基于HOMER的智慧能源系統規劃設計
——以高速公路收費站為例

劉 偉 ， 郭甲生 ， 唐喜慶 ， 蔣 明

（1.航天智慧能源研究院，上海 201201；2.上海航天能源股份有限公司，上海 201201）

0 引言

智慧能源是一種先進的用能系統，它包含分布式天然氣、風光儲可再生能源和余熱余壓利用技術等多種能源利用方式，具有高效、清潔、安全的特點，在多種場景得到了廣泛應用。文獻[1-5]研究了分布式能源在酒店、醫院建筑、數據中心、高鐵火車站、獨立性海島中的規劃設計和應用。隨著智慧能源理念的不斷深入，越來越多的領域開始引入智慧能源系統。智慧能源的規劃設計已經成為國內外專家學者關注的重點。文獻[6]采用設計流程的方法對多能互補綜合能源系統進行了設計和優化。文獻[7-8]采用混合整數非線性規劃的方法分別對城市三聯供、微燃機與熱泵耦合系統進行了規劃設計。

HOMER是由NREL（美國國家可再生能源實驗室）研發的用于分析電力系統的軟件[9]。該軟件因具有強大的仿真、優化功能，在國內外得到了廣泛應用。如文獻[10-14]采用HOMER軟件分別對太陽能混合發電系統、并離網微網系統進行了設計、仿真、能量管理控制策略和工程管理等方面的研究。目前，雖然有關智慧能源規劃設計的研究文獻很多，但是綜合考慮風、光資源的有效獲取，進行系統全年8 760 h運行工況的仿真，開展多能互補能源系統運行策略的集成規劃卻鮮有報道。本文首次關注智慧能源在高速收費站（含收費管理區）的應用，在關注系統方案設計的同時，對多能互補智慧能源系統的運行策略進行了深入研究。以山東某高速收費站為例，基于HOMER軟件對收費站智慧能源系統進行了規劃設計和運行策略研究。研究結果表明，該系統有著良好的社會效益和經濟效益，具有一定的推廣應用價值。

1 項目概況

近年來，隨著我國高速公路的快速發展，配套收費站也越來越多。收費站雖然單體面積較小，但數量龐大且長年保持全天候工作，能耗巨大[15]。智慧能源是一種多能互補、清潔環保的用能系統，主要包括光伏、風機、儲能以及燃氣三聯供，可以滿足冷、熱、電多種用能需求。將智慧能源應用于高速公路收費站可以保障電力供應，減少一次能源消耗，節約用能成本。

目前，山東某收費站用電從收費管理處10/0.4 kV變壓器接入，變壓器容量為400 kVA。另外，收費管理處配備1臺250 kW柴油發電機，以滿足應急用電需求。2017年該收費站月用電量統計及電費如表1所示，其中，7月、8月數據缺失，按照9月數據估算。收費站年用電量約58.39萬kWh，電費40.97萬元（當地電價如表2所示）。

表1 收費站電量及電費逐月統計

項目所在地年平均日照為2 728.5 h左右，年光照輻射強度達5 103.15 MJ/m2，年等效可用小時數在1 407 h左右，屬于太陽能資源較為豐富地區。擬建設智慧能源項目，以滿足收費站電、熱負荷需求，同時減少收費站電費支出，緩解地區用能緊張、環境污染嚴重的問題。

表2 收費站峰、平、谷電價和時間表

2 用能負荷模擬

收費站主要用電負荷包括收費亭冷暖負荷、頂棚燈、道路閘機、攝像機和管理區辦公用電。收費站24 h有人值班，有生活熱水負荷需求。采用HOMER軟件進行8 760 h負荷模擬，得到典型日模擬結果如圖1、圖2所示。

圖1 典型日電負荷模擬

圖2 典型日熱水負荷模擬

HOMER軟件優勢明顯，可以方便地訪問自然資源數據庫，獲取項目當地氣象數據；靈活建立包含風、光、儲能、儲氫、發電設備模塊的微網；以NPC（凈現值）為優化目標，通過窮舉法，遍歷所有的可能方案，測算不同技術方案的可行性以及經濟效益并排序。用戶也可以選擇HOMER軟件的優化求解器設置優化上下限，軟件自動通過迭代給出優化方案（HOMER設計流程見圖3）。

圖3 HOMER設計流程

3 智慧能源系統方案設計

智慧能源綜合考慮了可再生能源、儲能系統和熱電聯供系統的集成應用，智慧能源拓撲結構如圖4所示，方案設計主要有以下特點：

（1）盡可能多采用可再生能源，增加用能系統可再生能源比例。

（2）采用內燃機聯供技術，通過實現能量的梯級利用，提高系統的能源利用效率。

（3）采用儲能電池，存儲多余的電量，避免能源浪費。

圖4 智慧能源拓撲結構

智慧能源系統方案優化范圍如表3所示，方案優化結果如表4所示。光伏容量70 kW，燃氣三聯供1 kW，儲能10 kWh。沒有安裝風機的主要原因是：當地風速大部分時間低于5 m/s，低于風機的最低出力風速；另外，夜間谷段電價低，安裝風機沒有經濟效益。

4 智慧能源系統運行分析

智慧能源系統典型日運行策略如圖5所示。在夜間谷段電價時間，CHP系統停運，電、熱負荷需求通過市電和燃氣熱水器來滿足；在白天，系統優先使用光伏發電，如果光伏不能滿足負荷需求，不足部分通過電池、CHP、市電來滿足。

表3 智慧能源設備優化范圍

表4 收費站智慧能源系統方案主要指標

圖5 智慧能源運行策略

圖6 智慧能源電力供應平衡

圖7 智慧能源熱水供應平衡

典型日電、熱供應如圖6、圖7所示。由圖6可知，在11:00光伏發電大于負荷需求，此時儲能電池進行充電，在12:00進行釋放；在13:00進行充電，而在14:00電池因充滿而出現棄電現象；在16:00進行釋放。由圖7可知，由于收費站熱負荷需求小，而HOMER設備庫中只有CHP模塊+燃氣熱水器補充作為供熱設備，氣價為2.6元/m3，燃氣發電燃料成本約為0.65元/kWh，低于市電平段電價0.749元/kWh。因此內燃機在白天即使余熱浪費，仍是滿負荷運行，如9:00、10:00、17:00-23:00。

5 結論

本文基于HOMER軟件，綜合考慮了全年風、光資源以及負荷模擬、運行策略等因素，對某高速收費站進行了多能互補智慧能源系統集成規劃和運行策略研究，研究結果表明：

（1）為收費站建設 1套“1 kW 內燃機CHP+10 kWh鋰電池+70 kW光伏”的智慧能源系統，每年光伏發電量107 890 kWh，經濟效益7.2萬元，節約標煤33.4 t，經濟效益良好。

（2）典型日的運行策略充分考慮了儲能電池對可再生能源的優先消納，通過CHP運行實現經濟效益。項目當地燃氣價格相對較低，燃氣發電燃料成本約為0.65元/kWh，低于平段電價0.749元/kWh。從經濟效益角度出發，內燃機在白天會存在余熱直接排空的現象。

（3）HOMER在可再生能源規劃設計方面優勢明顯，可以方便地訪問自然資源數據庫，獲取項目當地氣象數據，靈活建立包含風、光、儲能、CHP發電設備模塊的智慧能源系統。但是軟件也存在一些缺點，如沒有考慮熱力系統的熱慣性，缺少儲熱、蓄冷設備模塊。因此，如何綜合考慮這些問題并對智慧能源系統進行更加精準的規劃設計，是一個值得深入研究的問題。