介紹一種以電能為中心的綠色復(fù)合型錐源網(wǎng)設(shè)計(jì)方案
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作者：鄭曉敏
大氣污染防治已迫在眉睫，清潔能源的綜合高效利用越來越受到重視，同時隨著世界各國能源戰(zhàn)略的快速發(fā)展，綜合能源供應(yīng)技術(shù)近年來也得到了世界各國的高度重視。尤為突出的是燃?xì)夥植际侥茉粗行慕ㄔO(shè)。燃?xì)夥植际侥茉粗饕敢粋�或一組對區(qū)域用戶提供冷、熱、電、熱水、蒸汽等多種能源供應(yīng)的能源站，通過燃?xì)饫錈犭娙?lián)供設(shè)備提供以上需求。但燃?xì)夥植际侥茉创嬖谌細(xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)尚不完善、投建工程規(guī)模大、用能種類多、系統(tǒng)工程復(fù)雜、建設(shè)周期長、資金投入大等缺點(diǎn)，同時受政策影響較大，因此燃?xì)夥植际侥茉粗行牡慕ㄔO(shè)不宜大范圍推廣應(yīng)用。電網(wǎng)具有清潔、靈活、可靠、高品質(zhì)、覆蓋面積大等特點(diǎn)．如果以電網(wǎng)為基礎(chǔ)，提供區(qū)域綜合能源需求服務(wù)．勢必將有效彌補(bǔ)其他能源供應(yīng)的不足，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
國網(wǎng)客服中心南北園區(qū)根據(jù)建設(shè)規(guī)劃和能源實(shí)際需求建立了以電能為基礎(chǔ)的能源供給體系。依據(jù)國網(wǎng)客服中心南北園區(qū)能源供給體系，本文提出了一種以電能為中心的“綠色復(fù)合型能源網(wǎng)”（以下簡稱“能源網(wǎng)”）。能源網(wǎng)通過高效利用清潔、可再生能源，結(jié)合蓄冷、蓄熱、蓄電的能量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)園區(qū)能源的綜合供給，利用區(qū)域內(nèi)光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換、風(fēng)電轉(zhuǎn)換、地?zé)崮苻D(zhuǎn)換，為區(qū)域提供電能、制冷和熱能，實(shí)現(xiàn)多種可再生能源互補(bǔ)利用和優(yōu)化匹配，最終達(dá)到園區(qū)能源結(jié)構(gòu)由高碳轉(zhuǎn)向低碳、能源利用由粗放轉(zhuǎn)向集約、能源服務(wù)由單向供給轉(zhuǎn)向智能互動。能源網(wǎng)的建設(shè)將填補(bǔ)國網(wǎng)公司范圍內(nèi)園區(qū)以電能為基礎(chǔ)的綜合能源供給示范-程的空白，為以電能為基礎(chǔ)的能源服務(wù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、模式的制定提供重要支撐。
1 總體設(shè)計(jì)思路
1.1 總體設(shè)計(jì)
綠色復(fù)合型能源網(wǎng)以電能為中心，靈活接納兆瓦級多點(diǎn)接入分布式電源和其他多種能源形式，全面整合區(qū)域內(nèi)分布式能源，廣泛集成能量信息，實(shí)現(xiàn)多種能源協(xié)調(diào)控制和綜合能效管理，建成多點(diǎn)接入、網(wǎng)絡(luò)共享、需求感知的園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)，如圖1所示。
1.2能源網(wǎng)構(gòu)成
在利用智能電網(wǎng)智能控制及信息通信融合技術(shù)基礎(chǔ)上，通過整合區(qū)域內(nèi)能量流、信息流，建立一個新的能源管理方式，從生產(chǎn)、儲運(yùn)、控制、供給幾個層面構(gòu)建電網(wǎng)末端結(jié)構(gòu)，通過引入太陽能、地?zé)崮�、風(fēng)能等可再生能源，結(jié)合冷、熱、電等多種儲能形式進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，利用電能替代實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，通過有效協(xié)同控制策略和最優(yōu)化算法，達(dá)到園區(qū)綜合能源管理系統(tǒng)對分布式冷、熱、電能進(jìn)行監(jiān)控管理和合理調(diào)度．實(shí)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)多種能源的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
能源網(wǎng)通過電能的耦合作用，結(jié)合同區(qū)末端電網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)，利用園區(qū)太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉�，以清潔電能為能量補(bǔ)充．采用冰蓄冷空調(diào)、地源熱泵、儲能微網(wǎng)、太陽能空調(diào)和太陽能熱水等能源轉(zhuǎn)換器，通過運(yùn)行調(diào)控平臺綜合協(xié)調(diào)多種清潔能源之間、傳統(tǒng)能源與清潔能源之間的能源互補(bǔ)供應(yīng)，構(gòu)建冷、熱、熱水網(wǎng)源為園區(qū)提供制冷、供暖和生活熱水．同時，通過對電能的有效控制及調(diào)節(jié)各能量形式轉(zhuǎn)換、存儲，最終實(shí)現(xiàn)能量調(diào)度及滿足園區(qū)所有能源形式供需．如圖2所示．
1.3能源網(wǎng)特征
從規(guī)劃設(shè)計(jì)、能量優(yōu)化管理、協(xié)調(diào)控制技術(shù)等方面考慮能源網(wǎng)具有以下特征。
(1)安全性。對可再生能源發(fā)電的間歇性、波動性具有處理能力，全面的安全評估和分析能力，實(shí)現(xiàn)預(yù)防控制、故障隔離和系統(tǒng)自我恢復(fù)能力。
(2)融合性。具有大量可再生能源接納能力，適應(yīng)分布式電源、微電網(wǎng)、大容量電負(fù)荷需求的接入，能夠?qū)崿F(xiàn)能源需求與生產(chǎn)的高度匹配，滿足能源多樣化需求，并達(dá)到能源接納的冗余。
(3)復(fù)合型。具有多種冷熱電供能及儲能形式，滿足海量能源信息深度融合．實(shí)現(xiàn)多種能源協(xié)調(diào)控制和綜合能效管理。
(4)聯(lián)接性。利用能源集線器形式達(dá)到多種能源網(wǎng)絡(luò)共享，采用統(tǒng)一平臺的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化管理，實(shí)現(xiàn)能源網(wǎng)絡(luò)信息的高度集成．具有能源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。
2支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路
2.1 電源規(guī)劃設(shè)計(jì)
在電源規(guī)劃建設(shè)方面，考慮園區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求按照雙倍冗余方式設(shè)計(jì)，以達(dá)到2N-1水平，各分段母線開關(guān)手／自動聯(lián)絡(luò)處加監(jiān)測、控制裝置，當(dāng)一段母線故障或檢修時．投入分段開關(guān)及切斷部分負(fù)荷，以保證負(fù)荷分級后的重要負(fù)荷供電。同時，園區(qū)因地制宜的大量接入清潔分布式電源（風(fēng)機(jī)、光伏、地?zé)�、生物質(zhì)），作為電網(wǎng)集中供電的有益補(bǔ)充．由于大規(guī)模接人分布式電源．在繼電保護(hù)上不僅選擇傳統(tǒng)定時限三相過流、速斷、單相接地保護(hù)、零序電流和溫度保護(hù)等常規(guī)保護(hù)方式，還需要兼顧分布式電源接人后對配用電網(wǎng)的沖擊，通過研制分布式電源即插即用裝置,利用故障定位、新能源啟停監(jiān)測、仿孤島保護(hù)、并網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、配電網(wǎng)可靠性保證等功能，有效減少分布式電源對配電網(wǎng)沖擊作用。同時通過合理建設(shè)配用電網(wǎng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、繼電保護(hù)、控制開關(guān)等裝置，在監(jiān)測、判斷、控制基礎(chǔ)上，利用智
能化手段實(shí)現(xiàn)配用電網(wǎng)自動化、互動化，實(shí)現(xiàn)園區(qū)配用電網(wǎng)的安全可靠及智能化需求。
2,2 能源轉(zhuǎn)換器規(guī)劃設(shè)計(jì)
在冷源建設(shè)方面，利用并聯(lián)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，通過能源協(xié)調(diào)控制器集成常規(guī)冷水機(jī)組、地源熱泵系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)，利用設(shè)備間有效組合及需求側(cè)負(fù)荷特征，實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行�？紤]到客服中心24 h不問斷丁作常態(tài)，冷源利用合理的調(diào)控原則，通過改變各系統(tǒng)出力，實(shí)現(xiàn)同區(qū)最優(yōu)化冷源供給。在熱源制熱方面，通過地源熱泵和蓄熱電鍋爐系統(tǒng)并聯(lián)，地源熱泵制熱量和消耗的電功率之間的平均比值高于4.0，冬季供熱時，大地作為熱泵機(jī)組的低溫?zé)嵩�，通過地埋管獲取土壤熱量為室內(nèi)供熱，當(dāng)?shù)卦礋岜霉崃窟_(dá)不到室內(nèi)供熱溫度時啟動蓄熱式電鍋爐供熱。園區(qū)能源調(diào)控通常分為經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)準(zhǔn)則、綠色節(jié)能最優(yōu)準(zhǔn)則、能源利用效率最優(yōu)準(zhǔn)則、綜合策略最優(yōu)準(zhǔn)則，利用能源協(xié)調(diào)控制器將調(diào)度命令下達(dá)至每一臺機(jī)組，同時．利用電能有效控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有序切換，如圖3所示，
在儲能系統(tǒng)接入方面，合理配置液流、鋰離子和鉛酸蓄電池構(gòu)成大容量混合儲能系統(tǒng)，并以儲能系統(tǒng)配合移動發(fā)電車作為重要負(fù)荷應(yīng)急電源。既能保障能源供應(yīng)安全，又能實(shí)現(xiàn)削峰填谷的運(yùn)行模式，提高運(yùn)行穩(wěn)定性，能源網(wǎng)儲能系統(tǒng)進(jìn)行平抑光伏發(fā)電功率波動，并存儲光伏發(fā)電盈余電能，同時在能源網(wǎng)負(fù)荷較低時，分布式光伏發(fā)電處于高滲透率情況下提供穩(wěn)定供電可靠性，能源網(wǎng)儲能系統(tǒng)可在負(fù)荷較低時充電、負(fù)荷高峰時放電．實(shí)現(xiàn)削峰填谷及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，系統(tǒng)還需搭建BMS管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對整個儲能系統(tǒng)安全運(yùn)行、系統(tǒng)控制、充放電容量維護(hù)、充電模式等策略的選擇。
3能源網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控平臺設(shè)計(jì)
能源網(wǎng)調(diào)控平臺（以下簡稱“調(diào)控平臺”）主要根據(jù)各子系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)、冷熱電、熱水負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)、太陽能光伏發(fā)電、太陽能空調(diào)／熱水預(yù)測數(shù)據(jù)等信息，對園區(qū)內(nèi)冷熱電、熱水能源進(jìn)行綜合分析判斷，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)、碳排放最優(yōu)、最高能源利用率、綜合應(yīng)用策略等調(diào)度原則，形成能源生產(chǎn)配比計(jì)劃，并將控制指令下發(fā)到各子系統(tǒng)執(zhí)行。
3.1 調(diào)控平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
能源網(wǎng)由調(diào)控平臺+子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)采用多代理模式，實(shí)現(xiàn)園區(qū)范圍內(nèi)電、熱、冷多種能源綜合優(yōu)化調(diào)度和控制，實(shí)現(xiàn)園區(qū)綠色能源網(wǎng)實(shí)時監(jiān)測控制．實(shí)現(xiàn)綠色能源網(wǎng)動態(tài)組網(wǎng)自動監(jiān)測和控制，調(diào)控平臺作為能源網(wǎng)的大腦，利用通信信息網(wǎng)絡(luò)作為能源網(wǎng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)能源信息共享，利用配電網(wǎng)、冷熱管道作為能源傳輸血管實(shí)現(xiàn)能量優(yōu)化傳輸，實(shí)現(xiàn)對能源全生命周期監(jiān)測管理及優(yōu)化調(diào)度，圖4所示為園區(qū)能源網(wǎng)邏輯結(jié)構(gòu)圖。
能源網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控平臺具有在線監(jiān)測、優(yōu)化調(diào)控、運(yùn)行維護(hù)、指標(biāo)管理、系統(tǒng)管理五大功能。在線監(jiān)測實(shí)現(xiàn)包含冷熱電及生活熱水能源系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測、故障報(bào)警及能源系統(tǒng)運(yùn)行工況的三維監(jiān)測：優(yōu)化調(diào)控包含預(yù)測管理、配比管理及調(diào)控管理：運(yùn)行維護(hù)包含設(shè)備管理、檢維修管理、巡檢管理、安全生產(chǎn)培訓(xùn)；指標(biāo)管理包含綜合指標(biāo)管理、子系統(tǒng)指標(biāo)管理及運(yùn)維指標(biāo)管理：系統(tǒng)管理包含用戶權(quán)限管理、數(shù)據(jù)集成管理、通信集成管理、報(bào)表管理。能源網(wǎng)調(diào)控平臺通過上述五大功能體系實(shí)現(xiàn)能源及能源系統(tǒng)的全生命周期管理。
3.2 能源網(wǎng)調(diào)控平臺能源調(diào)控流程
能源網(wǎng)調(diào)控流程整體分為優(yōu)化配比、協(xié)調(diào)控制、就地控制三級應(yīng)用策略。
3.2.1 優(yōu)化配比。
調(diào)控平臺根據(jù)樓宇需求側(cè)的冷、熱、電、熱水每日預(yù)測負(fù)荷數(shù)據(jù)，同時進(jìn)行能源生產(chǎn)預(yù)測，然后根據(jù)需求和生產(chǎn)情況，選擇優(yōu)化配比原則，通過配比算法，得到生產(chǎn)配比計(jì)劃．并將計(jì)劃下發(fā)給協(xié)調(diào)控制層，協(xié)調(diào)控制層將配比指令解析．并根據(jù)各能源子系統(tǒng)的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，做一些實(shí)時優(yōu)化，再將指令下發(fā)給各子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)完成指令的執(zhí)行。在冷負(fù)荷預(yù)測方面．平臺基于GA-BP（遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）綜合算法預(yù)測整體系統(tǒng)第2日冷負(fù)荷需量，結(jié)合各系統(tǒng)第2日運(yùn)行情況（是否有故障、檢修）．綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及能源配比準(zhǔn)則（綠色運(yùn)行準(zhǔn)則、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行準(zhǔn)則等）制定配比策略。
整體配比策略要按照1 h為配比周期，按照冷負(fù)荷需量及設(shè)備運(yùn)行情況下達(dá)．綜合考慮園區(qū)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行冷量基線，結(jié)合其他因素進(jìn)行分析，如圖5所示。
基于整體冷源調(diào)控策略，分析園區(qū)整體系統(tǒng)運(yùn)行情況，綜合考慮機(jī)組啟動將會對電網(wǎng)帶來反彈負(fù)荷．且反彈負(fù)荷的大小取決于機(jī)組本身的特性及空調(diào)停運(yùn)時間的長短，如式(1)。同時分析影響機(jī)組運(yùn)行基線條件因子，得出運(yùn)行削減量。
式中：Lnew為冷源系統(tǒng)下一時段電力負(fù)荷曲線；Lold.kt為冷源系統(tǒng)當(dāng)前電力負(fù)荷曲線；LDIC.kt為制定的運(yùn)行控制策略：LPB．kt為冷源系統(tǒng)電力反彈負(fù)荷。
并根據(jù)控制邏輯可以分析得到基于電力耦合的機(jī)組運(yùn)行曲線。
式中：Tw為氣候影響因子空調(diào)負(fù)荷波動量；Rp為人員密度空調(diào)負(fù)荷影響量；Qq為熱工特性空調(diào)負(fù)荷影響量；fk（W）為空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷基線函數(shù)；Av為空調(diào)負(fù)荷初始量。
3.2.2協(xié)調(diào)控制
協(xié)調(diào)控制層包含電力能源協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制器、集中式供冷／熱系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制器、分散式供冷／熱系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制器。一方面作為通信通道，負(fù)責(zé)將頂層運(yùn)行調(diào)控系統(tǒng)的控制調(diào)度命令下發(fā)到各就地控制系統(tǒng)內(nèi)，并將子系統(tǒng)的運(yùn)行情況上傳到運(yùn)行調(diào)控系統(tǒng)，且保證通信規(guī)約的一致性：另一方面利用非侵入式自學(xué)習(xí)計(jì)算方法．將空調(diào)運(yùn)行情況進(jìn)行自適應(yīng)模擬，分析不同運(yùn)行策略對單個子系統(tǒng)運(yùn)行的影響，并將分析情況以數(shù)據(jù)修正形式反映到優(yōu)化配比策略當(dāng)中。如圖6所示。
Case 1：處于電價低谷時，選擇冰蓄冷系統(tǒng)蓄冰并用電源熱泵和常規(guī)冷水機(jī)組供冷負(fù)荷。地源熱泵3 583.08 kW,常規(guī)冷水機(jī)組2 242.82 kW。
Case 2：處于電價平價時，選擇冰蓄冷融冰+冷水機(jī)組、地源熱泵、常規(guī)冷水機(jī)組供冷負(fù)荷。雙工況機(jī)組編號1．制冷1 542 kW+融冰3 517 kW,地源熱泵3 583.08 kW,冷水機(jī)組6 330.42 kW。
Case 3：處于電價峰值時，并且蓄冰量為零，選擇雙工況冷水機(jī)組、地源熱泵、常規(guī)冷水機(jī)組供冷負(fù)荷。雙工況機(jī)組編號1．制冷3 163.83 kW;編號2．制冷2 535.07 kW,地源熱泵3 583.08 kW,冷水機(jī)組6 330.42 kW。
3.2.3就地控制
就地控制層包括太陽能光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能空調(diào)系統(tǒng)、蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)、市政熱網(wǎng)、太陽能熱水系統(tǒng)，根據(jù)各個協(xié)調(diào)控制器具體下發(fā)的指令進(jìn)行各自的工藝流程運(yùn)行。
4結(jié)語
本文說明了能源網(wǎng)的整體規(guī)劃設(shè)計(jì)，能源網(wǎng)通過感知用戶的用能需求，從而合理調(diào)度能源生產(chǎn)．實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與需求的互動。一方面，通過調(diào)控平臺的優(yōu)化配比與調(diào)度，達(dá)到不同時段能源生產(chǎn)與需求的高度匹配，實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)從單向接收、模式單一的用能方式，向互動、靈活的智能化方式轉(zhuǎn)變：另一方面，促使電力營銷模式從常規(guī)售電向滿足大型園區(qū)能源的綜合服務(wù)提供方向發(fā)展，提高了用戶側(cè)用能服務(wù)體驗(yàn)。同時，項(xiàng)目的建設(shè)將形成以電能為基礎(chǔ)的區(qū)域能源綜合提供服務(wù)模式．將為國網(wǎng)公司區(qū)域內(nèi)建設(shè)類似生態(tài)園區(qū)的冷熱電綜合能源供應(yīng)提供豐富的參考經(jīng)驗(yàn)。
5摘要：大氣污染防治已迫在眉睫，清潔能源的綜合高效利用越來越受到重視。國網(wǎng)客服中心南北園區(qū)根據(jù)建設(shè)規(guī)劃和能源實(shí)際需求建立了以電能為基礎(chǔ)的能源供給體系。依據(jù)國網(wǎng)客服中心南北園區(qū)能源供給體系．提出了一種以電能為中心的“綠色復(fù)合型能源網(wǎng)”。綠色復(fù)合型能源網(wǎng)從冷、熱、電等孤立系統(tǒng)整合為利用電能為標(biāo)識能源的流動網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對區(qū)域內(nèi)能源生產(chǎn)、儲運(yùn)、供給、控制4個環(huán)節(jié)及全生命周期進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行及綜合能效管理：能源網(wǎng)系統(tǒng)以能源高效利用為基準(zhǔn)，以能源供需雙向互動為目標(biāo)，以電能為中心，依靠以智能電網(wǎng)技術(shù)為支撐的含多種分布式能源相結(jié)合的能源網(wǎng)絡(luò)，通過能量控制、能效優(yōu)化等技術(shù)．實(shí)現(xiàn)了園區(qū)內(nèi)不同類型、不同品質(zhì)的能源高質(zhì)量供應(yīng)和對能源供需的高效率利用。
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