考慮光儲冷協調優化運行的商貿城樓宇微電網建設實踐

黃德志，吳衛寧，徐 昕，吳佳佳，陳小威，洪麗俊

（國網浙江省電力有限公司義烏市供電公司，浙江 義烏 322000）

0 引言

義烏是一座建在市場上的城市，是中國首個縣級市國家級綜合改革試點，被譽為“世界小商品之都”，擁有全球最大的小商品集散中心，被聯合國、世界銀行等國際權威機構確定為世界第一大市場，同時義烏也作為國際貿易綜合改革試點城市、“新絲綢之路”的起點，“一帶一路”連通219 個國家、地區，集聚著順豐、郵政、圓通、中通、申通、韻達等113 家物流企業，產業集聚效應凸顯[1-4]。2021年義烏快遞業務量92.9 億件，全國城市排名第一位。義烏“商貿 + 物流”的產業特點形成了鮮明的區域用電特征。

義烏電網整體呈現“源少、荷密、網緊、儲少、互動不足”的典型受端特征。源側，受限于資源稟賦，水電、風電較少，光伏是本地電源主力，目前有清潔能源裝機總量48.4 萬kW，其中光伏裝機35.9 萬kW，占比74.2%。網側，義烏電網整體高壓供電能力偏緊，220 kV 容載比為1.53，110 kV 容載比為1.757。同時平均負荷峰谷差率為42.69%，尖峰存在時間短。荷側，2022 年全社會最高負荷278.63 萬kW，其中降溫負荷占35%以上，約98 萬kW，工業負荷占31%，約86 萬kW，全社會最高負荷的不確定波動性愈發明顯。儲側，已建成用戶側儲能6 家，容量2.54 MW/7.81 MW·h；在建用戶4 家，容量0.75 MW /2.25 MW·h；聚合5G 鐵塔基站儲能359 座，容量1.274 MW，相較電網規模，儲能裝機總量較低，無法形成有效電網調節[5-9]。

目前，義烏電網主要面臨大挑戰：（1）大規模光伏建設帶來電網運行隱患。義烏“商貿 + 物流”產業集聚，推動形成大批商貿市場、物流園。同時分布在商貿市場、物流園的大容量屋頂光伏、大規模的電動汽車保有量帶來的不穩定沖擊性負荷為局部電網帶來安全隱患。（2）配電網供需動態調節平衡能力不足。光伏高比例接入、物流用車等終端消費電氣化進程加快、儲能規模化應用、數字技術與電網技術深度融合，促使義烏局部電網的物理特性、運行模式、功能形態發生深刻變革。電網傳統運行手段難以滿足新形態電網安全穩定運行需求。（3）分布式資源間耦合匹配性及管控調節能力待提升。義烏商貿城、物流園區內光伏、儲能、電動汽車、用戶負荷等資源總類豐富，但資源間缺乏耦合匹配，管控調節能力不足[10-12]。

國際商貿城年用電量3 億kW·h，最大負荷60 MW，是義烏地區的典型商貿負荷用能大戶[13-14]。為有效降低商貿城的用能成本、實現樓宇內部的各類資源協同優化高效利用，助力節能減排，提高商貿城與電網的互濟互助能力，以新建的二區東綜合樓為試點，建設考慮光儲冷協調優化運行的商貿城樓宇微電網。該樓宇微電網通過打造本地化智慧能源管理平臺，聚合光伏、儲能、PCM 相變蓄冷等多元負荷側資源，具備正常運行、經濟運行、低碳運行、微網運行、控功率運行和控電量運行模式，助力節能減排和雙碳目標實現。

1 多元資源的建設

國際商貿城二區東綜合樓新能源產品市場，位于二區市場F 區的東側，緊鄰輕軌國際商貿城站，建筑面積約13 萬m2，共有商鋪490 余間，地下2層與地上4、5 層均為停車區域，全年最大負荷約5 MW，主要建設的內容有：光伏、儲能、PCM 相變蓄冷、快充電樁、空調和照明智能改造等。整體建設思路如圖1 所示。

圖1 項目整體建設思路

1.1 光伏

在綜合樓屋頂車位空間建設光伏車棚，總裝機容量1 178.52 kWp，由2 562 塊光伏組件組成，單個光伏組件功率460 Wp。光伏系統可為打造樓宇微電網奠定重要的元素基礎，采用自發自用余電上網方式，自用消納率按95%，年平均日照小時數按地理位置為1 238 h，系統效率按82%預估，以25 年運行期進行測算，可發“綠電”3 193.4 萬kW·h，按照度電碳排放系數0.272 計算，可減少碳排放8 686 t，助力節能減排促進雙碳目標的實現。

1.2 儲能

在地下室負一樓的3 個配電房，每個配電房設置獨立空間建設250 kW/680 kW·h 的磷酸鐵鋰電化學儲能，總容量為750 kW/2 040 kW·h。儲能系統以“削峰填谷”策略運行，谷時充電、峰時放電，每天“兩充兩放”。

儲能系統嚴格按照承重荷載和室內消防驗收考慮，具有獨立的安置空間和消防體系。儲能系統一方面為打造樓宇微電網奠定重要的元素基礎，另一方面起到消納光伏發電余量和作為備用電源的作用。此外，儲能系統還可參與浙江電網“需求側響應”，獲得額外的補貼收益。

1.3 PCM 相變蓄冷

PCM 相變蓄冷技術，是目前最新的高科技中央空調蓄冷系統技術之一，它是利用納米復合共晶鹽相變材料，溫度在8 °C 發生相變（由固體變液體吸收熱量、由液體變固體釋放熱量）時可吸收或放出大量潛熱而溫度保持不變的特性，在晚上低谷用電時段制冷蓄冷，在白天用電高峰時不用或少用電制冷而放出蓄存冷量的一種蓄冷中央空調系統。它可以對電網的功率起到“削峰填谷”的作用，而且可以為用戶節省大量的電費，具有良好的環保效益和經濟效益。

在綜合樓地下室負二樓冷凍機房，配置了2 臺457 kW 離心式冷水機組、1 臺246 kW 磁懸浮變頻離心機組和2 400 RT·h 相變蓄冷。PCM 相變蓄冷材料可在8 °C 時發生相變，相較傳統水介質的冰蓄冷，主機冷凍水出水溫度最高可提高11 °C，而主機冷凍水溫度每提高1 °C，蓄冷運行效率可提升5%，因而大大提高了制冷用能效率。

空調制冷功率與電功率轉換關系如下：

式中：PRT為空調系統制冷量，RT；PK為空調系統制冷量，kW；PE為傳統空調系統電負荷功率，kW；COP為傳統空調系統電負荷與冷負荷的轉換效率，取值一般為4.2～6.1 之間，本文取中間值5。

PCM 相變蓄冷系統在正常蓄冷放冷模式下，采用“一充一放”策略，即晚上負荷低谷時蓄冷8 h，白天負荷高峰時放冷8 h，放冷量為300 RT，相當于200 kW 傳統空調電功率；在需求響應等應急放冷模式下，可提高至1 050 RT，相當于740 kW 傳統空調電功率，該模式可運行2.3 h。

1.4 快充電樁

在綜合樓分期建設充電樁總規模為251 個，其中慢充樁144 個，平均充電功率20 kW，單槍最高可達40 kW，快充樁107 個，平均充電功率60 kW，單槍最高可達120 kW，均為充電功率可調充電樁，在需要時可調節充電樁充電功率，壓降微網負荷。目前一期已建設30 個快充樁。

1.5 空調和照明智能改造

對照明系統4 370 盞照明用燈，中央空調系統進行節能控制改造，實現照明、空調設備實時、全天候的自動監測和控制，并收集、計量、保存及分析管理系統運行重要數據，優化系統控制方案，在提高能源效率的同時滿足環境運行需求。

2 智慧能源管理平臺

智慧能源管理平臺通過接入光伏、電化學儲能、空調、照明、相變蓄冷、充電樁及配電負荷，根據不同控制模式，協調控制各個子系統協同工作，以達到功率或用電量的控制目標。智慧能源運行模式包括正常運行模式、經濟運行模式、微電網運行模式、零碳模式、雙控-功率模式和雙控-電量模式，其整體示意圖如圖2 所示。

圖2 智慧能源管理平臺整體建設思路

整體控制策略分為功率控制和電量控制2 種，功率控制根據各個子系統的當前潛在功率，結合一定策略進行計算；而電量控制涉及未來一段時間的發電和負荷的預測，在功率控制基礎上加入發電和負荷預測功能。智慧能源管理平臺具體控制策略表如表1 所示。在執行模式切換的時候，系統當前實時功率和潛在功率的情況，結合控制策略計算得出目標控制值，并分解到各個子系統，切換指令發出時，即對各個子系統發出遙控和遙調指令。

表1 智慧能源管理平臺具體控制策略表

3 實踐創新

商貿城樓宇微電網建設實踐打造了浙江首個樓宇級可離網運行的源-網-荷-儲協同示范場景，通過喚醒商貿城內光伏、儲能等分布式電源，照明、空調、電動汽車等豐富用戶負荷，形成源-荷-儲“內循環”及與電網互動“外循環”的“雙循環”運行能力。

3.1 首臺首套創新

針對大量分布式電源接入用戶側，研發嵌入式EMS 終端，實現同一套終端實現不同控制目標和控制邏輯的即插即用、即配即用。探索新型電力系統用戶側資源控制理論、控制體系和標準控制設備。形成可推廣、可復制的用戶側資源控制解決方案。

3.2 技術應用創新

一是在該微電網實踐中采用了高帶寬、低延遲5G 通信技術構建5.8 GHz 無線專網，實現微網內各智慧融合終端與能量管理主站快速、可靠通信交互。二是采用了交直流混合網架，便于光伏、儲能、直流充電樁等分布式資源的高效接入，有效降低損耗，提高電網的經濟性和供配電效率。

3.3 模式機制創新

一是運行模式創新，根據外部環境需求，設置微電網正常運行模式、經濟運行模式、微網運行模式等不同運行模式。二是商業模式創新，源網荷儲資源接入義烏公司虛擬電廠平臺，參與電力市場化交易，創造額外收益；同時接入浙江省地縣3 級協同調度控制平臺，服務于電網調度。

4 實踐成效

4.1 用能數字化管理

基于綜合能源智控平臺，實現供給側、需求側各個環節用能數據的動態監測、統計、分析、控制和管理。可有效提升新能源發電占比5%，實現新能源全消納，25 年產生綠電3 193.4 萬kW·h，減少碳排放8 686 t。同時有效減低光伏、充電負荷對電網的沖擊影響。

4.2 用能精細化管理

結合實際配電網負荷需求、光伏發電、儲能放電、電價政策等多維度聯動，科學制定用能管理方案，每年可節約電費116 萬元。基于綜合能源智控平臺，實現光、儲、充、冷多能互補，有效提高微網能源利用率5%。

4.3 用能規劃化管理

聚合光伏、儲能、相變蓄冷等多元資源，實現資源優化協調控制。打造5 MW 荷側柔性資源池，可削峰2.7 MW，填谷1 MW。電網極端情況下，可離網運行2 h，有效降低局部電網負荷，可降低電網投資300 萬元。同時資源接入虛擬電廠可同時參與電力市場交易，拓展能源價值。

4.4 項目投入產出情況

在原樓宇規劃建設基礎上，通過擴建光伏、儲能、相變蓄冷等多元資源建設樓宇微電網，總投入共計1 975.3 萬元。光伏年均發電量127.7 萬kW·h，每年可產生效益88.8 萬元；儲能通過削峰填谷每天兩充兩放，每年可產生效益49.6 萬元；相變蓄冷削峰填谷和空調系統智能控制，每年可產生效益42.2 萬元；智能照明控制，每年可產生效益17.4 萬元；通過建設伏、儲能、相變蓄冷等多元資源，減少配變容量2 800 kV·A，削減配電房等各項原始投資約400 萬元，項目入選浙江省能源局2022 年第一批新型電力系統示范項目，獲得補貼300 萬元。在不考慮政府補貼情況下，約8 年可收回投資，項目運行期按20 年計算，可產生效益3 960 萬元，投入產出比約為2.51。

5 結束語

樓宇微電網作為典型的微網之一，調節潛力巨大，如何有效地聚合樓宇內部的多元資源，協同優化運行，對于用戶節能減排和電網調度都具有至關重要的作用。本文探索打造了浙江首個樓宇級光儲冷協調優化運行的樓宇微網，通過本地化的智慧能源管理平臺，聚合光伏、儲能、PCM 相變蓄冷等多元負荷側資源，實現微網內部資源協調運行，效率最優。后續在該實踐基礎上，將進一步打造微網負荷聚合商，接入虛擬電廠平臺參與電力市場交易，創造實際價值。