綜合智慧能源系統及其工程應用

引言

目前，全球范圍內能源消耗劇增，導致環境污染加劇。如何減少傳統能源浪費、提高清潔能源消納，已成為世界各國政府關注的問題之一?！肮澞軠p排”“新能源”“綠色環?！薄爸腔郾O控”等新理念，已逐漸深入國民經濟和社會生活[1]。傳統能源系統運行常常局限于電、氣、熱、冷等單一能源形式，能源利用效率、可再生能源消納、節能減排等問題遭遇瓶頸。近幾年，隨著新一輪電力體制改革和互聯網信息技術、清潔能源的不斷發展，綜合能源系統逐步從理念變成現實，也逐步取代傳統能源系統成為了推動電力行業發展的新動力。本文從國內外兩個方面對綜合能源系統發展狀況進行歸納總結，提出區域綜合智慧能源系統典型架構及其關鍵技術，并將其應用于示范項目之中，最后對項目的預期效果進行分析并展望其未來發展。

國內外綜合能源系統發展狀況

國外綜合能源系統發展狀況

傳統能源系統產生于20世紀70年代中期，主要是為了對已有建筑進行節能改造，合同能源管理是主要的商業模式。隨著人類科技的發展，在20世紀70年代末期，分布式能源系統在美國誕生，主要是推廣熱電聯供、光伏、熱泵等可再生能源的利用[2]。隨著互聯網、大數據、云計算等技術的出現，融合清潔能源與可再生能源的區域微網技術的新型綜合能源服務模式誕生。綜合能源系統對提升能源利用效率和實現可再生能源規?；_發具有重要的支撐作用，世界各國根據自身需求制定了適合自身發展的綜合能源發展戰略。

（1） 歐洲

早在歐盟第五框架（FP5）中，雖然綜合能源系統概念尚未明確定義，但是有關能源協同優化的研究得到極大重視。在歐盟第六框架和歐盟第七框架中，能源協同優化和綜合能源系統的相關研究得到進一步深化。

（2） 美國

在技術方面，美國非常注重與綜合能源相關理論技術的研發。21世紀初，美國能源部即提出了綜合能源系統（Integrated Energy System，IES）發展計劃，旨在提高可再生能源的供應與使用比重，進一步提高社會供能系統的可靠性和經濟性，而其重點是促進對分布式能源（DER）和冷熱電聯供（CCHP）技術的進步和推廣應用。在需求側管理技術方面，美國包括加州、紐約州等在內的許多地區在新一輪電力改革中，明確把需求側管理和提高電力系統靈活性作為重要方向。

（3） 日本

2009年9月，日本政府公布了未來40年溫室氣體減排的目標，并提出建設全國綜合能源系統、實現能源結構優化和能效提升、推動清潔能源開發，是實現減排目標的必經之路。

國內綜合能源系統發展狀況

相對國外而言，我國綜合能源系統的研究起步較晚。2001年，我國開展了針對智能體系方面的專題研究，以智能電網、配電網為載體，聚焦國內智能能源體系結構、模型、技術標準、通行協議、實施計劃等方面。

目前，國內綜合能源系統仍處于發展的初步階段。當前國內運行的綜合能源系統項目基本以電為主，只是配合少量的清潔能源，僅僅起示范作用。為了推動能源領域的創新與協調，促進綜合能源系統體系的建設，我國于2010年成立了國家能源委員會，加快能源改革，尋求創新發展模式。目前。我國制定并通過了“973”“863”研究計劃，多項有關綜合能源技術研發項目已經開始實施。除此之外，我國還積極與國外相關機構展開合作，積極推廣綜合能源利用技術，以建設清潔、安全、可持續的綜合能源供應系統[3]。

綜合智慧能源系統特點

在綜合能源系統發展的基礎上，應用大數據、云計算、物聯網等技術，為更好實現區域內用戶提供冷、熱、電、氣、水等能源一體化，促進清潔能源就地消納和平衡，本文引入“綜合智慧能源系統”，通過協同互動、智能低碳方式，充分提高能源綜合利用效率，其構成特點涵蓋以下三個方面。

多能互補

圖1 綜合智慧能源系統架構圖

多能耦合、協同互補是綜合智慧能源系統的重要特征之一。風能、太陽能等可再生能源在時間和空間上具有互補性，多能互補面向終端用戶冷、熱、電等多種用能需求，因地制宜、互補利用傳統能源和清潔能源，優化布局建設一體化集成供能基礎設施，構建智能微能源網，通過智慧化管理控制，有利于實現多能協同供應和能源綜合梯級利用。

物理與信息深度融合

綜合智慧能源系統覆蓋能源生產、傳輸、消費、存儲、轉換的整個能源鏈，系統內信息共享，能量流與信息流有機整合、互聯互動、緊密耦合，形成信息物理系統（cyber physical system,CPS）。信息物理系統是綜合智慧能源系統的重要發展方向，互聯網、物聯網、大數據、云計算等的深度應用，可有效提升園區綜合能源系統的靈活性、適應性及智能化。通過對等開放的信息物理系統架構，綜合智慧能源系統將具備高可靠安全的通信能力、全面的態勢感知能力、大數據處理計算能力以及分布式協同控制能力。

源網荷儲協調互動

綜合智慧能源系統能量流與信息流深度融合使傳統能源由單純的生產、傳輸、消費和存儲為主體，轉變為集能源生產、傳輸、消費和存儲多種角色于一體的自我平衡的主體。傳統用戶成為產消者，能源生產和能源消費的邊界將不再清晰，對應的角色和功能可以實現相互兼容和替代。綜合能源服務商、供電公司、各類工業、商業和居民用戶、電動汽車、分布式能源、儲能、熱電冷聯產系統等各類參與主體在供需關系和價格機制的引導下，靈活調整能源供應、能源消費和能源存儲，從而實現綜合智慧能源柔性互動以及供需儲的縱向一體化。

綜合能源系統對提升能源利用效率和實現可再生能源規模化開發具有重要的支撐作用，世界各國根據自身需求制定了適合自身發展的綜合能源發展戰略。

綜合智慧能源系統設計

架構設計

目前，低功耗傳感器和通信技術的高速發展，為綜合智慧能源系統的研究提供了新的解決思路。本文結合能源互聯網、智能微電網及配電物聯網的相關研究，提出典型的綜合智慧能源系統架構（圖1）。該系統以電力系統為核心，以風力發電技術、太陽能發電技術、天然氣分布式供能技術、空氣及儲能電池等技術為主要的供能手段，建設和完善能源輸配網和儲能設施（包含電、熱、冷儲能），并配套建設智慧能源管理平臺，構建一個完整的園區級能源互聯網。綜合智慧能源系統的物理構成包括供配電系統、冷熱電三聯供系統、光伏系統、風機系統、儲能系統、充電系統、智慧管控系統等。

整個能源系統改變了以往供電、供氣、供冷等各種能源供應單一規劃、單一建設、單一運行的獨立模式，利用現代信息通信技術、智能技術提高系統管理效率，在系統設計、建設、運行過程中，減少各類能源在分配、轉化、存儲、消納等環節的資源浪費。分析綜合智慧能源系統的組成部分可知，其主要包括下列內容：供能網、能源轉換與存儲環節、終端綜合能源供應，其中供能網涉及供熱、供電等網絡；能源轉換環節則包括暖通空調、發電機設備等。

關鍵技術

（1） 能源轉化技術

在進行能源資源的高效利用時，能源轉換技術也為一項非常重要的綜合能源應用技術，此項技術應用側重于對一次、二次能源的有效轉換，從而使得能源利用價值得到大幅度的提升，其中常見的一次能源既涉及太陽能、風能及生物能等可再生的清潔能源，也包括石油、天然氣等不可再生能源，二次能源則主要為電能。

當前在綜合智慧能源系統中應用最為廣泛的能源轉換技術主要包括以下兩種類型：一是太陽能發電技術。它包括光伏發電、光化學發電、光感應發電和光生物發電，其中光伏發電利用太陽能級半導體電子器件有效地吸收太陽光輻射能，并使之轉變成電能，是當今太陽能發電的主流；二是風電轉化技術。當前利用風能進行電力生產轉換為世界各國學者研究的重點內容，實際轉換時主張利用風力發電機來進行有效的資源轉換利用，風力發電機使用時發揮關鍵作用的部分為主軸槳葉，可帶動設備將風能大量的轉換為電能。

（2） 冷熱電三聯供CCHP

作為傳統熱電聯產CHP的擴展，冷熱電三聯供CCHP不僅可以滿足發電需求，同時釋放的熱量將成為副產品被回收利用，作為空間加熱、水加熱以及空間冷卻的熱源。CCHP由燃氣發動機、發電機、熱交換器和吸收式冷卻器組成。燃氣發電機肩負產熱和產電功能，而廢熱將被輸送到吸收式冷卻器中，并以此產生冷卻能。該技術常常應用于建筑物的空調設備，而吸收式制冷機產生的電能與廢熱之比可以通過變化來滿足特定的要求。

與獨立的供熱與電力系統相比，冷熱電三聯產系統不僅提高了能源效率，也降低了燃料和能源成本，因而更具有經濟效益。若將CCHP與可再生能源結合，可進一步促進能源轉型及二氧化碳減排，為緩解日益嚴重的溫室效應作出貢獻，其潛力不容忽視。

（3） 熱泵技術

圖2 延慶基地能源系統結構圖

在新能源供熱技術中，熱泵是杰出的代表。其原理是利用制冷系統的熱循環過程，將低溫熱源，如室外空氣、循環水或地面熱能，傳遞到高溫物體中，用來加熱水或采暖。為了將低溫熱源中的能量傳遞到高溫熱源，熱泵需要來自外部的電能，流量溫度越高，電能需求越大。因此，低溫熱源與加熱能之間的溫差應盡可能小。而熱泵制冷管道中的特殊閥門可使制冷循環反向進行，熱泵不僅可以加熱也可以冷卻空間。

常見的熱泵種類有空氣源熱泵、水源熱泵和地源熱泵?？諝庠礋岜每梢詫碜灾車諝饣驈U氣的熱量傳遞到需要加熱的空間內。水源熱泵從相對溫暖的地下水或廢水中提取熱量，再將地下水引導回去。地源熱泵則通過探頭或表面收集器直接吸地熱能。熱泵不僅低碳環保，運行也相對安靜，可以在較小的建筑面積上使用，因而被廣泛地應用于現代化加熱系統與家庭領域。從經濟角度來看，由于不需要額外的燃料費用，相對于傳統的加熱和冷卻系統更具優勢。

（4） 儲能技術

為了有效提升能源存儲效果，需要借助多種儲能技術，當前常用的儲能技術包括儲熱、儲氣、儲電、蓄冷四種。其中，適用于綜合能源系統中的儲電技術主要為儲能電池，根據化學反應物質的不同可以分為鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鋰離子電池和鎳氫電池。隨著科學技術的發展，鋰離子電池已經成為了主流，其采用鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池，具有使用壽命長、儲存能量密度高、重量輕、適應力強等優點。目前，鈉硫電池和釩液流電池尚未形成產業化。

儲熱技術目前主要有顯熱存儲、變相存儲、化學反應存儲三種。其中化學反應存儲是通過化學反應產生熱量進行儲熱，具有儲能密度高、可長期存儲等優點。

目前,蓄冷技術主要分為水蓄冷和冰蓄冷兩種，利用水、冰的蓄冷特性，儲藏冷能并加以合理利用。

儲能系統使得綜合能源系統能夠正常穩定并且高效地運行，是綜合能源系統不可或缺的組成部分。

（5） 多能協同優化控制技術

綜合智慧能源系統能夠為用戶提供分布式供能，通過智慧能源管控系統的多能協同優化調度策略，提高能源利用率，促進不同能源之間的互補和協調，實現系統整體效能發揮的最大化。在確保給用戶提供穩定能源供給的同時，提高可再生能源在能源系統中的占比及利用率，減少對不可再生資源的依賴，有利于達到良好的節能減排效果。在實際應用中，如何實現不同能源特別是光伏、風電等間歇性電源的協調和優化是關鍵。在多能互補優化運行中，需要充分考慮間歇性能源出力的不確定性、可控分布式能源的功率調節約束性以及儲能設備的時間轉移特性，兼顧分布式能源與柔性負荷兩類可控資源，并采用合理的控制模型實現主動配電網對可控分布式能源的主動管理和優化調度。

目前，多能協同優化調度策略的研究在國內尚處于初始階段，采取何種策略有效地協調分布式電源、儲能設備及可控負荷，是多能互補系統優化運行的關鍵問題。

示范項目應用

延慶國家電網公司新興產業創新示范基地位于延慶區張山營鎮下營村，用地性質為教育科研設計，主要能源需求類型為電、冷、熱。項目擬參照本文提出的綜合智慧能源系統框架，構建以交直流混合微電網為核心、多能互補的智慧能源系統，打造源網荷儲優化協同的綠色能源互聯網示范。

該項目能源系統的物理構成包括分布式光伏發電、分散式風力發電、電化學儲能、交直流混合充電樁、空氣源熱泵、電蓄熱鍋爐等，按照“1+1+X”的框架構建智慧能源（能源互聯網）系統，即1個智慧能源管控平臺、1座集中供應的能源站、若干個分布式能源子系統，系統結構如圖2所示。通過智慧能源管控平臺，根據區域內多種能源供應狀態對綜合能效水平進行實時優化，對電網和其他能源網絡進行動態協調，使多種能源相互轉化支撐，實現整個系統源、網、荷、儲的協同運行以及綜合管理。

1個智慧能源管控平臺

平臺主要監測光伏發電、風力發電、儲能、充電樁、熱泵、電蓄熱鍋爐等系統的運行情況，對新能源發電、基地用電、供熱、供冷等綜合能源的動態實時監控與管理，通過對數據分析與挖掘，實現各種節能控制系統綜合管控，是整個基地能源系統的智慧大腦。

1座能源站

站內布置交直流微電網核心設備、電化學儲能預制艙、電蓄熱鍋爐，作為基地能源供應的核心和樞紐。

交直流微電網核心設備主要包括一臺多端口能量路由器、一臺直流儲能變流器和一套直流充電堆系統。

電化學儲能采用磷酸鐵鋰電池，在整個能源系統中起到削峰填谷、提高光伏消納率、改善電能質量、后備電源的作用。

電蓄熱鍋爐采用夜間低谷時段的電能作為能源，夜間蓄熱白天供暖，作為熱泵供暖系統的補充，同時也可以起到削峰填谷的作用。

X個能源子系統

（1） 分布式光伏發電

分布于基地規劃建筑屋頂、玻璃幕墻、光電一體化充電站車棚棚頂、蔬菜大棚棚頂及智慧路燈。光伏組件采用單晶、多晶、BIPV等多種組件形式。

（2） 分散式風電

該項目采用垂直軸風力發電機，一部分布置于基地空曠閑置區域；另一部分布置于風光一體化智慧路燈頂部，與光伏板共同實現路燈的綠色照明。

（3） 分布式空氣源熱泵

中央廚房及辦公用房均采用空氣源熱泵與太陽能集熱器組合形式。熱泵采用先進的一機雙用技術，一邊為冷庫供冷；一邊為辦公室供暖。

（4） 交直流混合充電樁

在基地設置若干直流快充和交流慢充充電樁，具備智能控制與結算等功能，為員工私家車、游覽車、物流車等提供靈活智能的充電服務。

總結與展望

本文首先介紹了國內外綜合能源系統的發展現狀，提出綜合智慧能源系統體系典型架構及其關鍵技術，并將其應用于延慶項目之中。

該項目采用多種可再生能源與傳統電力能源相融合，采用智慧能源管控系統進行多能協同優化控制，構建了以電為中心、以智能微電網為核心的智慧能源系統，可以有效降低能源損耗，提升節能減排效果，打造綠色后勤基地。該項目建設思路可為其他類似后勤基地的建設提供參考和借鑒，具有一定的示范意義。

隨著能源互聯網的發展以及智能技術的創新，未來綜合智慧能源系統將會更加高效和智能化。利用信息通信技術準確預測用戶用能變化并對其進行實時優化匹配，有利于在能源利用方面取得新的突破。