多能互補分布式能源實驗平臺系統關鍵技術研究

周宇昊 ， 張海珍 ， 宋勝男

（1.華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030；2.浙江省蓄能與建筑節能技術重點實驗室，浙江 杭州 310030）

0 引言

國內在分布式能源領域起步較晚，分布式能源系統的研究處于初步階段，尚不成熟。而在國外分布式能源技術的科學研究已經很成熟，分布式能源裝機容量占發電總量的比例遠高于中國。這在相當程度上得益于國外具備眾多完備的分布式能源系統研究平臺。例如美國馬里蘭大學的分布式實驗平臺，采用裝機容量為250kW的微型燃氣輪機，系統效率達80%以上，提供學院綜合樓的冷、熱、電能源需要，同時滿足了科研要求，并將實驗平臺運行數據公示在校園網絡上。日本已建成多個具備實驗性質的分布式能源系統平臺，其中著名的如：千住智能能源網絡。該平臺不僅可以向周邊區域供電，還可以開展例如CGS余熱的熱源綜合控制實驗，研究太陽熱能和CGS余熱雙向供應的控制等技術[1,2]。

因此，在國內建設一整套功能完備的分布式能源系統實驗平臺是一個極具理論研究意義與工程實踐價值的項目。

1 多能互補實驗平臺系統組成

該實驗平臺是多能源互補的微網系統，由動力模塊、分布式光伏模塊、儲能模塊、余熱利用模塊、需求側模塊、地源熱泵試驗井、測試模塊等。實驗平臺共十二種運行工況，能源利用效率設計最高值超過90%、節能率達到25%。實現電力自發自用、智能控制、多余上網、余缺網補。

圖1 實驗平臺現場圖Fig.1 Laboratory platform scene map

1.1 原動機設備

多能互補示范項目原動機子系統安裝容量為315kW燃氣內燃機2臺，65kW燃氣輪機1臺。預留燃氣輪機與內燃機認證測試機位各1個，最大可測試容量為兆瓦級。原動機系統可以開展的實驗研究主要有原動機系統性能檢測、原動機系統認證實驗、變工況時原動機配置方案研究等。

1.2 余熱利用設備

余熱利用子系統是分布式能源系統中一個重要的組成部分，在分布式能源系統中，可以利用的主要的余熱類型有燃氣內燃機和燃氣輪機排放的高溫煙氣。利用這些高溫燃氣，可以對煙氣型吸收式機組提供熱源。同時也可以將這部分煙氣通入到余熱鍋爐內，將來流的水加熱為高溫蒸汽,利用獲得的蒸汽給吸收式機組提供熱源，同時也可以利用余熱鍋爐生產熱水，提供人們正常生活的熱水。

1臺煙氣熱水型溴化鋰制冷機、1臺蒸汽型溴化鋰制冷機、1套小型余熱鍋爐裝置。

1.3 蓄能設備

冰蓄冷、儲熱和電池儲能，并擁有移動蓄熱設備。采用硝酸鋰基熔鹽相變材料回收煙氣高溫熱量，采用十二水硫酸鋁鉀回收中低溫蒸汽熱量，采用自主研發的導熱塑料盤管蓄冰裝置用于冰蓄冷空調系統。

圖2 熔鹽蓄熱現場圖Fig.2 Field diagram of molten salt storage

圖3 熔鹽蓄熱器結構圖Fig.3 Structure of molten salt regenerator

1.4 可再生能源設備

系統設有300kW等級太陽能光伏等設備，并預留生物質燃料動力裝置和太陽能外燃機動力裝置基礎。

圖4 幕墻光伏Fig.4 Curtain wall photovoltaic

圖5 屋頂光伏Fig.5 Rooftop photovoltaics

1.5 區域能源智能管理系統

控制分布式電源的輸出功率和分布式負荷的保存運行數據供運行人員調用分析；實現冷、熱、電各種能源的綜合優化，以保證整個微網系統的經濟運行為目標，以滿足安全性、可靠性和供電質量要求為約束條件，對分布式發電供能系統的電源進行優化調度、合理分配出力，實現分布式能源微網系統的優化運行。

2 關鍵技術

2.1 多能互補分布式系統集成技術研究

建設完成MW級多能源互補的源網荷儲微能源網系統。由燃氣內燃機、微型燃氣輪機、分布式光伏等組成分布式電源；余熱利用的煙氣和蒸汽型制冷/制熱吸收式機組、地源熱泵等；儲能系統包含相變蓄熱、冰蓄冷、蓄電池等；供需一體化構成的微能源網，實時對供能側和用能側進行采集和反饋，進行系統優化運行；測試模塊可調模擬電負載和移動測試平臺；整個微能源網可實現并網、并網不上網、孤網等多模式運行，滿足用戶冷熱電多種能源動態負荷需求。

建立分布式能源系統的各子系統數學模型，為分布式能源系統的優化運行和配置提供模型基礎，利用數值計算軟件編寫優化計算程序，得到運行控制策略，并在實驗平臺上驗證。主要的開發和試驗內容：

（1）燃氣分布式能源系統中動力系統與儲能系統、煙氣余熱回收系統、信息控制系統耦合特性的數值模擬；

（2）采用數學模擬的方法，建立燃氣分布式能源系統各子系統的數學模型，在此基礎上建立分布式能源系統的集成優化模型，實現負荷分析、經濟計算和系統集成優化；

（3）修正各子系統數學模型，并將本項目的研究成果運用到國家能源局分布式研發中心試驗平臺的運行實踐中，在國內具有示范性和代表性。

2.2 多能互補分布式能源管理及微網技術研究

分布式微網和微能源網的研究技術主要是分布式電源技術、控制和策略技術、多能源互補集成技術、微網系統保護技術、微網能量分析和管理技術、微網仿真技術研究、微網性能和安全測試技術。項目開展多能互補分布式能源供需一體協同控制技術研究，擁有自主知識產權的多能互補分布式能源微網管理系統。區域能源智能管理系統通過對供能側和負荷側數據采集和監測，制定節能和優化運行控制策略，實現了冷熱電等多種能源產品的生產、輸送、儲存和使用的一體化控制。對園區負荷側和供給側動態數據監測和反饋，調節冷熱電聯供系統和儲能系統，實現能源供、需側的動態聯動調節和控制。

具體方法：對不同等級的用電負荷、不同的可再生能源、燃氣分布式能源、并蓄冷系統、并網設備等數據采集和監測，實現不同發電系統和負荷的數據統計、分析、計算，實時計算發電、用電、購電等指標，實現對可再生能源效率、區域電能質量、實時收入、累計負荷特性、節能效益的分析和統計，并提供節能和優化運行策略。

（1）區域能源智能監測管理系統

多能源協調管理系統根據氣、熱、電等能源行業的運轉情況，從系統安全運行、能源價值最大化、多能源交易準則和法規的角度對多種能源交易和能源資源配置進行協調管理，保障能源的安全高效供應以及能源網絡的健康發展。與分布式可再生能源發電、大容量儲能系統的接入實現了能源供用關系的靈活轉換，同時也形成了多元市場主體并通過能源交易平臺完成電能交易、可再生能源配額交易等業務。區域能源智能管理系統通過對不同等級的用電負荷、不同的可再生能源、燃氣分布式能源、并蓄冷系統、并網設備等數據采集和監測，實現不同發電系統和負荷的數據統計、分析、計算，實時計算發電、用電、購電等指標，實現對可再生能源效率、區域電能質量、實時收入、累計負荷特性、節能效益的分析和統計，并提供節能和優化運行策略。

互聯信息網絡通過在電網、燃氣網、熱網、負荷網、300kW光伏發電系統、儲能系統、冰蓄冷供能系統、700kW分布式電源系統等能源系統范圍內通過TCP/IP、RS485、MODBUS等通信協議，屋頂光伏數據采用光纜方式連接至實驗平臺，系統采集各種能源設備運行狀態及各能源系統的實時運轉狀況等海量信息，搭建能源管理和交易平臺。

（2）區域智能管理系統通過對園區一級負荷、二級負荷、三級負荷等分類監測和統計，實現能耗的集中管理。

圖6 園區負荷波動Fig.6 Park load fluctuation

（3）微網仿真：采用仿真軟件對不同分布式DG和儲能系統進行控制策略管理，測試研究控制策略和對微網的影響、微網保護測試對比和微網暫態運行測試。結合實際運行情況，進行測試和分析對比。微網能量管理系統對內燃機、鉛酸蓄電池儲能系統、鋰電池儲能系統、超級電容儲能系統控制策略的調節，得出不同分布式DG的控制策略和特點。在黑啟動試驗過程中，主要對內燃機和儲能系統進行黑啟動試驗，對啟動過程和運行狀態進行數據錄波分析，測試黑啟動DG能力和微網黑啟動時間。對比分析具有黑啟動能力DG特性、電壓、頻率、電能質量和黑啟動能力等。

（4）智能云管理和遠程監測平臺

智能云管理和遠程監測平臺是基于集控中心HP服務器云計算打造的面向未來能量管理需求的云端運維管理系統。云平臺包括設備負荷資源、云服務計算和分析、云管理幾個部分。設備負荷資源是對硬件資源、軟件資源、網絡資源以及數據資源的各類物理基礎設施的池化管理，對分布式能源的DCS數據、SCADA數據、離線數據等進行統一編碼處理并轉發，為狀態監測及故障診斷應用提供標準化數據，以提高設備利用率與簡化管理為目標，以預集成、標準化的云部署單元為單位進行部署于管理。

（5）柔性微能源網技術

建設柔性能源網絡，基于鉛酸蓄電池100kWh，鋰電池50kWh，超級電容50kW±15s、300kW光伏、30kW光儲系統、700kW分布式電源系統通過協調控制和管理供能，具有多種能源互補模式和運營方式，能源供給可以隨時根據需求側負荷進行變化，保證能源傳輸的靈活可控和安全穩定，建設接納高比例可再生能源、促進靈活互動用能行為和支持分布式能源交易的綜合能源微網。

2.3 新型高效蓄熱裝置及充放熱特性研究

根據“溫度對口、梯級利用”的原則，國內首次開展對分布式能源系統動力余熱進行分級儲能的應用實踐研究。研究高溫熔鹽蓄熱、中低溫移動蓄熱、以及冰蓄冷等蓄能技術，采用硝酸鋰基熔鹽相變材料回收煙氣高溫熱量，采用十二水硫酸鋁鉀回收中低溫蒸汽熱量，采用自主研發的導熱塑料盤管蓄冰裝置用于冰蓄冷空調系統。實現煙氣梯級相變回收利用，通過主動蓄能調控方法，改善系統全工況性能，提高能源利用效率和系統運行經濟性。

通過蓄熱器不同截面的不同時間溫度分布云圖和液相率分布云圖對比分析可知，蓄熱器內每根封裝管中都是靠近外壁處的PCM先開始溫度變化，并逐漸向管中心靠近。隨著時間推移，靠近導熱油的PCM溫度越來越接近相變溫度直至凝固，此時PCM區域和導熱油區域溫度場云圖顯示區別越來越大。針對蓄熱器設計的容量，驗證了裝置3小時后仍能滿足系統供熱要求。在此模擬基礎上，開發出熔鹽蓄熱器和移動蓄熱器。

2.4 分布式能源多目標分層監測評估技術研究

在線監測各設備運行參數，圍繞“量”、“質”、“環境性”、“可靠性”、“經濟性”、“可持續性”等子目標建立分布式能源系統的多目標綜合評價體系[3-5]。

圖7 蓄熱器內溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution nephogram in regenerator

圖8 蓄熱器內液相率分布云圖Fig.8 The accumulator in liquid fraction distribution

圖9 蓄熱器內部測點溫度變化曲線Fig.9 Temperature variation curve of measuring point in regenerator

圖10 蓄熱器液相率變化曲線Fig.10 The accumulator liquid fraction curve

開展分布式供能系統性能考核和測試評估方法研究；建立分布式能源系統多目標評價模型；構建分布式能源系統評估標準體系建設。

圖11 分布式能源評估體系Fig.11 Distributed energy assessment system

3 結論

建設完成國家級分布式能源研發中心，開展多能互補分布式能源關鍵技術與實驗平臺研究及應用技術，完成具有自主知識產權的多能互補分布式能源技術集成、測試、驗證平臺建設，為分布式能源示范工程提供技術方案和技術支持，具有良好的示范效果和應用推廣價值。

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