區域多能互補分布式綜合能源系統工程設計

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

隨著經濟持續快速發展，能源消耗總量不斷增長，發展清潔能源，改善能源結構，實現節能降碳，積極應對氣候變化既是時代命題，也是人民期盼。國家發展改革委《關于印發“十四五”公共機構節約能源資源工作規劃的通知》中明確提出：十四五期間，全面開展節約型機關創建行動，建立健全節約型機關常態化、長效化機制，推動中央國家機關建成節約型機關，力爭80%以上的縣級及以上機關2025年底前達到創建要求。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，大力發展接近用戶側、環境友好型的多能互補式分布式能源系統，推進公共機構節約能源資源工作符合國家“十四五”的能源發展方向[1]。

文中提出了一種區域多能互補分布式綜合能源系統框架，通過統籌考慮常規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園區層面優化組合，形成能源層面的優勢互補。多能互補分布式能源系統的穩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化調配策略，對整個園區的分布式能源、電力電子裝置等運行狀態進行監測，并依據控制策略進行集中管理和控制，體現了整個能源系統的高效及低碳的優勢[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。將風-光-儲充微網系統、冷熱電三聯供系統、節能改造系統、智能化系統等集成在綜合智慧能源服務平臺上，實現有效的“采、監、管、控、運、策”，達到最大化節能的目標。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以及智能微電網能量管理系統等，利用各個能源系統之間在時空上的耦合機制，一方面實現能源的互補，提高可再生能源的利用率，從而減少對化石能源的利用；另一方面實現了能源梯級利用，從而提高了能源的綜合利用水平[3]。系統框架如圖1所示：

圖1 低碳分布式綜合能源一體化系統框架

2 區域多能互補分布式綜合能源系統設計

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節，將風-光-儲充微網系統、節能改造系統、智能化系統等子系統集成在綜合智慧能源服務平臺上，在滿足整個系統運行約束的前提下，通過調節各分布式能源的輸出以及輸入等變量，保證很好的實現分布式能源系統的優化運行，實現有效的智能管控，達到最大化節能的目標。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，根據不同的功能區域和用能需求，制定能源運行策略，協同系統運行，提高系統效率。

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，找出薄弱環節，推動節能減排工作的開展。

5）通過對能源數據的采集、統計、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、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

風-光-儲充一體化微電網系統采用交流耦合系統，將風力發電、分布式光伏發電、充電樁用能負荷、常規用能負荷等以最高效的方式組網連接。其中，風力發電系統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、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，與園區配電網互為補充，系統的工程結構如圖3所示。

圖3 風-光-儲充一體化微電網系統結構圖

1）風力發電系統

風力發電系統主要由風力發電機、控制器、卸荷器、風機變流器、塔桿等組成，風推動風葉使發電機轉動發電，發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。風力發電系統的結構如圖4所示。

圖4 風力發電子系統結構圖

2）分布式光伏發電

分布式光伏發電系統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，再經由380 V電力接入園區配電網系統。

為滿足園區將來不同類型的充電需求，對園區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建立通訊，由后臺管理系統對充電樁進行智能、遠端管理。

2.3 智能微電網能量管理系統

方案設計配置一套智能微電網能量管理系統，按照設定的控制策略，對風力發電系統、光伏發電系統、儲能系統、電動汽車充電樁等進行智能化、自動化管理，以實現整個系統一體化穩定、高效運行。該系統架構如圖5所示。

圖5 一體化微電網能量管理系統架構

2.4 節能改造系統

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

3 工程實施案例

以某園區綜合能源改造實施為案例，某園區占地面積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。該園區當前碳排放主要由電網發電側產生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，該園區年煤耗約4 795 t，年碳排量約7 755 t。

對該園區采用綜合能源改造，具體方案見表1。

表1 園區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、清潔新能源光伏發電、風力發電、儲能、充電樁的運行監控和園區主要用能設備的節能改造的基礎上，改造、升級、融合原管理系統，建設一套針對園區的綜合能源管理及優化系統，提高能源使用效率，降低碳排放。

項目通過建筑節能、能源管理等手段可提升能源系統效率、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

區域多能互補綜合能源系統堅持清潔低碳、安全高效、創新融合的發展原則，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、冷熱電聯供系統、系列節能改造項目等各子系統，實現源網荷儲充、建筑能效管理和綜合節能管理協同運行，促進區域的用能清潔化、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，探索出適合我國發展的綜合能源技術與產業體系。