基于工业厂区的多能互补系统在微能源网的应用

孙振宇，沈明忠

(1.中国华电科工集团有限公司，北京 100070；2.华电水务科技股份有限公司，北京 100070)

0 引言

将化石燃料作为能源的传统供能方式所引发的环境问题日益显著，使它在未来的能源市场上难以为继。近年来，绿色、环保、高效的能源供应方式成为了研究热点。其中，多能互补分布式能源系统将电力、燃气、太阳能、风能等各种形式的能源进行组合，并通过能源与技术协同优化，最终实现了面向用户的冷热电三联供，提高了能源的综合利用效率。但可再生能源的出力具有不确定性和间歇性，风电和光电接入电力系统时会影响主电网的电能质量和稳定运行，易造成弃风、弃光、甚至脱网等问题[1]。为了提高可再生能源的利用效率，微能源网应运而生。不同的可再生能源在微能源网中进行组合，建立了贴近用户侧、环境友好的多能源互补系统，同时提高了能源就地消纳的比例。

本文以某工业厂区为研究对象，结合厂区地理位置，对其用能需求及日常运行情况进行分析。在此基础上，优化组合多种可再生能源和技术，形成优势互补的能源系统，从而提高了整个厂区能源系统的利用效率、经济性与稳定性。

1 多能互补的微能源网

微能源网是由多能互补分布式能源系统、储能装置、相关负荷监控/保护装置汇集而成的发配电系统，能够实现自我控制、保护和管理(如图1所示)。多能互补分布式能源系统不仅可提供电能，也可供冷、供热。储能装置形式多样，包括压缩空气储能、超级电容储能、超导储能以及各种形式的电池储能等，它作为能量的缓冲环节，提高了电能质量、储存高峰期所发多余电量、为负荷低谷期提供电量，起到削峰填谷及稳定可再生能源发电、并网的作用[2]。微能源网是分散的、规模较小的独立系统[3]，可直接接入用户侧。

图1 微能源网结构

2 微能源网中多能互补形式

能源互补可将多种能源供应进行重新分配与利用，以提高多种能源的利用率、电能输出的可靠性及品质，实现与环境协同发展。

目前我国电源结构以煤电、水电为主，随着新能源的快速发展，电网内将形成火电、水电、 风电以及光电等多种电源共存的局面[4]。多能互补的形式多种多样，可根据地域特征和用户侧的需求，因地制宜地构建能源互补系统，常见的形式见表1。

表1 多能互补的形式

3 微能源网在污水处理厂的应用

3.1 厂区的特点分析

以某污水处理厂内的微能源网为例进行分析：该厂全天运行，日常运行消耗的能源为电能，用电量与污水处理量成正比；厂内办公区有夏天供冷、冬天供暖的需求；污水(包含排放的生活用水)的夏季水温低于室外温度，冬季水温高于室外温度，在整个供暖、供冷季的温度波动较小，是一种稳定、可靠的低温热源。污水水温与处理水量、所处地域、污水来源及季节等有关，常年温度变化范围为10～25 ℃。同时，污水处理厂在运行过程中会产生污泥[5-6]。

3.2 厂区多能互补系统

根据污水处理厂的能源结构与用能需求，在厂内选择构建分布式光伏-生物质发电-污水源热泵的微能源网。在微能源网中，分布式光伏和生物质发电为厂区供应电能，污水源热泵为办公区制冷、供热，沼气池作为储能装置。

由于太阳能的随机性和季节性，光伏发电系统输出功率呈现波动性，不利于微能源网的稳定。白天光照强时，光伏出力呈单峰变化，为日常运行提供电能；夜间光照不足时，可以利用污泥厌氧消化产生的沼气来满足厂区供电、维持沼气池自身温度的需求。沼气发电系统主要分为3个部分： 厌氧发酵系统、沼气发电系统、余热回收系统[7-8]。

微能源网中的污水源热泵取用污水作为冷热源，选用高温型水源冷热水机组，制冷供回水温度为10 ℃，采暖供回水温度为45 ℃，其采暖制冷系统由3个子循环系统构成，即污水循环、中介循环和末端循环[5-6]。

其中，沼气池相当于微能源网的储能装置，可用于平滑微能源网的波动，使光伏和生物质发电系统在供能时更为灵活和可靠。储能环节成本的减少也进一步提高了系统的经济性。此外，沼气、太阳能均为可再生能源，发电成本相对较低。

3.3 厂区多能互补结构

污水处理厂分布式光伏-生物质发电-污水源热泵互补的微能源网通过不同的方式连接着不同类型的能源，实现厂区的运行供电和办公区的供电、供冷、供热。整个系统的电能由太阳能和生物质能提供，其中生物质能主要来自于污泥在沼气池中发酵产生的沼气，通过微能源网系统为厂区供电(无需储能环节)。按微能源网系统的功能划分，太阳能-沼气互补微能源网主要由光伏面板、逆变器、热电联产机组、沼气池、沼气池加热器及辅件等组成，如图2所示。

图2 厂区分布式光伏-生物质发电-污水源热泵互补的微能源网

该厂以分布式光伏、污水源热泵和沼气燃机的最优先运行作为微能源网的系统优化目标，实现可再生能源利用效率的最大化。基于以上结构建立目标函数

式中：Were为通过可再生能源出力满足的电量，包括光伏发电出力、沼气电出力；We为系统总需求电量；Whre为通过可再生能源出力满足的热量，包括沼气热出力、污水源热泵热出力；Wh为系统总需求热量。

电负荷与热负荷的供需平衡函数

f1(t)=En(t)-Eb(t)-Es(t) ，

f2(t)=Qn(t)-Qw(t) ，

式中：En(t)为电负荷的需求量；Eb(t)为沼气机组发电量；Es(t)为太阳能发电量；Qn(t)为热负荷的需求量；Qw(t)污水源热泵供应量。

微能源网以满足用户负荷为条件，使电负荷平衡与热负荷平衡的偏差最小，建立多目标函数F(t)，对f1(t)，f2(t)分别赋予权重α和β，

F(t)=αf12(t)+βf22(t) ，

α+β=1 。

3.4 厂区多能互补特征

常见的微能源网中包括储能环节，但储能装置的制作成本、维护成本都偏高。该厂能源网充分利用了太阳能与沼气能之间的互补性，建立了一种以光伏-生物质联合供能的分布式系统，并利用沼气池可存储沼气的特点将其作为系统的储能环节，进一步满足了污水处理厂电负荷需求。

4 结论

本文阐述了发展微能源网的必要性，分析了多能互补的多种形式。以某污水处理厂为例，搭建了分布式光伏-生物质发电-污水源热泵互补的微能源网，实现厂区冷热电三联供。在当前严峻的能源形势下，多能互补的微能源网作为一种多元化供能方式，更为贴近用户，兼具高效性和环保性。它在国内拥有巨大的发展空间，在融合多方创新、综合能源服务、能源互联网等理念后，多能互补分布式微能源网将成为未来供能形式的一种主体。