嘉興港區小微園區多能互補微型能源網絡的探索

姚 娟 ，張曉文 ，宋 嘉 ，董新偉

（1. 國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 334201;2. 中國礦業大學，江蘇 徐州 221000）

嘉興港區是嘉興工業企業聚集地，近年來，隨著人才鏈、創新鏈、產業鏈、資金鏈、政策鏈“五鏈同構”的深入實施，國家級經開區能源結構多樣化進展加快，一大批小微園區陸續建成并投入使用，成為嘉興港區能源消耗與碳排放的重要組成部分。圍繞“生態綠色、電力先行”發展理念[1-2]，屬地供電公司面對能源供需新格局、能源發展新趨勢，和屬地政府聯手，創造性的制定了全力打造用戶側“光電樁換、氫儲余碳”全要素綜合能源示范項目藍圖，開足馬力在三余發電、氫能綜合利用、儲能、能效提升、光伏發電、綠電交易、智慧電務等業務方面持續發力，打造了“三余”發電、屋頂光伏等一系列助力嘉興能源體系綠色低碳發展的亮點工程。

隨著能源供需格局日漸打開，多能互補協調利用日漸成為多方關注的熱點[3-5]。作為一種高效的能源利用方式，多能互補對于提高能源的綜合利用率，助力打造安全可控、智能開放、互動友好、清潔低碳的新型電力系統，推動能源利用結構轉型以及助力雙碳目標平穩落地都有重大意義[6]。在小微園區構建多能互補微型能源網絡[7]，實現園區多能共濟，互補協調，成為當前嘉興港區打造小微園區節能降碳樣板的典型實踐。

1 嘉興港區小微園區能源供需格局

1.1 小微園區用能特征

當前，小微園區的能源利用呈現出以下5 大特點[8-10]：（1）園區電能供應基本以網電為主，本次調研的19 個園區，僅有3 家配置有第三方投資建設的光伏電站，新能源消耗在小微園區的整體能源體系中占比很小；（2）已經發展成熟的小微園區，園區產業定位相對明確，單個園區產業結構呈現單一化特性，生產端鮮有多種能源的加工、轉化及供給，電、氣、熱、冷為其終端用能的主要形式，能源結構簡單；（3）未發展成熟的小微園區，因其產業結構在各發展階段存在較大不確定性，因而用能特征具有離散型、流程型以及新興研發型等特點，負荷需求的時空異質性以及多樣性都很明顯；（4）園區內企業集聚，對于能源品種（熱、冷、電等）以及載能公共產品（水、氣等）的需求相對集中且用量較大，對其供應質量要求及可靠性要求也比較高；（5）園區內的能源負荷特性比較復雜，尤其是以實驗研發、生物醫藥、醫療器械、半導體研發、電子芯片、智能制造、航空航天等數字經濟類企業為主的高新技術園區，其能源輸配送系統復雜，且對能源的穩定性及供應可靠性要求苛刻，更關注于能源的可靠性、高效性、清潔性及經濟性。

1.2 小微園區碳排放現狀

對發展相對成熟的11 個小微園區建立能源基礎設施數據庫，統計發現，發展相對成熟的小微園區在役的能源基礎設備裝機容量基本在變壓器總容量的60%～70%之間。以2023 年為節點，11 個小微園區在2023 年之前已經實現穩定運行的有5 個，當前在役的5 個園區其基礎設施裝機容量統計值為45.5 MW。根據2022 年用電量，按照折算為標準煤來計算節能減排效益，根據國際能源署（IEA）《世界能源展望2007》，我國CO2的排放指數[11-12]在：0.814 kg/kW·h，每1 kW·h 的火電上網，標準煤消耗在305 g 的體量，按照脫硫和脫氮前的數據統計，會排放6.2 g 的硫氧化物（SOx）以及2.1 g 的氮氧化物（NOx）。根據2022 年用電量折算，這些設施的溫室氣體排放量大約為370.4 t，大致占到當年整個轄區的2.1%；SO2排放量大約為2.82 t，大致占當年整個轄區的1.2%；NOx大約排放0.96 t，占當年整個轄區的1.5%左右；同時，新鮮水消耗大致為轄區新鮮水用量的0.5%。

園區內的能源基礎設施主要呈現3 大特點：以電能為能源消耗主體的用能機組，其裝機容量比例達97%左右；能源利用效率較低的小機組，尤其是單機容量在50 kW 以下的機組，其裝機數量占總量的68%左右；就溫室氣體排放量而言，能源基礎設施排放量占整個園區總排放量的75%?；A設施的一個特征是服役時間長，能耗具有代表性和典型性，一旦投運其排放量基本被鎖定，作為園區的基礎排放，它是當前園區節能降碳的核心要素[13]。

2 小微園區多能互補微型能源網絡實現方法與評價標準

為直觀展示調整后小微園區的能源供需格局，量化其間產生的成本集約與碳值壓降，采取了2 項措施：（1）搭建多能互補微型能源網絡數字化模型，通過肉眼可辨的能源網絡即時狀態分布，輔助動態調度；（2）建立效益測算模型，通過測算項目多方效益，精準評判項目經濟性[14-15]。

2.1 多能互補微型能源網絡數字孿生建模

多能互補能源網絡實現的關鍵[16-18]在于對能源網絡狀態分布的即時把握以及動態調度。

本文提出的基于Microsoft Azure IoT 多能互補數字孿生實現方法如圖1 所示。通過3 步走即可實現模型的數字孿生功能：將監測數據傳送到云基礎設施；搭建基于多物理場的數字孿生模型實現Paas層建模到IoT 平臺的導出；在IoT 平臺集成監測數據與孿生模型，達到數字孿生。

圖1 多能互補數字孿生實現方法

第一步：利用Microsoft Azure IoT[19]模擬平臺，將監測數據傳送到云基礎設施。

要求首先利用網關方式或者直連形式，對各監測裝置傳輸協議轉換，成為MOTT 等常用協議，避免各裝置數據傳輸協議不同導致的傳送異常，再將對應數據傳送至Azure 的IoT Hub；非結構化的數據，諸如紅外圖譜及各類文檔等，則須要單獨使用SDK 上傳。所有數據傳輸完畢后，統一再在Azure上對這些數據做進一步的存儲、融合、可視化、分析等部署處理。至此，云上成功涵蓋模型搭建所需完整數據源[20-22]。

第二步：搭建數字孿生模型。

要求在Twin Builder 搭建數字孿生模型，確保實時數據在該模型上能夠實現多物理場即時仿真功能，且Azure 可支撐建模語言的文件導出。

基于Twin Builder 的數字孿生模型如圖2 所示。輸入參數包括環境指標（風力風速、光照強度、大氣溫濕度等）及負載特性（電能、熱量、冷量等）2 種，輸入參數經能量場部分降階模型及Modelia模型等處理后，文件最終以.twin 形式與Twin Deloyer 孵化出的SDK 同步部署在Azure。

圖2 基于Twin Builder 的數字孿生模型

第三步：實現Azure 監測數據與孿生模型的集成，數字孿生成功。

調用Azure 上匯集的實時數據，對孿生模型進行仿真，實現數據與模型集成，達到多能互補微型能源網絡的數字孿生，如圖3 所示。

圖3 模型與數據在Azure 的集成

2.2 小微園區多能互補評價標準

對其他同類型項目調研結果顯示，園區內的綜合能源項目當前主要考慮經濟性評價指標[23-25]及項目敏感性指標2 大指標要素。

2.2.1 經濟性評價指標

經濟性評價指標主要考量動態投資回收期（TP）、財務內部效益率（IRR）以及財務凈現值（NPV）3 大核心要素。

動態投資回收期計算公式為：

式中：CI為現金流入，取值為第t年的收入；CO為現金流出，取值為第t年的投資或者支出；i0為行業基準折現率。

財務內部效益率：一般來說，內部效益率[26]取值越大越好，它是體現投資報酬率的一項指標。在其取值不小于基準效益率的情況下，可以判斷項目是可行的。

式中：a、b均為折現率，且a>b； N PVa為折現率a對應的凈現值，其取值為正； N PVb為折現率b對應的凈現值，其取值為負。

財務凈現值：財務凈現值[27]直接反映了項目的盈利能力，其值越大則效益越好，方案越優質。且只有在其取值大于0 時，方案才是可行的。

式中：lt為第t年項目的現金流入量；Ot為第t年項目的現金流出量；R為項目折現率。

2.2.2 項目敏感性指標及分析

項目的敏感度系數[28]可以用經濟評價指標變化率和項目不確定性因素變化率的比值來衡量，計算如下：

式中：ΔA/A為經濟評價指標變化率，可以是內部效益率IRR 或者凈現值NPV；ΔF/F為項目不確定性因素變化率，可以是工期或者建設投資等。

SAF>0 時，不確定性因素和評價指標的變化是同方向的；SAF<0 時，則不確定性因素和評價指標變化反向。且SAF 數值越大，A對于F越敏感；反之亦然[29]。

3 嘉興港區小微園區多能互補微型能源網絡典型應用

3.1 園區多能互補項目建設方案

本課題以嘉興港區KQ 產業園為應用對象，利用數字孿生技術對其構建包括新能源發電（光伏、風電）系統、蓄冷蓄熱系統以及儲能系統在內的園區多能互補網絡[30]。同時考慮能源網絡中清潔能源的節能減排效益，在政府補貼日漸減少甚至無補貼時，綜合評價項目經濟性[31-32]。

3.1.1 園區多能互補能源網絡項目概況

KQ 產業園多能互補系統除市電外還包括2 大發電系統（光伏、風力發電系統）、儲能系統、冷熱交換系統（地源熱泵、冰蓄冷、蓄熱式電鍋爐）等3 大類供能系統。利用數字孿生技術，對園區構建多能互補微型能源網絡如圖4 所示。

圖4 KQ 產業園多能互補能源微網模型

項目規劃全壽命周期25 年，建設期2 年，基礎數據如表1 所示。

表1 KQ 產業園項目基礎數據

3.1.2 園區多能互補能源網絡項目成本計算

綜合KQ 產業園各供能系統裝機容量，該項目預計投資成本以及年運行維護成本如表2 所示。

表2 KQ 產業園項目預計投資及年運行維護成本

根據表2 數據，KQ 產業園項目初始投資1 962 萬元，全部為企業自籌資金。

每年運行維護成本55.22 萬元，具體用途涉及人工工資和福利、保險費、維修費、材料費以及其他相關費用。

利用平均年限折舊法對固定資產殘值計算：殘值回收98.1 萬元，每年折舊84.72 萬元。

3.1.3 園區多能互補能源網絡項目效益計算

供能效益：根據嘉興市歷史氣象資料及園區用能負荷曲線，本項目設計光伏發電系統總計容量1.58 MWp，規劃年利用1 000 h，預計年均發電量139.43 萬kW·h，足額消納；風力發電系統總計裝機容量1 MW，規劃年利用2 400 h，預計年均發電量240 萬kW·h，足額消納；儲能電站總計裝機容量0.8 MW，規劃年儲能1 800 h，采用谷存峰取利用模式，預計年均電能儲耗量144 萬kW·h；地源熱泵系統按機組出力情況，冬、夏季節分開考慮，依據當前機組效能，冬季供暖COP 取值4.0，預計每年制冷季節電能節約65.7 萬kW·h、供暖季節電能節約566.5 萬kW·h；冰蓄冷系統主要作用是削峰填谷，考慮機組容量及冷量需求，預計每年節約電能103.4 萬kW·h；蓄熱式電鍋爐系統采用全蓄熱模式，預計每年節省電能47.72 萬kW·h，考慮蓄熱損失，蓄熱效率按90%考慮。

當前園區高峰電價1.313 3 元/kW·h，低谷電價0.427 3 元/kW·h，綜合電價0.820 1 元/kW·h，各系統年均供能效益計算如表3 所示。

表3 KQ 產業園項目各系統年均供能效益

節能減排效益：考慮光伏發電系統、風力發電系統只在設備生產、運輸及建設過程中產生環境成本，項目建成后直接貢獻清潔電能，不再排放污染物，而其他4 種供能系統僅起能量中轉作用，投運前后，用能環節均沒有污染物的產生，因此在對KQ 產業園多能互補系統節能減排效益計算時，僅須考慮光伏發電系統、風力發電系統的出力情況。

園區光伏發電系統年均發電量139.43 萬kW·h，折合425.26 t 標準煤；風力發電系統年均發電量240 萬kW·h，折合732 t 標準煤，節能減排效益如表4 所示。

表4 KQ 產業園項目光伏、風電系統節能減排效益

3.2 園區多能互補項目經濟性評價

項目全投資分年現金流量如表5 所示，由該表可知KQ 產業園多能互補項目動態投資回收期4.94 年，凈現值6 638.72 萬元，項目內部效益率26.17%，因此，本項目具有經濟性。

表5 KQ 產業園項目全投資分年現金流量表元

3.3 園區多能互補項目敏感性分析

本文利用財務內部效益率IRR 及項目敏感性要素SAF 評價指標對KQ 產業園多能互補項目做不確定分析。SAF 絕對值大于1 時，該因素為敏感性因素；反之亦然。

數據表明，風光發電量、固定資產投資以及經營成本這3 項經濟因素是影響本項目經濟性的主要因素。設定基準效益率8%，分別計算變化率在-20%、-10%、10%及20%時，各不確定因素對應的內部效益率及敏感度系數如表6 所示。

表6 KQ 產業園項目各經濟因素敏感性分析表

財務內部效益率、凈現值以及動態投資回收期3 項數據表明，KQ 產業園多能互補項目具有經濟性。

KQ 產業園項目中，固定資產投資是敏感性最強的因素，風光發電量次之，經營成本敏感性最低。因此，在對小微園區多能互補項目投資時，須要對固定資產投資及風光發電量這2 個因素重點考慮。

4 結束語

本文深入研究了小微園區用能特性及碳排放現狀，深刻分析了當前數字孿生技術與多能互補技術的發展應用，創新性提出“構建小微園區多能互補能源網絡”能源利用新模式，從實現方法與評價標準2 個維度出發，開展實地調研與建模探究。并以KQ 產業園為建模樣本，搭建多能互補能源網絡數字孿生模型，通過肉眼可辨的能源網絡即時狀態分布，輔助動態調度；同時利用效益測算模型，量化分析其間產生的成本集約與碳值壓降，多方評價項目經濟性。