多能互补是一种能源系统设计和运行的理念，旨在通过多种能源形式的协同互补，达到提高能源利用效率、降低成本、减少环境影响以及增强能源供应可靠性和灵活性等目的。多能互补在推动清洁低碳、安全高效的现代能源体系建设中具有重要的现实意义与战略意义，是未来能源发展的必然趋势。
（文章来源 微信公众号：中能传媒研究院 作者：郭苏麻 哲瑞 岳玉炜（河海大学新能源学院））
一、我国多能互补发展现状
近年来，我国积极推进实施电源侧能源基地、用户侧多能互补工程，通过集成互补、多种能源并重的开发方式，促进能源供给多元化，提高能源供给可靠性。2016年7月，国家发展改革委、国家能源局在《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》中明确提出，多能互补集成优化示范工程主要有两种模式：一是面向终端用户电、热、冷、气等多种用能需求，因地制宜、统筹开发、互补利用传统能源和新能源，优化布局建设一体化集成供能基础设施，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；二是利用大型综合能源基地风能、太阳能、水能、煤炭、天然气等资源组合优势，推进风光水火储多能互补系统建设运行。2016年底，张家口“奥运风光城”多能互补集成优化示范工程、青海省海西州多能互补集成优化示范项目等首批多能互补集成优化示范工程公示，其中共涉及23个项目，包括终端一体化集成供能系统17个、风光水火储多能互补系统6个。
2021年3月，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》里“构建现代能源体系”一节提到，建设一批多能互补的清洁能源基地。与此同时，国家发展改革委、国家能源局发布《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》，给出了源网荷储一体化和多能互补的具体实施路径。其中，源网荷储一体化实施路径为通过优化整合本地电源侧、电网侧、负荷侧资源，以先进技术突破和体制机制创新为支撑，探索构建源网荷储高度融合的新型电力系统发展路径，主要包括区域（省）级、市（县）级、园区（居民区）级“源网荷储一体化”等具体模式；多能互补实施路径为利用存量常规电源，合理配置储能，统筹各类电源规划、设计、建设、运营，优先发展新能源，积极实施存量“风光水火储一体化”提升，稳妥推进增量“风光水（储）一体化”，探索增量“风光储一体化”，严控增量“风光火（储）一体化”。2024年11月，十四届全国人大常委会第十二次会议表决通过《中华人民共和国能源法》，该法律第三十四条明确提出，国家推动提高能源利用效率，鼓励发展分布式能源和多能互补、多能联供综合能源服务。
近年来，我国开发了多个多能互补集成优化示范项目。例如，河北省张北风光热储输多能互补集成优化示范项目，总装机容量为475兆瓦，其中风电装机150兆瓦，光伏装机250兆瓦，光热装机50兆瓦，储能装机25兆瓦。项目采用风电、光伏、光热、储能“四位一体”的清洁供应模式，探索新能源电力集中、就近直供云计算数据中心的新模式，实现了“风光互补、储能调节、智能输出、友好可控”，破解了大规模新能源集中并网、集成应用的难题。华能甘肃陇东多能互补综合能源基地作为我国首个千万千瓦级多能互补绿色智慧综合能源基地，包括800万千瓦风光综合新能源示范项目和200万千瓦调峰发电机组，并配置600兆瓦/1200兆瓦时储能项目。基地以生产风、光清洁电力为主，火电调峰电源作为兜底保障，并利用CCUS技术实现二氧化碳封存，同时通过重力压缩空气储能、电化学储能和智慧运营实现内部调峰，更好地发挥源网荷储一体化和多能互补在保障能源安全中的作用。首批100万千瓦风光项目已于2023年12月21日成功并网发电，第二批277.25万千瓦新能源项目已于2024年8月正式开工。
雅砻江流域是国家规划的大型水风光一体化示范基地，基地总规模超1亿千瓦，其中水电约3000万千瓦，风电、光伏发电超6000万千瓦，抽水蓄能发电超1000万千瓦。雅砻江流域水风光一体化基地建设优势突出，流域水风光资源在季节上天然互补，大型水电站优越的调节性为水风光一体化开发提供了核心支撑。目前，雅砻江流域已投产清洁能源装机超2000万千瓦，每年贡献清洁电力近1000亿千瓦时。
二、多能互补关键技术和面临的难题
多能互补是保障能源安全、实现能源转型、促进可持续发展的重要途径，其构建要求在能源规划、设计、建设和运行的各个环节中，充分考虑不同能源形式的互补性，实现能源系统供给、送出或消纳的最优化。多能互补涉及多项关键技术。
（一）预测技术
预测技术在多能互补领域扮演着至关重要的角色。在多能互补系统规划运行中，通常会用到可再生能源出力、电力/热力负荷以及能源价格等方面的预测技术。由于风光资源的随机性、波动性和间歇性对保障电力系统供需平衡和稳定性带来严峻挑战，因此可再生能源出力预测尤为重要。
目前，预测技术主要包括数据驱动模型、数据机理双驱动耦合模型等方法。数据驱动模型是一类基于数据分析与建模的方法，主要包括时间序列模型、统计学习模型、机器学习模型以及深度学习模型等。该类模型具有非线性及不确定性感知功能，主要应用于具有大量历史观测数据的电厂或多能互补系统。数据机理双驱动耦合模型是一类耦合机理建模和数据驱动建模的混合预测模型，其主要包括物理信息神经网络、集成机理模型和数据驱动的串联混合模型以及并联混合模型等。该类模型利用机理模型提高数据驱动模型的可解释性，同时利用数据驱动模型减少机理模型的计算复杂度，从而提高运行效率及算法综合性能。
目前可再生能源出力预测面临的主要挑战集中在两个方面。一是多源数据质量较差、特征信息缺失严重，导致光伏电站和风电场的实际出力预测精度较低，其中风电场预测偏差尤为显著。二是某些地区“两个细则”给出的功率预测准确度计算公式较为简化，直接采用装机容量作为分母。这种计算方式虽然显示较高的预测准确率，但电站实际发电量和预测发电量之间的偏差较大。目前海南等地区实施的预测准确率计算公式较为准确，建议在全国范围内推广。另外，电力现货市场推行实施后，由于可再生能源出力预测直接与售电价格和收益关联，将有效推动功率预测领域发展。
（二）运行调控技术
运行调控技术在多能互补系统的优化调度与管理中发挥着关键作用。由于风光资源的随机性、波动性和间歇性，多能互补系统的供需平衡和运行稳定面临重大挑战。因此，运行调控技术在保障系统高效稳定运行中至关重要。多能互补运行调控包括运行调度策略和控制策略两方面，具体如下：
运行调度主要关注于能源供给与需求的动态匹配以及不同时间尺度上的优化调整，其涉及能源生产、转换、储存和使用的计划安排，旨在实现能源的高效利用和经济运行。运行调度通常包括日前优化、日内滚动优化和实时调整等方面。根据调度策略差异性，运行调度一般可分为基于规则的运行调度策略和基于优化的运行调度策略。基于规则的运行调度策略依赖于预定义的优化规则，根据现场资源、设备情况、决策者偏好等因素制定。此类策略适用于能源结构简单、负荷需求稳定、需快速响应或在有限资源下保持稳定运行的多能互补系统。常见的运行规则通常根据调度优先级、容量约束、时间段等因素制定。基于优化的运行调度策略依赖于数学模型和算法优化技术，通过分析和计算确定最优或近似最优的决策。该策略通常以成本最小化、效益最大化为目标函数，结合资源限制、设备性能等约束条件，求解优化问题，以自动生成决策方案。此类策略适用于结构复杂、需求波动较大的多能互补系统。
控制策略侧重于实时操作与调节，旨在确保系统的安全稳定运行。根据多能互补系统的运行模式和目标，控制策略调节系统内部的能源平衡和优化，同时与外部环境协调互动，确保系统在实际运行中能够快速响应各种变化。常见的控制方法包括经典PID控制和预测控制等。PID控制因其简单性和鲁棒性，在电站控制中得到广泛应用；而预测控制可通过结合可再生能源功率预测与负荷预测，预测系统的未来行为和约束条件，在复杂的多能互补系统中展现出明显优势。
各国科学家和工程技术人员从技术层面探索了各种多能互补运行调控方法，但在落地实施中面临困难。其主要原因在于，多能互补系统发电主体和外送主体分别属于发电企业和电网企业，两者目标存在差异。这导致国内现有的多能互补基地或系统仍由电网调度到电站机组，难以实现真正意义上的基地层面多能互补运行。
（三）规划设计技术
规划设计技术是多能互补系统实现稳定、安全、高效运行的基础，其目标是促进可再生能源消纳、提升综合效益和保障系统稳定运行。规划设计原则主要包括：优先考虑生态环境，推进绿色低碳发展；提高电网的安全稳定运行和外送通道高效利用；科学规划调节电源、风光新能源、输电通道的容量，制定合理的开发建设时序方案等。
规划设计主要涵盖资源和开发潜力分析、容量配置及布局研究等内容，其中核心工作是容量配置。容量配置包括多能互补系统的发电、储能及负荷建模，多能互补运行模拟，容量优化，出力特性分析等。对于外送方案设计，容量配置应以新能源利用率、资源综合利用率、综合利用小时数、综合开发成本、综合电价等指标作为评价依据，确定推荐方案。对于本地消纳方案，应以不增加系统调峰需求为原则，综合考虑弃电率与经济性等因素，合理确定容量配置方案。目前规划设计中通常考虑了多能互补系统全年运行特性对各类型电站容量的影响，但未充分考虑电源开发时序的优化问题。在实际应用中，各地多能互补系统多依据文件规定的电源配置比例进行开发，并未根据地域资源环境特征针对性地进行规划设计和系统优化。
三、多能互补系统发展趋势
多能互补是推动可再生能源发展和构建安全、低碳、高效现代能源体系的必然选择。未来政策将进一步激发对可再生能源装机的需求，促进多能互补与电力市场的深度融合，为能源行业的可持续发展奠定坚实基础。
随着多能互补技术的不断成熟和试点示范项目的逐步推进，未来我国的供电形式将以沙戈荒、水风光、海上能源枢纽等集中式多能互补发电基地为主体，辅以分布式多能互补发电系统，综合用能形式将以海上能源岛、近零碳区县等大型综合能源系统为发展方向，园区级综合能源体以及零碳绿色建筑等为主导。
多类型储能、智能电网和能源互联网等关键技术的不断进步，将更好地提升能源利用效率，解决多能互补在调峰、调频等方面的安全稳定运行问题。数字孪生、虚拟电厂等先进技术的应用将有效推动多能互补向数字化方向快速发展，而人工智能技术、协同调控技术等前沿技术的研发和应用则将推动多能互补系统向智能化和高效化方向迈进。
四、多能互补发展建议
为实现多能互补系统开发，应统筹推进风、光、水、火等多种能源集成的一体化综合能源基地开发，以实现能源的高效利用和协同互补；积极推进风电和光伏发电的基地化开发，通过规模化和集约化管理提高能源转化效率；提升可再生能源的存储能力，重点发展先进储能技术，以保障能源供应的稳定性和可靠性；推动可再生能源的外送和消纳，通过建设智能电网和优化电力市场机制，实现能源的跨区域高效调配和利用。
对于用户侧综合能源系统，应根据负荷需求合理优化风光配比和储能容量配置，提升分布式供能的综合利用效率；大力推广分布式发电功率预测技术，提高分布式发电系统可控性和运行可靠性；加强对热力系统和供热管网的精细化管控，进一步提升能源调配的精准性与系统运行效率。
对于风光储系统，应根据风光资源特性优化储能规模，合理布局电源侧独立储能系统，以提高新能源电力系统的稳定性和综合利用效率；积极推广新能源高效发电新技术及大容量、高效率的新型设备，提升能源转换效率和设备性能；建设能源综合管控系统，将各类能源设备的控制管理集成至统一平台，实现“集中管理”“分散控制”“系统联动”的协同运行，从而推进能源的精细化管控和高效利用。
对于以水电为主要调节手段平滑整体出力的风光水（储）系统，应积极推进大型水电站优化升级，充分挖掘水电的调节潜力。在保护生态环境的前提下，进一步提升水电灵活调节能力，为风电和光伏发电大规模开发提供有力支撑。在我国中东部及西部地区，需结合新能源发展需求，对已建和在建水电机组进行增容改造，提升其适应性和灵活性。充分发挥梯级水电站和光伏的互补运行优势，利用梯级水库的调节能力，平抑光伏发电的波动性、随机性和间歇性，优化出力曲线，提升光伏发电的上网电量。同时，因地制宜配置储能系统，根据需求增强风光水（储）项目的调峰调频能力，进一步提升系统的综合运行效率和稳定性。
对于以火电为主要调节手段平滑整体出力的风光火（储）系统，应优先利用近区新能源电力，并充分发挥配套煤电和储能设施的调节能力。需采取低负荷燃烧稳定技术和灵活脱硝技术等手段提升系统在中低负荷条件下的运行能力，从而增强煤电适应性，以适应其向调节性电源角色的转型。同时，应整合煤炭与风光资源，通过联合开发降低成本和环境影响，形成更具经济效益的资源共享联合体。此外，应推广应用CCUS技术，通过碳捕集有效减少温室气体排放，助力煤炭清洁高效利用。同时，与其他行业深度协同合作，推进二氧化碳的资源化综合利用，提升其经济价值，推动低碳循环产业发展。
