典型终端供能系统模式和技术方案的研究

董 霜，沙志成，赵 龙，丁 杨

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250061；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250013；3.通辽发电总厂有限责任公司，内蒙古 通辽 028000）

0 引言

本文研究的“终端供能系统”是指位于用户附近， 直接给用户提供单独的电能或者冷热电等多能服务， 由多种供需双侧技术构成的相对独立的能源系统［1－2］。 终端供能系统的一系列技术包括：分布式发电机组 （包含不可再生能源发电和可再生能源发电）、热力驱动的制冷系统、储电／储热等储能装置。

终端供能系统通过能源的梯级利用提高能源的利用效率， 通过促进可再生能源的消纳比例达到削弱对化石能源的依赖、减少温室气体排放等目的。因为其在用户附近，可以减少输电损耗，减缓输电设备的投资时间。 另外，分布式能源接近负荷，不需要建设大电网进行远距离高压或超高压输电， 可大大减少线损，节省输配电建设投资和运行费用［3-6］。

1 终端供能系统的功能规范

终端供能系统的整体功能主要从3 个方面衡量：一次能源利用效率、污染气体排放量、供能成本。本节将阐述这些功能的主要指标。

1.1 终端供能系统一次能源利用率

终端供能系统相比于传统供能方式而言最为重要的优势是其一次能源利用率（primary energy ratio，PER）较高，也因此得到了政府的扶持，实际的供能系统必须具备足够高的能源利用率是其存在的必要条件。目前测算表明，大电网的平均发电效率大约为35%， 天然气冷热电联产系统的一次能源利用率可达 80%左右［7］。

对于终端供能系统为光伏发电、 风力发电系统而言，其消耗的是可再生能源，一次能源利用率则无需考察，本项目仅对天然气燃料的终端供能系统，采用一次能源利用率作其功能规范的指标，定义如下：

式中：E为天然气终端供能系统供应的电力需求，kW·h；Qc为天然气终端供能系统供应的冷负荷需求，kW·h；Qh为天然气终端供能系统供应的热负荷需求，kW·h；F为的是天然气终端供能系统天然气消耗量。

终端能源供应系统的第二大优势是其排放量较低。其排放量较低的原因主要来自3 个方面：一是天然气燃料相对于煤等燃料而言， 排放量本身是比较低的；二是由于一次能源利用效率高，单位供能的耗能量进一步减少；三是其可以消纳部分可再生能源，进一步减少了排放量。

终端供能系统消耗可再生能源在其运行期间几乎没有污染气体排放， 其污染物排放主要来自自身消耗的天然气燃料、 购买电能时电能生产产生的污染物排放。 建议主要考察二氧化碳排放量和二氧化硫排放量。

1.2 二氧化碳和二氧化硫排放量

二氧化碳排放量（The amount of CO2emission，CO2E）：

式中：μCO2，g是天然气燃烧的二氧化碳排放量；μCO2，e是电网发电的二氧化碳排放量，Fgrid为电网发电天然气消耗量。

二氧化硫排放量（The amount of SO2emission，SO2E）：

式中：μSO2，g是天然气燃烧的二氧化硫排放量；μSO2，e是电网发电的二氧化硫排放量。

终端供能系统的功能规范还包含其经济性指标，主要用其成本衡量。成本包含容量成本和电量成本两个部分。 容量成本是其投资成本，电量成本是其运行成本。 目前终端供能系统的容量成本相对都比较高，导致了其供能成本相比较传统供能手段而言，优势不明显。这也是需要进一步研究和发展的方向［8］。

2 终端供能系统的模式

终端供能系统的模式依据不同的标准存在多种划分。 以规划优化的视角终端供能系统模式可以按照终端供能系统与电网的关系分成独立供能模式和联网供能模式， 以终端供能系统提供的能源种类分成多能供能模式和单能供能模式。

2.1 终端供能系统的多能／单能供能模式

终端供能系统为终端用户提供的能源服务可以包含单独的能源种类，例如为用户提供单独的电能、制冷服务或者热能服务。 终端供能系统也可以同时提供多种能源种类的能源服务，例如冷、热、电等能源形式。

终端供能系统采用单独的供能还是采用多能综合服务主要取决于负荷需求与供能系统一次能源可用性以及能源利用效率和经济性。 只有当具备一定规模的负荷需求， 终端供能系统的供能才具有经济可行性， 在只有某种特定能源需求集中的地方单独的能源种类服务才具有经济可行性。 传统的集中供热方式，也是终端供能系统的一种表现形式。

对于单独供电的终端供能系统， 基于其一次能源利用效率、排放量等方面考虑，目前的主要形式就是光伏发电、风力发电等可再生能源终端供能系统。采取内燃机、 燃气轮机等使用化石燃料的发电机组组成单独供电的终端供能系统几乎没有其存在价值， 其原因是这类单独的供电系统的发电效率仅为30%［9］，低于电网供电效率，发电成本高。可再生能源发电构成的终端供电系统虽然具有一次能源可再生性、 排放量低等优势， 但受到一次能源可用性的限制，例如风能、光能等自然条件限制，只有具备足够好的自然条件的地方才可以实施。由于风力发电、光伏发电等一次能源不可控，具有明显的间歇性，其接入电网也需要考虑电网的接受能力［10］。

多能服务终端供能系统利用能源的梯级利用，多能互补等原理是终端供能系统今后的主流发展模式。 目前应用范围最为广泛多能终端供能系统是天然气为燃料的冷热电联产系统， 其最大的特点是发电余热回收利用提高了能源的利用效率， 降低了污染物排放量。 天然气燃料之所以应用广泛的另一个原因是天然气作为一次能源在许多地方都可以得到。 如果生物质燃料供应充足，例如农村地区，生物质燃料冷热电联产方式也是值得肯定的方式。 基于冷热电联产系统的平台， 消纳部分可再生能源构成终端能源综合系统则是未来进一步发展的方向。

2.2 终端供能系统独立与联网供能模式

终端供能系统提供能源服务时是否与电网连接，构成了终端供能系统独立运行模式和联网模式。

终端供能系统与电网联网运行， 大电网为终端供能系统运行提供了必要的支撑。 具体表现：

1）电网购电作为终端供能系统供能的辅助手段，为终端供能系统的经济运行提供了帮助。 冷热电联产系统中发电与余热回收之间存在固定关系，但是负荷需求中的热电比并不与之匹配，电网购电作为一种调节手段为终端供能系统提供了有力的帮助。

2）大电网为终端供能系统的运行提供了备用支撑。当终端供能系统供能能力不足或者出现故障时，通过电网购电保证了终端用户的用电需求。

3）在联网方式下，终端供能系统内部的控制有了明确的参考点， 从而可减少控制相关部分的复杂性。

联网模式下还可以进一步依据终端供能系统与电网的能量交流方向分成并网不上网、 并网且上网两种类型。并网不上网模式下，终端供能系统可以从电网购电，但不能向电网送电，也即不能向电网销售其多余的电力。并网且上网模式下，终端供能系统既可以购买电网的电能，也可以向电网售电。

并网且上网模式对电力系统会带来一系列深刻的影响， 特别是在终端供能系统的比例较高的情况下。 其核心问题是并网且上网的终端供能系统与电网之间的协调运行方式和方法。 传统的发电厂按照电网调度的指令运行， 而终端供能系统的运行主要是为了满足其自身的终端用户的用能需求， 特别是在冷热电多种能源同时供应的情况下，其购电、售电行为原则是从其自身目标出发。 终端供能系统的运行与电网的运行如何协调以期达到总体运行最优的效果是需要解决的关键问题。 目前几种可能的解决思路是：

1）用电力市场的方式，让终端供能系统作为市场成员参与市场竞争形成其自身的购/售电计划，并按照该计划运行。

2）接受电网调度。 这种模式在终端供能系统具有较大规模的情况下尚可执行。例如传统情况下，冷热电联产系统按照以热定电的方式运行， 其多余的电力被电力系统接受。 但对于大量的小规模的终端供能系统而言，这种模式要求电网调度工作量太大，很难实施。

3）分散协调。 这类方式是通过终端供能系统之间， 终端供能系统与配电网之间的分散协调达到整体的最优运行。 能源互联网模式中特别强调这种协调方式，但具体如何协调尚需要深入研究。

终端供能系统的独立运行模式适用于偏远地区。 该模式的特点是不需要架设昂贵的输电线路到偏远的地区， 而在偏远地区建立独立运行的供能系统提供能源服务，节省了输电线路建设的费用。终端供能系统独立运行模式意味着终端供能系统必须考虑供能系统的频率、电压的稳定控制，必须考虑备用等，其终端供能系统的控制复杂性远高于联网模式。常用的方式是构建独立运行的微网。

3 典型终端供能系统的技术方案

终端供能系统的技术方案非常丰富， 其中研究最多的方式是可再生能源的利用。 可再生能源主要的形式有风力发电、光伏发电、热泵技术、小型水力发电和生物质能发电等。 可再生能源的利用受到来自一次能源可用性的制约以及电网消纳能力的制约，需要合理有序地发展。

基于提高能源利用率、减少污染物排放量、经济合理、技术成熟的原则，从各类终端供能系统的方案看，冷热电联产系统具有较大的优势。该类系统通过能源的梯级利用，在能源利用效率上具有明显的优势，一次能源利用率可以达到80%，远远高于现有各种分别供能的系统。该类系统技术成熟，以该类系统为核心组成终端供能系统是近期较为合理的选择。

为了可再生能源的利用， 也为了冷热电联产系统自身的优化运行， 在冷热电联产系统中进一步集成风力发电、光伏发电、热泵等可再生能源，配备合适的储能装置是最近几年终端供能系统最有潜力的发展方向。 以冷热电联产系统为平台集成可再生能源，既可以增加可再生能源利用比例，也通过该平台缓解了风力发电、 光伏发电的间歇性和难以预测所带来的负面影响，帮助电网消纳更多的可再生能源。

从能源互联网的角度， 更大范围更大面积地构成区域多能互补系统， 在能源系统转型过程中会起到关键性的作用， 目前这个方面的工作尚处于研究开端。

基于上述的情况，本节总结了适用于城市小区、楼宇的终端供能系统的技术方案和适用于农村、乡镇的终端供能系统的典型技术方案， 以便作为本项目的主要研究对象。

3.1 适用于城市小区楼宇的终端供能系统典型的技术方案

适用于城市小区、 楼宇的终端供能系统的典型技术方案是以天然气冷热电联产系统为核心的技术方案。 其要点如下：

1）动力系统采用燃气轮机、内燃机作为原动机，采取发电余热回收的方式提供热能， 利用吸收式制冷机提供制冷。燃气轮机、内燃机发电是终端供能系统提供电能服务的最重要的设备。 发电余热回收提供了终端用户冷热需求的大部分服务。

2） 终端供能系统可根据所在地的一次能源情况，在终端供能系统中集成一部分光伏发电、风力发电、热泵等装置。

3）如果系统集成有光伏发电、风力发电等可再生能源发电需要在系统中安装电储能装置以平滑光伏发电、风力发电的功率波动，让系统的电能服务质量达到国家标准的要求。

4）内燃机、燃气轮机的容量范围可从几千瓦到50 MW，在楼宇、小区以及大学城、工业园区的范围内均可通过选择不同的容量在冷热电联产系统的构架下完成任务。

3.2 适用于城镇农村的终端供能系统的典型技术方案

适用于乡镇、 农村的终端供能系统典型的技术方案是以生物质能为燃料的冷热电联产系统。 其要点如下：

1）一次能源采用农村、城镇地区易于得到的生物质原料，例如秸秆、食物油提炼废料等。

2）生物质原料经过气化预处理、或者通过厌氧池生产沼气等作为内燃机、燃气轮机的燃料。

3）内燃机、燃气轮机作为原动机，通过同步发电机发电， 发电余热回收供热的能源梯级利用方式提供能源供应。

4）在太阳能和风能丰富的农村地区可以集成光伏发电、风力发电作为供电的补充。一般光伏发电和风力发电均需要配置合适的储能装置以使得电能达到国家标准要求。

5）从内燃机、燃气轮机的容量范围而言，城镇、乡村的能源需求均可满足， 因此这类方案可基于具体的负荷大小选择对应的机组。

另外，在太阳能和风能充裕的地方，还可以构建光伏发电或者风力发电站提供单独的电力服务。 风力发电和光伏发电的技术方案要点为：

1）采用储能装置平移光伏发电和风力发电的波动，达到电网并网要求。

2）根据发电容量确定其接入电网的电压等级。

3）终端供能系统内部选择直流总线／交直流混合总线模式。

4）选择集中变流还是分散变流方案等。

3.3 基于可再生能源的单能供能系统

上述两节分别介绍了基于冷热电联产为核心的终端供能系统，除此之外，基于光伏发电、风力发电等可再生能源的终端供能系统在风能和太阳能丰富的地区可构成单能终端供能系统。

光伏发电主要包含家庭式屋顶发电为家庭提供电能供应，或者建立小型光伏电站的形式提供农村、城镇地区的供电。

风力发电较为合适的还是以建立小型风力发电场的方式构成终端供能系统。

基于可再生能源的单能供能系统主要是供电，其对电网的影响是目前需要特别关注的问题。

在终端供能系统中有一类仅仅由可再生能源供应电能的形式， 其中最为典型的是光伏发电构成的终端供能系统。 由光伏发电构成的终端供能系统可以是家庭的屋顶式的微型系统，为家庭供应电能，也可以是光伏发电站提供电能服务。

光伏发电系统由太阳能电池阵列、汇流箱（直流配电柜）、光伏逆变器、升压变压器无功补偿装置等组成。汇流箱是将太阳能光伏组串汇流的设备，具有汇流、放过流、防雷、监测等功能。逆变器将直流变化为交流， 变压器为将逆变器输出的交流电的电压等级提升到并网点处的电压等级。 光伏发电系统可按照其储能装置的配备方式、 逆变器的配备方式区分其体系结构。

光伏发电系统按照是否配置电池储能装置分成可控和不可控两种类型。 带有电池储能装置的光伏发电系统通过蓄电池缓冲，其实际出力可以控制。虽然太阳能辐射不可控，有了储能装置后，当太阳辐射强度较大， 而负荷较低时可将多余的电能储存到电池；当太阳辐射强度较低，光伏发电低于负荷要求时可释放电池电能补充光伏发电不足。

与光伏发电类似， 也可以由风力发电机组构成终端供能系统。 由风力发电构成的终端供能系统几乎都是构成风力发电站的方式提供电能服务。

4 结论

1）典型终端供能系统包含以冷热电联产系统为核心的多能供应系统和以可再生能源发电为核心的单能形式的供能系统。 多能供应系统包含天然气燃料终端供能系统和生物质燃料终端供能系统。 单能供应系统主要包含光伏电站和风力电站。

2）在城市地区以天然气为燃料的冷热电联产系统是终端供能系统的典型形式， 根据不同容量的选择，为楼宇，小区和园区提供供能服务。 在乡村地区以生物质为燃料的冷热电联产系统是终端供能系统的典型形式，根据不同容量的选择，为城镇、乡村用户提供供能服务。

3）光伏发电、风力发电在太阳能和风能丰富地区可以作为独立的供能方式提供电能服务， 这类系统一般需要储能装置帮助其电能达到电能供应标准。

4）终端供能系统的模式包含独立运行与联网模式。 联网模式下，终端供能系统可以获得电网的备用支持， 使得终端供能系统的运行与控制较为简单， 但终端供能系统与配电网的协调运行尚需要进一步研究。