镇级可再生能源多能互补耦合供能研究

李永田，张 欢，郭永彦，谢 辉

(1.天津大学 环境科学与工程学院，天津 300350；2.天合智慧能源投资发展(江苏)有限公司,江苏 常州 213031；3.重庆工商职业学院,重庆 400052)

2018年，中国煤作为能源占能源消耗比例下降至58%，依旧处于较高水平[1]。煤、石油、天然气为主的化石能源总储备量有限，化石能源在转化利用过程中，对环境造成一定的污染[2]。能源作为工业发展的必需品，中国成了最大油气进口国，天然气对外依存度为43%，石油对外依存度达72%，创近50年来最高水平。近年来，随着光伏发电、风力发电、生物质制取等技术快速发展，以及能源互联网技术的逐步成熟，可再生能源在能源消费中占比逐步增加[3-5]。

光伏发电的核心技术是太阳能电池技术，该技术受制于材料，已从最早使用硅基单晶片和多晶硅技术，经历以非晶硅、碲化镉、硒化铟铜、铜铟镓二硒化物制造的薄膜电池技术，以纳米材料为主的新材料，并优化结构的染料敏化太阳能电池技术。近年来，有机-无机杂化钙钛矿薄膜太阳电池技术发展起来，发电效率大幅度提高[6]。同时，中国96%的地区可利用太阳能，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2 000 h，年辐射量在5 000 MJ/m2以上。据统计资料分析，仅陆地面积每年接收的太阳辐射总量为3.3×103～8.4×103MJ/m2，相当于2.4×104亿吨标准煤的储量。光伏发电在工程应用上，平价上网已成为事实，具有与火力发电在经济性上的竞争优势。

风力发电的核心设备是风力机和发电机，风力机和发电机的功率和速度控制是风力发电的关键技术。风力机和发电机功率控制是成熟技术，速度控制主要采用定桨距失速调节、变桨距调节、主动失速调节3种方式。在风电并网仿真模拟技术方面，中国电力科学研究院等科研院所、清华大学等高等院校建立了大型的模拟仿真风力发电实验室，仿真模拟技术能力和相关检测能力较强，正从“跟从国外技术”向“引领世界技术”转变[7]。近10年来，中国风力发电机发电总量平均年增长率达到42.8%[8]。2018年中国发电量再次全球第一，达到近6.8 万亿kW·h[9]。

早期生物质通常直接作为燃料，陆续出现生物质制块，提高了能量密度，逐步发展成为生物质热裂解，以及采取化学、物理、生物相互融合的技术，生物质制乙醇、生物质发酵制沼气、生物质制柴油等工艺逐渐被认可。虽然中国工业化程度、城镇化在逐年加深，但中国依旧是人口大国、农业大国、畜牧业大国，人畜粪便、作物秸秆、残羹剩饭、杂草杂灌等生物质资源丰富。

储能技术的基本特性通常包括存储容量、能量转换效率、能量密度、功率密度、自放电深度、放电时间、放电深度、循环充电次数等。储能的存储方式主要有物理、化学、电磁、热储能及其他储能几类。物理储能和热储能发展相对成熟，已有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能及蓄热/蓄冷等工程案例。

鉴于社会可持续发展需要，能源改革政策推行，城市化改革深化，光伏发电、风力发电、生物质利用、储能等能源技术趋于成熟，云计算、大数据、通信技术迅速发展，为可再生能源多能互补供能模式搭建提供了基础，微能源网是该模式的一种体现。

1 微能源网的概念、特征、趋势

1.1 概念

1.1.1 微能源网

近年来，在社会可持续发展及政策刺激下，能源枢纽[10]、综合能源系统[11]、能源互联网[12]、泛能网[13]、能源路由器[14]等概念陆续出现，以构建耦合供能系统，提高可再生能源的利用率和渗透率，优化能源结构。

微能源网(micro energy system，MES)是在以上概念基础上提出的，是一种位于用户侧的区域综合能源供给系统，是能源互联网的重要组成部分，涵盖太阳能、风能、生物质等可再生能源及天然气等不可再生清洁能源，涉及电、热、气、储等多种能源的输配，涉及负荷需求、能源供给，涉及能源装置的保护和信息化交互。建立涵盖能源生产、储运、转换、消费4个环节，通过多能协调、信息交互、市场引导、政策驱动，实现终端一体化供能[15]。图1为典型特色小镇清洁能源供能模式的微能源网示意图。从纵向信息流传递可分为端、管、云3层，“端”涵盖能源生产、能源储运、能源转化、能源消费的末端；“管”涵盖“源-网-荷-储”和信息交互的协调与控制；“云”涵盖能源的预测、规划、调度、交易、运维、评价。

图1 微能源网框架图

1.1.2 能量四环节

能量四环节(production store conversion use，PSCU)是一种针对提高能源使用效率，使能源有智慧特性的方法论，指能源的生产、储运、转换转化、使用消费的全寿命周期，涉及设备与设备、人与设备、“人”与人之间的信息交互、反馈、负反馈过程[13]。从能源的全寿命周期可分为生产、储运、转换/转化、消费等环节，如图2所示。

图2 能量四环节模型

1.1.3 终端一体化能量管理平台

终端一体化集成供能系统(system for energy-supplying with energy user terminal,SEST)具有源荷一体特征的单个或多个主体终端，以能源供应的保障、成本、利用效率优化为目标，根据能源需求，充分利用自然资源、清洁能源、可再生能源以及能量回收所构成的集成供能系统。SEST是多能互补系统进行信息交互的主要载体，通过信息采集、信息存储、信息处理、大数据分析、人工智能、信息输出，实现能源接入、存储、转换、传输、交易的综合管理及应用，为建立稳定、可靠、经济、高效的综合能源服务提供技术支撑。

1.1.4 能量路由及其装置

能量路由(energy routing,ER)是指涵盖冷、热、电等能量流，数据、图形、视频、音频等形式的信息流，通过热网、电网、气网、水网及信息网等网，进行能量流信息流传递的“路径”[15]。能量路由装置(energy routing system，ERS)指在能源互联网架构下，以多种能源能量信息数据为支撑，支持多类型能源协同的物理部件、设备、设施和系统友好接入，实现能量路径优化和能量调节与控制，支撑多元灵活的能源交易与服务，从而构建清洁低碳、安全高效的开放式能源互联网络的智能管理方式[16]。

1.2 微能源网特征

如图3所示，微能源网具备自治、开发、对等、分享、安全等基本特征，描述如下：

图3 微能源网特征示意

1)自治。通过能源管理系统(energy management system,EMS)对微能源网内构成要素“源-网-荷-储”进行调节，也可通过终端一体化能量管理平台对能源生产、储运、转换/转换、消费环节进行调节或引导[17]。

2)开放。微能源网是能源互联网的延伸，技术成熟、产业政策开源，为可再生能源发电与大电网提供开放性平台，同时，信息流和能量流的交互凭借通识性通信技术及接口，不存在技术壁垒，可实现对分布式电源(distributed generation，DG)、储能、锅炉、热泵等多种设备的产能调节或动率调节[18]。

3)对等。微能源网改变现有能源传统网络“自上而下”的组织形式，借鉴能源系统相关利益方论述进行完善。在微能源网系统下，供方往往也是需方，通道与政府存在角色的调整。能源转换设备具备发出、接收能量和信息的功能，在终端一体化平台下实现信息与能量交互，同时，也伴随着利益相关方的身份转换[19]。

4)分享。微能源网同样具备能源互联网的基本特征，终端一体化平台拥有大量能源信息交互设备，是能量节点、信息节点之间进行能量流和信息流双向流动的平台，每个交易节点具有获取数据信息和接收指令、发布指令的能力，可进一步拓宽能源范围，甚至将信息理解为一种带有能量属性的物质。

5)安全。微能源网交易信息安全采取区块链技术为终端一体化平台交易作保障，使供方、网方、需方、中间方在交易过程中不存在信息壁垒，不存在篡改交易记录[20]。

1.3 发展历史及趋势

1.3.1 政策性引导

2016年2月29日，中国发布《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》，提出能源互联网建设近中期发展目标。

2017年7月，国家能源局以《国家能源局关于组织实施“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目的通知》公开组织申报“互联网+”智慧能源(能源互联网)示范项目。

2017年8月，全国55个首批能源互联网示范项目已陆续开工，中国能源互联网进入实操阶段。

2017年9月26日，在全球能源互联网推动下，中国与周边国家能源互联互通初具规模。稳步推进国内能源互联网建设，加快能源互联网示范项目建设，在政策、模式、业态上留出发展空间。

1.3.2 技术发展趋势

美国学者杰里米·里夫金(Jeremy Rifkin)于2011年在《第三次工业革命》著作中首次提出能源互联网(energy internet)概念，指出能源互联网是以新能源技术和信息技术的深入结合为特征，是一种新的能源利用体系。

能源互联网技术发展遵循“点-线-面-立体”的过程，如图4所示。

图4 能源互联网技术发展阶段

能源互联网的发展从楼宇型能源互联网的自给自足型逐步发展成为跨区、跨省、甚至跨国的能源互联互通。其发展目标是探索低碳、可持续发展的未来能源利用模式[21]。

2 目标函数

为便于统计，将电、热、气、冷的能量单位归一化为kW·h。

Qsupply=Qelectric+Qheat+Qgas+Qcool

(1)

式中：Qsupply为归一化的能量总需求；Qelectric为电力需求；Qheat为热量需求；Qgas为燃料气需求；Qcool为冷量需求。

2.1 能源生产

应实测项目所在地的气象因素：辐照量、气温、风力及风向，以及该区域内50 km内的生物质资源。同时，应关注现有电力设施，以满足小镇的用能保障。

2.2 能源储运

为满足电、热、冷、气系统内的能源调节，采取锂电储能、水蓄热、水蓄冷、储气等装置。函数表达式为

(2)

式中：“-”指蓄能装置蓄能；e、h、c角标代表电、热、冷；P指输出或输入功率；V指储气总量；Vi指用气功率；t指用气保障时间。

2.3 能源转换/转化

为满足能量需求，且任一时刻均需满足，应在单位时间尺度内满足如下约束：

(3)

式中：Pe,PV、Pe,w、Pe,BG分别指光伏、风力、燃气发电功率；Pe,solar、Pe,wind、PEO，BG分别指光伏发电、风力发电、燃气发电的装机容量；Csolar-elec、Cwind-elec、φ分别指光伏发电、风力发电、燃气发电的运行效率；θ指燃气发电站内用电百分比。

储电、蓄热、蓄冷、储气因能量形式未发生变化，其时空、状态改变不宜采用函数形式表达。

2.4 能源消费/使用

电拟定采取全可再生能源实现，市电作为保障，设计过程中不计入市电因子。以日内能量总需求100%满足，应满足如下约束：

(4)

式中：48是指以30 min作为一次记录，一天按48个片段计入。

1)电负荷需求

Pe,supply=Pe,hvac+Pe,pubiic+Pe,resident-Pe,s

(5)

2)电负荷保障约束

Pe,supply+Pe,grid+Pe,s≤Pe,PV+Pe,w+Pe,BG

(6)

3)热负荷保障约束

Ph,supply≤αHPRPe,BG+COPPe,hvac

(7)

4)冷负荷保障约束

Pc,supply≤βCPRPe,BG+COPPe,hvac

(8)

式(7)、式(8)中：α、β为吸收式制冷设备的效率；HPR、CPR为燃气发电过程中的热电、热冷比；COP为电制热制冷的效率。

3 案例应用

3.1 背景信息

经过项目地筛选，选择江苏省盐城市黄海湿地建设特色小镇。小镇建设规模1 500户，同时，涵盖医院、学校、商店等公共设施。针对该区域的气象、地质、水文等信息进行调研。

根据土地类型选取用电负荷指标，见表1。

表1 电力负荷统计

统计了该地区2018年，15 min的气象变化信息情况，由此，根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》的相关规定，规划建筑物的冷热负荷，见表2。

表2 冷/热负荷统计

查阅标准《城镇燃气设计规范》《城镇热力网设计规范》，结合何耀淳的统计[22]，每户居民用气负荷232 Nm3/a，用气量负荷为953 Nm3/d。天然气低位发热量33 812 kJ/Nm3，秸秆类生物质气化气低位发热量13 189 kJ/Nm3[23]。按等热值原则，生物质气化气供气应满足2 443.2 Nm3/d，用气时段为3 h，用气负荷为814.4 Nm3/h。

3.2 供能模式

首先，以生物质为供能为基核，风与光伏发电为补充，大电网为保障。其次，以燃机、吸收式制冷、换热器、锅炉、电制冷等能源转换设备。再次，以选择化学储电、水蓄冷/蓄热为源存储装置，如图5所示。

图5 可再生能源小镇供能规划

3.3 规划结果

3.3.1 装机规模

首先，应确保在风电、光伏发电功率为零时，生物质发电应满足小镇的电负荷需求。其次，在于大电网脱离时，且生物质发电维修时，储电容量应满足2 h以上供电。再次，电制冷设备制冷时，COP取5；制热时，COP取4.5。经计算规模与概算见表3。

表3 规模及概算

项目投资总规模约10 972万元，含配电系统、配气系统、通信系统。

3.3.2 效益

光伏发电折算光照小时数1 200 h，风电满发折算小时数1 650 h，生物质发电满发效率取90%，生物质气化消耗总量为年度总产量。可再生能源的总产量及税前收入汇总见表4。

表4 年度贡献统计

可再生能源年发电量1 785.12万kW·h，小镇规划年度用电量为1 562.64万kW·h。可再生能源直接消纳电量1 093.85万kW·h，下网电量为468.79万kW·h；交换电量为468.79万kW·h，交换电量费用取0.02元/(kW·h)，增加收入234.4万元；净上网电量年度上网电量为222.48万kW·h，上网电价0.372元/(kW·h)，增收为82.76万元。综上售电总收入为885.96万元。售气按实际消纳气量结算，以热值对比天然气热值和价格作为计价依据，取1.1元/m3。年收入713.06万元。

以15年为财务指标计算周期，管理费、税收、折旧等按经验取收入30%提取，折现率取8%。经计算得：内部收益率为2%,财务净现值为341.95万元，投资回收期为9.9年。

3.3.3 结果

通过经济测算发现存在经济收益风险，可再生能源满足小镇能源需求70%以上时，财务净现值为负值。相反，环境效益较好，年度可再生能源用电约1 785.12万kW·h，减少消耗标准煤5 355.36 t，减排二氧化碳约14 245.26 t，减排二氧化硫约46.06 t，减排氮氧化物39.63 t。

4 结论

1)若全天候由可再生能源多能互补供能，经济性收益较低。若与电网交换电量计入可再生能源供给电量，经济性尚可。

2)可再生能源作为主能源的特色小镇，环保效益较好，建议淡化经济收益，积极推广。

3)特色小镇的建设规模制约项目的经济性，在进行规划策划时，应注重功率变化。居民用电高峰较集中，非集中时段用负荷很低，不足峰值负荷10%。为此，在进行规划时，应考虑储电元素，且对容量进行优化，避免设备闲置。

4)终端一体化的监测数据至少记录一年，满足项目后评价对数据的需求。