《多能互补系统柔性建模与优化》介绍多能互补系统柔性建模与优化方法，着重阐述适用于多类型工业应用的多能互补系统一般性结构组成、建模方法与优化方法。《多能互补系统柔性建模与优化》内容涵盖相关领域的基础理论和应用案例，从宏观的能源系统发展历程，到具体的高耗能工业、制造业、物流交通中心、农牧业园区等应用场景，详细归纳多能互补系统在四类典型应用场景中的共性规律与差异化特征，并对设备级元件、能源转换子系统、系统级网络流模型进行建模分析与协同优化验证。总体而言，《多能互补系统柔性建模与优化》全面展现多能互补系统在多场景能源优化配置与协同调度方面的巨大潜力，为实现能源系统的可持续发展提供新的思路与方法。

目录
第1章 概述 1
1.1 能源系统的发展历程 1
1.2 多能互补系统发展形态：以电为载体，多种能源形式并存 3
1.2.1 多能源系统协调发展推进新型能源体系转型 3
1.2.2 多能源系统互补提升能源利用灵活性 4
1.3 多能互补系统应用实例：国内外研究进展 6
1.3.1 美国：核能-可再生能源组成的复合能源互补系统 6
1.3.2 欧洲：以能效为核心的循环能源系统 7
1.3.3 日本：智慧园区型综合能源系统 8
1.3.4 中国：自治+协同的能源互联网系统 9
参考文献 11
第2章 多能互补系统的理论研究框架 13
2.1 一般性系统组成与研究框架 13
2.2 一般性系统建模方法 15
2.2.1 设备级元件模型 15
2.2.2 能源转换子系统模型 28
2.2.3 系统级网络流模型 31
2.3 一般性系统优化方法 46
2.3.1 系统规划优化方法 46
2.3.2 系统调度运行优化方法 48
2.4 本章小结 49
参考文献 50
第3章 高耗能工业的多能互补建模与优化 51
3.1 高耗能工业的特点及分类 51
3.1.1 高耗能工业的特点 51
3.1.2 高耗能工业的分类 52
3.2 高耗能工业负荷特性建模 53
3.2.1 钢铁工业负荷建模 53
3.2.2 有色金属工业负荷建模 59
3.2.3 石化工业负荷建模 63
3.2.4 化学工业负荷建模 67
iv 多能互补系统柔性建模与优化
3.2.5 水泥工业负荷建模 69
3.2.6 建材工业负荷建模 71
3.3 高耗能工业多参量全息感知辨识 72
3.3.1 时变负荷估计流程 72
3.3.2 典型时变负荷估计结果 73
3.4 高耗能工业多能互补优化 74
3.4.1 高耗能工业负荷调度方法 74
3.4.2 电网侧日前*优调度方法 76
3.4.3 算例分析：典型高耗能工业园区多能互补微网互动运行 77
3.5 本章小结 79
参考文献 80
第4章 制造业的多能互补建模与优化 82
4.1 制造业的分类 82
4.1.1 离散制造业 83
4.1.2 流程制造业 83
4.2 制造业负荷建模 84
4.2.1 离散制造业负荷建模 85
4.2.2 流程制造业负荷建模 86
4.3 制造业多能互补优化 90
4.3.1 制造业负荷用电特征分析 90
4.3.2 制造业负荷日内经济调度模型 93
4.3.3 算例分析 97
4.4 本章小结 107
参考文献 107
第5章 物流交通中心的多能互补建模与优化 109
5.1 物流交通中心分类 110
5.2 物流交通中心多能互补系统建模 111
5.2.1 电气化港区建模 111
5.2.2 陆运物流中心负荷建模 129
5.2.3 公共交通枢纽负荷建模 133
5.2.4 机场综合能源系统建模 137
5.3 物流交通中心多能互补优化 146
5.3.1 源-网-荷-储互动模型 146
5.3.2 多能互补结果分析 147
5.4 本章小结 153
参考文献 154
第6章 农牧业园区的多能互补建模与优化 156
6.1 农牧业园区概况 156
6.1.1 农牧业园区能源需求特征 156
6.1.2 农牧业园区节能降碳潜力 158
6.1.3 农牧业园区低碳能源系统 160
6.2 农牧业园区低碳能源系统碳评价方法 163
6.2.1 农牧业园区能-碳流耦合建模与碳评价 163
6.2.2 算例分析：典型农牧业园区碳评价 168
6.3 低碳农牧业园区多能互补系统建模 171
6.3.1 生物质发电特性建模 171
6.3.2 设施农业负荷特性建模 173
6.3.3 柔性可调节负荷建模 175
6.4 低碳农牧业园区多能互补优化运行方法 178
6.4.1 农牧业园区碳交易市场机制构建 178
6.4.2 农牧业园区多能互补运行优化方法 179
6.5 本章小结 188
参考文献 189

第1章概述
　　1.1能源系统的发展历程
　　“能源”是指满足人类生活或生产需要的能量载体，包括直接利用或间接转换等形式，由此可分类为一次能源与二次能源。一次能源直接来源于自然界，是没有经过加工转换的各种资源和能量，如水能、太阳能、风能、生物质能、化石能、核能等。二次能源则是由一次能源经过加工转换后得到的能源，如蒸汽、电能、合成燃料等。此外，根据能源的可再生程度，也可分类为可再生能源（如风能、水能等）及不可再生能源（如煤、石油等）。
　　能源在人类社会的发展中起着至关重要的作用，其发展历程是人类文明不断突破自然限制、拓展能量边界的过程，可大致划分为四个阶段：薪柴时代、煤炭时代、油气时代、清洁时代。每一阶段都以一次“主体能源更替”为标志，并伴随技术、经济、社会的重构。①在薪柴时代，人类能源系统以太阳能、生物质燃烧热能为主，这一时期的资源有限且能源转换效率极低，无法充分发挥能源的巨大潜力，社会生产力发展缓慢。②在煤炭时代，蒸汽机的出现让煤炭突破“燃料”范畴成为“动力源”，“能量”*次像货币一样可储存、可运输、可放大，这也*次让规模化、工厂化、城市化的生产模式成为经济常态，大幅提升了能源利用效率，并推动了英国国内的工业革命，随后这一变革迅速扩展到世界各地。③在油气时代，石油以更高的能量密度、更易储运的优势成为主要的化石燃料替代品，特别是燃气轮机联合循环发电技术的诞生，可将燃料燃烧的热能转换为电能，标志着人类进入油气电的混合时代。④在清洁时代，大规模可再生清洁能源发电技术已成为未来的主要发展方向，可摆脱传统火力发电对化石燃料的依赖，有效减少温室气体排放。
　　2015年，国家发展和改革委员会发布的《中国2050高比例可再生能源发展情景暨路径研究》报告提出[1]，到2050年，中国要实现60%电力来自可再生能源，届时风电和光伏发电装机容量将分别达到23.96亿千瓦和26.96亿千瓦，分别占可再生能源发电量的比例为28%和42%。目前，可再生能源发电的方式多种多样，主要包括太阳能发电、风力发电、水力发电、海洋能发电、地热能发电等。①太阳能发电：利用太阳能电池板将太阳光能转换为电能。太阳能发电具有清洁、可再生、分布广泛的特点，是未来能源发展的重要方向之一，但目前成本较高，而且受光照条件影响较大。②风力发电：通过风力驱动风轮旋转，带动发电机发电。风力发电是一种清洁、可再生的能源，近年来发展迅速，但它受风力资源和地理条件的限制，而且发电具有间歇性。③水力发电：利用水的势能和动能，通过水轮机驱动发电机发电。水力发电是一种可再生能源，具有清洁、可持续的特点，但受地理条件的限制较大。④其他可再生能源发电：包括海洋能发电（潮汐能、波浪能等）、地热能发电等，这些能源形式具有清洁、可再生的特点，但目前技术成熟度较低，应用规模相对较小。此外，核能发电作为一种非可再生能源，运行过程的温室气体排放极少，其利用核反应堆中的核裂变反应释放的能量，产生高温蒸汽驱动汽轮机，具有能量密度高、不受自然条件限制的优点。
　　国家能源局在其发布的《2024年可再生能源并网运行情况》统计报告中指出[2]2024年度全国可再生能源发电领域新增装机容量达3.73亿kW，较上年同期增长23%，在同，期全国电力新增总装机规模中的占比高达86%。具体来看，各类可再生能源新增装机分布如下：水电新增1378万kW，风电新增7982万kW，太阳能发电新增2.78亿kW，生物质发电新增185万kW。从累计装机规模来看，截至2024年末，全国可再生能源总装机容量已攀升至18.89亿kW，同比增幅为25%，其在我国电力总装机容量中的占比约为56%。细分品类数据显示，水电、风电、太阳能发电和生物质发电的累计装机容量分别为4.36亿kW、5.21亿kW、8.87亿kW和0.46亿kW。
　　当前，大规模新能源的持续发展，正为我国能源系统转型提供强劲动力，同时也为可持续发展目标的实现奠定了重要基础。关于未来发展趋势，2020～2060年我国电力系统的装机容量及发电量演化情况可参考图1.1。值得注意的是，随着低碳转型进程的不断推进，终端电气化率将逐步提升，在此背景下，全社会年用电量预计将从2020年的7.5万亿kW h增长至2060年的16万亿kW h，实现总量翻番，且增长速度将呈现“先快后慢”的阶段性特征。
　　图1.1“双碳”目标下2020～2060年发电装机及结构演化趋势[3]
　　随着新能源大基地的集中建设与大规模开发，电力系统中可再生能源占比和电气化水平不断提高。然而，在从碳达峰迈向碳中和的中长期阶段，能源电力系统的低碳转型仍面临三个方面的主要挑战：一是当间歇性、波动性可再生能源发电占比超过50%时，系统的季节性供需错配问题日益突出，亟须具备大规模、长时段调节能力的储能与调峰手段；二是深度减排难度较大，相较于电力和交通等易于电气化的领域，钢铁、化工、航空等行业仍高度依赖化石燃料，其碳排放量占全国总量的30%以上，减排空间受限；三是传统能源基础设施转型与高效利用问题突出，需要通过技术改造延长燃煤机组服役周期，实现有序退出，并协调其与新能源开发及消纳的关系，以在实现“双碳”目标的同时兼顾系统安全与经济性。
　　因此，不确定性电源主导的新型电力系统运行特性复杂，新能源就地消纳与电力系统安全、稳定、经济运行已成为*要发展目标。在此背景下，发展多能互补技术，通过整合风、光、水、火、储等多种能源，实现源-网-荷-储各环节不同能源之间的转换和协调，从而显著提升新能源消纳能力与系统调节能力，这一举措将成为实现中国“双碳”目标的重要途径。
　　1.2多能互补系统发展形态：以电为载体，多种能源形式并存
　　构建清洁低碳、安全高效的新型能源体系和新型电力系统已成为实现“双碳”目标的关键环节。推动能源体系转型与多能源互补协同，不仅有助于提升能源的利用效率和系统的经济性，也具有重要的现实意义和长期战略价值。
　　1.2.1多能源系统协调发展推进新型能源体系转型
　　推动能源消费结构优化调整以探索多类型能源系统灵活、高效、经济互补的能力，是构建新型能源体系的核心路径。当前，我国新型能源体系下的能源消费结构如图1.2所示[4]。
　　图1.2新型能源体系下的能源消费结构
　　（1）减少化石能源使用。随着煤炭、石油和天然气等化石能源经由发电及非电途径的利用逐步减少，未来其能源供给角色将被非化石能源逐步取代。（2）提升非化石能源电力比重。以风电、光伏、水电、核电等常规非化石能源为主，同时包括光热、地热、生物质发电及由绿氢及其衍生燃料驱动的非常规发电形式，将逐步替代化石能源发电及部分终端非电利用，形成以“绿电替代”为核心的新型能源体系。
　　（3）拓展非化石能源的非电利用。在传统体系中，太阳能、地热能和核能主要作为供热等直接利用。未来，在工业和交通等电气化难度较大的领域，将通过“绿氢替代”逐步取代化石能源。绿氢不仅包括以非化石能源电力电解水制得的氢气，也涵盖光催化、微生物等多种由非化石能源驱动的制氢方式。其融入能源消费结构，将进一步强化清洁能源在整体能源体系中的地位与潜力。
　　总体而言，加强非化石能源的电利用与非电利用是实现“电能替代”“绿氢替代”“多能协同”等能源体系转型的有效途径，可为风电、光伏、水电、氢能、储能等资源协同调度提供坚实基础，有利于推动工业、交通、建筑等领域用能方式由单一化石能源向
　　“电氢融合和多元互动”转变，为构建清洁低碳、安全高效的新型能源体系提供坚实支撑。
　　1.2.2多能源系统互补提升能源利用灵活性
　　多能源互补技术将分布式异构能源系统作为集中式能源供应的重要补充，使传统“源-网-荷”的刚性链式结构转变为可灵活调控的“源-荷”柔性耦合结构，成为推动能源转型与利用方式变革的关键路径。通过科学布局分布式能源系统，使其靠近负荷中心，可有效减少长距离输送造成的能源损耗和基础设施投资，实现能源的就地生产与消纳。该系统具有多元灵活的能源利用特征，不仅可以利用天然气、氢气等燃料，还能综合利用太阳能、生物质能等可再生清洁能源，并通过电、热、气等多种形式的互联互补提升可再生能源的消纳能力。因此，构建以可再生能源为主体的多能源互补分布式系统，是实现我国能源体系低碳化与可持续转型的必然方向。然而，从“单一电力”走向“多能协同”，并非一蹴而就，而是政策、市场、技术、基础设施交替演进的自然融合，包括四个阶段的发展：①“以电为中心”的发展特征（2000年以前）：大电网、大机组、超高压，电、热、气、油分行业*立规划，电力系统只负责“发-输-配-售”电，热电联产、天然气等其他能源分属各自利益主体，缺乏灵活接入电力系统的接口，与电网调度严重脱节。②“并网消纳”压力倒逼多能互补（2000～2012年）：2005年《中华人民共和国可再生能源法》颁布，风电、光伏爆发式增长，出现大规模弃风弃光现象。2017年，*批“风光火打捆”的酒泉-湖南±800kV直流外送通道落地应用。风电、光伏、火电机组经过深调改造，解决了分钟-小时级波动。但电、热、气仍分属不同调度机构，多能互补停留在“电源侧拼接”层面。③“多能互补系统”概念成型（2013～2020年）：为缓解新能源波动问题，2015年新一轮电改放开配售电业务。2016年，国家发展改革委和国家能源局印发《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》[5]，指出要“通过天然气热电冷三联供、分布式可再生能源和能源智能微网等方式，实现多能协同供应和能源综合梯级利用”。在政策引导下，张家口“风光储输”一期项目（500MW风电+100MW光伏+70MW储能）于2016年投运，建成世界*个全直流耦合基地，深圳国际低碳城、苏州工业园等“终端一体化”项目，将冷、热、电、气统一规划，实现了微电网、储能、需求侧响应的*次同台调度，标志着我国步入综合能源系统互补发展阶段。2020年，国家发展改革委和国家能源局发布《关于开展“风光水火储一体化”“源网荷储一体化”的指导意见（征求意见稿）》[6]，*次把“风光水火储一体化”写入中央文件。④“源网荷储”全域协同（2021年至今）：2021年3月，国家发展改革委和国家能源局印发了《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》[7]，探索构建源网荷储高度融合的新型电力系统发展路径，明确2020～2030年为加速转型期，新能源装机占比>40%，电力占终端能源>30%，多能互补项目装机≥30%；2030～2045年为总体形成期，零碳电源成为主体，氢-电-热长期储能商用，全国统一电力+碳市场耦合。2045～2060年为巩固完善期，电、氢、热、气、交通燃料多网融合，电-碳-能源三元市场一体化。
　　结合上述发展趋势，构建多能源互补系统对提升能源利用效率，构建安全、高效、经济、环保的现代能源体系具有重要的现实意义和长远的战略价值。多能互补系统如图1.3所示。
　　图1.3多能互补系统示意图
　　多能互补系统主要包括两种运行模式：一种是面向用户侧的终端综合供能系统，通过天然气冷热电联供、微网及分布式新能源等方式，实现冷、热、电、气等多元能源的协同供应与梯级利用；另一种是面向大型综合能源基地的风-光-水-火-储一体化系统，通过耦合多种分布式能源资源，发挥各类能源的互补优势，以满足不同类型的用能需求。在不同运行模式下，多种能源间的互补关系主要表现为时间互补、热互补及热化学互补，如表1.1所示。
　　（1）时间互补：利用不同新能源的出力特性，在时间维度上实现功率互补以保持系统连续发电。例如，在风-光-水-储能系统中，风电、光伏、水电与储能协同运行，水电机组根据风光发电出力进行调节，储能装置通过充放电平衡功率波动，有效缓解了新能源发电的不稳定性，保障系统稳定输出。
　　（2）热互补：通过多种热源的协同利用提升能源梯级利用效率。例如，天然气冷热电联供系统可依据“分配合理、温度匹配、梯级利用”的原则实现高效用能；同时，火电与太阳