国内外多能互补研究的前沿与热点分析

黄超华

摘 要：【目的/意义】当前我国正处于传统能源体系向现代能源体系转型的关键时期，本文旨在揭示国内外多能互补研究领域的研究前沿、研究热点，为相关研究和发展提供参考。【方法/过程】从CNKI、Web of Science 数据库检索获取数据，使用CiteSpace工具进行词频统计、共现分析。【结果/结论】发掘出、可视化表达出、并对比了国内外多能互补领域的研究现状、研究热点、研究前沿、主要贡献者和关键文献信息。

关键词：多能互补;CiteSpace;知识图谱;研究前沿;研究热点

1. 引言

在过去几十年中，全球人口持续增长、社会经济快速发展、生活水平显著提高，电力供需急剧增加，大量化石能源被不断开采、利用[2]。《BP世界能源统计年鉴2018》披露，2017年全球发电量达2.5万TWh，其中煤、天然气、石油发电量分别占38.1%，23.2%和3.5%。然而，如果这些化石燃料依旧按照2017年的水平被开采，世界剩余煤、石油、天然气储量将只能持续134，50.2和52.6年[3]。不仅如此，化石燃料的过度燃烧导致二氧化硫、氮氧化物等空气污染物大幅排放，引起并加剧全球酸雨、温室效应和光化学污染等环境问题[4]。国际能源署2017年公布的统计数据显示，2015年世界燃料燃烧产生的碳排放量达到322.9亿吨，135.4亿吨直接归因于热电生产;其中，中国因生产电力和热力产生的碳排放量高达44.2亿吨，占总量的32.64%，占比最大[5]。

当前，我国正处于传统能源体系向现代能源体系转型的关键时期，能源系统发展不平衡、不协调、不可持续问题得到空前重视。2016年，国家在政策层面开始部署多能互补项目的建设，当年7月，国家发改委、能源局發布《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》（发改能源[2016]1430号）[1]，并随后公布了全国首批多能互补集成优化示范项目，于是，越来越多研究者、工程师聚焦于新能源与传统能源的互补利用问题。特别是将多种能源组合起来，形成互补系统，联合发电，打捆外送，成为越来越受关注的研究热点。

本文从全球视角和国内视角，检索梳理多能互补相关的科学文献;运用CiteSpace可视化分析的文献计量方法，挖掘核心文献关键词，剖析文献的可视化结果以及数据统计结果，清晰地展示国内外多能互补的研究热点与研究前沿。

2. 数据

中文数据源于CNKI数据库。选取学术期刊、硕博论文子库，分别以多能互补、互补发电、混合发电为关键词进行检索，筛选剔除英文文献、相关度较低的文献，再次检索，得到424条信息，导出为Refworks格式并保存。

英文数据源于Web of Science核心合集数据库。选择“高级检索”选框进行主题词检索。本次检索所用主题词为：Hybrid Power Supply，Hybrid Power Plant，Hybrid Power System（s），语言为English， 文献类型为文章（Article）、综述（Reviews），时间跨度为所有年份（1900-2019），数据库选择Science Citation Index Expanded （SCI-EXPANDED） 和Social Sciences Citation Index （SSCI），得到1050篇相关文献。将文献的作者、标题、关键词、摘要、来源出版物、被引频次、引用的参考文献等所有记录，导出为纯文本格式并保存。

3. 分析

3.1 研究热点

在CiteSpace软件中，将时间区域设置为1984-2019（经检测，最早论文出版于1984年），时间跨度设为6年。信息来源（Term source）选择标题（Title）、摘要（Abstract）、作者关键词（Author Keywords）和增补关键词（Keywords Plus）;节点类型（Node Type）选择关键词（Keywords）;选择标准（Selection Criteria）选择出现频次最高的前50%，图谱修剪算法（Pruning）选择Pathfinder算法，则可生成关键词知识图谱，共得到242个关键词节点以及371条关键词连线并得到关键词可视化界面，如图1。在CiteSpace软件中新建项目，导入Web of Science 数据，将事件区域设置为1972-2019（经检测，最早论文出版于1972年），时间跨度为6年。其他参数与“国内研究现状”设置相同，则可生成关键词知识图谱，共得到212个关键词节点和384条关键词连线，如图2。图中圆形节点为关键词，其大小代表关键词累计出现的频次，累计词频越高，持续热度越大。

国内文献中，除去检索所用的关键词多能互补、互补发电、混合发电外，多能源互补发电国内研究的研究现状表现为：（1）研究对象聚焦于：新能源、分布式能源、可再生能源、清洁能源;（2）主要能源侧重于：太阳能、风能、水能、生物质能、沼气、废物处理，抽水蓄能，燃煤机组;（3）研究要点包括有：能源转型、智慧能源、节能减排、集成优化、协调控制、需求响应、农村能源建设。除此之外，从图中线条颜色可以得到两个明显的结论：（1）1990-1995年期间，国内农村能源建设、生活用能研究较热;（2）2014-2019 年期间，能源互联网、分布式能源系统、能源转型获得普遍关注。

国外文献中，除去检索所用的关键词“Hybrid power system”以外，多能源互补发电国外研究的研究现状表现为：（1）研究对象聚焦于：可再生能源（renewable energy），储能系统（energy storage，battery），能源系统（energy system），微电网（micro grid），电动汽车（electric vehicle，vehicle）;（2）主要能源侧重于：风能（wind energy、wind power、wind turbine），太阳能（solar energy、photovoltaic）;（3）研究要点包括：系统设计（design），系统可行性（feasibility），系统性能（performance）;系统运行（operation），系统优化（optimization），系统控制策略（control strategy），以及相对应的模型（model）、算法（algorithm）和成本（cost）。

3.2 研究前沿

图1和图2中紫色圆环代表国内多能源互补发电研究的关键研究前沿，是软件根据中性度（Centrality）大于0.1的原则自动筛选出来的。通过对二图数据进行梳理、列表，得到表1、表2。

从表1国内研究前沿中可以看出，1984-1989年间，多能互补、农村能源建设首次得到关注，并持续成为研究前沿;1990-1995年间，太阳能等气候资源、新能源的互补发电，在国内成为广泛关注的研究点;1996-2001年间，可再生能源是关注要点;2002-2007间风力发电、抽水蓄能成为新的前沿;2008-2013年间，光伏电站、混合发电得到持续关注;2014-2019年间，工业园区、区域能源等能源体系、示范工程项目的能源集成优化、互动机制成为新的热点，这是由于2016年7月4日，国家发展改革委会同国家能源局公布了《关于推进多能互补集成优化师范工程建设的实施意见》（发改能源[2016]1430号），掀起了国内多能互补集成优化研究的高潮。

从表2国外研究前沿可以看出：（1）2000年以前，多能互补外文文献聚焦于混合能源发电系统的设计（hybrid power system， generation， design）;（2）2000-2010年间，侧重于机组设备性能（gas turbine，energy storage，performance）、系统运行优化（hybrid power plant， optimization），不确定性处理（uncertainty）等;（3）2010年以后，风电场相关研究（wind power plant）得到广泛关注。

3.3 方向聚类

在图1通过CiteSpace自动聚类，得到国内多能互补研究的可视化聚类图譜（图3），由于国外研究论文数量较多，按照关键词聚类得到的结果并不清晰，因此，此处选择节点类型（Node Type）为论文（paper），裁剪算法（Pruning）选择最小生成树（Minimum spanning tree），对文献进行耦合分析并聚类，得到图4。图片左上角是运行参数，其中Modularity表示网络的模块度，值越大，聚类效果越好。图3中，Modularity值为0.8122，说明聚类效果较好。Mean Silhouette是用来衡量网络同质性的指标，值处于-1与1之间，这里为0.5614，表现了较高的同质性，即多能源互补发电各类别研究之间存在着密切的联系。图4中，Modularity 值为0.9363，说明聚类效果非常好。Mean Silhouette值为0.3681，表现了较高的同质性，即多能源互补发电各类别研究之间存在着较为密切的联系。

图3中节点表示关键词，其大小与频次成正比;线条颜色代表不同年份，与图上部的年份条相对应。黑色字体是圆形节点所表示的关键词，以#开始的红色字体表示类别标签，如#10需求响应。从得到的图谱来看，国内多能互补研究有几个较大的主题：（1）关于风电的研究，包括#3风力发电，#9风电波动性;（2）关于光电的研究，包括#7太阳能辐射，#8光伏发电;（3）关于能源系统的研究，包括#1现代能源，#2分布式能源系统，#8微电网，#10需求响应;（4）关于节能减排的研究，包括#5烟气脱硫装置。

从得到的图谱图4来看，多能源互补发电外文文献有几个较大的研究主题：（1）关于储能系统的研究，包括#1air energy storage system，#2super capacitor，#15battery bank，（2）关于系统运行的研究，包括#3demand side management，#20rule-based optimization，#21isolated wind-diesel;（3）关于燃料的研究，包括# 6solid oxide fuel，# 8hybrid fuel cell system;（4）关于转换器的研究，包括# 14 dc converter，# 23frequency control，# 23frequency regulation。

3.4 关键文献

研究发现，随着能源危机敲响警钟、气候问题逐渐凸显，全球许多研究者、工程师都在寻找新的方法将风电、光伏等间歇性强的新能源与水电、火电能传统能源整合。这其中，多能源互补发电，是一个重要的关注点。

国内文献中，李露莹等[8]提出了一种风光水混合发电系统，并分析了风光水抽水蓄能混合发电、风光互补抽水蓄能发电以及风光水简单发电3种运行方案的差异。盛四清等[9]针对风电、光伏出力的强波动性和电网负荷的强峰谷性，提出了风光蓄一体化出力的调度策略，利用抽水蓄能的灵活可调度性平移间歇性能源的出力，并利用改进的粒子群算法求解。吴志明等[10]针对风光火大规模能源基地联合外送问题，提出了大型能源基地联合外送中电源容量优化模型，可实现风力发电、光伏发电在时空分布上的互补效益，提高输电工程的通道利用率，实现经济效益最大化。葛晓琳等[11]提出，含梯级水电站的风水火联合调度对于减少煤炭消耗量、提高清洁能源利用效率具有重要的意义，他们综合考虑检修计划影响、梯级水电站间水力约束以及风力、热力与电力相互耦合的复杂约束，提出了风水火系统长期优化调度方法。国内文献比较偏重理论，对于风电、光伏能源接入系统中带来系统的间歇性、波动性影响研究较为薄弱。

国外文献中，Salkuti S.R[12]综合考虑风能和光伏能源的间歇特性、用电需求和火电机组的不确定特性性，提出了风-光-火混合发电系统的日前多目标优化调度策略，优化混合发电系统的运行成本、供电可靠性和供电碳排，并使用NSGA-II 算法对模型进行求解。Zhang Y. et al.[13]将大型电动汽车与风力发电相结合，形成了包含电动汽车调度的风-水-火混合发电问题，并应用粒子群优化算法对模型进行求解。Hemmati R. et al.[14]将储能系统引入风-光-火混合发电系统中，以同时达到平滑功率波动和减少电力损耗的目的，并使用IEEE-24 bus 测试系统对所提出的策略进行了检验。Wang X. et al.[15]提出了风-光-水-火互补运行系统的短期调度策略，以期通过最大化可再生能源输出、最小化火电波动，来达到消除弃风、弃光的问题，并将所提策略成功应用于甘肃、青海等地。这些研究对于将风电、光电整合进入传统能源电网中具有非常重要的作用，但是却普遍存在计算量大、实践操作难度高的问题，并且较少将供电可靠性、清洁性，处理新能源的间歇性这三个问题同时进行考虑。

综上所述，不论是美国、英国等欧洲发达国家，还是中国、印度等亚洲发展中国家，都十分关注多能互补研究。特别是在中国将“多能互补集成工程”提升到政策层面以后，国内更是掀起了研究的热潮。然而，是将间歇性新能源电源接入传统电源后，如何科学安排系统内的电力供应，既能够平衡混合供电系统的可靠性、稳定性问题，又能够兼顾系统的经济性、清洁性问题，仍然是亟待解决的难题。

4. 结论

本文基于CNKI，Web of Science数据库数据，借助Citespace软件，采用词频统计、共现分析等手段，可视化发掘国内外该领域的热点关键词、研究前沿和主要贡献者等信息，主要包括以下几方面结论：

第一，研究现状。时间上，国内最早文献出现于1984年，而国外则是1972年;质量上，国内文献来源于期刊、硕博数据库，而国外文献仅来源于SSCI/SCI数据库，且国外文献数量比国内文献数量的2倍还多，但好在国外文献的最大贡献者是中国。由此可见，虽然中国的国内互补相关研究开展较晚，但前进速度惊人，且更加看重论文质量，更加倾向于发表在国际期刊上。

第二，研究热点。国内外研究的热点有所重合，但各有侧重。具体来说，研究对象是基本重合的，聚焦于可再生能源、储能系统、微电网、电动汽车;主要能源侧重是一致的，对于风能、太阳能、生物质能、抽水蓄能都十分关注。但国内外研究要点具有明显的差异性，国内聚焦于能源转型、智慧能源、节能减排、集成优化、协调控制等，但国外更加关注多能互补系统的设计、系统的可行性、系统的性能，以及系统如何运行、如何优化、如何控制等。在这一方面，看出国内研究未来应侧重于对具体系统的精细度、精准度和专业度上，即系统如何设计、系统如何可行，系统性能如何等。

第三，研究前沿。36年间（1984-2019），国内多能互补研究前沿几乎每6年都有一个转折，每一个时间段都聚焦于不同的前沿。如1984-1989的农村能源建设，1990-1995的气候资源、新能源，1996-2001的可再生能源，2002-2007的风力发电、抽水蓄能，2008-2013的光伏发电，以及2014-2019的工业园区、区域能源体系。国外研究则不同，虽跨度48年（1972-2019），但2000年以前，聚焦于互补发电系统设计，2001-2010，侧重于机组设备性能、设备运行优化，2010年以后，侧重于风电场等不确定气候因素的处理。

第四，关键文献。从国内外选取的关键文献分析中，发现国内文献比较偏重理论，对于风电、光伏能源接入系统中带来系统的间歇性、波动性影响研究较为薄弱;国外文献侧重系统的可行性、系统性能，但是也普遍存在计算量大、实践操作难度高的问题。将间歇性新能源电源接入传统电源后，如何既能够平衡混合供电系统的可靠性、稳定性问题，又能够兼顾系统的经济性、清洁性问题，仍然是亟待解决的难题。

参考文献：

[1]Yizhong Chen， Li He， Jing Li， Xi Cheng， Hongwei Lu， J. Yan. An inexact bi-level simulation optimization model for conjunctive regional renewable energy planning and air pollution control for electric power generation systems. Applied Energy， 2016， 183： 969–983

[2]Statistical review of world energy. https：//www.bp.com/en/global/corporate/energyeconomics /statistical-review-of-world-energy.html， 2018

[3]Yuan Liu， Li He， Jing Shen. Optimization-based provincial hybrid renewable and nonrenewable energy planning，a case study of shanxi， china. Energy， 2017， 128： 839–856

[4]CO2 emissions from fuel combustion-2017 edition. http：//www.iea.org/publications/freepub lications /publication/emissions-from-fuel-combustion-highlights-2017.html， 2018

[5]国家发展改革委國家能源局关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见. http：//www.nea.gov.cn/2016-07/07/c 135496039.htm， 2016

[6]李露莹， 吴万禄， 沈丹涛. 计及风、光、水能混合发电系统的建模与研究. 华东电力， 2012， （7）： 1157–1160

[7]盛四清， 张立. 基于风光水火多能互补的电力系统经济调度. 电测与仪表， 2016， 53（22）： 66–71

[8]吴志明，杨天蒙. 风光火大型能源基地联合外送优化配置. 广东电力， 2018， 31（6）： 68–74

[9]葛晓琳，张粒子，舒隽. 风水火系统长期优化调度方法. 中国电机工程学报， 2013， 33（34）： 153–161

[10] Surender Reddy Salkuti. Day-ahead thermal and renewable power generation scheduling considering uncertainty. Renewable Energy， 2019， 131： 956 –965

[11]Yachao Zhang， Jian Le， Xiaobing Liao， Feng Zheng， Kaipei Liu， Xueli An. Multi-objective hydro-thermal-wind coordination scheduling integrated with large-scale electric vehicles using imopso. Renewable Energy， 2018， 128： 91 – 107

[12]Reza Hemmati， Seyyed Mohammad Sadegh Ghiasi， Azam Entezariharsini. Power fluctuation smoothing and loss reduction in grid integrated with thermal-wind-solar-storage units. Energy， 2018， 152： 759 –769

[13]XuebinWang， Jianxia Chang， Xuejiao Meng， YiminWang. Short-term hydro-thermal-wind-photovoltaic complementary operation of interconnected power systems. Applied Energy， 2018， 229： 945–962