實現(xiàn)對園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)態(tài)勢的全面精確感知。

源網(wǎng)荷協(xié)調控制是園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)的中心所在，通過對配電網(wǎng)絡源網(wǎng)荷對象的主動調控和管理，實現(xiàn)配電網(wǎng)絡的低成本高效安全運行以及可再生能源的最大程度消納。主動配電網(wǎng)的控制要素覆蓋源網(wǎng)荷3方面，具體可包括聯(lián)絡開關變化為代表的電力網(wǎng)絡控制，可再生能源發(fā)電調度為代表的電源功率控制，以及以電動汽車充放電控制策略為代表的靈活互動。

2.5 多能互補綜合能源系統(tǒng)

對于大多數(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)來說，負荷存在用電、用熱、用冷等多種用能需求，且用能數(shù)量大，節(jié)能空間廣。因此具有利用多能互補、源網(wǎng)荷儲協(xié)同技術為工業(yè)園區(qū)提供能源整體服務的需求，以滿足園區(qū)多樣化的能源需求，提高供能質量，為用戶節(jié)約用能成本。

產(chǎn)業(yè)園區(qū)典型多能互補綜合能源系統(tǒng)的形態(tài)示意圖如圖4所示。它將電、氣、熱、冷、氫等多類型能源環(huán)節(jié)與信息、交通等其他社會支持系統(tǒng)進行有機集成，通過對多類型能源的集成優(yōu)化和合理調度，實現(xiàn)多類型能源的梯級利用，提高能源利用效率，提升供能可靠性[20-21]。同時，多能源系統(tǒng)的有機協(xié)調，對延緩輸配電系統(tǒng)的建設，消除輸配電系統(tǒng)的瓶頸，提高各設備的利用效率具有重要的作用。在緊急情況下，當電力或天然氣系統(tǒng)受到天氣或意外災害的干擾而中斷時，多能互補綜合能源系統(tǒng)可以利用就地能源為重要用戶提供不間斷的能源供應，并為故障后能源供應系統(tǒng)的快速恢復提供動力支持。

圖4產(chǎn)業(yè)園區(qū)多能互補綜合能源系統(tǒng)形態(tài)示意圖

綜合能源配用電系統(tǒng)結構相對復雜，既包括冷熱電聯(lián)供分布式能源站、分布式光伏等電源設備，也包括電池儲能、蓄冷/熱儲能，還需要依靠電網(wǎng)和冷/熱管網(wǎng)進行能量輸送，在實際應用過程中，需要根據(jù)具體的環(huán)境和需求進行綜合考慮。

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)涵蓋各種形式和特點的多能源環(huán)節(jié)，既包括可控性較強的能源環(huán)節(jié)，也包括控制難度較大的強間歇性能源環(huán)節(jié);既包括容易存儲和轉換的環(huán)節(jié)，也包括難以大規(guī)模存儲的環(huán)節(jié);既包括底層設備的動態(tài)，也包括能源系統(tǒng)單元級別的動態(tài)，還包括多能耦合作用下的系統(tǒng)級別動態(tài)。本質上而言，園區(qū)多能互補綜合能源系統(tǒng)從時間、空間和行為3個角度呈現(xiàn)多能流、多時標、高維數(shù)、大量非線性、多主體等極為復雜形態(tài)特征[22]。

3、產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)特征內(nèi)涵

由上節(jié)分析可見，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化的典型形態(tài)。從本質上看，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)具備多能互補、物理信息深度融合、源網(wǎng)荷儲協(xié)調互動的特征內(nèi)涵如圖5所示。

圖5產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)形態(tài)特征內(nèi)涵

3.1 多能互補

多能耦合、協(xié)同互補是產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的核心特征之一[23]。時間上出力的波動特性使得風電、光伏發(fā)電、小水電等能源供給來源天然存在較大的互補特性，同時，電、氣、熱、冷等多類型能源在用能需求、價格、特性上亦存在差異和互補特性。以電力網(wǎng)絡為主體框架，通過電、氣、熱、冷、氫的靈活集成，充分挖掘橫向源-源多能耦合、協(xié)同互補特性，從而有效抑制清潔能源發(fā)電的強隨機性和強波動性，大幅提高綜合能源系統(tǒng)的供能可靠性以及能源綜合利用效率。

3.2 物理信息深度融合

覆蓋能源生產(chǎn)、傳輸、消費、存儲、轉換的整個能源鏈，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中信息共享，能量流與信息流的有機整合、互聯(lián)互動、緊密耦合，形成信息物理系統(tǒng)(cyber physical system，CPS)[24-26]。信息物理系統(tǒng)是園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等的深度應用，有效提升園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的靈活性、適應性及智能化。通過對等開放的信息-物理系統(tǒng)架構，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)將具備高可靠安全的通信能力、全面的態(tài)勢感知能力、大數(shù)據(jù)處理計算能力以及分布式協(xié)同控制能力。

3.3 源網(wǎng)荷儲協(xié)調互動

產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)能量流與信息流深度融合使傳統(tǒng)能源參與主體由單純的生產(chǎn)、傳輸、消費和存儲者，轉變?yōu)榧赡茉瓷a(chǎn)、傳輸、消費和存儲者的多種角色于一體的自我平衡主體。傳統(tǒng)用戶成為產(chǎn)消者，能源生產(chǎn)和能源消費的邊界將不再清晰，對應的角色和功能可以實現(xiàn)相互兼容和替代。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)運營商、電力公司、各類工業(yè)、商業(yè)和居民用戶、電動汽車、分布式可再生能源、儲能、熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等各類參與主體在供需關系和價格機制的引導下，靈活調整能源供應、能源消費和能源存儲，從而實現(xiàn)綜合能源柔性互動以及供需儲的縱向一體化。

4、產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)演化路線

產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)是能源工業(yè)發(fā)展的全新形態(tài)，相關關鍵技術、業(yè)態(tài)及模式等正處于起步和和探索發(fā)展階段。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展和實現(xiàn)并非一蹴而就的，其技術體系的形成以及各種技術的應用和實踐，不僅取決于技術本身的成熟度，還與技術的依賴性和技術應用的經(jīng)濟性以及社會效益，以及國家戰(zhàn)略、復雜的外部環(huán)境密切相關。考慮到這些因素，對產(chǎn)業(yè)園區(qū)相關技術發(fā)展及應用推廣的路徑進行前瞻性研究，有助于政策制定者合理地利用政策資源，為產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展提供良好的政策環(huán)境;有利于相關企業(yè)和研究機構提前布局科研和技術開發(fā)項目;也有助于引導資本市場為相關領域提供充足的資金支持。

未來產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)將以互聯(lián)網(wǎng)深度應用為基礎，以電力系統(tǒng)為核心，將供氣系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)與電力系統(tǒng)等集成，橫向角度實現(xiàn)電力、燃氣、供熱等一體化多能互補，縱向角度實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲全環(huán)節(jié)高度協(xié)調與靈活互動、集中化與分布式相互結合的能源網(wǎng)絡[5]。不論是單一的電力互聯(lián)，還是能源領域演變產(chǎn)生的創(chuàng)新商業(yè)模式，亦或是互聯(lián)網(wǎng)思維與技術對能源工業(yè)的改造升級，都是多能互補綜合能源系統(tǒng)中的不同發(fā)展階段中的應有要素。本質上而言，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的發(fā)展是能源與信息不斷融合以及互相促進的歷程，是一個漸進的發(fā)展過程。綜合我國能源和信息基礎設施及能源市場等方面的現(xiàn)有條件，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)演化路線圖如圖6所示。隨著時間推移，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)大概可以分為近期、中期和遠期3個發(fā)展階段。本質上而言，這3個發(fā)展階段是一個同步發(fā)展、相互滲透和逐級遞進的過程。3個階段的發(fā)展目標和功能分別闡述如下。

圖6產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)演化路線圖

4.1 近期發(fā)展目標與功能

近期，第一階段是產(chǎn)業(yè)園區(qū)能源自身的互聯(lián)階段，以電力系統(tǒng)為中心，多類型能源網(wǎng)絡物理上實現(xiàn)互聯(lián)互通，實現(xiàn)橫向角度的多能互補。大力推動產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)試點和示范工程，因地制宜、積極建設一批不同規(guī)模和類型的試點和示范工程，推動綜合能源信息基礎設施的建設，包括園區(qū)綜合能源系統(tǒng)智能化能源生產(chǎn)消費基礎設施、信息通信基礎設施以及多能協(xié)同綜合能源網(wǎng)絡建設。與此同時基本完成機制制度的準備。

4.2 中期發(fā)展目標與功能

中期，第二階段是產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)能源基礎設施和信息基礎設施互相促進的階段，信息引導能量，同時能量實現(xiàn)價值提升。一方面，互聯(lián)網(wǎng)深度應用促進產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)產(chǎn)生新的商業(yè)模式，形成第三方綜合能源服務和能源金融等一批新型業(yè)態(tài);在另一方面，分布式能量管理體系形成，信息的高效流動使分散式?jīng)Q策代替了集中式?jīng)Q策的全局系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)資源配置的最優(yōu)。與此同時，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)標準體系逐步建立，形成一批關鍵技術規(guī)范和標準。

4.3 遠期發(fā)展目標與功能

遠期，第三階段是產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的能源基礎設施和信息基礎設施的深度融合，能源生產(chǎn)及消費各環(huán)節(jié)達到深度自動化、智能化和定制化，能源系統(tǒng)多參與主體之間，并實現(xiàn)靈活協(xié)調和互動，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多形態(tài)、規(guī)模化發(fā)展，形成新型綜合能源系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)格局，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)體系基本完善，成為經(jīng)濟發(fā)展和增長的重要動力。并形成比較完善的產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)市場機制，建成統(tǒng)一開放的現(xiàn)代能源市場體系;形成開放、共享的產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)生態(tài)新環(huán)境，整體能源利用效率明顯提高，可再生能源比重占主導地位，公眾參與程度大幅度提高，為能源生產(chǎn)和消費革命提供有力支撐。

5、結語

綜合能源系統(tǒng)作為將多類型能源生產(chǎn)、存儲、傳輸、消費以及能源市場交易深度融合而衍生的全新能源工業(yè)形態(tài)，是未來能源互聯(lián)網(wǎng)的主要物理載體。各類產(chǎn)業(yè)園區(qū)具備綜合能源系統(tǒng)建設的自然資源、空間資源、電網(wǎng)基礎和用戶資源，成為綜合能源服務、業(yè)務創(chuàng)新和效益增長的主戰(zhàn)場。

本文研究了產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)形態(tài)特征與演化路線這一科學問題，首先分析了產(chǎn)業(yè)園區(qū)中離散制造業(yè)、過程工業(yè)和新型研發(fā)產(chǎn)業(yè)的多元化的綜合能源需求以及不同的自然資源優(yōu)勢。考慮綜合能源系統(tǒng)因地制宜、統(tǒng)籌開發(fā)、互補利用的實施原則，未來產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)將呈現(xiàn)多元化典型形態(tài)，包括冷熱電聯(lián)供分布式能源站、園區(qū)光儲微網(wǎng)、小水電+分散式風電、園區(qū)能源互聯(lián)主動配電網(wǎng)和多能互補綜合能源系統(tǒng)。從本質上看，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)具備多能互補、物理信息深度融合以及源網(wǎng)荷儲協(xié)調互動的特征內(nèi)涵。

隨著時間推移，產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)可分為近期、中期和遠期3個發(fā)展階段，從能源本身的互聯(lián)階段，到能源基礎設施和信息基礎設施相互促進，再到能源和信息深度融合。這3個發(fā)展階段是一個同步發(fā)展、相互滲透和逐級遞進的過程。

作者丨唐學用1，趙卓立2，李慶生1，馬溪原2，劉金森1，趙維興1，張彥1

1.貴州電網(wǎng)有限責任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心;

2.南方電網(wǎng)科學研究;