區(qū)域多能互補分布式綜合能源系統(tǒng)工程設計

齊 聰，鄢 波

（1.中國電建江西省電力設計院有限公司， 江西 南昌 330096；2.國網江西省電力有限公司電力科學研究院， 江西 南昌 330096）

0 引言

隨著經濟持續(xù)快速發(fā)展，能源消耗總量不斷增長，發(fā)展清潔能源，改善能源結構，實現(xiàn)節(jié)能降碳，積極應對氣候變化既是時代命題，也是人民期盼。國家發(fā)展改革委《關于印發(fā)“十四五”公共機構節(jié)約能源資源工作規(guī)劃的通知》中明確提出：十四五期間，全面開展節(jié)約型機關創(chuàng)建行動，建立健全節(jié)約型機關常態(tài)化、長效化機制，推動中央國家機關建成節(jié)約型機關，力爭80%以上的縣級及以上機關2025年底前達到創(chuàng)建要求。因此，加大太陽能、風能、地熱能等可再生能源和熱泵、高效儲能技術的推廣力度，大力發(fā)展接近用戶側、環(huán)境友好型的多能互補式分布式能源系統(tǒng)，推進公共機構節(jié)約能源資源工作符合國家“十四五”的能源發(fā)展方向[1]。

文中提出了一種區(qū)域多能互補分布式綜合能源系統(tǒng)框架，通過統(tǒng)籌考慮常規(guī)能源與可再生新能源，兼顧集中能源技術和分布式能源技術，使能源及新技術在工業(yè)園區(qū)層面優(yōu)化組合，形成能源層面的優(yōu)勢互補。多能互補分布式能源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行核心在于有效合理的能量管理與集成控制，通過綜合能源管理優(yōu)化調配策略，對整個園區(qū)的分布式能源、電力電子裝置等運行狀態(tài)進行監(jiān)測，并依據控制策略進行集中管理和控制，體現(xiàn)了整個能源系統(tǒng)的高效及低碳的優(yōu)勢[2]。

1 分布式綜合能源一體化架構

分布式綜合能源一體化是以綠色、低碳能源為基礎，以多能互補控制系統(tǒng)為紐帶，以綜合能源服務平臺為中樞，采用多項技術的1+N綜合智慧能源示范系統(tǒng)。將風-光-儲充微網系統(tǒng)、冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、節(jié)能改造系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)等集成在綜合智慧能源服務平臺上，實現(xiàn)有效的“采、監(jiān)、管、控、運、策”，達到最大化節(jié)能的目標。低碳智慧綜合能源一體化解決方案主要包括綜合能源管理平臺、風-光-儲充一體化微電網系統(tǒng)以及智能微電網能量管理系統(tǒng)等，利用各個能源系統(tǒng)之間在時空上的耦合機制，一方面實現(xiàn)能源的互補，提高可再生能源的利用率，從而減少對化石能源的利用；另一方面實現(xiàn)了能源梯級利用，從而提高了能源的綜合利用水平[3]。系統(tǒng)框架如圖1所示：

圖1 低碳分布式綜合能源一體化系統(tǒng)框架

2 區(qū)域多能互補分布式綜合能源系統(tǒng)設計

2.1 綜合能源管理平臺

綜合能源管理平臺的設計是整套方案的核心關鍵環(huán)節(jié)，將風-光-儲充微網系統(tǒng)、節(jié)能改造系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)等子系統(tǒng)集成在綜合智慧能源服務平臺上，在滿足整個系統(tǒng)運行約束的前提下，通過調節(jié)各分布式能源的輸出以及輸入等變量，保證很好的實現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行，實現(xiàn)有效的智能管控，達到最大化節(jié)能的目標。其架構如圖2所示。

圖2 綜合能源服務管理云平臺架構

綜合能源服務管理云平臺提供的服務如下：

1）提供高效能源管理工具，根據不同的功能區(qū)域和用能需求，制定能源運行策略，協(xié)同系統(tǒng)運行，提高系統(tǒng)效率。

2）建立設備臺賬，隨時掌握設備安裝、維護信息，減少故障率，提高管理水平。

3）提供提前預警和報警機制，保證系統(tǒng)的安全運行，縮短故障的響應時間。

4）定期形成用能情況報告，準確總結用能趨勢和特點，找出薄弱環(huán)節(jié)，推動節(jié)能減排工作的開展。

5）通過對能源數據的采集、統(tǒng)計、分析，為能源管理負責人提供準確的能源數據，為能源生產和消費決策提供依據。

6）提供智能化移動管理工具，管理人員可隨時隨地登錄查看整體用能狀態(tài)、安全等情況。降低了管理局限性，提高了管理實時性、便捷性。

2.2 風-光-儲充一體化微電網系統(tǒng)

風-光-儲充一體化微電網系統(tǒng)采用交流耦合系統(tǒng)，將風力發(fā)電、分布式光伏發(fā)電、充電樁用能負荷、常規(guī)用能負荷等以最高效的方式組網連接。其中，風力發(fā)電系統(tǒng)經風機變流器后接入380 V交流母線；光伏分布式屋頂項目、光伏車棚，通過與其匹配的并網光伏逆變器接入380 V交流母線；光伏車棚、儲能系統(tǒng)、V2G交流對充充電樁通過各自的DC/AC模塊，接入380 V交流母線。交直流耦合系統(tǒng)通過1臺具備并、離網切換功能的DC/AC模塊相連，最終由并網點與大電網相連，與園區(qū)配電網互為補充，系統(tǒng)的工程結構如圖3所示。

圖3 風-光-儲充一體化微電網系統(tǒng)結構圖

1）風力發(fā)電系統(tǒng)

風力發(fā)電系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機、控制器、卸荷器、風機變流器、塔桿等組成，風推動風葉使發(fā)電機轉動發(fā)電，發(fā)電機產生的三相交流電經控制器轉化為直流電，再由逆變器將直流電轉化為380 V交流電并入低壓配電系統(tǒng)。風力發(fā)電系統(tǒng)的結構如圖4所示。

圖4 風力發(fā)電子系統(tǒng)結構圖

2）分布式光伏發(fā)電

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)包含屋頂分布式光伏、光伏車棚及電動汽車充電樁。

屋頂分布式光伏是在辦公樓樓頂以固定傾角方式安裝光伏組件，配置一套三相組串式逆變器臺，匯集后進入儲能系統(tǒng)，再經由380 V電力接入園區(qū)配電網系統(tǒng)。

為滿足園區(qū)將來不同類型的充電需求，對園區(qū)原有普通車棚改造為太陽能光伏停車棚，安裝直流一體式多槍快速充電樁、壁掛式交流慢速充電樁機，兩種充電樁都具備智能控制與網絡通訊功能，支持通過GPRS、5G網絡的數據傳輸與后臺運營管理系統(tǒng)建立通訊，由后臺管理系統(tǒng)對充電樁進行智能、遠端管理。

2.3 智能微電網能量管理系統(tǒng)

方案設計配置一套智能微電網能量管理系統(tǒng)，按照設定的控制策略，對風力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、電動汽車充電樁等進行智能化、自動化管理，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)一體化穩(wěn)定、高效運行。該系統(tǒng)架構如圖5所示。

圖5 一體化微電網能量管理系統(tǒng)架構

2.4 節(jié)能改造系統(tǒng)

節(jié)能改造系統(tǒng)主要是針對園區(qū)的空調、熱水、照明、環(huán)境進行監(jiān)測及管理，以達到整體節(jié)能的效果。主要包括空調系統(tǒng)接入綜合智慧能源服務管控平臺，并通過平臺優(yōu)化控制；實現(xiàn)對重點房間設置溫度、濕度、二氧化碳、PM2.5濃度進行監(jiān)測，并通過新風系統(tǒng)調節(jié)使室內空氣達到最佳狀態(tài)；增加太陽能生活熱水系統(tǒng)，為提供生活熱水，接入綜合智慧能源服務管控平臺并實現(xiàn)智能控制；對園區(qū)的照明系統(tǒng)進行智能控制，避免不必要的能源浪費等等。

3 工程實施案例

以某園區(qū)綜合能源改造實施為案例，某園區(qū)占地面積400畝，建筑面積10萬m2，擁有行政中心、教學中心、會議中心、圖書信息中心、餐飲中心等附屬建筑若干。

通過實際勘察，該園區(qū)當前年耗電量約1 000萬kW·h，當前年耗氣量約80萬Nm3，當前年耗油約11萬L。根據國際能源署（IEA）《世界能源展望2007》，中國的CO2排放指數為：0.814 kg/kW·h，同時，我國火電廠每發(fā)電上網1 kW·h，需消耗標準煤305 g，排放6.2 g的硫氧化物（SOx）和2.1 g的氮氧化物（NOx）的相關排放指數。按以上參數計算天然氣CO2排放2.074 8 kg/Nm3。按每升汽油質量0.72 kg/L計算，汽油CO2排放1.833 kg/L。該園區(qū)當前碳排放主要由電網發(fā)電側產生5 650.59 t（占比73%），其次由供暖、供熱水消耗天然氣產生1 346.96 t（占比17%），餐飲終端用戶消耗天然氣產生312.88 t（占比4%），其他約239 t（占比6%），共計約7 755 t。通過計算分析可知，該園區(qū)年煤耗約4 795 t，年碳排量約7 755 t。

對該園區(qū)采用綜合能源改造，具體方案見表1。

表1 園區(qū)綜合智慧能源解決方案

通過綜合能源管理平臺對新建低碳、清潔新能源光伏發(fā)電、風力發(fā)電、儲能、充電樁的運行監(jiān)控和園區(qū)主要用能設備的節(jié)能改造的基礎上，改造、升級、融合原管理系統(tǒng)，建設一套針對園區(qū)的綜合能源管理及優(yōu)化系統(tǒng)，提高能源使用效率，降低碳排放。

項目通過建筑節(jié)能、能源管理等手段可提升能源系統(tǒng)效率、降低用能需求，且通過光伏、風機等本地可再生能源利用降低市電消耗，預期2022年購電需求下降109.26萬kW·h，二氧化碳下降1 147.58 t。

4 結語

區(qū)域多能互補綜合能源系統(tǒng)堅持清潔低碳、安全高效、創(chuàng)新融合的發(fā)展原則，通過提供綜合、智慧、高效的一體化能源解決方案，建設風-光-儲充一體化微電網系統(tǒng)、冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)、系列節(jié)能改造項目等各子系統(tǒng)，實現(xiàn)源網荷儲充、建筑能效管理和綜合節(jié)能管理協(xié)同運行，促進區(qū)域的用能清潔化、智能化，提高能源綜合使用效率[4]。綜合能源示范工程的成功實踐表明綜合能源系統(tǒng)是解決我國未來能源問題的有效途徑，但確是一個長期的、復雜的、不斷更新的系統(tǒng)性工程，因此需不斷借鑒國外的先進工程經驗，探索出適合我國發(fā)展的綜合能源技術與產業(yè)體系。