B.11_综合能源系统助力实现“双碳”目标报告

1、B.11综合能源系统助力实现“双碳”目标报告曽鸣曾呜，华北电力大学教授，主要研究领域为能源市场化改革、能源丘联网、综合能源系统等摘要：能源行业是最大的碳排放源，也是碳减排工作的重点领域。在碳达峰、碳中和目标约束下，能源行业需要加快实现“清洁化、综合化、智能化、去中心化”转型。而作为能源系统的重要组成部分，电力系统也将面临高比例可再生能源并网、终端电气化水平提升、高度电力电子化和大规模分布式能源就地接入的挑战。为了适合能源电力行业的新形势和新要求，综合能源系统的概念应运而生。综合能源系统，是指区域内冷热电气等多种能源产供销一体、促进能源可持续发展的新型集成化能源系统。构建综合能源系统，有助于打通

2、多种能源子系统间的技术壁垒、体制壁垒和市场壁垒，实现多能互补、协同优化，将有效助力能源行业清洁低碳发展，进而支撑碳达峰、碳中和目标实现。未来，应从核心技术发展、服务模式创新、生态圈建设、关键学科建设、示范应用推广等方面，加快发展综合能源系统，为能源电力系统清洁低碳转型提供新的解决方案。关键词：综合能源系统电力行业多能互补低碳转型-碳达峰、碳中和愿景下能源电力行业发展形势能源行业碳排放占全国碳排放总量的比重为88%,是最大的碳排放源；其中电力行业占能源行业碳排放的比重为41%，也是全国碳排放量最大的行业。中国是世界上最大的发展中国家，也是全球煤电规模庞大、利用广泛的国家，无论是从能源工业体量、能

3、源供需结构，还是从能源增长的需求来看，控制能源电力行业的碳排放都将是贯彻落实碳达峰、碳中和的重点领域之一。（一）碳达峰、碳中和目标下能源行业的转型方向能源行业助力碳达峰、碳中和目标实现的核心是推动能源低碳转型和能源革命，本质措施是控制和缩减化石能源消费量、增加可再生能源发电比例、提升社会整体能效水平。在碳达峰、碳中和要求下，我国能源电力需以低碳转型为整体目标，沿着“清洁化、综合化、智能化、去中心化”方向实现转型升级。清洁化是能源低碳转型的核心要求。为实现碳达峰与碳中和，我国非化石能源消费占比与可再生能源发电装机容量需分别保持5%和10%以上的年增速发展，可再生能源规模进入倍速增长阶段。此外，未

4、来我国还需适度发展核电，积极拓展氢能等其他零碳能源，逐步提升非化石能源电源结构占比。综合化是清洁化的技术支撑之一。可再生能源大范围消纳要求有充足的灵活性资源为其提供调峰辅助服务。从供给侧看，可通过风、光、水、火等多种类型电源间的多能协同互补，有效平抑可再生能源出力波动；从需求侧看，可通过对电、热、冷、气等不同能源需求逬行优化耦合，充分挖掘需求侧资源在削峰填谷、追踪可再生能源出力等方面的潜力。智能化是清洁化的技术支撑之二。在碳达峰、碳中和要求下，能源电力系统综合化发展将涉及多种异质能协同及多能源主体利益博弈，其运行优_TJ低碳发展蓝皮书化、调度控制及运营管理难度较大，所以需将能源电力系统与互联网

5、技术及思维深度融合，以“云大物移智链”等数字信息化技术为纽带，综合使用先进的电力电子技术、智能管理技术、互联网平台技术，建设以电力物联网为基础的智慧能源系统，促进能源信息双向流动和开放共享。去中心化则是清洁化的体制机制保障。在碳达峰、碳中和要求下，风能、太阳能等可再生能源开发利用将表现集中式与分散式相结合的趋势，能源电力系统也将逐步转变为整体平衡与分散式微平衡紧密结合的整合系统。为保障分布式能源规模化发展，需在体制机制层面推动“去中心化”的新模式、新业态发展，实现众多分布式能源节点的高度自治与协同运行。（二）碳达峰、碳中和目标卜电力系统面临的困难挑战大力发展风能、太阳能等清洁能源是加快能源电力

6、转型的核心举措。因为95%以上的清洁能源均需要转化为电能进行利用，所以电力系统的转型发展对于实现碳达峰、碳中和目标至关重要。“十四五”期间，我国将加快构建以新能源为主体的新型电力系统，但同时也面临经济发展及用电增长速度的不确定性增强带来的严峻挑战。同时，可再生能源、微电网、电动汽车、储能等新型设备将大量接入电网，电力系统绿色资源配置、安全运行和可靠供电面临巨大考验。电力系统面临规模化可再生能源并网比例提高的挑战。太阳能、风能等可再生能源具有显著的随机性、波动性。虽然近年来太阳能发电和风电的装机规模不断增加，但受天气影响关键时刻不一定能够形成有效生产力。比如2020年湖南省可再生能源装机923万

7、千瓦，冬季某日因高海拔地区出现覆冰，风电机组超七成无法发电，光伏发电夜间出力为0,从而可再生能源总出力在20万千瓦以下，电网被迫限电。对于西部可再生能源基地，为提高特高压外送通道的传输功率，往往需要就地配套上马大量煤电机组或大容量储能装置，东部受端省份需要留出大最的火电备用容最，加重了绿色能源转型的技术难度和经济成本。电力系统面临能源消费终端电气化水平提升的挑战。能源格局向清洁主导、电为中心转变，消费侧将聚焦于实施电能替代，中国未来终端用能电气化比例将较大幅度地提升已成共识，这个比例到2025年预计将达到30%左右。伴随着第三产业和居民生活用电占比不断提高，电力负荷率将持续降低，夏季制冷负荷和

8、冬季采暖年使用时冋仅数百小时。同时，随着经济高质量发展带动产业结构优化转型，将会在一定程度上抑制负荷率相对较高的高耗能行业扩能增产。整体来看，随着终端电气化水平的持续提升，未来电力负荷尖峰化特征会越来越显著，负荷峰谷差也会不断拉大，电力系统亟须持续提升安全运行能力。电力系统面临高度电力电子化带来的稳定运行挑战。电力系统是一个人造的复杂巨系统，火电厂的发电机和用户侧的电动机具有物理学上的惯性，为电力调度机构实施控制、保证电压频率稳定提供了可能。我国大量的可再生能源发电系统、储能系统接入电网以及特高压直流输电的快速发展，大容量直流密集馈入，都使得电力电子装备大量应用；近年来负荷侧也出现了多样化的电

9、力电子装置。电力系统从源网荷储等多个环节都表现出了高度电力电子化的趋势。而电力电子装置的低惯性、弱抗扰性和多时间尺度响应特性，将给电力系统稳定运行控制带来新的挑战。电力系统面临分布式能源就地接入的挑战。中国幅员辽阔，东部地区分布式能源发展潜力巨大，用户具备由单一用电者变为产销者的能力。实现能源绿色转型，要求在做好西部可再生能源集中开发的同时，必须更大力度地推动东部分布式风电、太阳能发电就地接入配电网。未来能源供给方式上，将从大规模、集中化、“准军事化”的能源供给方式，向分布式、供需互动、尊重选择的能源供给方式转变。多年来我国配电网建设相对薄弱，东西部之间、城乡之间存在不平衡。大量不受控的分布式

10、能源发电并网，将会导致配电系统控制与协调越发困难。数据来源：国网能源研究院有限公司：中国能源电力发展展望（2019）.中国电力出版社,2019。低碳发展蓝皮书二综合能源系统助力能源低碳转型（一）综合能源系统的概念、内涵与结构能源是经济社会发展的重要物质基础，近年来，经济社会发展和生产力提升要求能源系统的生产和消费模式同步发生适合性转变。传统能源系统建设以能源品类为单位，按照横向扩张规模、纵向贯通产业的路径发展，而不同能源系统间物理互联、信息交互和价值交换较少。而随着我国的经济增长模式由高速增长向高质量发展转轨，这要求能源产业肩负起提高能源效率、保障能源安全、促进新能源消纳和推动环境保护等新使命

11、，传统的能源系统建设路径和发展模式已经难以适合新形势和新要求。这就要求改变传统能源系统建设路径和发展模式，加快破除多种能源系统间的体制壁垒、技术壁垒和市场壁垒，加快实现多种能源系统的协调优化和配套市场机制的协同运行，从而在保障能源安全的基础1：促进能源高效利用和清洁利用，大力推动能源生产和消费革命。1.综合能源系统的概念与内涵综合能源系统，是指区域内冷热电气等多种能源产供销一体、促进能源可持续发展的新型集成化能源系统C综合能源系统通过利用信息传输、能源拙合等新兴技术和先进的管理模式，将一定区域内的热能、电能和各种化石能源等多种能源进行整合，从而实现多异质能源子系统之间的科学规划、统一调度、优化

12、管理、协调运行和互补互济，满足多元化用能需求，保障能源供应安全稳定，提高能源综合利用效率。相较于能源互联网而言，综合能源系统更强调能源系统内部挖潜，通过新技术、新模式来解决能源系统的协调优化和创新发展问题。总结而言，综合能源系统的内涵是实现“横向多能互补，纵向协调优化”。“多能互补”不是多种能源的简单叠加，而是指电力系统、供热系统、石油系统、煤炭系统和天然气系统等多种能源子系统之间的互补协调。“多能互补”的突出特点是各类能源打破品质高低互异，实现平等互补利用，以取得最合理的能源利用效果与效益。“多能互补”能够充分发挥和利用各种能源的特点和优势，以清洁能源来满足基本负荷、以化石能源来承担高峰负荷

13、、以二次能源作为转换媒介，通过信息信号的指挥确定区域内各种能源资源的最优分配和各种能源转换技术的最优组合。“协调优化”是指实现多种能源子系统在能源开发、能源传输、能源转化、综合利用等环节的相互协调，实现对综合能源系统的智能调度。综合能源系统包含了能源产、供、储、销等从开发到利用的所有环节，是能源系统“一体化”的重要体现。虽然综合能源系统内各环节分开，旦存在很多终端能源自平衡单元，但要保证系统安全、稳定和高效，则必须保障系统链“分而不散”，保障物理能源的按需传输以及能员与信息的动态平衡。2.综合能源系统的架构综合能源系统的架构具备“外松内紧，分而不散”的特征。一是从系统内外部的关系看，一方面，系

14、统具有显著的外部开放性，多类能源在规则框架下自由灵活接入和即插即用，并通过统一的通信规约和数据模型实现内外部信息交互共享；另一方面，系统内部各环节紧密结合，横向多种能源子系统互联互通，各终端平衡子系统信息-物理层紧密关联。二是从系统结构看，综合能源系统具有系统、区域、元件级的协调管理和优化控制手段，使得其拥有的多环节、多能源子系统、多终端自平衡单元的每个环节、每个部分、每个元件可实现信息互动、紧密互联。综合能源系统的架构可进一步分解为物理、信息和市场三个层次。综合能源系统物理层是指各能源子系统的物理设备和网络结构，涵盖各子系统的能源生产、传输、转化、存储和消费过程。物理层是综合能源系统的运行基

15、础，确保系统中物理能源的正常生产、传输、交易、利用。类似于生物体，物理层中存在若干相对独立且广泛互联的基础物理单元。这些基础物理单元能够称为多能源自平衡单元，能够实现相对独立的任务执行，正常悄况下各单元可实现自我平衡，类似于小型区域综合能源系统。多能源自平衡单元中，多能供能系统由煤炭、石油、核能、天然气等传统能源和风、y低碳发展蓝皮书光、水等清洁能源构成，并采用集中式和分布式两种供能方式；网络输送端以包含了分布式能源系统、储能装置以及多元负荷设备在内的微型网络为主，各微型网络负责局域能源传输；用能端包括用能集中的用户和微型网络中的分散用户，可由多能源供能系统直接供能或者微型网络供能。各个能源自

16、平衡单元通过传输通道互联，在单个多能源自平衡单元无法实现自平衡或者多能源自平衡单元之间需要优化配置时，多个单元可实现有效互动。综合能源系统的信息层是大脑中枢，包含信息采集、存储、分析、处理等相关软硬件系统设备。信息层由若干信息集成控制单元组成，各个信息集成控制单元可实现区域内的信息采集、存储、分析，并可对汇集的信息流进行处理。因为综合能源系统具有多元化的主体、多样的能源形势、复杂的系统链和市场环境，所以必须拥有海量数据，需要有模块化数据存储库和专业化分析处理系统。通过信息的分析处理，结合原始数据共同形成信息流，向物理层和市场层进行信息传输，转变为具体的操作控制指令和市场信号等。综合能源市场层包

17、括电力市场、天然气市场等传统能源市场和综合能源系统市场耦合的交易模式、交易规则、交易产品、市场主体、业务类型、价格体制、监管体制等内容，重点体现了多能源的协调互补优化过程中的价值创新。市场层中市场规则的制定和市场监管由政府来实施，能源和服务的提供者和创造者由企业扮演，用户则作为被服务对象，也有监管者特性，各主体通过市场信号引导共同推动市场发展。（二）综合能源系统助力碳达峰、碳中和的实现机理综合能源系统能够有效整合冷、热、电、气等多种能源资源，打破能源发展的技术壁垒、市场壁垒和体制壁垒，推动实现多能源的互补互济和协调优化，有助于实现能源系统发展“两高三低”的目标，是贯彻落实碳达峰与碳中和的重要途

18、径之一。具体来看，建设综合能源系统能够从系统规划、两高：用能效率提高、供能可靠性提高；三低：用户用能成本降低、碳排放降低、其他污染物排放降低。电源运行、能效管理、多能协同和市场机制五个维度有效助力实现碳达峰、碳中和目标。一是实现低碳发展规划，助力多元化清洁供能体系建设。通过创新综合能源系统规划技术，有效整合光伏、风电、热泵、三联供、工业余热余压利用等分布式资源，从多种能源协同发展的角度优化能源生产模式，从多能耦合角度探索促进可再生能源电力消纳的途径，打造可再生能源占比进一步提升的综合能源低碳供能新结构，推动含高比例可再生能源的综合能源系统建设，促进风电、太阳能发电装机容量增长，助力多元化清洁供

19、给体系建设。二是实现电源侧协同优化，助力新能源发电消纳能力提升。通过推动综合能源系统多能源高效运行技术创新，加强分布式可再生能源与多种能源的互动，实现可再生能源时空转换利用，促进分布式可再生能源发电就地利用；创新分布式可再生能源并网运行管理模式，以综合能源系统为主体实现与电网的交互，推动分布式可再生能源的有序并网；创新可再生能源、传统发电和以及大型储能的协调运行技术，提升储能灵活资源与传统发电机组的协调能力，降低电网调峰和一次调频压力，促进集中式可再生能源消纳和错峰输送。三是实现设备整体能效提升，助力用户成本有效降低。推动“云大物移智链”等信息技术与能源物理技术的融合，揭示不同工况下各类设备运

20、行特性，实现各类能源设备物理出力特性的数字画像，推动综合能源系统能源设备能效优化技术创新，从全局最优角度实现综合能源系统多类型设备的能效优化，以经济高效的设备运行策略满足用户用能需求，在提升用户用能效率的同时显著压缩用户用能成本。四是实现多种供能设备互补耦合，助力安全可靠运行。以“两高三低”目标为导向，推动综合能源系统多能源高效互补耦合技术创新，整合热、电、冷、天然气等多种能源，实现多种能源间的互补互济和综合利用，推动综合能源系统源网荷储联动优化技术创新，有效调动多种供能设备互补和替代特性，增强能源系统应对节日、天气等特殊事件下的保障能力，实现系统安全稳定运行。_TJ低碳发展蓝皮书五是实现多能

21、源市场交易，助力多元化市场机制完善。推动跨区域多能源系统市场交易技术创新，实现跨区域多能源的联动交互，促进跨区域能源消纳和交易机制完善。培育虚拟电厂、负荷聚集商、储能电站等新型市场主体，建立能源消费与能源生产的互动以及不同能源需求之间的协同关系，推动需求响应等辅助服务，完善市场机制。以综合能源系统灵活性特点为基础，加强与其他市场主体的合作，促进能源供给的统筹优化和市场主体间的合作共赢。三推动综合能源系统发展助力能源低碳转型相关建议综合能源系统是能源电力系统未来的重要转型方向。展望“十四五”时期，综合能源系统将在促进新能源消纳、保障供能安全可靠方面发挥更大的作用。下阶段应从技术发展、服务创新、生

22、态圈建设、学科建设、示范应用等方面，加快综合能源系统发展，助力我国实现碳达峰、碳中和目标。一是加快技术升级培育发展动能。一方面，推进关键技术攻关，积极打通创新链条，加快可再生能源开发利用关键设备创新研发，加快数字信息技术与能源物理技术的融合，着力解决可再生能源利用造价高、效率低等“卡脖子”问题；加快综合能源耦合型设备关键技术研发，突破限制多能源耦合转化的技术壁垒，进一步增强异质能源的互补性和可替代性。另一方面，推进技术与业务深度融合。加速“云大物移智链”等技术对传统能源系统的改造升级，深化技术与设备状态监测、设备运行状态优化等多种业务的融合。二是提升综合能源服务水平。一方面，推动综合能源服务商

23、业模式创新，准确掌握不同客户对于电、热、气等异质能的服务需求，因地制宜地使用能源托管、多能互补等商业模式以形成定制化综合能源解决方案。另一方面，紧盯潜在市场，以市场需求为引导，开展多维度分析，深入挖掘数据价值，引导建设一批规模较大、效益良好、绿色高效的综合能源服务项目，提综合能源系统助力实现“双碳”目标报告匸、炼项目运营经验以形成具有可推广性和可复制性的模式。三是加快构建综合能源服务生态圈。打破由技术、机制等原因造成的异质能在供应、运营上的行业壁垒，推动实现更大范围内的资源优化配置。一方面，以低碳、高效、经济为主要原则，鼓励以可再生能源为主的多种能源供应主体的共赢合作，创新多主体投资、运营、利益分配机制，创建