零碳農業園區綜合能源服務解決方案

王建賓 ，胡永朋 ，周忠堂 ，趙 冠 ，呂 輝

（1.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001; 2.國家電網有限公司，北京 西城 100031;3.南京南瑞信息通信有限公司，江蘇 南京 210000; 4.國網山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000）

化石燃料大量使用的背景下，全球變暖和溫室效應日趨顯著[1]。我國積極穩妥推進碳達峰碳中和[2]。在“雙碳”任務的緊迫性和重要性雙重影響下，我國相關部門先后制定出臺了建設循環經濟園區、低碳園區、生態園區、綠色園區等政策文件[3]。

作為產業集聚發展的核心單元和先進要素高度集聚、創新活動蓬勃發展的產業活動主要載體，以產業園區為代表的各類型園區快速發展，已經成為推動我國工業化、城鎮化發展和區域經濟高質量發展的重要平臺[4]。園區通過自身的質量變革、效率變革和動力變革，率先實現零碳化，樹立發展標桿，對于區域落實“雙碳”戰略，實現高質量發展具有重要的意義[5]。

綜合能源系統（integrated energy system，IES）作為將多種類型的能源系統在不同環節、不同時空尺度進行耦合而組成的綜合能源系統[6-7]，是促進碳減排的重要方式。本文以某國家農業園區的零碳園區綜合能源服務系統為例，從園區綜合能源系統清潔替代方案、源網荷儲多能互補、能效提升優化、能碳雙控智慧能源管理系統4個方面，介紹農業園區碳中和智慧用能系統，為碳中和零碳園區建設提供示范與參考。

1 面向碳中和的零碳園區建設框架

圍繞國家“雙碳”戰略與國家電網有限公司“一體四翼”發展布局要求，結合代村項目“區位優勢明顯、功能要素齊全、資源稟賦優越”的突出特點，因地制宜推進零碳園區新型電力系統建設，構建以新能源為主體的新型電力系統，以能源、辦公、農業、養殖、餐飲等多場景的零碳園區數據體系建設，助力實現“雙碳”目標落地，零碳園區建設整體思路框架圖如圖1所示。

圖1 零碳園區建設整體思路框架圖

零碳園區以優化能源結構、動態平衡碳能、推動產業轉型升級、更新硬件設施、提升精細化管理水平為建設路徑。通過物聯網、區塊鏈等技術實現能源綜合管控平臺和碳排放檢測平臺對分布式智能終端實現動態監測，并通過人工智能和大數據運算等智能計算技術進行趨勢預測和對比分析，從而實現智能決策并實行優化策略。

2 園區綜合能源系統清潔替代方案

2.1 可再生能源建設

根據園區所處地區的可再生能源資源稟賦情況，設計接入光伏發電系統和風力發電系統，以并網光伏發電系統為主要能源來源。

光伏發電系統主要建設于園區酒店主樓及配樓房頂、農展館屋頂、食品加工廠屋頂，年發電量可達約2201.2 kWh。

安裝部分風力發電機，風力發電系統不上網，供園區負荷自用。

2.2 電氣化清潔電能替代

園區電氣化清潔電能替代主要包括交通工具電氣化和全電廚房改造[8]。對園區小火車、觀光游覽車、工作人員通勤車、農產品運輸車等交通工具進行電氣化改造，實現交通工具全電化。

針對酒店、老街餐飲企業和沿街商戶大部分用天然氣、液化氣專控，采用全電廚房設備“以電代氣”，具有無明火、智能穩定、無泄漏風險，同時替代的電能全部來源于可再生清潔能源，減少CO2排放。

3 園區源網荷儲多能互補建設方案

為盡可能的就地消納分布式風光資源，實現園區實時碳中和，同時提高電網友好互動能力，建設建設源網荷儲多能互補系統[9]。

3.1 電儲能系統建設

通過引入電儲能系統，將光伏發電所產生的間歇性、隨機性能量超出的負荷儲存起來，在負荷增加時，釋放到變壓器輸出側，一方面平滑園區負荷曲線，實現對大電網網的友好負荷；另一方面，降低用戶的用電成本，實現最大收益。

主要建設方案：儲能變流器與電池包、BMS系統、消防系統均采用模塊化設計，集成于標準儲能柜內，與擬并網的變壓器輸出側接入。每個儲能柜的數據均通過5G網絡與動態能量管理器相連，接入云端能量管理系統。儲能變流器采用模塊化設計，具備離網、并網及整流模式，并可在3種模式之間智能切換，同時兼備無功補償及諧波補償功能，采用先進控制算法實現多機并聯，具備優良的負載適性和電網適應性。

電儲能控制策略如圖2所示，儲能系統根據負荷曲線、園區用電成本、天氣情況等進行詳細的優化控制，主要分為日前調度與日內滾動調度兩階段。

圖2 電儲能控制策略示意圖

日前調度[10]：根據日前負荷曲線及天氣預報，以園區用戶用電成本最小、園區凈負荷曲線盡量平緩為目標，綜合考慮需量防守、儲能充放約束、充放效率、能量約束、網絡拓撲約束等，建立日前儲能充放電優化模型，通過二次規劃方法，獲取日前儲能最優充放電策略。

日內滾動調度[11]：考慮日前負荷及光伏出力預測誤差及其隨機波動特征，以需量防守為約束，基于模型預測控制技術，對儲能充放功率進行實時追蹤控制。

根據具體負荷情況，各儲能柜配置在相應變壓器輸出側，通過聯絡線和云端能量管理系統，實現區域協同。在每臺變壓器輸出側安裝低壓線路智能監控終端，根據典型工作日負荷曲線情況，由動態能量控制器來進行日前優化調度和日中實時滾動控制的儲能柜的充放電工作策略，實現平滑負荷和用戶最優用電效益。

3.2 蓄熱系統建設

由于電儲能設備前期投資較大，且園區玻璃溫室大棚以及部分景區存在一定的用熱需求，為提高園區儲能系統經濟性和最大化利用光伏發電，同時滿足園區生產車間的用熱需求，擬采用固體電蓄能機組進行蓄熱，利用峰、谷、平電價差，在低谷電時段直接蓄熱[12]，利用電加熱將蓄熱體加熱到750 °C儲存起來，并以熱能形式儲存在蓄熱體器內供白天峰或平電時段使用，滿足供暖需熱量，以達到完全避峰、平電時段的用電量，削峰填谷，大大減少運行費用的目的。

蓄熱系統采用PLC控制系統[13]，可提供本地和異地監控，具有手動、自動、遠程控制功能，具有良好的人機界面，輸出報表內容全面。控制系統智能化管理，可分時段運行模式，每天可設定多個時段，依次定時自動運行，每個時段可分別設置不同的運行溫度，并可實現氣候補償控制，實現分時段按需供暖。具有通用的485接口，可以實現樓宇自控等多種控制方式。

3.3 智慧充電樁建設

為實現綠色出行從而減少園區碳排放，豐富園區直流元素，在園區內建設電動汽車智慧直流充電樁。

智慧直流充電樁接入方式如圖3所示，通過網聯模塊與充電樁控制器等關鍵元器件配合，實現充電樁安全接入、用戶充電鑒權、電量實時采集、負荷監測、啟動停止控制以及各類異常告警上送等功能。根據需要，網聯模塊可安裝在充電樁內部，也可安裝在充電樁外部。

圖3 智慧充電樁接入方式

綜合歷史負荷、用戶數據、配變容量、充電需求等信息，形成電動汽車智慧充電樁有序充電控制策略，如圖4所示，當充電服務運營平臺下發的有序充電控制策略后，可實現輸出功率的實時調節和控制。當智慧直流充電樁處于正常狀態時，能源控制器接受到充電計劃后，通過向能源路由器下發充電功率設定值，最終通過PWM控制車輛充電功率；當智慧直流充電樁處于配變運行越限時，能源控制器在感知到配變越限狀態后，立即在既有充電計劃基礎上進行越限緊急控制。

圖4 智慧充電樁有序充電基本架構圖

3.3.1 充電模式

根據用戶用車需求，設計有序充電的控制策略，將用戶主要分為“時間優先型用戶”和“費用優先型用戶”兩部分，為其提供“盡快充”和“低費充”兩類有序充電模式。

3.3.2 管理策略

事件即時調度：當充電用戶發起充電請求時，對其進行充電計劃的預調度編排，審核充電請求的合理性和有效性。

周期滾動調度：在有序充電過程中，根據電網實時運行狀況、負荷預測以及用戶訂單執行偏差，周期滾動進行充電調度計劃的編排。

3.3.3 控制策略

在充電樁臺區配變充電容量不足、上級電網緊急負荷控制請求等條件下，需要進行對充電負荷進行在線調度控制。

3.4 低壓柔直多臺區用能互濟建設

為實現各個臺區之間的功率互濟，優化用能水平，在選擇分布式電源配置與負荷特性具有互補特性的臨近臺區，建設如圖5所示的低壓柔性直流配電系統進行臺區低壓側互聯。

圖5 低壓柔直多臺區用能互濟技術框架圖

主要建設方案如下：在各臺區低壓側分別建設部署低壓柔性直流配電換流閥，各個換流閥之間通過直流母線互聯，從而形成臺區之間的低壓柔性互聯。就地部署能源控制器，將各臺區負荷數據、分布式電源的運行數據以及低壓柔性直流用電系統的運行監控數據通過HPLC方式在能源控制器進行匯總，控制器根據各臺區負荷水平、光伏出力、其他負荷需求以及儲能系統的SOC對低壓柔性配電系統進行調度控制，進行各個臺區之間的功率互濟。

4 園區能效優化提升建設方案

為實現用電用能的綜合監控和管理，滿足園區用戶用電用能需求，提高園區能源利用率和可靠性，通過空調熱泵用能優化、5G+配電自動化監控運維升級、5G+光伏智慧運維實現園區能效優化提升。

4.1 空調熱泵用能優化

目前園區內農業大棚使用大量的空氣源熱泵供冷、供熱。酒店及辦公大樓都使用多聯機系統進行供冷供熱，普遍存在著能效地下，用能管理粗放等問題。通過在部署能源控制器，對所有的底層感知設備進行信息采集、數據診斷、策略生成和下發，實現供能側的能源協同優化以及以公共用能設備的用能側負荷控制，構建“以電能為核心”的電、氣、熱、冷終端一體化綜合能源供應體系。通過“多能服務應用”入口，用戶可以查詢用能信息、參與電力需求響應等智慧用能服務，設備廠商可以獲取設備運行狀態、質量情況、市場份額等商業信息，電網公司可獲知用戶用能情況，掌握用戶側可調負荷數據，實現用戶側需求響應，平抑電網峰谷差。

主要控制策略如下：

在多聯機空調機組外機上安裝專用通信板卡，用于采集多聯機空調機組運行的相關數據和控制多聯機的啟停，通過485通信線、無線LoRa或TCP/IP方式將數據上傳綜合能源管理平臺。

建設一套空氣源熱泵系統，在空氣源熱泵機組控制箱安裝專用通信網關，用于采集制冷機組運行的相關數據并提供通信接口，在空氣源熱泵機組管路上安裝冷熱量表、壓力變送器做數據采集，通過485通信線、無線LoRa或TCP/IP方式將數據上傳綜合能源管理平臺。

由綜合能源管理平臺根據用戶實際需求和環境狀況進行智能化策略分析，自動幫助用戶選擇最節能、效率最高的運行模式。

4.2 園區電能監管系統建設

為提高對配電網的運行管理水平及供電可靠性，實現用電的綜合監控和管理，滿足園區內精密設備的高質量供電要求，建立如圖6所示園區電能監管系統。

圖6 園區電能監管系統示意圖

園區配電自動化系統通過部署電力專用UPF，建立電力生產控制大區端到端切片，實現業務安全隔離，降低通信時延，實現故障區間ms級快速判斷，主要包括集中式配電自動化部分和分布式配電自動化部分。

集中式配電自動化：在配電站點部署5G通信單元，通過網口或串口接入DTU、FTU、故障指示器等業務終端，通過專用切片接入5G無線網絡，并在地市部署的電力專用UPF側將數據本地分流，最后經過安全接入區進入配電自動化主站系統，提高業務數據安全。

分布式配電自動化：同集中式配電自動化，在配電站點部署5G通信單元，接入分布式配電終端并通過專用切片接入5G網絡，相鄰配電終端之間利用電力專用UPF直接交互開關狀態信息，實現故障區間快速判斷和開關跳閘功能。

4.3 光伏智慧運維監測系統建設

為實時監測光伏系統的發電情況，并通過智能運維機器人智能運維，確保光伏足額發電，建立如圖7所示光伏運維監測系統。

圖7 光伏智慧運維監測系統示意圖

光伏智慧運維監測系統一方面可將園區原有的監測系統接入綜合能源管理平臺；另一方面可在園區光伏發電現場增加智能運維設備，通過綜合能源管理平臺的相關智能管控策略，對園區光伏系統進行統一監測、管控和智能運維。例如，通過加裝光伏系統智能運維機器人（導軌式）設備對光伏板進行智能清洗，去除光伏板灰塵，以保證光伏系統高效運行。

5 經濟效益分析

5.1 示范園區基本情況

示范農業園區建設有100000 m2，5個大型智能溫室和數百個冬暖式大棚，同時擁有近6.667 km2的綠色植被，本地碳匯資源豐富。示范區源端新能源接入比例高，正在建設1.8 MW分布式光伏，光伏年輻射量均在5600 MJ/m2以上；示范區主要從事智慧農業生產、農業旅游觀光和科研辦公，終端用能電氣化程度高，具備建設“碳中和”背景下新型電力系統的優越條件。

區負荷主要為農展館、農業公園設施場館以及溫室大棚、酒店、商業街等用電負荷，以及酒店、商業街餐飲用氣。農業公園和酒店旅游場館負荷隨旅游淡旺季變化規律波動，旅游淡季負荷較低，旅游旺季尤其是夏季負荷較高且相對穩定。2021年，全年園區內總電量約385.7686萬kWh，用氣用煤量比較分散，沒有統計。

傳統的火力發電方式每產生1 kWh電量，需消耗0.4 kg標準煤，排放0.997 kg CO2。以2021年電力數據為例，2021年園區內年供電負荷為385.7686萬kWh，每年約產生CO2量為3846 t，其他商業街旅游接待設施、購物設施、餐飲廁所等約排放CO2900 t。

5.2 經濟效益分析

5.2.1 光伏收益

示范區在酒店主樓及配樓房頂布置682塊光伏組件，共368.28 kW。農展館屋頂布置470塊光伏組件，共253.8 kW。新天地食品加工廠屋頂布置2222塊光伏組件，共1199.88 kW，其中1號變壓器接入926塊光伏組件，共500.04 kW；2號變壓器接入186塊光伏組件，共100.44 kW；3號變壓器接入1110塊組件，共599.4 kW。年發電量約2201.2 kWh，按照25年統計，累計收益2544.86萬元，年均101.79萬元。

5.2.2 蓄熱收益

蓄熱設備采用谷電進行蓄熱，完全蓄熱需8 h（可邊蓄熱邊使用），設備輸入功率按60 kW，輸出功率42 kW，蓄熱系統用電量480 kWh。

在實際使用中，蓄熱系統的耗電功率通常在多時段低于60 kW，其耗電量與原電烤箱用電量基本相同。由于電烤箱使用時間不固定，因此按平均電價進行計算，平均電價為0.7073元/kW，蓄熱系統采用低谷電價進行蓄熱，低谷電價為0.429元/kW，蓄熱系統每天節省電費92元。

年節電費用（按300天計算）為27600元。

將蓄熱系統與太陽能結合使用，光伏上網電價為0.3949元/kW，蓄熱系統每天節省電費 104元。

年節電費用（按300天計算）為31200元。

由此可知，將光伏系統與蓄熱系統進行結合更為經濟。

5.2.3 電儲能系統削峰填谷效益估算

每天有兩段低谷電價時間，假定電儲能系統可每天在低谷電價時段進行蓄能，在電價高峰時進行放能，則電儲能系統通過峰谷電價差可獲得的年收益為(按300天計算)為7008元

5.2.4 碳匯及綜合效益估算

基于新能源發電、電能替代、節能減排等相關項目，預計累計減排CO2達2800 t/年（其中光伏投資1.8 MW碳減排2286 t/年、智慧照明改造減排170 t/年、儲能帶來節能減排109 t/年、空調節能改造減排116 /年）。此外，對于園區綠色植物接近6.667 km2，每年減少碳排放約72000 t，產生潛在碳匯價值260萬元/年，基本可實現園區碳中和，達到零排放要求。最后，通過建設面向能源物聯網的創新型綜合能源管控平臺，可實現園區能源清潔化、電氣化、智能化和互聯網化，打造綠色能源互聯網友好互動的微型、典型示范區。

6 結束語

零碳園區綜合能源服務平臺，結合光伏發電系統相關優化運行策略，對園區光伏發電系統進行智能管控，同時實現園區重點負荷的用能優化，提高用戶負荷綜合管理水平，打造“零碳”產業園區，實現園區的綠色、低碳運行，助力企業降本增效、綠色低碳發展。積極為園區入駐企業提供能效診斷、節能改造等市場化服務，提供用能監測、智慧運維、需求響應等多元化、個性化、定制化解決方案，不斷提升企業及園區綜合能效水平，促進新能源發展，打造國內領先的“能源自平衡零碳產業園”。項目形成可推廣、可借鑒的管理技術成果及相關實踐經驗，可進一步推廣至其他地區，構建基于綜合能源的零碳示范園區，具有非常可觀的推廣前景。