综合能源系统建设与运营方案的设计

李清然

(国网冀北电力有限公司廊坊供电公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

随着能源市场改革深化和科技发展,能源系统源端与受端的多样化以及能量转换技术设备的革新使各能源系统之间的耦合不断加深[1-2]。综合能源体系打破了不同能源网络之间的交互壁垒,实现冷、暖、电、气等多能协同供应,是未来能源供应体系的发展趋势,也是各能源供应商市场竞争的重点领域之一。与丹麦等国家电、气管网统一运营的模式[3]不同,目前我国的实际情况是各能源体系分体运营,且天然气多为属地化的企业运营,各运营商在综合能源体系中存在必然的利益博弈,竞争与合作机制尚不成熟。

随着能源领域市场化不断推进,市场惯性降低,流动性逐渐增强[4]。园区级能源系统具有用能密度大、负荷利用小时数高、可再生能源比例高、产用能形式多样化等特点,是促进可再生能源就地消纳、提高能源综合利用效率、实现节能减排的有效实施途径[56]。通过合理的物理架构搭建和系统运行控制,可以实现多能源系统协调运行,一方面可以增强能源供给的可靠性,降低备用容量;另一方面通过系统运行优化与科学规划,可以有效提升能源利用的清洁性、经济性。当前的研究多集中于建立园区综合能源系统结构[78],在具体系统控制层面则偏重于某种设备控制或某项功能实现[9-12],而聚焦园区综合能源系统整体协调控制问题及多场景运营方案的研究较少。另外在供给侧和需求侧的互动交易环节,目前的研究中多数仍然将用户视为能源资源的纯接收方[1314],很少将需求侧资源与能源侧资源同等对待。

1 物理架构

选择地理位置相邻、用能性质接近、用能时间互补的社区与企业、学校等构建为综合能源园区,在园区内部实现错峰用能,可以有效利用变压器等设备容量。在园区内利用大数据、云计算、区块链等技术,构建以电为中心,冷、暖、气等多能优势互补、可再生能源灵活消纳、需求侧实时响应、系统运行与能耗监控管理于一体的源-网-荷-储综合能源系统。基于智能表的用电行为感知技术,整合终端边缘计算能力,实现设备与管廊的智能运维、公共服务设施智慧融合、电动汽车泛在互联、多能融合需求响应,打造集网络化、信息化、智能化于一体的综合能源服务平台。构建城市级综合能源服务平台,实现同城范围内多园区综合能源系统协同调度。综合能源体系的物理架构如图1所示,其中实线为能量流,虚线为信息流,箭头表示能量/信息流动方向。

图1 综合能源系统物理架构示意

2 运行控制

集设备层面的边缘计算、园区级控制中心与城市级服务平台集中调控于一体,降低调控中心的数据传输和处理压力,实现园区内部系统运行的灵活性与城市内部各园区运行协调性的统一。

2.1 边缘计算

通过智能表采集各设备运行状态及感知各用户对于电、气、冷、热等能源的实时需求,挖掘采集终端的边缘计算功能,将数据筛查、数据整合、故障研判、拓扑分析等部分计算在本地完成,并发送给园区本地控制中心,一方面减轻远程信道的通信压力和主站数据处理压力,另一方面可以确保数据信息的实效性。

2.2 本地控制

园区本地控制中心接收终端发送的设备实时状态和用户需求信息,同时接收城市级服务平台的实时调度命令,结合交易中心的各类能源实时交易价格等数据信息与本地设备运行状态信息,通过综合分析研判,得到经济运营模式、系统稳定模式、需求响应模式、辅助服务模式等不同系统运行目标下各设备的最优协调控制方案,并生成控制命令发送给园区内各设备。设备层接收并执行控制命令,实现各设备的协调运行控制。

2.3 服务平台

城市级服务平台监测各园区运行状态,并响应各园区的紧急需求与电、气管网的调度命令。当某园区出现设备故障等临时需求时,园区本地控制转入系统稳定模式,同时城市服务平台会调度周边园区进入需求响应模式,必要时可提供相应支持。当电网出现扰动时,城市级服务平台会调度各园区转入辅助服务模式。

3 运营模式

在能源市场化交易中,不仅客户侧的分布式能源与储能可以作为资源参与其中,而且客户的需求也可视为资源参与市场化互动和交易。将需求侧资源与能源侧资源同等对待,设计了综合能源园区在参与能源市场交易中的4种典型运营模式。

3.1 经济运营模式

园区综合能源服务系统的目标是为用户提供成本最低的能源服务,如照明、采暖、制冷、动力等。各分散用户与各能源供应商之间点对端的零售模式需要庞大的计量、结算成本,且零售模式下各类能源负荷的不可约束性也进一步限制了能源供给侧成本控制。以综合能源园区为载体,建立各类能源的趸售交易,可以在复杂的零售分散交易和过度竞争之间找到平衡。各能源供应商能源网络所有权、经营权的排他性并不影响客户在使用端引入合作与竞争,形成一个全面竞争、自由选择的综合能源体系。园区综合能源系统可以在满足系统安全约束条件下,根据趸售交易合约获得低价能源供应,结合实际需求,制定和实施运行成本最小的能源负荷平衡计划。由于能源网络运行的制约,合约规定的能源交易量和实际交割的能源量之间必然存在差异,这种差异可以由电网公司提供灵活性高、响应速度快、安全性好的双向流动电能量来平衡。经济运营模式本质上是由电能为其他能源的合约量与交割量之间提供了保底服务。

3.2 系统稳定模式

在综合能源系统运行中,如果采集终端监测到某关键设备发生故障,将故障设备位置、状态、原因等信息发送园区控制中心,为故障迅速定位、消除提供基础信息支撑。园区控制中心控制综合能源系统转入稳定运行模式,调动园区内部具有相似性能的设备或者备用设备补偿和消除故障设备功能缺失对系统造成的不利影响。如在无功补偿设备(SVG)故障时,光伏逆变器可以临时作为无功补偿装置;储能设备故障退出运行时,闲置状态的电动汽车可以作为储能装置提供短时充放电需求;三联供设备故障或检修时,由热泵、空调、双蓄等设备的剩余容量提供额外冷热支持。系统稳定模式本质上是由园区内相似性能或功能的设备互为备用与紧急支持。

3.3 需求响应模式

在综合能源市场经济运行中,将需求侧资源与能源侧资源同等对待,在能源系统面临安全威胁时,以园区形式整合分散需求侧资源,以双向通信智能网络为技术基础,以经济性为驱动力,刺激用户改变正常消费模式,为能源侧提供容量或能量需求响应,为系统安全提供重要的可靠性保障。容量需求响应参与者可以是区域内的居民负荷、工商业负荷、用户分布式能源项目、储能项目等,单个用户的容量大多达不到参与容量需求响应的资质要求,以园区形式聚合用户资源,可以在大负荷时提供直接负荷控制、可中断负荷等灵活备用容量;在能源侧出现影响可靠性的紧急事件时主动削减对应种类的能量负荷,为能源侧稳定提供可靠支撑。而园区用户可以由综合能源系统内的其他能源种类保障必需的生产、生活能量供应。需求响应模式本质上实现了不同能源种类的互相备用与紧急支撑形态。

3.4 辅助服务模式

园区综合能源系统可以提供的辅助服务有调频、冷备用、热备用、无功电压、黑启动等辅助服务。园区综合能源系统可以快速响应电网频率偏差,提供调频服务,并维持短时出力;可以在电网扰动后,提供热备用服务,也可以根据交易中心的安排,提供短时内可以启动的冷备用服务。由于无功的区域性,根据本地电压信号提供无功本地补偿将会更加经济,同时降低线路损耗。系统振荡时,园区综合能源系统可以提供阻尼,当系统中存在多个园区时,其集合提供系统阻尼的能力更强。园区综合能源系统的独立运行特性使其具有黑启动能力,可以作为系统黑启动电源,提供黑启动服务。辅助服务模式本质上实现了园区内用户和其他能源系统对电力系统的支持。

4 结束语

园区综合能源系统是多能互补、能源梯级利用的综合能源理念在地理分布和功能上的具体实施,也是能源供给和需求侧市场主体深度参与能源市场的关键场景。以上首先建立了园区综合能源系统的典型物理结构,整合设备层面采集终端的边缘计算能力、园区控制中心的本地计算能力和城市综合能源服务平台的协调控制能力,设计了边缘计算、本地控制、服务平台3层运行控制方案。最后将能源侧与需求侧资源同等纳入综合能源体系的市场主体,提出了经济运营、系统稳定、需求响应、辅助服务等不同场景下的综合能源体系运营模式,为综合能源市场建设运营提供了一些思路。