探讨多能互补综合能源电力系统的建设模式

张笑薇

（徐州供电公司，江苏 徐州 221000）

在多能互补综合能源电力系统中，分布式能源是核心，基于此在特定的区域内实施能源供应。该能源系统整合了多种能源形式，包括热、冷、燃气、电能和水务都可以一体化运行。综合能源电力系统的一个重要优势在于，将多种能源协同并予以优化，实现优势互补，使得再生能源充分利用，提高能源的利用率，避免产生浪费问题。通过对能源逐级合理利用，以提高能源综合利用水平[1]。综合能源电力系统本身是非线性系统，其变量非常多，体现出复杂的特征，有很强的随机性，与传统的规划问题相比较，其能源规划更加复杂。

1 综合能源电力系统结构

综合能源电力系统将多种能源的输入输出和转换设备集成，应用信息通信技术将各种系统建立为对应耦合关系，主要包括供气系统、电力系统、供冷系统和供热系统等等，如图1。

图1 多能互补综合能源电力系统结构

配置综合能源电力系统的时候，需要对系统部件所属类型以及规格明确，要充分认识到系统配置对联供系统节能经济性具有重要的影响。在构建综合能源电力系统的时候，对于单个设备的效率要充分考虑，将运行策略制定出来，明确用户的冷热电需求，同时还要保证经济效益与环境效益维持平衡状态[2]。

在系统配置之前需要对综合能源电力系统的负荷作出预测并详细分析。在预测冷热电负荷的时候，要将各种历史数据为依据，主要为社会、经济、电力负荷以及气象等等，明确电力负荷与有关因素之间所存在的内在关联性，从科学的角度预测未来的负荷。在进行综合能源电力系统规划的过程中，负荷预测发挥基础性的作用，其是否准确对系统配置具有直接的影响。

根据负荷预测结果配置综合能源电力系统。综合能源电力系统直接向用户供应能源，随着用户的负荷需求发生变化，就会出现用户负荷的热电比与系统热电比以及用户负荷的冷电比与系统冷电比不能保持一致的问题。为了满足用户的负荷需求，需要采用四种系统配置方法：第一种配置方法是补电子系统集成方法；第二种配置方法是补热子系统集成方法；第三种配置方法是电- 热转换集成方法；第四种配置方法是蓄能集成方法。如果热电比非常小或者用户的电负荷已经超过原动机功率的时候，可以应用并网补充电能的方法，也可以用可再生能源对电能进行补充[3]。当综合能源电力系统的供热容量不足的时候，就要应用补热子系统进行热量供应。当用户热电比以及冷电比都超过系统输出比的时候，可以应用电- 热转换的方法将原来的热需求向电需求转换。如果用户需求有峰谷差存在，就需要向综合能源电力系统中引入蓄能手段，由于不同步导致的供应和需求不平衡的问题就能够得到缓解，如果存在不同于设计工况的问题，此时系统的调节能力就会有所提高。

在进行公共电网接入的时候可以采用不同的方式，综合能源电力系统的配置模式也会上有所不同，可以根据需要选用孤岛运行模式、并网上网模式以及并网不上网模式。

采用孤岛运行模式的时候，综合能源电力系统为独立运行，不需要架设连接线路也可以连接到公共电网上，对于可再生能源比较丰富的地区，如果公共电力网络不能覆盖，可以提供风能或者太阳能，尤其是比较偏远的地区，能量供应有所保证。

如果采用并网上网模式，可以通过电网购买电能，在电能比较富余的情况下，还可以向电网出售，从中可以获得一定的收益。这种模式对电能质量有很高的要求，需保持电能供应稳定且有较高的安全性，对于综合能源电力系统的控制也比较复杂。

如果采用并网不上网的模式，所发的电都是自己使用，如果出现电能不足的问题，就要向公共电网购买，这种模式已经在人流量较高的场所应用，诸如新型住宅区、大型工业园区和规模比较大的医院等等，如果为冷热电多联供系统，可以应用这种模式[4]。

2 综合能源电力系统的设备构成

综合能源电力系统可以将多种能源充分利起来，能源供应形式也多种多样，使得冷热电等用能需求得以满足，所以设备的种类也多种多样。在综合能源电力系统中，主要的设备是原动机、制冷设备以及供暖设备。

2.1 原动机

在综合能源电力系统中，原动机属于核心部件，要使其各项性能指标符合设计要求，就需要充分考虑到不同类型的原动机有不同的使用特点，根据实际需要合理选择，且保证原动机的容量符合要求。

在各种原动机中，比较常见的类型包括燃气轮机、风力发电机、光伏电池、燃料电池、燃气内燃机等。发挥内燃机的作用，可以向气缸中注入空气和燃料，混合之后进行压缩处理，点火就会引发爆炸，在高温高压环境中，燃气快速膨胀，活塞被推动做功，在气缸连杆和曲轴的驱动下，发电机就会发电[5]。使用内燃机进行发电，不仅效率高，而且功率范围非常广，有非常好的适应性能，整个的结构看起来紧凑，而且体积非常小，不会占用很大的空间，其重量轻，能够快速启动，便于操作，技术维护不是很复杂，大修的间隔时间比较长。

从燃气轮机的构成上来看，除了燃烧室控制系统之外，还包括透平机、压气机以及一些辅助性的设备。其中的压气机是燃烧室运行过程中提供高压空气，燃烧室中的燃料燃烧中会释放出热量，就会有高温高压气体产生，在透平机膨胀之后就会做功，此时热能转化为机械能[6]。当前，燃气轮机技术已经成熟并实现商业化，不仅应用非常广泛，而且运行效率高、质量轻，体积小，摩擦部件也非常小，不会产生很大的振动，噪声非常低，避免对环境造成污染。

风力发电机是将风能转化为电能，其是清洁能源，能够获得良好的环境效益。但是，风力发电机也有缺点，其在运行的过程中会产生很大的噪声，而且在风场选址的时候具有很高的要求，发电缺乏稳定性。如果是风能资源非常丰富的地区以及地广人稀的地方，风力发电机是比较好的选择[7]。

光伏电池所发挥的作用是将太阳光照转化电能，主要是直流电能，不会对环境造成污染，也不会被资源分布地域所限制，其还有一个重要的优势，就是可以在用户侧就近发电。光伏电池有不足之处，就是会受到气象环境的限制，在输出能量的时候存在不稳定性。如果为光照充足的地区，且接入电网存在难度，就可以使用光伏电池发电。

燃料电池就是燃料中的化学能经过化学反应之后转化为电能，不需要经过燃烧，也不会受到卡诺循环效应的应用，发电效率非常高。由于不使用机械传动部件，就不会产生噪声。当前中国在传统发电中使用燃料电池，还没有在冷热电联供系统大量应用。

比如，华秦储能投资，天合商用总包建设的智慧能源示范园区所采用的就是综合能源电力系统，在园区中将光伏电站、风力发电、液流电池储能、冷热电三联供，智慧能源综合平台等多种能源形式整合，对能源梯级利用，形成一个新能源体系，如表1。

表1 综合能源电力系统配置

2.2 制冷设备以及供暖设备

吸收式制冷机的驱动主要是通过烟气或者热水实现的，制冷所采用的是溴化锂或者氨水等等，这种制冷设备可以将余热充分利用起来。

当工业生产的过程中会产生余热，余热锅炉就可以将这些余热充分利用起来，结合使用可燃物质，经过燃烧之后会有热量释放出来，将水加热，在工业企业中利用，也可以用于采暖。余热锅炉包括两种类型，一种是一般型的余热锅炉，另一种是补燃型的余热锅炉，其中的一般型余热锅炉运行原理类似于热交换器，不需要经过燃烧。

热泵所应用的是低品位热资源，可以用于供热，也可以制冷，不仅运行效率高，而且可以达到节能效果。当进入到冬季的时候，可以发挥热泵机组的作用，将室外热量传输到室内，可以起到很好的供热效果。在夏季的时候，室内的热量可以输送到室外，室内温度就会降低。

3 选择设备容量的方法

当确定了原动机、供冷设备以及供热类型之后，还要将设备的容量合理确定下来，使设备容量的利用实现最大化，这就需要对用户对于冷热电负荷的需求充分考虑，同时还需要考虑所选用的原动机特性，以及在一年中电价的波动情况以及能源价格的波动情况，在对问题的处理中应用最大矩形面积法，即矩形的高度为函数值，将矩形的面积计算出来。当处于初步规划综合能源电力系统的过程中，基于已知时间- 负载曲线就可以应用最大矩形面积法对设备的容量以及设备运行时间进行估算。

4 综合能源电力系统的运行策略

其一，以热定电。用户的热需求得到满足，将发出的电向用户提供，当电量过剩的时候可以上网售卖，电量不够充足的时候可以通过电网补充。

其二，以电定热。用户的电需求得到满足，释放的热量向用户提供，使其热需求得到满足。在热量不足的情况下，可以使用锅炉补充燃烧，如果热量过剩，可以使用蓄热罐储存。

其三，持续运行系统在预定的时间内可以保持持续运行状态，即便能源需求有所变化也不需要考虑。如果系统生产的能源可以满足的用户需求，有剩余可以上网售电，否则就要通过电网补充。

结束语

通过上面的研究可以明确，多能互补综合能源电力系统与传统的能源系统相比较，不仅效率高，而且运行成本低，具有环保性。经济发达国家对这种系统的应用已经趋于成熟，中国则存在滞后性，主要由于存在技术障碍，加之政策上受到限制等等原因，所以，这种技术在中国依然处于发展阶段。随着科学技术的进步，加之国家出台了一些鼓励性的政策，且已经落实到具体的工作中，多能互补综合能源电力系统就会有更大的发展空间。通过对多能互补综合能源电力系统的建设模式进行研究，以使该技术得到广泛应用。