多能互补分布式能源系统架构及 综合能源管理系统研究

蔡世超

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春　130021)

随着绿色低碳环保经济和智能电网的建设，接近用户侧、环境友好型的多能互补式分布式能源系统越来越受到青睐[1-3]。2016年7月，国家发改委发布关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见。建设多能互补集成优化示范工程是构建“互联网+智慧能源系统”的重要任务之一，有利于提高能源供需协调能力，推动能源清洁生产和就近消纳，减少弃风、弃光、弃水限电，促进可再生能源消纳，是提高能源系统综合效率的重要手段，对于建设清洁低碳、安全高效现代能源体系具有重要的现实意义和深远的战略意义。

多能互补分布式能源系统能将多种具有互补性的分布式能源集中于同一网络中，能够充分利用风能、太阳能、天然气等清洁能源，从而提高整个区域能源系统的能源利用率、经济性与稳定性。

本文建立了一种多能互补分布式能源系统的区域能源系统构架，提出多能互补优化集成方案，从而通过统筹考虑常规能源与可再生能源，兼顾区域集中能源技术和分散能源技术，使多种能源、多种技术在社区层面优化组合，形成优势互补。多能互补分布式能源系统的经济稳定运行依赖于有效合理的能量管理与集成控制。本文针对所提出的区域多能互补分布式能源系统构架，制定出综合能源管理系统体系构架和综合能源管理调配策略，对整个新区内各分布式能源、负荷、电力电子装置等系统运行状态进行监测，并依据控制策略进行集中管理和控制。

1　区域多能互补分布式能源系统构架

1.1　区域内多能互补分布式能源系统的电源形式

多能互补分布式能源系统电源形式丰富，主要包括：生物质发电、垃圾发电、小水电、燃气轮机发电、光伏发电、风力发电以及冷热电联产。此外，多能互补分布式系统还可包含多种形式的储能装置：飞轮储能、超级电容储能、超导储能以及各种形式的电池储能。相对于传统集中式供电方式而言，分布式能源系统将发电系统以小规模、小容量、模块化、分散式的方式布置在用户附近，可独立将一次能源同时转换成电力、热水、蒸汽、冷水等[2]。应根据所在区域内能源资源以及区域内的水、电、热、冷，天然气、蒸汽等各类能源需求，综合考虑多种能源稳定供给、能源综合利用效率、投资运行的经济性以及绿色环保的要求，合理配置各类电源和供能装置，优化组合。

在所要建设多能互补分布式能源系统的区域内，一般电网构架已经初步形成，电力负荷和电源点相互交错，往往通过不同电压等级各自独立接入到主电网之中，因此区域内的能源系统不能再以单独的微电网系统并入区域主电网，而是把各分布式能源、各能源负荷以及区域内的能源服务作为整体考虑，按照独特的运行模式进行一体化能量管理调控。各自独立运行的分布式能源站集成优化为一个整体，以就近最大限度消纳清洁能源为目的，使各分布式能源协调运行。建议在区域内建立能源综合管控中心，在保证区域内电力系统稳定、安全、可靠的前提下，对各类分布式能源系统进行多能互补、优化调度，以便实现整个系统能源利用效率的最大化以及经济效益的最大化。这种能源系统利用各种能源在时间、空间以及特性上存在的互补性，将分布式能源进行整合，缓解系统波动。结合能量管理手段和先进控制方式，互联一定数量的分布式能源，使各自独立的分布式能源在经过“打包”后，从整体上体现出可控性，提升供能可靠性，同时这种互补发电系统有利于多种电源统一布局和相互协调。可将分布式能源系统作为区域能源中心，实施冷、热、电三联供，生物质、生活垃圾处理以及再生水利用的大型循环经济体系，达到多能互补协同发展,智慧管控的目的。

1.2　区域内多能互补分布式能源系统供能关系

多能互补分布式能源的多样化、供电能力的不同以及负荷结构的多样化导致其内部各层次元素的不同和层次间联结关系的差异。区域多能互补分布式能源站中从一次能源的输入到能量终端用户主要有电能流、热能流以及天然气流等能量流，区域内具体的多能互补分布式能源系统供能关系见图1。区域内一次能源输入主要由风、光、天然气燃料、生活垃圾、生物质和外部电网供应。燃气轮机除了生产高品质电能外，还可以通过热能蒸汽来满足新区内的热负荷需求和工业蒸汽的需求，并且可以提供一部分热能蒸汽给蒸汽式可吸收制冷机以及气体吸收制冷机制冷用，以便用来满足一部分的冷能需求，另一部分冷能需求则由电能转换来满足。多余的电能还可以向储能装置充电。

图1　区域内多能互补分布式能源系统供能关系

以高邮市城南经济新区惠民型多能互补综合示范工程为例，截至2015年末，高邮市城南经济新区最大负荷达到26 MW，全部来源于上级电网。预计在未来5年内负荷增长率可达10.38%；随着区内企业的发展，预计2020年工业企业最大工业用汽量将达到50 t/h，制冷负荷将达到35 MW。高邮市太阳能资源丰富，且高邮市地面可利用面积大，工业园区厂房屋顶建设分布式光伏条件好，因此光伏电站的建设可为当地提供较为充足、清洁的电量。为了在满足区域冷热需求的同时，使新区的能源配置达到多能互补的目的，减少与电网的电量交换，设计建设规模为38 MW联合循环机组(分布式能源站)，其最大工业蒸汽供给量不仅可以满足远期的企业生产用汽需求，而且还可以提供额外的热蒸汽，并可通过吸收式制冷的方式，为经济新区提供充足的空调冷水。设计建设60 MW光伏发电机组，其中50 MW以农业光伏大棚形式集中建设，另外10 MW规划利用工厂厂房或居民建筑楼顶分布式建设，所发电力就地并网消纳。

高邮项目中新建38 MW燃机电站和50 MW光伏发电，优化了电源结构。该项目年发电量为3×108kW·h，其中78.9%由天然气燃机供给，另外21.1%由光伏发电供给;天然气燃机实现了能源梯级利用，预计通过多能互补光伏发电电量达到100%消纳。工程按供电煤耗低于310 g/(kW·h)、污染物排放按燃气轮机组排放限值进行估算，本工程年发电量为3×108kW·h，折算节约标准煤为9.59×104t。按燃气轮机组排放限值估算，可减少二氧化硫排放约40.1 t/a，氮氧化物约57.2 t/a，二氧化碳约24.9×104t/a。

2　综合能源管理系统

2.1　综合能源管理体系构架

基于区域多能互补分布式能源循环经济体系的构想，搭建区域多能互补综合能源管理系统，见图2。该系统由两部分构成：能源综合管控中心系统和各分布式能源自身的监控系统以及负荷监测系统(包括：楼宇能源综合管控系统、充电站监控系统，用户用能监测系统)。电力系统调度中心与区域内分布式能源系统的信息交换由能源综合管控中心系统负责管理。

综合各分布式能源、负荷本地控制系统提供的信息，基于分布式能源发电的成本、储能单元的剩余容量、电网电价以及根据负荷需求制定的经济发电计划，能源综合管控中心系统运用合理的能量管理策略管理各分布式发电单元以及储能单元的运行状态，实现区域内的能量平衡和经济运行。能源综合管控中心系统与分布式能源、负荷本地控制系统之间的信息交换通过本地的专用能源数据网实现。

图2　区域多能互补综合能源管理体系构架

2.2　综合能源管理调配策略与运行模式

在保证区域内各能源系统的安全、经济、稳定运行前提下，一体化综合能源管理技术根据能源负荷需求、各分布式能源发电情况、天气情况、电价和气价等信息，以分布式能源系统最小的运行成本、排放成本、网损成本以及停电成本为目标函数，以可靠性、网损、系统电压电流、设备容量、供电平衡技术为运行约束[4]，为分布式能源、储能以及负荷等提供合理的参考运行点，统一协调各分布式能源和负荷等设备，调控区域内分布式能源系统与大电网的电量交换，以达到经济运行，节能减排的目的。

根据负荷预测、分布式能源发电预测、电价及气价等信息，实现对电力系统电能交换、可控分布式能源的调度、负荷侧需求响应的控制管理，最终实现整个新区的能量优化调度。

多能互补综合能量管理系统的构成及工作流程见图3。首先根据各分布式能源出力的计划和预测、负荷预测(热、电、冷)、市场清算价格预算以及生态环保指标等来制定生产计划，然后结合分布式能源有效出力、储能水平以及生态环保的实时监测数据等调整生产计划，根据调整好的生产计划对主电网的交换功率、负荷需求以及分布式能源的出力等进行调整控制。

图3　多能互补综合能量管理系统构成及工作流程

区域多能互补分布式能源系统中的可调节变量比常规的电力系统更加丰富。在满足整个系统运行约束的前提下，通过调节各分布式能源的输出以及输入等变量，保证很好地利用可再生能源以及实现分布式能源系统的优化运行，故而，区域的多能互补调控系统是能量管理系统的核心。其能量管理重点在于分布式能源系统接入带来的影响、分布式发电系统与常规发电系统的异同、整个系统各个单元的控制技术以及由多能互补能量管理系统的优化调度等方面。

图4区域综合能源管理系统功能结构

网送至能源综合管控中心，便于运行人员远程监控各站点。用户侧数据可通过公网或专线方式将信息送至能源综合管控中心，同时，区域综合能源管理系统具备与当地电网调度端通信接口。

3　结论

多能互补分布式能源系统能将多种具有互补性的分布式能源集中于同一网络中，从而提高整个区域能源系统的能源利用率、经济性与稳定性。本文基于工程实际情况，提出把各分布式能源、各能源负荷以及区域内的能源服务作为整体考虑，按照独特的运行模式进行一体化能量管理调控。基于所提出的区域多能互补分布式能源循环经济体系的构想，建立能源综合管控中心，搭建综合能源管理系统平台，在保证区域内电力系统稳定、安全、可靠的前提下，对各类分布式能源系统进行多能互补、优化调度，以便实现整个系统能源利用效率的最大化以及经济效益的最大化。

参考文献：

[1]高严.面向21世纪电力科学技术讲座[M].北京：中国电力出版社，2001.

[2]梁浩，张峰，龙惟定．基于多能互补的区域能源系统优化模型[J]．暖通空调HV&AC，2012，42(7)：67-71．

[3]高翔．微网系统多能互补协调控制研究[D]．广州：华南理工大学，2012．

[4]徐虹．多能互补微网能量管理策略研究[D]．北京：华北电力大学，2013．