4月29日，美国能源部（DOE）发布《综合能源系统：协同研究机遇》^[1]报告指出，与传统独立能源系统相比，综合能源系统（HES）通过总体控制或物理方式集成多种能源生产、存储/转换技术，以实现节约成本、增强能效和环境效益。综合能源系统对美国经济脱碳、生产氢气等高价值产品、提高电网灵活性，以及扩大可再生能源技术的部署将发挥重要作用。但综合能源系统作为全新的能源系统形态，也为电力市场的设计、运营和监管，国家监管以及能源政策的设计和实施带来了挑战。报告系统探讨了综合能源系统技术研究开发的机遇和挑战。

1、综合能源系统技术研发。HES技术研发涵盖了从硬件、软件到组件、系统层面等多个主题。对于硬件，最常研究的是控制组件。其中“光伏+储能电池”HES控制组件的研究最为广泛，而在分布式能源中兼容风力涡轮机和柴油发动机组件在HES中也较为常见，该组合通常用于微电网和偏远地区电力部署。DOE还资助了一系列HES的集成和测试研究，包括燃料电池、电解槽、供电、供热以及一系列储能技术（如储热、电化学储能等）。此外，还包括制氢和制化学品的一体化监管系统。除了控制系统，DOE还注重对传感器和遥感探测技术、网络安全以及循环测试技术的资助研究，并努力解决HES技术开发研究领域中存在的各种问题。例如，通过将光伏系统与散热片集成，将系统产热合理扩散，解决光伏系统中的热量累积问题；通过将储能电池与超级电容器集成，构建具备高功率高比能量和持续放电特性的综合发电系统等。总之，HES技术研发主要集中在“化石燃料+储能”以及“光伏+储能”这些综合能源系统类型。

2、综合能源系统技术的关键挑战。当前和新兴的HES发展面临的最突出技术挑战是确保高经济性的HES技术解决方案。同时，需要与遥感测量、计量和其他通讯设备进行关联，以促进电网响应和市场信号的多个子部件的安全协调运行。此外，HES可能涉及热、氢和化学物质的非电组件的集成，因此弹性集成组件（如热载体和耐腐蚀管道）以及耦合控件亟待开发。表1列举了综合能源系统目前面临的关键技术挑战。

表1  HES面临的关键技术挑战

3、综合能源系统技术协同的研究机遇

HES需要在不同的时间尺度上将不同的波动性可再生能源和传统的燃煤发电、储能和能源转换技术集成到能源系统和电力管理系统中。如何将HES组件有效的耦合集成并与能源系统（如电网）有效连接是HES发展面临的一个重大挑战。针对这一挑战，HES的技术研发在控件开发和测试、工厂级设计优化、HES组件的开发和测试、项目示范以及优化的集成耦合策略等领域存在发展的可能机遇。

（1）控件的开发和测试。HES大规模市场化应用的关键在于为每种技术组合开发稳定且高效的控制解决方案。未来发展机遇包括：利用先进计算方法进行控件研究，实现对HES海量数据高效解析；优化电力输配网络的利用率；开展高精度的可再生能源资源预测技术研究；建立微电网控制器标准，弥补尚未建立HES控制标准的空缺，实现灵活和模块化微电网控制模型的构建。

（2）HES工厂级设计优化。设计HES是一个复杂的过程，涉及大量的设计参数，优化HES子组件的规模、互联和运行以最大化整合系统性能是一项数据密集型和计算密集型工作。未来发展机遇包括：利用先进计算技术进行HES设计，将机器学习方法引入到HES设计中，实现组件尺寸优化、系统性能提升、系统寿命延长；在动态模型中进行HES设计，为综合电力系统开发计算机模型，开展系统运行模拟研究，以确保综合电力系统稳定运行。

（3）HES组件的开发和测试。HES组件开发和测试的研究核心是将新开发的硬件组件与之前硬件组件高效兼容，以实现成本的降低和系统效率的提升。此外，未来HES研发需在不同时间尺度下，提供大规模电力电子、电力/能源设备和通信的多种技术，以确保其在实际应用中的运营安全。未来发展机遇包括：开发高效、经济、可兼容的硬件组件；通过大规模仿真技术进行组件测试，了解他们是否能够兼容HES相关的其他子组件。

（4）项目示范。技术示范有助于证明技术可行性，从而降低应用风险，是获得行业认同、加速市场采用的关键一环。未来发展机遇包括：将终端用户的需求映射到示范的HES功能上，终端用户需求高度多样化，其需求可以通过优化HES设计和配置得以满足；通过大规模项目部署和示范降低技术风险，为确保效率和避免重复工作，可以由DOE国家实验室主持具有特定风险的示范项目，此外，各州能源办公室可以在支持示范项目方面发挥关键作用。

（5）优化集成耦合策略。未来HES相关的研发需要将HES集成耦合策略优化工作贯穿于技术研发活动始终。未来发展机遇包括：HES中各组件紧密耦合集成；下一代先进电力转换技术，将发展更高效的热电转换技术以利用和回收余热，如超临界二氧化碳闭式布雷顿循环技术，将开发新的热交换器技术以便构建更高效的热存储系统，还将推进动力循环过程中产生的废热用于工业过程加热或其他应用，如脱盐和水处理。

（汤匀 郭楷模）