北极星智能电网在线讯:面向可再生能源消纳的多能源系统：述评与展望
研究背景与内容
我国当前各能源系统分立运行，缺乏相互协调，严重影响电力系统运行的灵活性与可再生能源消纳，能源系统的潜力并未真正得以挖掘。因此，发展多能源系统集成理论与方法，是解决可再生能源消纳问题的有效途径。
广义的多能源系统(MultipleEnergySystems)是指煤炭、天然气、石油、核能、水能、风能、太阳能等多种形式能源的开发、转换、储备、运输、调度、控制、管理、使用等环节所组成的大系统。从科学研究来看，煤炭、石油等能源极易存储和运输，而热力、燃气网络传输较为复杂，且可与电力通过多种方式相互转换，因此学者通常将电力、热力、燃气系统作为多能源的研究主体，聚焦三者内部的问题及相互协调优化。
本文首先分析了多能源系统理论与方法研究框架，在此基础上从基本建模、运行优化、系统规划等多个角度评述了现有文献的研究并给出本文对现有研究的思考。将现有研究分为“以电-热耦合为主的区域多能源系统”和“以电-气耦合为主的跨区多能源系统”两个典型研究对象综述了面向新能源消纳的多能源系统的关键研究点。最后总结了面向可再生能源消纳的多能源系统关键科学问题，并对多能源系统未来的研究方向做了展望。
研究框架与综述思路
在空间尺度上，多能源系统的研究可以遵循“多能源元件-多能源元件集成-多能源网络”这一从简单到复杂的思路建立多能源系统的数学物理模型。另外，热力系统一般为区域系统，与配电网规模相当；燃气系统一般为跨区系统，与输电网规模相当。因此多能源系统问题可按照“以电-热耦合为主的区域多能源系统”和“以电-气耦合为主的跨区多能源系统”为空间分类标准，研究相应的运行与规划问题。
在时间尺度上，多能源系统的研究可以分为在秒、分钟等短时间尺度上的动态问题，以及在小时、日、月等长时间尺度的稳态问题。前者多用于运行控制层面的研究，而后者在运行层面及规划层面均有涉及。在不同的问题类型和背景下，需要选用适当的模型进行研究。
本文研究框架与综述思路如图1所示。
图1多能源系统研究框架
面向可再生能源消纳的多能源系统关键科学技术问题
1）多能源系统多时间常数耦合问题
电力系统的时间常数一般为秒级，而热力系统、燃气系统通常为小时级。热力、燃气系统与电力系统相异的时间常数也为可再生能源的消纳、大规模和长期存储提供了可能，如何利用多能源系统的时间常数差异是研究者需要聚焦的问题之一。
2）多能源系统的标准化及自动化建模问题
多能源系统需要一套标准化的定义去描述复杂耦合关系，例如多能源系统的“节点-导纳矩阵”、“标准支路模型”、“基于矩阵运算的系统分析方法”等等。采用以矩阵为基础的标准化多能源元件、能量枢纽、网络模型以及以矩阵运算为基础的多能源系统分析方法是大规模多能源系统计算机分析的基础，也是多能源系统面临的重要技术问题之一。
3）多能源系统的经济理论
多能源系统的运行需要受到科学的市场机制和价格理论指导。多能源系统及其子系统是否有对应电力系统的“等微增率理论”、“节点能价理论”，以描述能源生产成本和能源传输成本？这是多能源系统的关键科学问题之一。
面向可再生能源消纳的多能源系统研究展望
1）多能源系统的等值模型研究
等值是电力系统重要的思想之一，可将复杂系统简单化，例如戴维南等值、诺顿等值等。对于面向可再生能源的多能源系统研究，其主体仍为电力系统，那么是否可以采用等值的思想，将燃气、热力系统等值为电力系统的一个外部约束，简化多能源系统的分析难度。
2）多能源系统的多维数据分析
由于多能耦合的普遍存在，不同能源系统类型的数据一定具有较强的相关性或关联特性，对此深入挖掘或许能带来单个能源系统数据分析不能发现的信息。不过现有文献鲜有对多能源数据问题的研究，也鲜有公开的多能源系统数据集，仍是一块“价值洼地”。
3）利用多能源系统消纳可再生能源的新场景探索
多能源系统为可再生能源的消纳提供了新的可能性，例如利用电锅炉、热泵等打破“以热定电”，利用电制气和储气提供可再生能源的长期存储等等。不过现有文献研究的场景依然有限，如何挖掘多能源系统新的潜力，为可再生能源消纳提供新的场景，这是多能源系统亟待解决的问题之一，也是进一步研究优化运行、规划的基础。
总结
在我国可再生能源消纳问题突出的大背景下，发展多能源系统有利于突破电力系统本身的能力瓶颈，从能源的角度给予可再生能源消纳更大的优化空间。本文分析了多能源系统的整体结构和时空特性，给出了多能源系统的研究框架。本文还根据给定的研究框架，从“多能源系统建模”、“以电-热耦合为主的区域多能源系统分析”、“以电-气耦合为主的跨区多能源系统分析”三条主线，综述、总结了已有文献，并给出了本文的思考。除此之外，本文还总结了面向可再生能源的多能源系统分析面临的关键科学问题，并展望了多能源系统几个潜在的研究方向，以期为学者未来的研究提供参考。（杨经纬，张宁，王毅，康重庆）
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