1.2.2　综合能源系统

如果将能源互联网类比于包含了一次和二次环节的电力系统，则综合能源系统就是能源互联网的“一次”系统，是能源互联网的物理基础，是能源互联网分析、优化、调控乃至服务的重要对象，是推进“源-网-荷-储”一体化和多能互补的重要手段。

传统的社会供能系统（如电力、燃气、热力）往往单独规划、单独运维、独立运行，彼此之间存在较少的耦合环节，由此会引发一系列问题。如不同能源之间难以有机配合，造成能源利用效率低下；不同供能环节之间缺乏协调，影响整个社会供能系统的灵活性，且在面对极端天气或重大灾难时，供能系统的自愈恢复能力较差等；这些问题引起了能源领域专家和学者的广泛重视。为解决上述问题，以提升能源利用效率，促进可再生能源安全高效消纳，保证社会供能的安全、灵活和可持续性，构建综合能源系统、打破不同能源子系统之间的壁垒、实现不同能源的有机协调已成为社会的共识。

在传统供能体系中，各个能源网络由不同的组织部门和厂商负责建设、运行和维护，相互之间缺乏互联与耦合。但随着能源领域的改革、能源技术的进步，以及人类对生态环境的日益重视，互相独立的能源结构正在发生转变。首先在能源侧，大量光伏电站、风电场投入使用，燃气电厂逐步取代燃煤电厂，同时为了提高燃气利用效率，这些电厂往往会加入余热锅炉、吸收式制冷机等设备从而构成冷热电联供（CCHP）方式；其次，为提高可再生能源的消纳率、提高用户用能的经济性和舒适性，大量储能设备被广泛应用，既包含集中式的大型储能电站，也包含用户侧分布式的小型储能；最后，为了进一步提高各种能源的耦合程度，实现可再生能源的安全消纳，电制热、电制冷、电转气等技术受到越来越多的关注。基于上述变化，电、热、气、冷不同能源之间的耦合越来越紧密，最终形成了综合能源系统，如图1-1所示。

图1-1　综合能源系统

通过上述分析不难看出，综合能源系统既是人类为解决社会发展所面临问题的必然选择，也是社会能源领域技术进步的一种体现。综合能源系统特指在规划、建设和运行等过程中，对电、热、气、冷、氢等各类能源的生产、传输、转换、存储、消费和交易等环节进行协调与优化，进而形成能源产、供、销一体化系统。构建综合能源系统的目的在于提升能源利用效率，促进可再生能源经济消纳，实现社会能源的可持续供应，并提高整个社会供能系统的安全性、灵活性和经济性。

综合能源系统身优势突出，其逐步成为能源领域世界各国关注的重点技术。由于不同国家经济发展、生态环境、资源等差别较大，因此对综合能源系统技术研究的侧重点各有不同。

美国于2001年发布了综合能源系统发展计划，指出要提升清洁能源在能源利用中的占比，加大对分布式能源（DER）和冷热电联供技术（CHP）领域的研究力度，并进行推广应用；2007年颁布了能源独立和安全法（EISA），明确要求社会主要供能、用能环节必须开展综合资源规划；2009年以后，美国将智能电网列入国家战略，旨在以电网为基础，构建一个高效能、低投资、安全可靠、灵活应变的综合能源系统。

欧洲在综合能源系统相关领域开展了大量的科学研究与应用推广，是最早将综合能源系统理论付诸实践的地区。在欧盟框架项目的引导下，英国开展了多方面关于综合能源系统的研究，研究领域包括新能源并网、各能源间的协同、建筑中的能源效率提升，以及能源、交通系统与基础设施三者互相的影响因素等。除了英国，德国也开展了综合能源系统的研究，关注点落在通信系统与能源系统之间的耦合与交互，同时通过政策大力驱动可再生能源系统的发展建设及其在综合能源系统中的应用。

加拿大在2009年国会审议并通过了旨在助推本国综合能源系统相关研究的报告，随后在相关文件指导意见中明确指出，要构建覆盖加拿大全国的社区级综合能源系统的建设（ICES），将ICES技术研究和工程建设列为2010—2050年的国家能源战略，并在之后相继颁布了多项法案，以助推ICES研究、示范和建设。

日本是亚洲最早开展综合能源系统研究的国家，通过构建国内综合能源体系，实现能源结构优化和能效提升，并促进可再生能源的规模化开发，缓解国内能源供应的压力。2009年9月，日本政府公布了2020年、2030年以及2050年的减排战略目标；2010年，日本国内综合能源开发机构发起成立了日本智能社区联盟（JSCA），致力于智能社区综合能源技术的研究与示范。

综合能源系统和能源互联网的现实意义都是为了促进可再生能源的规模化开发以及能源利用效率显著提升，其最终目的都是解决能源可持续供应、环境污染等问题，但两者关注点各有侧重，存在以下显著区别。

（1）综合能源系统主要用于解决能源系统自身发展问题与瓶颈，而能源互联网则更强调能源系统的互联以及与信息通信技术的深度融合。

对于能源系统自身而言，随着社会对各类能源需求增加与传统化石能源短缺的矛盾逐渐加深，以往不同能源系统各自独立运行的状况越来越难以适应未来社会的能源需求，所以能源供给结构需要改革与优化，除了可再生能源的广泛接入，不同形式能源之间也要加强耦合关联。从单一能源系统跳出，站在更高层次上对多种能源进行协调优化，以满足人类日益增长的用能需求，是社会发展的必然结果，也是催生综合能源系统的内在动力。因此，综合能源系统更强调能源供给结构的优化，即不同能源间的耦合转换和协同优化，而不过分倚重网络互联和ICT技术，因为即使一个孤立的微网系统，同时采用较为传统的控制手段，也能通过使用能源耦合设备、储能设备达到能效提升、满足用户多样性需求的目的。

能源互联网可看作是互联网理念向能源系统渗透或对能源系统再造的产物，因此它更强调能源网络的互联，追求的目标包含了目前互联网所具有的诸多特征，如对等开放、即插即用、广泛分布、双向传输、高度智能、实时响应等，因此它特别强调能源系统与互联网及信息通信技术与能源系统的深度融合。

（2）综合能源系统重点关注多种能源间的协调均衡，并不强调何种能源的主导地位，而能源互联网则更倚重电能。

综合能源系统追求的是能源系统的协同优化，不同的能源形式在不同应用场合会承担不同角色，主导能源会随着应用场景的不同而不同。对于能量的长距离和大容量传输，往往需由电力网和天然气网完成，此时电能和天然气将占主导地位；对于能量存储，则会根据品级高低、容量大小、响应速度快慢等因素，选择电储能、天然气储能或冷/热储能，对应的能源形式将在其中起主导作用。

而在微网中，为满足用户的电、冷、热等多样性用能需求，则可能出现多种组合方式。如可采用单一电力网供能，其他所需的冷、热能均由电能转换获得；也可以是电力+天然气供能方式，电、冷、热需求既可来源于电能，也可来源于天然气；还可以是电力+天然气+热力混合供能。三种方式下，电、气、冷、热等能源所担负的角色各不相同，没有必然的主导能源形式。

而能源互联网的追求目标，决定了电力网和电能必将在其中起主导作用。这主要源于电力网络具有能源实时传输、自动化程度较高和用户侧已基本实现即插即用等优点，而电能本身也具有易于传输、转换和使用的特点。因此，将智能化的电力网作为骨干网络或核心平台，更易于与互联网和信息通信技术的融合，更利于能源互联网目标实现。而里夫金在其《第三次工业革命》一书中，更是提出了“智能电网+分布式能源即是能源互联网”。

（3）综合能源系统是能源互联网的物理载体。

能源互联网尽管被赋予了种种功能与内涵，但归根结底它是因能源系统而生的，其目的是提升能源的可持续供应。尽管能源互联网强调电能的核心作用，其最终作用对象仍将是包括电、气、热、冷等能源系统的运行性能，满足人类对于能源的更高需求，并基于各系统之间的互联实现其功能，而这也正是综合能源系统的核心所在。因此，综合能源系统必然是能源互联网的服务对象和功能载体。