面向绿色生态乡镇的综合能源系统关键问题及展望.pdf

面向绿色生态乡镇的综合能源系统关键问题及展望何伟1，陈波1，曾伟1，王丹2，何桂雄3，魏炜2，郭力2，雷杨21. 国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096；2. 天津大学 智能电网教育部重点实验室，天津 300072；3. 中国电力科学研究院有限公司，北京 100192摘 要乡镇作为经济社会发展的重要一环，相比于城市，在自然资源禀赋、用能特性及能源设施基础条件等方面都具有自身独特特征。通过总结绿色生态乡镇的特征以及目前存在的问题，综合考虑乡镇清洁能源资源及冷、热、电用能需求，为实现电、气、冷、热多能互补，源、网、荷互动优化，从乡镇综合能源系统的多能源协同规划、运行优化、综合评价3个方面提出面向绿色生态乡镇的综合能源系统关键问题，对乡镇综合能源系统的未来发展方向进行了展望。关键词综合能源系统；绿色生态乡镇；协同规划；运行优化；综合评价中图分类号 TM 73 文献标志码 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2019030830 引言人类社会的进步与能源的发展紧密相关，随着能源需求的增加引发更加严重的环境问题，能源的供应从单一形式能源向综合能源系统方向转变。能源发展“十三五”规划将发展集成供能系统作为未来重点发展方向，构建综合能源服务市场，更好地实现清洁能源的就地消纳，提高系统能效。因此，发展乡镇综合能源系统势在必行。目前，中国乡镇的能源使用情况与本地的经济发展水平有很大关联。对于中国东南部一些经济水平较好的乡镇，能源的供给以电能为主，整个乡镇的基础设施建设、公共服务设施建设相对较好，乡镇的空间建设向城镇化方向迈进。然而乡镇清洁能源众多，未能进行合理的调控配置，造成了资源的严重浪费。对于中国西北部一些经济水平相对落后的乡镇，大多以直接燃烧秸秆、薪柴、煤炭、柴油等作为能量来源的主要方式，给周围的生态环境造成了污染，而且能量的利用效率低。随着经济的快速发展，电能的使用比例逐年攀升，但由于地区比较偏远，电网的建设程度还不能满足当地居民的大负荷用能需求，电网的改造成本极大。综上所述，中国乡镇目前面临着能源利用效率低，能源浪费与短缺并存，能源利用与生态发展矛盾等关键问题。针对当前乡镇的能源发展问题，已经有专家和学者在此领域进行了大量研究。文献[1]提出利用清洁能源解决西北地区能源供给不足、环境污染严重的问题，但文章没有考虑不同清洁能源的优化配置，只考虑了清洁能源的使用对乡镇发展所带来的积极影响。文献[2]提出推动沼气工程建设、加强太阳能发展、提高生物质能的利用水平以缓解当地能源紧张形势，并没有解决不同能源的地域因素以及合理消纳的问题。文献[3]提出了农村沼气开发利用的基本模式，但其适用范围有一定的局限性，且能源的供给不能够构成系统化的运行模式。因此，要做实现乡镇能源的优化配置、互联互通、多能协调，提高能源的使用效率，可以从综合能源的角度去展开研究。有关综合能源的相关技术，文献[4-6]通过电、热、气等多种能源形式的运行机理进行分析，对综合能源系统的规划与运行方面进行研究。文献[7]针对可再生能源出力的间歇性与波动性建立了随机模型和综合能源运行优化模型。文献[8]研究综合能源系统内部不同能源间的耦合关系并建立收稿日期2019−03−26； 修回日期2019−05−29。基金项目国家电网有限公司2019年总部科技项目绿色生态乡镇综合能源系统多能源协同规划、运行优化关键技术研究与示范，52182019000K第 52 卷 第 6 期中国电力Vol. 52, No. 62019 年 6 月ELECTRIC POWER Jun. 201977了分层优化调度模型。文献[9]针对园区综合能源系统进行建模并提出了两段优化调度策略。文献[10]针对用户侧的能源需求响应进行研究，分析机组输出特征，提出了一种广义需求响应综合能源调度模型。然而，上述文献对综合能源系统的研究主要集中在系统整体的运行优化，缺少针对负荷特征明显、用能特性多样的特色乡镇综合能源系统的研究。城镇的综合能源系统注重于能源的互联互通，产销一体，交易多元等，大幅度提升能源系统效率。同时，开放能源交易市场，提升能源供需双方的互动性。乡镇的综合能源系统主要结合其地域特征和资源优势，促进乡镇清洁能源高效利用，与乡镇经济的发展相适应，满足乡镇用户的多种用能需求，实现乡镇能源体系的绿色健康发展。狭义上，乡镇通过行政等级进行划分是一种普遍方式。广义上，乡镇的划分与区域人口、占地面积、财政收入、地理位置、能源消耗水平等因素密不可分，因此不同区域进行乡镇划分时，需要综合考虑以上各因素水平作为划分乡镇区域类型的依据。乡镇能源用户数量庞大，能源需求多样，负荷特征明显，如何在农网不增容、减轻农网负荷压力的情况下满足乡镇用户的特色用能需求是乡镇能源系统发展急需解决的问题。本文总结了绿色生态乡镇的特征以及目前存在的问题，综合考虑乡镇清洁能源自然禀赋及冷、热、电用能需求，为实现电、气、冷、热多能互补，源、网、荷、储互动优化，从多能源协同规划、运行优化、综合评价3方面提出面向绿色生态乡镇的综合能源系统关键问题，并对乡镇综合能源系统的未来发展方向进行了展望。1 绿色生态乡镇综合能源系统1.1 综合能源系统特征综合能源系统是由互联网与新能源技术整合而形成的新型能源体系。综合能源系统是以智能电网为基础构建的区域能源互联网，以电力系统为核心，与冷、热、气等能源进行紧密耦合，是能源互联网中实现能源转换、分配与协调的重要载体。综合能源系统采用系统化、集成化和精细化的设计方法，负责管理和运行整个能源系统的能量生产、传输、存储和使用，在整合区域内多种供能资源基础上，满足用户的多种用能需求。综合能源系统促进了系统内源、网、荷、储的深度融合与紧密互动，并通过多种能源的结合使能源耦合互补，满足多能的需求同时，提高能源间的协同能力。综合能源系统对能源进行合理配置利用，对可再生能源进行就地消纳，提升系统的能效、可靠性。综合能源系统由外部能源供应子系统、能源转换子系统、能源输送网络和用户终端子系统构成[11]。综合能源系统涉及的能源种类繁多，系统复杂维度高，其配置优化和运行优化最为关键。因此需要分析不同能源间的耦合关系，建立优化模型，合理配置不同资源，来满足用户的多种用能需求，在保持高能效的同时，提高清洁能源利用率。1.2 乡镇综合能源系统特征（1）广袤性。目前乡镇在能源供给侧，主要依赖于单一的电网供电，其他清洁能源的使用率很低。随着居民生活水平的提高，人们对电能的需求量逐年攀升，而当前薄弱的乡镇配电网容量显然已不能满足居民的用能需求。由于乡镇所处的地理位置相对供电端较远，其供电半径较长，对一些偏远的乡镇甚至可达近百公里，然而对乡镇的配电网进行改造升级，不仅前期投资巨大而且电能的利用效果不佳。在规划的过程中，要充分考虑到乡镇广袤性的问题，以最为经济合理的方式就地消纳清洁能源，减少源端与负荷端间的电气距离，在降低配电网络损耗的同时提高配电系统的供电可靠性，最大限度减少或延缓乡镇配电网的改造升级工作。（2）地域性。乡镇由于其地域特征，有丰富的分布式风、光、地热、沼气等清洁能源。中国东南沿海地区以及新疆、甘肃等西北地区风能储备丰富，西南部西藏、四川等地太阳能资源储备丰富，但整体的利用效果不好，缺乏合理的调控手段，造成资源浪费严重。随着人们生活水平的提高，电网负荷增加明显，以化石燃料燃烧为主的供电源端对环境造成的污染也在显著增加，保护生态环境已迫在眉睫。因此，要因地制宜，充分调动与利用乡镇的可再生资源。当前乡镇的沼气使用多为几家共用一个沼气池，缺少系统的调中国电力第 52 卷78配传输方式，致使剩余的沼气不能得到有效利用。同时，对于一些乡镇秸秆、薪柴、煤炭的直接燃烧，对生态环境污染严重。乡镇能源配置调控不合理、供需不匹配问题尤为突出。（3）季节性。在能源需求侧，农用负荷具有很强的季节特性。目前，很多乡镇人口外出打工，平时负荷量很小，而在农忙时节与节假日，乡镇负荷量显著增加。乡镇负荷季节期短，年总负荷量低，在选择配电变压器容量时如按照最大负荷选择，会增加配电网络的建设费用；如按照最小负荷选择，高峰负荷期变压器严重过载，配电网不能正常运行。因此，盲目增加配电网的容量，经济效益显然不佳。农用负荷作为常规负荷，同时具有时间特性，峰谷差较大，可通过深入挖掘负荷随时间的规律性变化，提高可再生能源的就地消纳水平，促进乡镇清洁能源高效利用，推动乡镇绿色可持续发展。（4）多元性。乡镇综合能源系统可以结合乡镇的丰富能源结构与地理优势，充分利用资源禀赋优势，对当地特有的地热能、生物质能等进行因地制宜的协同开发利用。目前，已有乡镇实现多种能源的开发利用，然而各能源间不能实现互联互通、多能协同，能源利用形式单一，对能源特性利用不足，难以针对能源特性最大化实现能源的优势。以乡镇环境条件、资源优势为基础的乡镇综合能源系统也应注重不同能源之间的交互联动，针对乡镇自然资源禀赋以及负荷用能特性，最大限度地提高可再生能源的就地消纳，解决农网用电供需矛盾问题，填补农网建设的缺口。以节能、经济、低碳为目标，制定不同场景下的多能源协调控制调度策略。（5）分散性。乡镇综合能源系统中绿色生态乡镇客户分布较为分散，它的分散性是由于地域的广袤性所决定的。可以通过调研不同经济发展水平下乡镇负荷的分散程度，总结分析其分布的规律，对乡镇负荷做集中化处理。分析不同能源需求的时空分布特征，提高乡镇能源供给的匹配度与可靠性。乡镇综合能源系统要考虑乡镇供能、用能特点，统一考虑经济性、安全性、可靠性、灵活性、可持续性、环境友好性、用户用能满意度等诸多因素的影响，满足用户终端多样化的用能需求。基于乡镇综合能源系统特征的绿色生态乡镇综合能源系统关键问题结构如图1所示。2 乡镇综合能源系统关键问题2.1 乡镇综合能源系统规划技术随着能源利用相关技术的快速发展、能源传输与转换设备的进一步革新，源端与受端的能源多样化特征以及耦合互联关系愈加紧密，分层协同规划已成为综合能源系统的规划热点。分层协同规划同乡镇特征相结合，是研究乡镇综合能源系统规划的出发点，最后落实于规划模型上。乡镇规划特征主要体现在以下几方面。季节性地域性时空分布特性乡镇综合能源系统地热沼气生物质风电光伏广袤性分散性乡镇村用户乡镇村用户乡镇村用户规划运行 需求侧负荷建模 供给侧能源建模 多目标协同规划 评价 分层协同运行优化框架 三级自律协同控制策略  评价体系 评估服务模式 社会价值度评价水电规划技术评价方法运行优化技术农业负荷工业负荷用户负荷北部地区东北地区中部地区西南地区东部地区资源分布特性太阳能风能9564 5953443730 29 25 2418 16 1211 10 7 5 5 530102030405060708090100青海省甘肃省新疆区内蒙古宁夏区山东省河北省江苏省安徽省陕西省云南省陕西省河南省浙江省四川省广东省贵州省湖北省江西省西藏区2.10 10.7018.5010.508.302.103.103.704.805.105.506.206.30 6.406.70内蒙古新疆河北甘肃云南山东山西宁夏江苏辽宁黑龙江吉林福建陕西其他光伏产量/百万千瓦时图 1 乡镇综合能源系统关键特征及技术Fig. 1 Key characteristics and technology of township integrated energy system第 6 期 何伟等面向绿色生态乡镇的综合能源系统关键问题及展望79（1）乡镇结构层级明显。乡镇所包含的“乡镇-村-用户”3个自上而下的层级结构，类似于城市的城市-区-用户的体系结构。由于乡镇中层级间关系连接较为紧密，在对各层级的能源系统进行规划时要充分考虑层级间规划的相互影响。根据用户类型的不同，需要针对用户的用能情况进行用能设备的选择，同时需要根据负荷情况对用户进行分区。不同区域的用能时空特性不同，能源分布不同，这将会对村级的能源设备类型的选择、选址，能源网络的拓扑结构等产生影响，同时还需要考虑村中能源系统的规划与乡镇总体的长时间尺度规划的契合。乡镇结构层级作为分析规划问题的出发点，对分析不同负荷间的交互影响及耦合关系，建立特色乡镇多元用能负荷需求模型具有重要意义。（2）乡镇资源差异明显。由于中国乡镇的发展速度、发展方向、资源特性不同，中国东、中、西、东北4个地区的乡镇呈现随地理分布的差异特性。中国东部地区乡镇发展水平较高，分布较为密集，经济发展快速，人口稠密，但自然资源匮乏，能源产量低，能源生产也存在不平衡。河北、辽宁、山东3省的一次能源生产量占东部地区的73.35以上，北京、上海、浙江、海南的一次能源生产量之和仅占3.2。所以东部地区乡镇在发展综合能源系统时，在挖掘地区能源资源的同时需要侧重用能能效，通过电力传输等能源传输形式从外界引入能源。中国中部地区乡镇是中国重要的农产品生产基地、能源基地和重要的原材料基地。中部地区资源丰富，乡镇分布分散，对能源资源的开发利用存在不足。能源消费形式单一，以煤炭为主，石油与天然气为辅。中部地区乡镇应拓展能源消费形式，并提升能源利用效率。例如对工农业的废料，如秸秆等进行统一处理再加工，加大对能源资源的利用。中国西部地区乡镇经济发展水平相对落后，乡镇分布零散。西部地区面积占全国的71.4，生产总值却只占全国的18.14。同时西部地区资源禀赋，矿产、水电等资源丰富，却没有充分利用。西部发展综合能源系统应侧重开发当地的能源资源，加大对多种类型能源的利用，调整能源结构，打造清洁绿色的乡镇综合能源系统。中国东北部地区有着丰富的煤炭和石油资源，但其用能形式粗放，能源利用率偏低。东北部地区乡镇发展综合能源系统需要改变原有的能源利用状况，进行节能增效。因此，在对乡镇综合能源问题进行研究时要根据所在地域展开充分的调研工作，分析气候条件、地理特征、人口分布等环境因素对能源资源的影响，充分根据地域特点进行乡镇综合能源的建设，挖掘地域的资源特性，调整能源结构。（3）乡镇负荷特性明显。乡镇负荷特征明显，以季节性与分散性作为主要的特点。季节性主要体现在农忙时节配电网负荷量显著增加，分散性主要体现在乡镇负荷分布广而负荷总量却并不高。大规模的负荷集中接入对原本就薄弱的电网，降低了供电可靠性和安全性。由于乡镇所处的地理位置相对供电端较远，其供电半径较长，乡镇负荷完全依靠电网供电显然是不经济的。因此，在做规划问题时要考虑到乡镇负荷的特征，挖掘负荷随时间的规律性变化，对乡镇负荷做集中化处理。分析不同负荷用能特点，统一考虑经济性、安全性、可靠性、灵活性、可持续性、环境友好性、用户用能满意度等诸多因素的影响，满足用户终端多样化的用能需求，提高可再生能源的就地消纳水平，促进乡镇清洁能源高效利用，推动乡镇绿色可持续发展。（4）乡镇综合规划复杂。乡镇在结构上是“乡镇-村-用户”3级自上而下的关系，在规划时要考虑“乡镇-村-用户”分层配合的问题。乡镇能源需求多样，对于不同的产业其所需的能源类型也不尽相同，在规划时要优化不同能源的配置，满足用户多种用能需求，量化分析不同能源需求的时空分布特征，提高乡镇能源供给的匹配度与可靠性。乡镇能源资源受气候条件、地理特征、人口分布等多种因素的影响，因此在分析问题时要展开深入的调研。乡镇综合能源系统规划问题是一种复杂的混合整数规划优化问题，通常以系统结构、设备容量、建设位置为对象，再结合一定的运行状态，以总投资和运行费用最小为优化目标，获取多能源资源最优配置方案。因此，乡镇综合规划的复杂程度，增加了模型求解的维度，同时决定了对其模型分中国电力第 52 卷80析与研究是一项多层次、全方面不断细化的工作。国内与国外在能源基础设施水平、乡镇负荷特征、国家能源政策等存在一定差异。中国乡镇区域具有负荷供电半径长，峰谷差大，能源分布分散化以及较城市更为薄弱的能源网架结构等特点，乡镇用能存在能效偏低、清洁能源利用率不足、规划配置不甚合理等问题，因此需要对中国乡镇综合能源系统的合理规划优化进行研究。针对乡镇综合能源系统在协同规划方面的研究，目前仍以设备规划为主，网络规划为辅，城市规划居多，乡镇规划少。同时，目前对乡镇的规划的研究大多围绕地域、生态、人口等要素展开，缺少对乡镇能源使用全方位、多角度、深层次的探索。各乡镇的能源结构与发展水平不同，这就使得综合能源协同规划要涵盖多种要素。提高乡镇不同能源的能效，广泛利用清洁能源，降低传统能源对环境造成的污染，发展绿色低碳乡镇经济，这些都要考虑到乡镇规划的过程中。乡镇综合能源系统要在农网不增容、减轻农网负荷压力的情况下满足乡镇用户的特色用能需求，可以从以下几个方面入手。（1）乡镇需求侧负荷建模。通过调研生态养殖、生态旅游等乡镇特色产业，梳理多样化特色乡镇的产业结构以及社会经济发展水平、人口资源现状等基础信息，分析不同类型特色产业的典型能源需求形式，确定乡镇内的用户类型以及用能需求结构，分析能源需求多样化特性。与此同时深入挖掘需求侧冷热电负荷的变化规律，考虑用能需求的地区和季节差异化，量化分析不同属性用地的能源需求时空分布特征，形成能源需求多时间尺度、多空间尺度分布。分析能源价格、气象条件、政策机制等外部环境因素对用户用能需求的影响，使用关联分析法，分析不同负荷间的交互影响及耦合关系，提取能揭示需求侧多元负荷发展变化规律的关键特征。落实于乡镇特色负荷形式，深入分析其产生与变化机理，采用统计综合法，建立特色乡镇多元用能负荷需求模型。（2）乡镇供给侧能源建模。通过调研梳理绿色生态乡镇分布式水、光、地热、沼气等清洁能源的分布情况，分析气候条件、地理特征、人口分布等环境因素对能源资源的影响，基于当地基础信息数据，分析供给侧能源资源时空分布特性。与此同时调研各类能源的现有供能方式及其在绿色生态乡镇的适用性，分析各种供能方式的不确定性因素以及政策、市场、经济、环境等外部因素对能源供给的影响，重点考虑供给侧可再生能源出力的随机性与波动性，分析其受自然资源、气象条件的影响程度。研究各类能源形式间的耦合转换方式，建立典型供能设备及耦合环节的数学模型，研究各类供能方式在生产、输送环节的各类约束条件，量化分析各类能源的最大供给能力，建立乡镇供给侧能源潜力模型。（3）乡镇综合能源系统多目标协同规划。通过需求侧负荷模型与供给侧能源的潜力模型，分析归纳出乡镇综合能源系统典型供用能场景。根据不同用户供用能场景特性，针对用户特色负荷需求与能源供应协调用户间供需平衡，形成用户级综合能源系统分区自治方法。对于村/乡镇级综合能源系统，结合村/镇供用能情况，形成村/乡镇级综合能源系统互补协同方法，实现村/乡镇能源、负荷需求互联互动互补。考虑投建设备选型、投建容量等关键因素，结合用户级综合能源系统分区自治方法与村/乡镇级综合能源系统互补协同方法，以最小化经济成本、最小化气体污染排放量、最大化用能能效、最大化清洁能源消纳率等为目标，建立考虑“分区自治与互补协同”的乡镇综合能源系统多目标协同规划模型。基于能源集线器统一建模理论，分析多能耦合的交互模型。基于最优化原理与方法、复杂网络理论，提出多能互补能源站供用能拓扑结构优化方法与关键组件优化配置方案。2.2 乡镇综合能源系统运行优化技术近年来，一些专家学者在综合能源系统多能源运行优化技术领域进行了大量的研究和实践工作。针对不同类型的系统，其运行约束和控制变量存在差异，文献[12-14]针对天然气传输网络和电-气混合网络中同一变量的不同约束，建立了能够快速准确混合不同系统状态变量的稳定分析模型。文献[15]使用线性规划来制定综合能源系统问题，最大限度地降低能源系统的总成本，同时满足能源生产能力，节能和用户需求等运营约束。文献[16]构建了电力、交通、天然气等多种第 6 期 何伟等面向绿色生态乡镇的综合能源系统关键问题及展望81复杂网络系统相互融合的多能源系统模型。文献[17]考虑能量的梯级利用，针对工厂多能源系统，构建多能系统运行优化模型。文献[18]在时间尺度上考虑二级热网调峰消纳弃风，提出面向电热系统的多时间尺度滚动优化模型。然而，综合能源系统多能源运行优化技术发展相关问题的研究，多以城市、园区、实验室为应用场景，针对乡镇自然资源禀赋、用能特性及能源设施基础条件等方面都具有自身独特特征的综合能源系统运行优化技术的研究很少。因此，有必要深入研究多源联合供给条件下面向乡镇综合能源系统多能源多级协同运行优化技术。（1）乡镇供能形式单一。随着农村农业现代化进程加快，陈旧过时的能源基础设施是农村发展进程中不可忽视的问题，为实现农村生活水平的进一步提高，能源基础设施升级改造刻不容缓。能源基础设施建设远远不能满足农民的需求，这也导致了在乡镇能源供给侧，过于依赖于单一的电网供电，存在能源供需不匹配、电网可靠性差等问题。（2）乡镇负荷变化多样。中国有广阔的疆域，各地气候条件差异明显，因此不同地区对应电力负荷的组成也必然存在着较为明显的区别。乡镇负荷一般分为种植农业、养殖农业、工业、村民居住和公共设施，乡镇负荷用能需求多样，涉及农业生产、居民生活等特殊负荷居多。在能源需求侧，乡镇负荷具有供电半径长，季节变化很强和峰谷差较大等特性。（3）乡镇资源利用单一。乡镇具有丰富的风、光、水、热、生物质能等自然资源，根据自身资源特性与需求，实现多能源协同开发利用是乡镇能源发展的趋势之一。当前，由于能源技术创新不足、资金、市场等多方面原因，阻碍了新能源技术在乡镇能源系统的应用，此外，由于乡镇能源系统缺乏合理的调控措施，造成乡镇资源的严重浪费。现代化乡镇综合能源系统不仅对供能安全、能源利用率提出了更高要求，而且对环境保护、可靠性、可持续性的需求也日益迫切，建立面向绿色生态乡镇因地制宜的多能系统显得越来越重要。在多能系统自律协同运行优化技术的支撑下，实现乡镇综合能源系统的横向冷、热、电多能互补，纵向源、网、荷、储互动优化，支撑高比例可再生能源在各层之间的就地消纳与分层互补，提高多能源系统能效。（1）用户级-村级-乡镇级的多能源分层协同运行优化框架。为实现自然能源在乡镇各层级之间的就地消纳与分层互补，本文从能源协同运行分析、功能设备分析、多时间尺度建模研究和优化调度目标设定4方面，构建了一种用户级-村级-乡镇级的多能源分层协同运行优化框架。三级协同运行优化框架应结充分结合乡镇综合能源系统多能源负荷特性，对冷、热、电负荷进行分类归纳，找出负荷特性差异，挖掘乡镇农业负荷特点。中国乡镇自然资源丰富，且地区之间存在差异。为实现乡镇多能的协同开发利用和互补互济，要具体分析乡镇能源种类、规模、资源特征；并基于能源供给的空间特性和设备特性，剖析乡镇综合能源系统不同能源形式间在生产、转换、分配、存储等环节中的多时间尺度差异性与互补耦合特性；此外还需要研究乡镇综合能源系统用户级-村级-乡镇级的协同互补机理和分层协同优化调控框架下不同层级间的信息流与能量流交互机制。最后，从经济性、环保性、可再生能源利用率、供电可靠性等不同方向设计优化调度目标，分析不同目标之间的关联特性，确定乡镇综合能源系统优化调度目标，形成多能源分层协同运行优化框架。（2）三级自律协同的控制策略。在用户级-村级-乡镇级的多能源分层协同运行优化框架下，提出了一种三级自律协同的控制策略，主要包括能源互补特性分析、供用能不确定性建模分析、多元典型供用能场景分析和多时间尺度调控研究。在能源需求侧，乡镇用能需求多样，负荷种类繁多、自然资源丰富。为实现对乡镇综合能源系统的协同控制，需要对乡镇综合能源系统准确建模，要深入调研示范区乡镇综合能源系统的用户电气冷热用能需求，形成在当地资源调节下以经济性、可靠性、清洁性为考量指标的多能源用能优先级机制；此外，还需要挖掘影响乡镇综合能源系统运行的不确定性因素，包括可再生能源随机波动、用户用能需求变动等，构建系统的多中国电力第 52 卷82元典型供用能场景，为后续运行策略的制定提供边界条件。在3层协同运行框架的基础上，考虑到用户、村、镇各层级需求不同，需要对乡镇综合能源系统3级协同下的分层运行目标、运行约束与协同机制进行深入研究，建立乡镇综合能源系统多时间尺度模型。此外，构建乡镇综合能源系统长时间尺度的源-储-荷多目标联合优化调度模型，结合乡镇综合能源系统短时间尺度的滚动调度修正方法，以应对随机性因素对系统运行能效的影响，从而实现乡镇综合能源系统的稳定和最优运行。2.3 乡镇综合能源系统评价方法综合能源系统在现代化乡镇能源系统建设显得越来越重要。为全面地反映综合能源系统带来的经济、环境和社会效益与价值，合理的综合能源系统评价方法显得尤为重要。国内外学者在综合能源系统评价指标体系领域开展了一定前期研究，文献[19]建立了一种包括运行成本指标、能源节约指标和环境性指标的综合评价指标，提出了混合运行策略以降低一次能源消耗；文献[20]提出了多能源的价值评价模型，分析用能方式对于系统整体效能的影响，并针对多能源供能单元进行量化分析；文献[21]提出一种涵盖10个方面共51项定性和定量相结合的混合型指标，构建风险指标优化体系。文献[22]运用模糊综合评价方法对电力备用服务进行社会价值评价，通过社会经济、政治影响以及居民生活3方面对备用服务社会价值进行分析评价。上述综合能源系统的评价，大多评价主体依托于城市区域，并没有针对农村供用能特点，制定相应的评价体系，难以达到目前对乡镇多能源精准利用的目标。因此，在分析未来电、热、气等能源消费发展趋势，提出能源生产和消费各个环节的乡镇综合能源系统综合评估方法等方面显得尤为重要。面向绿色生态乡镇的综合能源系统评价方法，将根据乡镇供能、用能特点，综合考虑经济性、可持续性、环境友好性、用户用能满意度等诸多因素，全面地反映乡镇综合能源系统带来的经济、环境和社会效益与价值，并为实际工程的全面客观评价提供技术支撑。（1）乡镇综合能源系统综合评价指标体系与量化计算方法。本文从影响因素分析、指标体系构建、量化方法研究、综合评价研究、典型案例研究5方面分析和研究乡镇综合能源系统规划方案和运行优化的综合评价指标体系与量化计算方法。为充分评价不同系统规划方案与运行策略的优劣，为系统效能不断改进提升提供决策依据，需要对乡镇综合能源系统互联互通、安全可靠、节能高效、绿色环保等特征影响因素进行研究。基于4个特征构建评价指标体系，并以定量数学方法为基础，结合主、客观加权方法构建乡镇综合能源系统规划方案和运行优化的综合评价指标体系与量化计算方法，实现对典型乡镇综合能源系统规划方案和运行优化案例的全过程评价，指导系统进一步的改造与优化运行。针对乡镇综合能源系统规划方案，从对立性、差异性、同一性3个角度运用集对分析理论进行分析，建立多属性加权模型，综合经济、环境、能耗等相关因素，计算得到方案贴进度及优劣排序[23]。对乡镇综合能源系统的规划方案和运行调控方案的差异进行全面分析，基于分析结果，对规划方案和运行调控方案进行全过程评价。对于乡镇综合能源系统优化运行方案，采用多准则决策方法、层次分析（AHP）法、综合判断法，从运行费用、二氧化碳排放量、维护费用、一次能源消耗、可再生能源消纳5个指标对其进行分析评价。（2）乡镇综合能源的服务模式及技术路线。本文提出一种面向绿色生态乡镇的综合能源服务模式实施路径和相应技术支撑体系。从渠道建构策略、设备融资策略、销售策略、利益分享策略等4个方面展开；包括软硬件系统平台、技术路线、核心集成化产品、技术标准、关键设备等。综合考虑乡镇特色能源资源禀赋、负荷需求、配电网电能质量及接入容量影响等多影响因素的绿色生态乡镇综合能源服务模式的实施路径。需要调研乡镇特色产业及其负荷构成，整理用户的用能服务需求，并综合分析用户对综合能源服务这一方面的需求，对乡镇综合能源服务业务进行可行性分析；根据本地的能源时空分布特性、供能潜力以及接入的配电网容量限制，分析第 6 期 何伟等面向绿色生态乡镇的综合能源系统关键问题及展望83能源供应能力及相关服务提供能力，并研究可行的服务模式以满足客户需求；进而结合综合能源系统规划方案和运行优化的综合评价，从系统接入、电能质量、投资收益等方面综合评估各类服务模式。制定综合能源服务可持续商业运营模式技术路线，主要包括设计多种能源产品的销售策略、渠道构建策略、利益分享策略和设备融资策略，定量分析下游客户收益、电网公司效益、用户满意度等相关约束条件，制定最佳的运营模式，在保障客户综合能源服务需求的条件下，使得电网效益最大。制定综合能源服务的软硬件系统支撑平台设计技术路线，主要包括结合“大云物移”等技术，设计软硬件系统平台、关键设备和核心集成化产品，构建涵盖综合能源系统规划、运行、评价、互动、自动化系统、监控终端等各方面的技术标准体系，分析综合能源服务在可持续商业模式下的技术可行性实施路径。最后，结合实际环境和政策条件，从综合能源可持续经营模式和技术路线两方面，分析传统电网企业转型为综合能源服务商的实践路径及其可行性。（3）乡镇综合能源服务模式的社会价值度评价。为全面地反映综合能源系统带来的经济、环境和社会效益与价值，本文从电网发展效益、用户用能需求、乡镇发展、环境治理与社会发展等方面开展乡镇综合能源服务模式的社会价值度评价，包括电网发展效益评估、用户用能需求评估、公共服务均等化评估、新能源消纳与环保评估等。通过调研乡镇综合能源系统既有项目，分析综合能源服务模式的主要特征，从经济效益的角度分析乡镇综合能源服务模式对电网发展的影响，结合能源综合利用模式下的市场竞争方式，构建电网企业与能源客户的收益函数模型，提出电网发展效益评估指标。从用户潜在数据增值的角度分析乡镇综合能源服务模式下用户用能需求的变化，结合聚类、数据挖掘等统计分析方法进行精细化分析，提出用户用能需求评估指标。从公共服务公平性角度分析乡镇综合能源服务模式的建立对乡镇发展的影响，结合泰尔指数、基尼系数等方法分析城乡用户用能差异性，提出乡镇公共服务均等化评估指标；从资源节约和环境保护角度分析乡镇综合能源服务模式下对环境治理的影响，提出新能源消纳与环保评估指标；从技术进步增益角度分析乡镇综合能源服务模式下对社会发展的影响并进行量化评估。基于上述评估指标，研究模糊综合评价方法，从电网发展、用户用能需求、乡镇发展、环境治理和社会发展方面提出综合评估指标体系，建立社会价值度综合评价模型。3 乡镇综合能源系统未来展望随着可再生能源相关技术的快速发展、能源传输与转换设备的换代更新，源端与受端的能源多样化特征以及耦合互联关系愈加紧密，绿色生态乡镇综合能源横纵一体化发展逐渐成为能源系统研究的重点。然而由于技术障碍、政策限制等原因，中国绿色生态乡镇综合能源系统研究与建设平波缓进。随着科技进步和国家激励政策的深入实施，绿色生态城镇综合能源系统研究将迎来巨大的发展空间。3.1 能源利用形式目前，中国清洁可再生能源发展呈现蓬勃的发展态势，乡镇拥有丰富的水电、光伏、地热能、生物质能、沼气等多种可再生能源。然而，乡镇在能源供给侧，主要依赖于单一的电网供电，对区域内的风、光、水、热、生物质能等自然资源开发不足，缺少对已有分布式能源的规划调控手段，存在能效偏低、清洁能源利用率不足、规划配置不甚合理等问题，严重制约了乡镇发展战略的推进和实施。如养殖粪污作为乡镇的可再生能源资源，由于未充分开发利用，对乡镇生态环境污染严重，但是通过乡镇区域内的沼气以及其他清洁可再生能源的开发技术，可以实现对养殖业粪污资源的清洁回收利用。因此，乡镇能源利用亟须从传统的粗放型能源利用方式向精细化、分散化、可持续的能源利用方式转变。3.2 多能源协同为应对多样化、分布化的能量需求发展趋势，协同优化的综合能源系统理论研究和工程实践被广泛关注。中国电力第 52 卷84各能源系统的能源特性不同使得耦合系统在运行中表现出强非线性和不确定性，综合能源系统在科研和工程应用中的影响仍然面临着巨大的挑战。为了进一步提高综合能效，促进清洁能源消纳，横向上多能源协同互补与纵向上能源梯级利用相结合是未来能量系统发展的趋势之一。3.3 技术结合绿色生态乡镇综合能源系统是由传统能源，可再生能源，新能源技术以及智能电网等组成的有机整体，是乡镇能源发展的方向之一。乡镇地域具有丰富的自然资源，绿色生态的综合能源系统能源种类繁多，主要包括传统能源、太阳能、沼气等。依据能源质量水平，综合能源系统对其进行综合互补利用，以能源利用效益最大化为目标，统筹安排多能源的协调与转换。为应对多能源接入系统这一新技术带来的挑战，乡镇综合能源系统的研究势在必行。4 结论随着国家乡村振兴战略的推进，研究和推广面向绿色生态乡镇的综合能源系统对于实现乡镇能源利用转型和可持续发展具有重大意义。本文在乡镇综合能源系统特征的基础上，从乡镇综合能源系统规划技术、乡镇综合能源系统运行优化技术、乡镇综合能源系统评价方法等3方面描述了将来面向绿色生态乡镇的综合能源系统的关键问题和技术内容。面向绿色生态乡镇的综合能源系统将成为未来乡镇能源系统发展的必然趋势，希望本文能够为中国未来面向绿色生态乡镇的综合能源的研究提供参考，推动乡镇建设向“低碳生态、和谐宜居乡镇”的发展方向成功转型。参考文献罗国亮, 张嘉昕, 郭晓鹏, 等. 我国农村能源发展状况与未来展望[J]. 中国能源, 2019, 412 37–43, 24.LUO Guoliang, ZHANG Jiaxin, GUO Xiaopeng, et al. China s ruralenergy development and future prospects[J]. China s Energy, 2019,412 37–43, 24.[1]郭应军, 熊康宁, 安裕伦, 等. 中国西南石漠化地区农村能源消费结[2]构研究[J]. 农业工程学报, 2019, 353 226–234.GUO Yingjun, XIONG Kangning, AN Yulun, et al. Study on ruralenergy consumption structure in rocky desertification areas ofsouthwest China[J]. Journal of Agricultural Engineering, 2019, 353226–234.王磊, 高春雨, 毕于运, 等. 大型秸秆沼气集中供气工程温室气体减排估算[J]. 农业工程学报, 2017, 3314 223–228.WANG Lei, GAO Chunyu, BI Yuyun, et al. Estimation ofgreenhouse gas emission reduction from large-scale straw biogascentralized gas supply project[J]. Journal of Agricultural Engineering,2017, 3314 223–228.[3]KRAUSE T, ANDERSSON G, FROHLICH K, et al. Multiple-energy carriers Modeling of production, delivery, andconsumption[J]. Proceedings of the IEEE, 2011, 991 15–27.[4]王毅, 张宁, 康重庆. 能源互联网中能量枢纽的优化规划与运行研究综述及展望[J]. 中国电机工程学报, 2015, 3522 5669–5681.WANG Yi, ZHANG Ning, KANG Chongqing. Review and prospectof the optimization planning and operation of energy hubs in energyInternet[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 3522 5669–5681.[5]熊焰, 吴杰康, 王强, 等. 风光气储互补发电的冷热电联供优化协调模型及求解方法[J]. 中国电机工程学报, 2015, 3514