智慧能源微网系统能源供应设计探索

王学奎 刘金永

摘  要：智慧能源微网是解决区域内能源供应的发展趋势，根据区域内能源需求，建立能源供应系统是智慧能源微网的基础。区域内对能源的要求并非单一，而是电、冷、热、气等多种能源，而这些能源的供应和转化往往存在一种交集，使得能源微网建设成为可能。能源微网面向人员密集区，电力资源一般通过分布式天然气发电与主电网相结合供应，天然气发电的同时可以提供热能，溴化锂空调可以利用燃机排放的热量发电。再结合电力供应分峰谷效应，将蓄电、蓄冷、蓄热综合应用，构建了智慧能源微网系统的能源供应结构图，提高了能源利用率，实现了节能减排。

关键词：能源微网;燃机;太阳能;蓄冷;节能

中图分类号：TK01+9 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）16-0089-03

Abstract： Smart Energy Micro-grid is the development trend of solving energy supply in the region. Establishing energy supply system is the basis of smart energy micro-grid according to regional energy demand. The demand for energy in the region is no single， but many kinds of energy， such as electricity， cold， heat， gas， etc. The supply and transformation of these energy resources often have an intersection， which makes the construction of energy micro-grid possible. Energy micro-grid is oriented to people-intensive areas. Electric power resources are generally supplied through distributed natural gas power generation combined with the main power grid. Natural gas power generation can provide heat at the same time. Lithium bromide air conditioner can generate electricity by utilizing the heat discharged from gas turbine. Combined with the peak-valley effect of power supply， the energy supply structure of smart energy micro-grid system is constructed by the integrated application of storage， cold storage and heat storage， which improves the energy utilization rate and realizes energy saving and emission reduction.

Keywords： Smart Energy Micro-grid; gas turbine; solar energy; cool storage; energy conservation

前言

隨着人们对能源需求的增加，环境问题成为能源开发利用的重要阻碍，能源的有效利用和节能成为现在人们关注的重点，探究如何在环境友好的前提下提高能源使用率成为世界各国共同关注的主要问题[1]。建立区域能源循环利用，力求能源利用最大化，同时减少排放，建立友好环境，成为能源研究的一大目标。人们需求能源的多样性，而能源的转换存在着交集，所以建立能源互联成为可能。随着科学技术的发展，智慧能源微网的建设也提上日程。

能源互联网是指信息通信，信息与能流的交互，综合能源系统是能源微网的重要载体，强调的是能源的转换、分配与有机协调[1]。构建综合能源系统，打破各能源系统间原有的物理隔离，是提高能源利用效率以及系统运行经济性的重要技术途径[2，3]。综合能源系统是多能互济、能源梯级利用等理念实现应用的关键，目前国内对该领域相关研究尚处于初步阶段，需要国家机构、能源供应商以及地方用户的广泛参与[4]。构建好智慧能源微网中综合能源供应系统，才能更好地建设智慧能源互联网。如何打破各种能源之间的物理隔离，成为综合能源系统设计的首要问题。

1 智慧能源微网能源供应设计思路

探索智慧能源微网的建设，首先要了解人们对能源的需求形式，在微型能源供应系统中，比如居民小区、学校、医院、办公区等，这些场所对能源的需求，主要有电、冷、热、气等四种形式，以电力资源为主，冷和热可以通过电力资源转换。在建设智能能源微网系统时，主要考虑建设以智慧电网为基础，以可再生能源、清洁能源为主体的多能源协调互补的能源互联网。结合当前能源互联网的应用，利用先进能源技术，通过综合能源利用、多能互补集成优化，实现智能电网、清洁能源、可再生能源、储能以及节能设备等技术的综合应用。

2 智慧能源微网能源供应关键技术

在智慧能源微网设计中，分析区域内能源形式，制定能源供应方案，搭建能源之间的互补逻辑，选择相应的供应设备是系统设计中关键内容。

2.1 电力供应方案

智慧能源微网所建设的区域，主要为人员、建筑集中区，电力资源的供应主要考虑电力电网能源+分布式能源+清洁能源+蓄电池的供应方式。

分布式能源，主要指使用燃气发电技术，具有较高的发电效率，对环境污染性小，同时还可以为区域提供燃气和热能[5]。当前清洁能源的主力是风力发电和太阳能发电，由于能源微网系统所建立的区域限制，不适合建设风力发电，主要采用光伏发电技术。蓄电池主要用来存储多余电力，当电力供应不足时，为负荷提供电能。

2.1.1 燃气发电技术

燃气发电主要的设备是燃机，目前几种较为常用的燃气发电设备比较如表1所示[6]。

燃气内燃机商业应用案例多，设备成熟可靠，单机容量在50kW-10000kW之间;燃气轮机单机容量较大，较为成熟的设备单机容量均远大于1000kW;微燃机单机容量较小，一般在350kW以下;燃料电池应用较少，相对成本更高。微网系统中，负荷较小，主要考虑使用燃气内燃机和微燃机这两种机型。

2.1.2 光伏发电技术

在微网内，电力供应采用交直流联合供电系统，共同为建筑物提供电源。直流负载主要考虑三个部分：办公楼所有区域的LED照明，办公、餐厅、值班室、机房等，电动汽车充电柱。图1是微网中一张光伏发电系统图，当白天发电充足时，电能被储存在储能电池中，当夜晚或遇到阴雨天发电量小于用电时，储能电池中储存的能量将通过变换转化为高压直流电，通过稳压变换器为负载提供能量。当系统中太阳能发电和储能系统都不足时，则转换到燃气发电机供电。此结构能够保证用户最大限度的使用太阳能产生的电能。

当直流电源为交流负荷供电时，必然要通过电力电子换流器，为使负荷换流器同样模拟传统同步电机的运行特性，参与电力系统调频、调压过程，提高系统的稳定性，考虑采用虚拟同步机技术[7]，通过赋予变流装置等效的转动惯量、系统阻尼等同步发电机特性，可有效解决微网并离网无缝切换问题，提升电网接纳分布式新能源能力，降低微网高投资成本储能系统规模等。

2.2 供冷技术

供冷主要考虑两种方式：制冷+蓄冷。制冷主要采用空调制冷，为提高能源利用效率，减少燃机排气能量损耗，目前的空调制冷，可考虑溴化锂空调[8]，其工作原理是：通过水在高真空下蒸发吸热制冷，蒸发后的水蒸气由溴化锂吸收，变成溴化锂溶液，需要通过外部热量，将水和溴化锂分开，燃机的余热排气系统可作为溴化锂空调的热源。

蓄冷是充分利用“峰、谷、平”电价差，在夜间低谷电价时段制冷，在高峰电价时段放冷使用，可全部或部分地转移制冷设备的运行时间，从而能较大幅度地降低电网的高峰负荷、充填低谷负荷、进行移峰填谷。蓄冷主要有两种方案：水蓄冷和冰蓄冷，水蓄冷技术可直接使用风机制冷，冰蓄冷可作为乙二醇的冷源，由乙二醇供冷器。

2.3 供热技术

能源微网中的供热可考虑空气热源泵+蓄热技术。空气源热泵是由电动机驱动的，利用压缩制冷循环工作原理，以环境空气为冷（热）源制取冷（热）风或者冷（热）水的设备，主要零部件包括用热侧换热设备、热源侧换热设备及压缩机等。空气源热泵利用空气中的热量作为低温热源，经过传统空调器中的冷凝器或蒸发器进行热交换，然后通过循环系统，提取或释放热能，利用机组循环系统将能量转移到建筑物内，满足用户对生活热水、地暖或空调等需求。

2.4 节能技术

智慧能源微网系统，深入到每一个能源利用，在区域内的路灯设计中，可考虑风光互补路灯，白天阳光充足，风力发电、光伏发电源源不断地给蓄电池充电，到夜间时，路灯用风和蓄电池供电，当电压不足时，再投入配电网，由电网供电，充分利用了区域内的各种资源。

3 智慧能源微网能源供应综合设计

结合上述关键技术问题，构建了能源供应结构图，如图2所示，其中实线为电力线路，点画线为冷源回路，多段线为热源回路。

该方案面向建筑终端用户电、热、冷、气等多种用能需求，以天然气分布式能源和主电网为基础，融入了冷、热能源耦合利用，实线了智慧能源微网中，多能协同供应和能源综合梯级利用，实现了多能源的协调运行，促进高效、科学、安全用能，为能源的充分利用和减少节能减排都有很好的示范作用。

4 结束语

智慧能源微网以能源的综合利用，提高效率和减少排出为主要任务，离不开能源的最优规划，在工程实际设计中，设备容量的选择也很重要。建立智慧能源微网，离不开探索多能源协同供应模型和深入的分析设计，更离不开通信技术支持。文中分析了智慧能源微网中各个能源的关键技术，并给出了智慧能源微网中综合能源供应结构图，该图能够提高能源利用效率，提升能源供应可靠性。智慧能源微网的建设还需要更深入研究，建立能源利用分析机制，评估能源微网可靠性与风险等都是今后的重要工作。

参考文献：

[1]王伟亮，王丹，贾宏杰，等.能源互联网背景下的典型区域综合能源系统稳态分析研究综述[J].中国电机工程学报，2016，36（12）：3292-3306.

[2]李美成，梅文明，等.基于可再生能源不確定性的多能源微网调度优化模型研究[J].电网技术，2019，43（4）：1260-1269.

[3]余晓丹，徐宪东，陈硕翼，等.综合能源系统与能源互联网简述[J].电工技术学报，2016，31（1）：1-13.

[4]李洋，吴鸣，周海明，等.基于全能流模型的区域多能源系统若干问题探讨[J].电网技术，2015，39（8）：2230-2237.

[5]王成山，王守相.分布式发电供能系统若干问题研究[J].电力系统自动化，2008，32（20）：1-4，31.

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[7]何光辉，张仰飞，等.基于虚拟同步电机的负荷换流器建模及参数设计[J].电力工程技术，2018，37（1）：79-85.

[8]王舒艺，赵麒，等.锅炉烟气余热发电制冷供热系统浅析[J].供热制冷，2018，9：32-34.