智慧能源微網(wǎng)系統(tǒng)能源供應(yīng)設(shè)計(jì)探索

王學(xué)奎 劉金永

摘? 要：智慧能源微網(wǎng)是解決區(qū)域內(nèi)能源供應(yīng)的發(fā)展趨勢，根據(jù)區(qū)域內(nèi)能源需求，建立能源供應(yīng)系統(tǒng)是智慧能源微網(wǎng)的基礎(chǔ)。區(qū)域內(nèi)對(duì)能源的要求并非單一，而是電、冷、熱、氣等多種能源，而這些能源的供應(yīng)和轉(zhuǎn)化往往存在一種交集，使得能源微網(wǎng)建設(shè)成為可能。能源微網(wǎng)面向人員密集區(qū)，電力資源一般通過分布式天然氣發(fā)電與主電網(wǎng)相結(jié)合供應(yīng)，天然氣發(fā)電的同時(shí)可以提供熱能，溴化鋰空調(diào)可以利用燃機(jī)排放的熱量發(fā)電。再結(jié)合電力供應(yīng)分峰谷效應(yīng)，將蓄電、蓄冷、蓄熱綜合應(yīng)用，構(gòu)建了智慧能源微網(wǎng)系統(tǒng)的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)圖，提高了能源利用率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

關(guān)鍵詞：能源微網(wǎng);燃機(jī);太陽能;蓄冷;節(jié)能

中圖分類號(hào)：TK01+9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）16-0089-03

Abstract： Smart Energy Micro-grid is the development trend of solving energy supply in the region. Establishing energy supply system is the basis of smart energy micro-grid according to regional energy demand. The demand for energy in the region is no single， but many kinds of energy， such as electricity， cold， heat， gas， etc. The supply and transformation of these energy resources often have an intersection， which makes the construction of energy micro-grid possible. Energy micro-grid is oriented to people-intensive areas. Electric power resources are generally supplied through distributed natural gas power generation combined with the main power grid. Natural gas power generation can provide heat at the same time. Lithium bromide air conditioner can generate electricity by utilizing the heat discharged from gas turbine. Combined with the peak-valley effect of power supply， the energy supply structure of smart energy micro-grid system is constructed by the integrated application of storage， cold storage and heat storage， which improves the energy utilization rate and realizes energy saving and emission reduction.

Keywords： Smart Energy Micro-grid; gas turbine; solar energy; cool storage; energy conservation

前言

隨著人們對(duì)能源需求的增加，環(huán)境問題成為能源開發(fā)利用的重要阻礙，能源的有效利用和節(jié)能成為現(xiàn)在人們關(guān)注的重點(diǎn)，探究如何在環(huán)境友好的前提下提高能源使用率成為世界各國共同關(guān)注的主要問題[1]。建立區(qū)域能源循環(huán)利用，力求能源利用最大化，同時(shí)減少排放，建立友好環(huán)境，成為能源研究的一大目標(biāo)。人們需求能源的多樣性，而能源的轉(zhuǎn)換存在著交集，所以建立能源互聯(lián)成為可能。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智慧能源微網(wǎng)的建設(shè)也提上日程。

能源互聯(lián)網(wǎng)是指信息通信，信息與能流的交互，綜合能源系統(tǒng)是能源微網(wǎng)的重要載體，強(qiáng)調(diào)的是能源的轉(zhuǎn)換、分配與有機(jī)協(xié)調(diào)[1]。構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)，打破各能源系統(tǒng)間原有的物理隔離，是提高能源利用效率以及系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)途徑[2，3]。綜合能源系統(tǒng)是多能互濟(jì)、能源梯級(jí)利用等理念實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵，目前國內(nèi)對(duì)該領(lǐng)域相關(guān)研究尚處于初步階段，需要國家機(jī)構(gòu)、能源供應(yīng)商以及地方用戶的廣泛參與[4]。構(gòu)建好智慧能源微網(wǎng)中綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)，才能更好地建設(shè)智慧能源互聯(lián)網(wǎng)。如何打破各種能源之間的物理隔離，成為綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要問題。

1 智慧能源微網(wǎng)能源供應(yīng)設(shè)計(jì)思路

探索智慧能源微網(wǎng)的建設(shè)，首先要了解人們對(duì)能源的需求形式，在微型能源供應(yīng)系統(tǒng)中，比如居民小區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、辦公區(qū)等，這些場所對(duì)能源的需求，主要有電、冷、熱、氣等四種形式，以電力資源為主，冷和熱可以通過電力資源轉(zhuǎn)換。在建設(shè)智能能源微網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，主要考慮建設(shè)以智慧電網(wǎng)為基礎(chǔ)，以可再生能源、清潔能源為主體的多能源協(xié)調(diào)互補(bǔ)的能源互聯(lián)網(wǎng)。結(jié)合當(dāng)前能源互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，利用先進(jìn)能源技術(shù)，通過綜合能源利用、多能互補(bǔ)集成優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)、清潔能源、可再生能源、儲(chǔ)能以及節(jié)能設(shè)備等技術(shù)的綜合應(yīng)用。

2 智慧能源微網(wǎng)能源供應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)

在智慧能源微網(wǎng)設(shè)計(jì)中，分析區(qū)域內(nèi)能源形式，制定能源供應(yīng)方案，搭建能源之間的互補(bǔ)邏輯，選擇相應(yīng)的供應(yīng)設(shè)備是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵內(nèi)容。

2.1 電力供應(yīng)方案

智慧能源微網(wǎng)所建設(shè)的區(qū)域，主要為人員、建筑集中區(qū)，電力資源的供應(yīng)主要考慮電力電網(wǎng)能源+分布式能源+清潔能源+蓄電池的供應(yīng)方式。

分布式能源，主要指使用燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)，具有較高的發(fā)電效率，對(duì)環(huán)境污染性小，同時(shí)還可以為區(qū)域提供燃?xì)夂蜔崮躘5]。當(dāng)前清潔能源的主力是風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電，由于能源微網(wǎng)系統(tǒng)所建立的區(qū)域限制，不適合建設(shè)風(fēng)力發(fā)電，主要采用光伏發(fā)電技術(shù)。蓄電池主要用來存儲(chǔ)多余電力，當(dāng)電力供應(yīng)不足時(shí)，為負(fù)荷提供電能。

2.1.1 燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)

燃?xì)獍l(fā)電主要的設(shè)備是燃機(jī)，目前幾種較為常用的燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備比較如表1所示[6]。

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)商業(yè)應(yīng)用案例多，設(shè)備成熟可靠，單機(jī)容量在50kW-10000kW之間;燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)容量較大，較為成熟的設(shè)備單機(jī)容量均遠(yuǎn)大于1000kW;微燃機(jī)單機(jī)容量較小，一般在350kW以下;燃料電池應(yīng)用較少，相對(duì)成本更高。微網(wǎng)系統(tǒng)中，負(fù)荷較小，主要考慮使用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和微燃機(jī)這兩種機(jī)型。

2.1.2 光伏發(fā)電技術(shù)

在微網(wǎng)內(nèi)，電力供應(yīng)采用交直流聯(lián)合供電系統(tǒng)，共同為建筑物提供電源。直流負(fù)載主要考慮三個(gè)部分：辦公樓所有區(qū)域的LED照明，辦公、餐廳、值班室、機(jī)房等，電動(dòng)汽車充電柱。圖1是微網(wǎng)中一張光伏發(fā)電系統(tǒng)圖，當(dāng)白天發(fā)電充足時(shí)，電能被儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電池中，當(dāng)夜晚或遇到陰雨天發(fā)電量小于用電時(shí)，儲(chǔ)能電池中儲(chǔ)存的能量將通過變換轉(zhuǎn)化為高壓直流電，通過穩(wěn)壓變換器為負(fù)載提供能量。當(dāng)系統(tǒng)中太陽能發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)都不足時(shí)，則轉(zhuǎn)換到燃?xì)獍l(fā)電機(jī)供電。此結(jié)構(gòu)能夠保證用戶最大限度的使用太陽能產(chǎn)生的電能。

當(dāng)直流電源為交流負(fù)荷供電時(shí)，必然要通過電力電子換流器，為使負(fù)荷換流器同樣模擬傳統(tǒng)同步電機(jī)的運(yùn)行特性，參與電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)壓過程，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，考慮采用虛擬同步機(jī)技術(shù)[7]，通過賦予變流裝置等效的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、系統(tǒng)阻尼等同步發(fā)電機(jī)特性，可有效解決微網(wǎng)并離網(wǎng)無縫切換問題，提升電網(wǎng)接納分布式新能源能力，降低微網(wǎng)高投資成本儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模等。

2.2 供冷技術(shù)

供冷主要考慮兩種方式：制冷+蓄冷。制冷主要采用空調(diào)制冷，為提高能源利用效率，減少燃機(jī)排氣能量損耗，目前的空調(diào)制冷，可考慮溴化鋰空調(diào)[8]，其工作原理是：通過水在高真空下蒸發(fā)吸熱制冷，蒸發(fā)后的水蒸氣由溴化鋰吸收，變成溴化鋰溶液，需要通過外部熱量，將水和溴化鋰分開，燃機(jī)的余熱排氣系統(tǒng)可作為溴化鋰空調(diào)的熱源。

蓄冷是充分利用“峰、谷、平”電價(jià)差，在夜間低谷電價(jià)時(shí)段制冷，在高峰電價(jià)時(shí)段放冷使用，可全部或部分地轉(zhuǎn)移制冷設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，從而能較大幅度地降低電網(wǎng)的高峰負(fù)荷、充填低谷負(fù)荷、進(jìn)行移峰填谷。蓄冷主要有兩種方案：水蓄冷和冰蓄冷，水蓄冷技術(shù)可直接使用風(fēng)機(jī)制冷，冰蓄冷可作為乙二醇的冷源，由乙二醇供冷器。

2.3 供熱技術(shù)

能源微網(wǎng)中的供熱可考慮空氣熱源泵+蓄熱技術(shù)?？諝庠礋岜檬怯呻妱?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，利用壓縮制冷循環(huán)工作原理，以環(huán)境空氣為冷（熱）源制取冷（熱）風(fēng)或者冷（熱）水的設(shè)備，主要零部件包括用熱側(cè)換熱設(shè)備、熱源側(cè)換熱設(shè)備及壓縮機(jī)等?？諝庠礋岜美每諝庵械臒崃孔鳛榈蜏?zé)嵩?，?jīng)過傳統(tǒng)空調(diào)器中的冷凝器或蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，然后通過循環(huán)系統(tǒng)，提取或釋放熱能，利用機(jī)組循環(huán)系統(tǒng)將能量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，滿足用戶對(duì)生活熱水、地暖或空調(diào)等需求。

2.4 節(jié)能技術(shù)

智慧能源微網(wǎng)系統(tǒng)，深入到每一個(gè)能源利用，在區(qū)域內(nèi)的路燈設(shè)計(jì)中，可考慮風(fēng)光互補(bǔ)路燈，白天陽光充足，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電源源不斷地給蓄電池充電，到夜間時(shí)，路燈用風(fēng)和蓄電池供電，當(dāng)電壓不足時(shí)，再投入配電網(wǎng)，由電網(wǎng)供電，充分利用了區(qū)域內(nèi)的各種資源。

3 智慧能源微網(wǎng)能源供應(yīng)綜合設(shè)計(jì)

結(jié)合上述關(guān)鍵技術(shù)問題，構(gòu)建了能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，其中實(shí)線為電力線路，點(diǎn)畫線為冷源回路，多段線為熱源回路。

該方案面向建筑終端用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求，以天然氣分布式能源和主電網(wǎng)為基礎(chǔ)，融入了冷、熱能源耦合利用，實(shí)線了智慧能源微網(wǎng)中，多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級(jí)利用，實(shí)現(xiàn)了多能源的協(xié)調(diào)運(yùn)行，促進(jìn)高效、科學(xué)、安全用能，為能源的充分利用和減少節(jié)能減排都有很好的示范作用。

4 結(jié)束語

智慧能源微網(wǎng)以能源的綜合利用，提高效率和減少排出為主要任務(wù)，離不開能源的最優(yōu)規(guī)劃，在工程實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)備容量的選擇也很重要。建立智慧能源微網(wǎng)，離不開探索多能源協(xié)同供應(yīng)模型和深入的分析設(shè)計(jì)，更離不開通信技術(shù)支持。文中分析了智慧能源微網(wǎng)中各個(gè)能源的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了智慧能源微網(wǎng)中綜合能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)圖，該圖能夠提高能源利用效率，提升能源供應(yīng)可靠性。智慧能源微網(wǎng)的建設(shè)還需要更深入研究，建立能源利用分析機(jī)制，評(píng)估能源微網(wǎng)可靠性與風(fēng)險(xiǎn)等都是今后的重要工作。

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