区域多能互补分布式综合能源系统工程设计

齐 聪，鄢 波

（1.中国电建江西省电力设计院有限公司， 江西 南昌 330096；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院， 江西 南昌 330096）

0 引言

随着经济持续快速发展，能源消耗总量不断增长，发展清洁能源，改善能源结构，实现节能降碳，积极应对气候变化既是时代命题，也是人民期盼。国家发展改革委《关于印发“十四五”公共机构节约能源资源工作规划的通知》中明确提出：十四五期间，全面开展节约型机关创建行动，建立健全节约型机关常态化、长效化机制，推动中央国家机关建成节约型机关，力争80%以上的县级及以上机关2025年底前达到创建要求。因此，加大太阳能、风能、地热能等可再生能源和热泵、高效储能技术的推广力度，大力发展接近用户侧、环境友好型的多能互补式分布式能源系统，推进公共机构节约能源资源工作符合国家“十四五”的能源发展方向[1]。

文中提出了一种区域多能互补分布式综合能源系统框架，通过统筹考虑常规能源与可再生新能源，兼顾集中能源技术和分布式能源技术，使能源及新技术在工业园区层面优化组合，形成能源层面的优势互补。多能互补分布式能源系统的稳定运行核心在于有效合理的能量管理与集成控制，通过综合能源管理优化调配策略，对整个园区的分布式能源、电力电子装置等运行状态进行监测，并依据控制策略进行集中管理和控制，体现了整个能源系统的高效及低碳的优势[2]。

1 分布式综合能源一体化架构

分布式综合能源一体化是以绿色、低碳能源为基础，以多能互补控制系统为纽带，以综合能源服务平台为中枢，采用多项技术的1+N综合智慧能源示范系统。将风-光-储充微网系统、冷热电三联供系统、节能改造系统、智能化系统等集成在综合智慧能源服务平台上，实现有效的“采、监、管、控、运、策”，达到最大化节能的目标。低碳智慧综合能源一体化解决方案主要包括综合能源管理平台、风-光-储充一体化微电网系统以及智能微电网能量管理系统等，利用各个能源系统之间在时空上的耦合机制，一方面实现能源的互补，提高可再生能源的利用率，从而减少对化石能源的利用；另一方面实现了能源梯级利用，从而提高了能源的综合利用水平[3]。系统框架如图1所示：

图1 低碳分布式综合能源一体化系统框架

2 区域多能互补分布式综合能源系统设计

2.1 综合能源管理平台

综合能源管理平台的设计是整套方案的核心关键环节，将风-光-储充微网系统、节能改造系统、智能化系统等子系统集成在综合智慧能源服务平台上，在满足整个系统运行约束的前提下，通过调节各分布式能源的输出以及输入等变量，保证很好的实现分布式能源系统的优化运行，实现有效的智能管控，达到最大化节能的目标。其架构如图2所示。

图2 综合能源服务管理云平台架构

综合能源服务管理云平台提供的服务如下：

1）提供高效能源管理工具，根据不同的功能区域和用能需求，制定能源运行策略，协同系统运行，提高系统效率。

2）建立设备台账，随时掌握设备安装、维护信息，减少故障率，提高管理水平。

3）提供提前预警和报警机制，保证系统的安全运行，缩短故障的响应时间。

4）定期形成用能情况报告，准确总结用能趋势和特点，找出薄弱环节，推动节能减排工作的开展。

5）通过对能源数据的采集、统计、分析，为能源管理负责人提供准确的能源数据，为能源生产和消费决策提供依据。

6）提供智能化移动管理工具，管理人员可随时随地登录查看整体用能状态、安全等情况。降低了管理局限性，提高了管理实时性、便捷性。

2.2 风-光-储充一体化微电网系统

风-光-储充一体化微电网系统采用交流耦合系统，将风力发电、分布式光伏发电、充电桩用能负荷、常规用能负荷等以最高效的方式组网连接。其中，风力发电系统经风机变流器后接入380 V交流母线；光伏分布式屋顶项目、光伏车棚，通过与其匹配的并网光伏逆变器接入380 V交流母线；光伏车棚、储能系统、V2G交流对充充电桩通过各自的DC/AC模块，接入380 V交流母线。交直流耦合系统通过1台具备并、离网切换功能的DC/AC模块相连，最终由并网点与大电网相连，与园区配电网互为补充，系统的工程结构如图3所示。

图3 风-光-储充一体化微电网系统结构图

1）风力发电系统

风力发电系统主要由风力发电机、控制器、卸荷器、风机变流器、塔杆等组成，风推动风叶使发电机转动发电，发电机产生的三相交流电经控制器转化为直流电，再由逆变器将直流电转化为380 V交流电并入低压配电系统。风力发电系统的结构如图4所示。

图4 风力发电子系统结构图

2）分布式光伏发电

分布式光伏发电系统包含屋顶分布式光伏、光伏车棚及电动汽车充电桩。

屋顶分布式光伏是在办公楼楼顶以固定倾角方式安装光伏组件，配置一套三相组串式逆变器台，汇集后进入储能系统，再经由380 V电力接入园区配电网系统。

为满足园区将来不同类型的充电需求，对园区原有普通车棚改造为太阳能光伏停车棚，安装直流一体式多枪快速充电桩、壁挂式交流慢速充电桩机，两种充电桩都具备智能控制与网络通讯功能，支持通过GPRS、5G网络的数据传输与后台运营管理系统建立通讯，由后台管理系统对充电桩进行智能、远端管理。

2.3 智能微电网能量管理系统

方案设计配置一套智能微电网能量管理系统，按照设定的控制策略，对风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、电动汽车充电桩等进行智能化、自动化管理，以实现整个系统一体化稳定、高效运行。该系统架构如图5所示。

图5 一体化微电网能量管理系统架构

2.4 节能改造系统

节能改造系统主要是针对园区的空调、热水、照明、环境进行监测及管理，以达到整体节能的效果。主要包括空调系统接入综合智慧能源服务管控平台，并通过平台优化控制；实现对重点房间设置温度、湿度、二氧化碳、PM2.5浓度进行监测，并通过新风系统调节使室内空气达到最佳状态；增加太阳能生活热水系统，为提供生活热水，接入综合智慧能源服务管控平台并实现智能控制；对园区的照明系统进行智能控制，避免不必要的能源浪费等等。

3 工程实施案例

以某园区综合能源改造实施为案例，某园区占地面积400亩，建筑面积10万m2，拥有行政中心、教学中心、会议中心、图书信息中心、餐饮中心等附属建筑若干。

通过实际勘察，该园区当前年耗电量约1 000万kW·h，当前年耗气量约80万Nm³，当前年耗油约11万L。根据国际能源署（IEA）《世界能源展望2007》，中国的CO2排放指数为：0.814 kg/kW·h，同时，我国火电厂每发电上网1 kW·h，需消耗标准煤305 g，排放6.2 g的硫氧化物（SOx）和2.1 g的氮氧化物（NOx）的相关排放指数。按以上参数计算天然气CO2排放2.074 8 kg/Nm³。按每升汽油质量0.72 kg/L计算，汽油CO2排放1.833 kg/L。该园区当前碳排放主要由电网发电侧产生5 650.59 t（占比73%），其次由供暖、供热水消耗天然气产生1 346.96 t（占比17%），餐饮终端用户消耗天然气产生312.88 t（占比4%），其他约239 t（占比6%），共计约7 755 t。通过计算分析可知，该园区年煤耗约4 795 t，年碳排量约7 755 t。

对该园区采用综合能源改造，具体方案见表1。

表1 园区综合智慧能源解决方案

通过综合能源管理平台对新建低碳、清洁新能源光伏发电、风力发电、储能、充电桩的运行监控和园区主要用能设备的节能改造的基础上，改造、升级、融合原管理系统，建设一套针对园区的综合能源管理及优化系统，提高能源使用效率，降低碳排放。

项目通过建筑节能、能源管理等手段可提升能源系统效率、降低用能需求，且通过光伏、风机等本地可再生能源利用降低市电消耗，预期2022年购电需求下降109.26万kW·h，二氧化碳下降1 147.58 t。

4 结语

区域多能互补综合能源系统坚持清洁低碳、安全高效、创新融合的发展原则，通过提供综合、智慧、高效的一体化能源解决方案，建设风-光-储充一体化微电网系统、冷热电联供系统、系列节能改造项目等各子系统，实现源网荷储充、建筑能效管理和综合节能管理协同运行，促进区域的用能清洁化、智能化，提高能源综合使用效率[4]。综合能源示范工程的成功实践表明综合能源系统是解决我国未来能源问题的有效途径，但确是一个长期的、复杂的、不断更新的系统性工程，因此需不断借鉴国外的先进工程经验，探索出适合我国发展的综合能源技术与产业体系。