随着全球新一轮能源革命的不断深化，当前以化石能源为主的供能模式将发生重大变革，能源结构向多元化转型，提高能源利用效率，实现多种能源形式协同互补利用成为应对气候变化、实现可持续发展目标的必然选择。然而，电、热/冷、气等不同类型供能系统的互联存在负荷需求峰谷交错、设备能效低下问题；太阳能、风能等波动性能源存在并网接入困难、成本过高和难以控制等特点；能源系统在需求预测和能源管理方面技术发展不足；大规模储能技术尚未发展至广泛应用阶段；能源系统终端用能部门的耦合尚不成熟。因此，因地制宜、贴近用户，将多种能源互相补充和梯级利用，形成多能互补系统，发挥不同能源的优势和潜能，是缓解能源供需矛盾，实现资源优化配置和能源利用最大化的可靠途径。

一、美国推进电网现代化，提出核能-可再生能源复合能源系统新概念

当前，世界主要发达国家及地区都制定了符合国情的多能互补系统发展战略和实施举措。美国2015年起提出“电网现代化计划”并发布多年期资助计划，成立电网现代化实验室联盟，将传统能源与可再生能源、储能和智能建筑整合以建立灵活、可靠、安全的现代电网。美国通过“太阳能攻关计划”（SunShot）及其后续“SunShot 2030”计划，推进太阳能的电网集成解决方案，2009年至2018年共投入超过4.2亿美元资助相关项目。另外，美国还致力于发展核能-可再生能源复合能源系统（图1），2016年制定了核能-可再生能源复合能源系统技术发展计划，目标是到2030年实现此类系统的试点示范。

二、欧盟确定2050年愿景及2030年路线图构建未来综合能源系统

欧盟2010年成立欧盟能源研究联盟（EERA）推进“能源系统集成”和“智能电网”相关研究。在2015年升级的“战略能源技术规划”（SET-Plan）中，提出发展可再生能源并将其集成至欧洲能源网络，以及构建以能源用户为中心的欧洲未来能源系统。在SET-Plan计划框架下，欧盟创建了欧洲能源转型智能网络技术与创新平台（ETIP SENT），于2018年提出了综合能源系统2050愿景，即建立低碳、安全、可靠、灵活、经济高效、以市场为导向的泛欧综合能源系统，并在2020年陆续发布了综合能源系统2030年路线图及第一阶段（2021-2024年）的实施计划（图2）。2020年7月，欧盟发布《能源系统集成战略》，重点强调以能效为核心的循环能源系统、扩大终端用能电气化以及在难以电气化的部门提倡使用清洁燃料，且将实施38项行动以加速能源系统集成。

图2欧盟综合能源系统2050愿景及关键举措

三、日本倡导以氢能为基础、通过发展智慧社区构建新型综合能源体系

日本在2016年发布的《能源环境技术创新战略》中提出利用大数据分析、人工智能、先进传感和IoT技术构建多种智能能源集成管理系统。同时，日本高度重视将氢能纳入到未来的综合能源体系中，提出建立以氢能为基础的二次能源结构，构建多维、多元、柔性的能源供需体系。日本政府倡导发展智能社区，根据当地资源特点，在综合能源系统（电力、燃气、热力、可再生能源等）基础上实现与建筑、交通、供水、信息的一体化集成，从2010年开始在多地推行智能社区综合能源系统示范，并在2016年提出“福岛系能源社会”计划，通过在福岛推广可再生能源、构建氢能社会模式、建立智慧社区以构建新型的能源系统（图3）。

图3福岛新型能源系统构想

四、多能互补系统关键技术及进展

多能互补系统涉及多种能源形式的有机耦合和终端用能的优化整合，还需在系统管理环节确保效率、灵活性和供应安全，其关键技术包括分布式能源、多能混合建模、综合能量管理系统、协调优化控制系统、储能技术等。

1、分布式能源是小规模的能量转换利用系统，通常会按照负荷的特点，注重能源的梯级利用，实现电、热（冷）等多种形式供能，能源利用率高、供能灵活、个性化强，可满足多重用户需求，是集中式供能的有力补充。冷热电联供系统（CCHP）是典型的分布式能源系统，近年来逐渐向多种可再生能源与常规天然气联供系统相结合的综合系统发展。

2、多能混合建模描述了不同类型能源的运行和互补转化，确定了能量流分布，是多能互补集成优化和其他关键技术的基础。目前受到广泛认可的多能互补系统通用建模方法是能量枢纽（Energy Hub），许多研究者针对EH的输入、转换、储存和输出四个方面进行了优化和改进。

3、综合能量管理系统是多能互补系统稳定运行的重要保障，通过信息流调控能量流来保障多能互补系统安全高效运行，国内外在多能互补系统综合能量管理方面的研究尚未形成基础理论体系，也缺乏成熟的系统应用研究。

4、多能互补系统中存在多种形式的能源，因此需要协调优化控制系统以确保系统的安全稳定运行。基于多智能系统的分布式协同控制是实现多能互补系统协调控制的重要途径，需考虑不同能源形式的多时间和空间尺度的协同调度策略。针对多能互补系统的能量优化调度研究目前尚未形成体系，需要针对复杂能源网络下的各种能源系统的运行及生产调度进行研究，其本质是复杂网络有约束的规划问题。

5、储能技术是促进多能互补系统发展的关键支撑技术，包括抽水蓄能、压缩空气储能、电池储能等电力储存以及储热技术等。不同储能方式各有特点，因此适用于不同场景。抽水蓄能、压缩空气储能和电池储能通常可用于电网的削峰填谷、系统调频，超导磁储能和超级电容器则可用于改善电能质量、稳定输出，储热技术则可解决综合能源系统中的热需求和供给的不平衡，平抑需求侧的热负荷波动。未来多能互补系统中，更为广义的储能还包括通过车辆到电网技术将电动汽车作为储能单元，以及通过新能源发电进行电解水制氢，将氢气作为储能的介质，注入气网进行供热或通过燃料电池为交通网络提供动力，起到消纳可再生能源、调节供需的作用，实现电网、天然气网、冷/热网和交通网等多种能源网络的耦合。

五、我国发展现状及对策建议

我国以化石能源为主的能源结构导致了碳排放超标、颗粒物污染等环境问题，扩大清洁能源的开发是目前我国能源发展的主要战略方向，迫切需要发展多能互补技术以改革能源供给侧结构，构建现代能源体系。因此，我国政府对多能互补系统的开发日益重视，先后出台一系列支持政策，启动重大研发项目开展技术研究，并部署了一批多能互补集成优化示范工程和“互联网+”智慧能源（能源互联网）示范项目。

然而，我国在多能互补系统的研究开发及工程应用方面均面临许多挑战，在多能互补系统的规划设计、多能流建模、综合能量管理及协调优化方面均与发达国家有一定差距，在多种类型多能互补系统的示范应用方面才刚刚起步。因此，需进一步从基础研究、产业政策、基础设施、财政补贴、国际交流等方面采取措施，争取尽快实现多能互补系统的大范围应用，构建智能、可靠、灵活、低碳的现代能源体系。具体建议包括：

（1）注重一体化、智能化的多能互补系统顶层架构设计和区域多样化系统方案开发；

（2）政府部门出台多层次支持政策和做好规划协调，促进多能互补系统发展；

（3）技术研发上高度关注信息技术和能源技术深度融合的智慧能源技术；

（4）大力发展多能互补系统相关基础设施；

（5）加强国际合作与交流，分享成功案例和经验。

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本文摘选自《国际科学技术前沿报告2019》“第5章多能互补系统国际发展态势分析”。