分布式能源在应急供能领域应用回顾与展望

郭甲生 唐喜庆 朱国皓,2

1.上海航天智慧能源技术有限公司

2.航天智慧能源研究院

0 引言

能源是城市经济发展和社会稳定的生命线。环境气候变化、社会经济的发展，能源安全日渐成为世界各国共同面临的挑战和关注的热点。“能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题，对国家繁荣发展、人民生活改善、社会长治久安至关重要[1]。”习近平总书记在提出能源安全新战略时着重强调能源安全的重要地位。

在人类历史发展的进程中，突发事件及各种威胁始终存在，随着城市化加速，人类面临越来越多错综复杂的各类突发事件，影响能源安全的因素日益增多并相互交织，如自然灾害、重大瘟疫、社会动荡、战争危机等导致的停电和缺电事件均对能源的应急供给和保障提出了挑战。

得益于新能源技术、储能技术、信息控制、大数据和云计算等的飞速发展，近年来分布式能源项目在国内外得到快速发展，在电力和能源供应领域逐步改变由集中式电厂主导的局面，分布式能源因其靠近负荷中心、灵活高效、安全可靠等特点，可与集中电网有效互补，并在应急供能领域发挥其优势。

1 应急用能场景

1.1 自然灾害

中国发生的重要自然灾害，根据特点和灾害管理及减灾系统的不同可归纳为七大类：气象灾害、海洋灾害、洪水灾害、地质灾害、地震灾害、农作物灾害和森林灾害，每类灾害又包含若干种[2]。根据相关统计资料，1901年到1910年间有记录的自然灾害次数为82次，但2003年到2012年间的自然灾害却达到4 000多次[3]，见图1。

图1 自然灾害发生频率和严重程度都在增加[3]

随着能源技术的迅速发展，电力逐渐代替各类传统能源，使正在发生极大变化的生产生活方式对电力的依赖程度越来越高。但是，电力系统容易遭受台风、洪灾、冰灾等气象灾害的影响，并导致各类“涉及环节多、灾害源多、损失巨大、影响面广”[4]的突发电力事故产生。大面积停电事件的爆发，不仅对城市生产、公众生活造成多方威胁，还面临着因救援复电不及时、复电过程群众处置不当等可能造成的群体性事件，因此对大面积停电中的应急救援至关重要[5]。

1.2 瘟疫

从古至今，人类遭遇了无数的瘟疫，其中有些瘟疫特别严重。对人类影响巨大的有鼠疫、天花、流感、霍乱、非典以及当前的新型冠状病毒等。总体而言，瘟疫是由于一些强烈致病性物质，如细菌、病毒引起的传染病，轻则影响经济发展，重则造成人口的大量减少，改变历史发展的进程。另外，应对疫情医疗系统所需电力及氧气等物资需求对应急供能提出了更高要求，以此次新型冠状病毒疫情为例，医院原有的供电及供氧站设计是按照常规容量设计，当面临疫情时，医院将以严重超负荷状态运行，对电力需求总量及稳定性要求极高，包括配电系统和变压器等负载不够导致电压下降或不稳定，而供氧需求是24小时，应采取包括改造配电系统，增加移动应急发电机组提升功率、扩充外部瓶装供氧气应急补充等办法。

1.3 战争和恐怖袭击[6]

为满足经济社会发展对能源的需求，世界各国修建了大量的能源和电力设施，能源设施是生产和生活的生命线工程，目标明显，保护难度大，破坏后果严重，在战时或恐怖袭击情况下，很容易成为战时敌方讹诈和首选攻击目标，具有重要的战争价值。当前世界局势并不稳定，爆发局部冲突的威胁和突发事件时刻存在，需充分考虑能源设施在类似情景下的安全与可能面临的威胁，如美国、加拿大、英国、西班牙、以色列等国家纷纷制定或修订水库大坝安全与反恐方面的法律、法规及保安措施，建立健全大坝防恐安全管理机构。因我国长期处于和平年代，目前能源项目设施的战争危机意识缺乏、防御设施不到位、危机管理缺失，安全形势不容乐观。随着武器定位和摧毁能力日益增强，形势更加严峻，除做好主动预防措施外应急能源至关重要。在军事领域，由于应急供能站具有高度机动性、交直流电源、多电压输出、稳定性、噪音低、隐蔽性强等特点，采用储能方式的移动电源车用途十分广泛，可作为部队野外宿营照明、取暖、制冷、洗浴、通讯、导弹发射、工程施工、行军炊饮、军营保障电源和变电站抢修用直流电源等，因此应急供能站可成为部队备战、应战的必备利器，具有军事供能保障意义。

1.4 重大活动及重点负荷

国内每年都有大量的重大活动、会议、展览及演出等活动，一般在重大活动中的应急预案中，应明确应急供电供能的保障措施，确保活动安全有序进行，尤其是保障通讯、照明等需求。另外，诸如重要负荷应急供电，如医院、政府机关、机场、高铁等场合。在民用领域，应急供能可广泛应用于林业系统、电力、通信、大型活动、会展中心、应急抢险救灾、社区、野外勘探、工程作业、建筑施工、影视拍摄现场等处理突发事件等民用领域。也可用于远离供电网络的乡村、孤岛、深山，新建的民生工程、建筑工程、高铁项目。此外，随着我国城市数量的增加，规模的扩大，功能的增强，建筑、环卫、环保、园林、电力、通信、金融及各类商业运输的需求将日益增长，市场潜力较大，具有民生供能保障意义。

2 分布式能源作为应急供能的可行性

分布式发电是指接入配电网运行，发电量就近消纳的中小型发电设施，以及有电力输出的能源综合利用系统。分布式能源因变负荷性灵活、初投资低、供电可靠性高、输电损失小和适合可再生能源发展等特点，在国内外得到大力发展，技术成熟性已得到广泛的项目验证。分布式能源就近负荷端分散布置，可对传统大电网形成有效的补充，在灾害多发地区的负荷中心建立分布式能源微网，可以提高供电备用，有利于故障后黑启动，提高电网整体抗灾能力和灾后应急供电能力。作为大电网的一种补充形式，在特殊情况下（例如发生地震、暴风雪、洪水、飓风等意外灾害情况），分布式能源微网可作为备用电源向受端电网提供支撑；同时，分布式能源微网系统可以迅速与大电网解列形成孤网独立运行，从而保证重要用户的不间断供电。在自然灾害多发地区，通过布置建设不同形式和规模的分布式能源微网，能够在发生灾害后迅速就地恢复对重要负荷的供电。

分布式能源系统可加强与现有公共突发事件应急系统的集成，实现应急能源和信息的共享，构建协调互动的城市应急能源联动机制，将城市供电应急处理纳入城市总体应急管理体系之中。针对应急供能需求，根据能否移动分布式能源站可分为固定式能源站，以常规的地面固定分布式能源站为主；移动式能源站，适应灾害发生后电力应急救援工作的特点；

应急移动电源装备的选型和设计应重点考虑以下原则[7]：体积小，重量轻，机动灵活，能满足多种复杂路况下的道路通过性；功率大，功率密度高，能在一定范围内恢复必要的电力供应；环境适应性强，运行安全可靠。

从某种意义而言，灾后应急救援工作是对“时间就是生命”这一古训最好诠释。因此，应急移动电源装备必须具备上述技术特点才能够有效满足其使用需求。不同燃料形式的移动能源站对比见表1。

移动电源可采用运输方式有多种，如货车、挂车或拖车运输，也可采用船运或空运。对于大功率轻型燃气轮机移动电源，可采用单元体模块化运输、现场快速组装的方式实现远距离调用。常见的移动分布式能源站包含以下两种：

1)车载移动式能源站

移动式能源站的研究是从移动发电车开始，在欧美等发达国家，多采用高附加值的多功能商用车。在我国，电源车多为利用国内现有厢式改装车技术开发，主要应用在电力抢修、通信维修、市政建设、突发事件处理、抢险救灾等方面。目前，国内使用的电源车是将发电系统、照明系统等应急工作需要的设备，进行组装，实现车载化[8]，见图2。

图2 一种车载移动能源站

表1 不同燃料形式的移动能源站对比

2)海上分布式能源站

将分布式能源设备布置于船上，装有成套发电及变输电设备，并且可移动的水上电站或称发电船。可用于向某一地区或港口供电，是一种清洁能源的供应技术，可以快速填补地区电力缺口，在应急情况下可向港口、岛屿或近水工业区域提供能源，也可以作为沿江沿湖中小城市的应急电源。从技术特点上分类，现在已有的发电船的发电方式通常有两种，一是采用高效双燃料发电机组，热效率可以达到45%。其优势在于从待机状态加载至满载可以控制在数分钟以内，同时可以使用多种燃料。二是采用燃气轮机，可以采用简单循环，也可以采用联合循环，采用联合循环整体效率接近55%。采用联合循环时通常需要两个或更多的驳船来容纳所需的设备，位于多米尼加共和国普拉塔港的史密斯热电联产/安然工厂是这方面的典型案例，该工厂的净发电功率为185 MWe，由一艘驳船上的76 MW GE Frame 7燃气轮机和另一艘驳船上的118 MWe蒸汽轮机共同完成发电[9]，见图3。

图3 一种海上分布式能源站

3 能源弹性

城市是新的能源形态的主要产生地和应用地，未来能源输配格局将发生明显变化，能源生产智能化、能源消费的新模式、分布式能源网络、能源供给与消费的一体化、互动化等特征都在城市率先体现，并将覆盖能源应用的所有领域。实现能源结构变化、提高能源利用效率，在工业、交通、建筑等行业节能减排，推进城市生态文明建设，为城市转型奠定基础，促进城市全面发展。城市中煤、电、油、气等网络交织分布，大型城市电网与微网形态齐全，能源品种多样，既包括煤炭等化石能源，又包括风电、光伏、生物质、储能等多种新能源，各种用能形态品质参差不齐，努力提高全国各地能源基础设施的承载能力和运行效率，加快推进城市用能习惯转变，实现清洁能源替代和能源综合优化配置，建设城市能源互联网势在必行。

能源供应运行安全至关重要，要努力做到确保城市安全有序运行、确保市民生活不受影响、确保基本经济运行顺畅三个确保。根据近年全球发生的断电事件来看，大型城市的重要负荷安全保障技术尚存在一定的安全隐患和技术缺陷。如能源网络单一、过度依赖单一能源（电网、气网）的安全保障能力、供能系统柔性低、在极端情况下存在安全隐患；手段单一，基于应急柴油发电机及所谓“两路市电”的安全保障模式，存在冗余配置、设备闲置、维护水平差、应急启动不可控等问题；单一能源保障方式难以满足超大型城市越来越多元化、高品质、多变化的安全需求，急需打通电网及气网，大网与微网协同，形成多能互补的现代能源格局，是应对超大型城市能源安全需求的发展趋势。

能源弹性（Energy Resilience）近年来逐渐成为能源学术界研究的热点方向之一。能源系统的弹性可以定义为减少冲击和压力影响的能力，包括预测、吸收、适应和迅速从此类事件中恢复并在必要时进行转换的能力。适用对象可包括单一建筑，如医院、学校、政府大楼等微观尺度，也可以是一个区域，如CBD、工业园区、城市新区等园区尺度，甚至可以包括城市及跨省区域的宏观尺度。能源弹性的适用阶段，也可以覆盖从规划设计、到建成后运行评估等环节。随着综合能源系统的发展，能源弹性的范围已从单一电力、燃气或热力系统扩大至综合能源弹性评估，涉及多种能源转换、能源存储及清洁能源等多种形态。能源弹性的评估参数，也从仅仅以评估可靠性、可用性、可中断小时数等指标逐渐扩大至计及时间响应的多目标优化调度、弹性调度、强制成本、弹性矩阵等多种、多维度综合的技术经济评估指标。综合能源系统能源弹性评估系统见图4。

图4 综合能源系统能源弹性评估系统图

在一个不断发展、相互联系和相互依存的社会中，安全和有弹性的能源供应至关重要，挑战可持续能源供应的事件越来越多，范围越来越广，规模越来越大。弹性能源系统需要考虑和应对广泛的技术和非技术因素，来确保能源系统在不断变化的环节中具有更大的弹性，以应对各类风险。整个建筑环境中的能源供应和输送正在不断发展。正朝着降低排放、最小化成本和增加确定性的方向前进，过度供给和冗余配置已被微调、动态和高度互动的方法所取代。负荷端不再是能源供应链中的被动终点，而是日益复杂、相互依存和互动的整个系统的一部分。

4 分布式能源应急供能应用案例

作为集中式发电的有效补充，国内分布式发电及其系统集成技术正日趋成熟。随着单位千瓦电能生产价格的不断下降以及政策层面的有力支持，分布式发电技术正在得到越来越广泛的应用。微电网针对中低压层面上分布式电源的接入问题而提出，是分布式发电发展的高级形式，具有提高供电可靠性和安全性的优势，能够实现分布式发电技术的灵活、高效应优势，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网运行时的主要问题，同时由于具备一定的能量管理功能，并尽可能维持功率的局部优化与平衡。在未来，微电网技术是实现分布式发电系统大规模应用的关键技术之一。国家“十二五”可再生能源发展规划中提出要建成30个“新能源微网示范工程”，此项工作在“十三五”（2016-2020年）期间得到了进一步延续和发展。为了因地制宜地对不同类型微电网开展方案研究，微电网项目的运行模式被进一步细分为三类：城市型微电网、边远地区微电网和海岛型微电网。城市地区与大电网相连接，屋顶资源丰富，对供电安全稳定有着较高的要求，发展微电网应用于分布式可再生能源渗透率较高的地区，可以平抑分布式可再生电源并网对电网的影响，提高电网对分布式可再生能源的接纳能力；同时可应用于对电能质量和供电可靠性有特殊要求的地区，能够满足用户对电能质量的特殊要求，实现对重要负荷的不间断供电。

以昆山福伊特分布式能源为例，昆山福伊特不仅有稳定的电力需求，而且其办公区全年有舒适性空调需求，其生产用辊子全年有交替冷、热需求，这为分布式能源系统提供了发挥空间。工程一期发电总装机容量为600 kW，系统主要由1台燃气内燃机发电机组、1台热水补燃型溴化锂吸收式制冷机组、1台烟气/导热油换热器、多台水-水换热器、1套CCHP智能控制系统和水泵、阀组、冷却塔等组成。所发电力以并网不上网的方式接入工厂变压器低压端母排（400 V侧），与市政电网一起满足工厂的电负荷需求，发电机组产生的电力全部由工厂自用；发电机组发电产生的高温冷却水夏季通过水/水换热器加热溴化锂空调热源水，热水补燃型溴化锂机组生产空调冷水，经地下管道输送至冷水水箱；发电机组发电产生的高温烟气通过烟气/导热油换热器加热导热油后再进入烟气/热水型换热器继续加热空调热源水后排出至室外，见图5。

图5 昆山福伊特天然气分布式能源站

该项目可为福伊特造纸织物（中国）有限公司提供电力、冷、热能源，满足福伊特造纸织物（中国）有限公司的部分能源需求。通过能源的梯级利用实现高效供能和节能减排，项目于2013年9月交付投产，系统年综合能源利用效率可达80%，按正常工作时间计算预计每年可实现系统年运行经济效益118.3万元，可节约标准煤475.5 t，减排CO21 214.87 t。2016年1月，百年一遇的极寒天气导致昆山电网大检修，市电电力供应严重不足，仅保证不到100 kW的照明及消防等应急用电额度，在此期间，天然气分布式能源项目满负荷运行，充分满足工厂的用电及用热需求，保障工厂正常生产运作，为企业挽回上百万的停工及生产损失。

5 结论与展望

分布式能源以其靠近负荷侧、灵活运行、安全可靠的特点在能源应急保障中可发挥其优势，在应对越来越多不可预计的各种能源中断风险挑战下，建议分布式能源行业及企业可从以下几个方面继续开展推动相关工作，提升能源弹性系数，保障供能安全。

1）注重能源来源的清洁化和多样化。多能能源站是包含风力发电、光伏发电在内的可再生清洁能源发电装置和常规柴油机发电、微型燃气轮机发电以及储能装置的保障电源供电系统，可在多种能源供电系统优化配置和可移动型混合能源供电系统领域开展系列相关研究。另外，可在柴油移动能源站的基础上探索新型环保、高效、经济的替代方案，集成包括在飞轮储能、锂电池储能、氢燃料电池电源车等多种能源形式。

2）更加注重分布式和移动能源的互补组合。由于中小型分布式能源系统将灵活地适应季节性和地域性的用能需求变化，使系统的经济性和安全性可达到最佳的结合。基于用户端的分布式能源系统、微能源网运行集成融合的“自坚强”智慧能源关键技术将有利于支撑超大型城市重要负荷的安全保障，同时也是未来气电融合的城市区域能源互联网的有力补充和有效支撑。

3）更加注重分布式能源的信息化和可视化。随着分布式能源项目建成，后期项目层面运营管理、设备维护以及行业监管层面，如何从项目技术上及管理上实现合理可靠的项目运行管理、实现有效能效监控、管理及优化，需积极主动通过多种渠道加大对分布式能源系统利用的宣传及普及教育；通过搭建具有公信力的分布式能源系统能耗监测平台及移动能源快速响应平台，通过建立大数据云平台，统合市场上多数移动能源车，推动保障能源市场向前发展。