智慧能源微網系統能源供應設計探索

王學奎 劉金永

摘? 要：智慧能源微網是解決區(qū)域內能源供應的發(fā)展趨勢，根據區(qū)域內能源需求，建立能源供應系統是智慧能源微網的基礎。區(qū)域內對能源的要求并非單一，而是電、冷、熱、氣等多種能源，而這些能源的供應和轉化往往存在一種交集，使得能源微網建設成為可能。能源微網面向人員密集區(qū)，電力資源一般通過分布式天然氣發(fā)電與主電網相結合供應，天然氣發(fā)電的同時可以提供熱能，溴化鋰空調可以利用燃機排放的熱量發(fā)電。再結合電力供應分峰谷效應，將蓄電、蓄冷、蓄熱綜合應用，構建了智慧能源微網系統的能源供應結構圖，提高了能源利用率，實現了節(jié)能減排。

關鍵詞：能源微網;燃機;太陽能;蓄冷;節(jié)能

中圖分類號：TK01+9 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）16-0089-03

Abstract： Smart Energy Micro-grid is the development trend of solving energy supply in the region. Establishing energy supply system is the basis of smart energy micro-grid according to regional energy demand. The demand for energy in the region is no single， but many kinds of energy， such as electricity， cold， heat， gas， etc. The supply and transformation of these energy resources often have an intersection， which makes the construction of energy micro-grid possible. Energy micro-grid is oriented to people-intensive areas. Electric power resources are generally supplied through distributed natural gas power generation combined with the main power grid. Natural gas power generation can provide heat at the same time. Lithium bromide air conditioner can generate electricity by utilizing the heat discharged from gas turbine. Combined with the peak-valley effect of power supply， the energy supply structure of smart energy micro-grid system is constructed by the integrated application of storage， cold storage and heat storage， which improves the energy utilization rate and realizes energy saving and emission reduction.

Keywords： Smart Energy Micro-grid; gas turbine; solar energy; cool storage; energy conservation

前言

隨著人們對能源需求的增加，環(huán)境問題成為能源開發(fā)利用的重要阻礙，能源的有效利用和節(jié)能成為現在人們關注的重點，探究如何在環(huán)境友好的前提下提高能源使用率成為世界各國共同關注的主要問題[1]。建立區(qū)域能源循環(huán)利用，力求能源利用最大化，同時減少排放，建立友好環(huán)境，成為能源研究的一大目標。人們需求能源的多樣性，而能源的轉換存在著交集，所以建立能源互聯成為可能。隨著科學技術的發(fā)展，智慧能源微網的建設也提上日程。

能源互聯網是指信息通信，信息與能流的交互，綜合能源系統是能源微網的重要載體，強調的是能源的轉換、分配與有機協調[1]。構建綜合能源系統，打破各能源系統間原有的物理隔離，是提高能源利用效率以及系統運行經濟性的重要技術途徑[2，3]。綜合能源系統是多能互濟、能源梯級利用等理念實現應用的關鍵，目前國內對該領域相關研究尚處于初步階段，需要國家機構、能源供應商以及地方用戶的廣泛參與[4]。構建好智慧能源微網中綜合能源供應系統，才能更好地建設智慧能源互聯網。如何打破各種能源之間的物理隔離，成為綜合能源系統設計的首要問題。

1 智慧能源微網能源供應設計思路

探索智慧能源微網的建設，首先要了解人們對能源的需求形式，在微型能源供應系統中，比如居民小區(qū)、學校、醫(yī)院、辦公區(qū)等，這些場所對能源的需求，主要有電、冷、熱、氣等四種形式，以電力資源為主，冷和熱可以通過電力資源轉換。在建設智能能源微網系統時，主要考慮建設以智慧電網為基礎，以可再生能源、清潔能源為主體的多能源協調互補的能源互聯網。結合當前能源互聯網的應用，利用先進能源技術，通過綜合能源利用、多能互補集成優(yōu)化，實現智能電網、清潔能源、可再生能源、儲能以及節(jié)能設備等技術的綜合應用。

2 智慧能源微網能源供應關鍵技術

在智慧能源微網設計中，分析區(qū)域內能源形式，制定能源供應方案，搭建能源之間的互補邏輯，選擇相應的供應設備是系統設計中關鍵內容。

2.1 電力供應方案

智慧能源微網所建設的區(qū)域，主要為人員、建筑集中區(qū)，電力資源的供應主要考慮電力電網能源+分布式能源+清潔能源+蓄電池的供應方式。

分布式能源，主要指使用燃氣發(fā)電技術，具有較高的發(fā)電效率，對環(huán)境污染性小，同時還可以為區(qū)域提供燃氣和熱能[5]。當前清潔能源的主力是風力發(fā)電和太陽能發(fā)電，由于能源微網系統所建立的區(qū)域限制，不適合建設風力發(fā)電，主要采用光伏發(fā)電技術。蓄電池主要用來存儲多余電力，當電力供應不足時，為負荷提供電能。

2.1.1 燃氣發(fā)電技術

燃氣發(fā)電主要的設備是燃機，目前幾種較為常用的燃氣發(fā)電設備比較如表1所示[6]。

燃氣內燃機商業(yè)應用案例多，設備成熟可靠，單機容量在50kW-10000kW之間;燃氣輪機單機容量較大，較為成熟的設備單機容量均遠大于1000kW;微燃機單機容量較小，一般在350kW以下;燃料電池應用較少，相對成本更高。微網系統中，負荷較小，主要考慮使用燃氣內燃機和微燃機這兩種機型。

2.1.2 光伏發(fā)電技術

在微網內，電力供應采用交直流聯合供電系統，共同為建筑物提供電源。直流負載主要考慮三個部分：辦公樓所有區(qū)域的LED照明，辦公、餐廳、值班室、機房等，電動汽車充電柱。圖1是微網中一張光伏發(fā)電系統圖，當白天發(fā)電充足時，電能被儲存在儲能電池中，當夜晚或遇到陰雨天發(fā)電量小于用電時，儲能電池中儲存的能量將通過變換轉化為高壓直流電，通過穩(wěn)壓變換器為負載提供能量。當系統中太陽能發(fā)電和儲能系統都不足時，則轉換到燃氣發(fā)電機供電。此結構能夠保證用戶最大限度的使用太陽能產生的電能。

當直流電源為交流負荷供電時，必然要通過電力電子換流器，為使負荷換流器同樣模擬傳統同步電機的運行特性，參與電力系統調頻、調壓過程，提高系統的穩(wěn)定性，考慮采用虛擬同步機技術[7]，通過賦予變流裝置等效的轉動慣量、系統阻尼等同步發(fā)電機特性，可有效解決微網并離網無縫切換問題，提升電網接納分布式新能源能力，降低微網高投資成本儲能系統規(guī)模等。

2.2 供冷技術

供冷主要考慮兩種方式：制冷+蓄冷。制冷主要采用空調制冷，為提高能源利用效率，減少燃機排氣能量損耗，目前的空調制冷，可考慮溴化鋰空調[8]，其工作原理是：通過水在高真空下蒸發(fā)吸熱制冷，蒸發(fā)后的水蒸氣由溴化鋰吸收，變成溴化鋰溶液，需要通過外部熱量，將水和溴化鋰分開，燃機的余熱排氣系統可作為溴化鋰空調的熱源。

蓄冷是充分利用“峰、谷、平”電價差，在夜間低谷電價時段制冷，在高峰電價時段放冷使用，可全部或部分地轉移制冷設備的運行時間，從而能較大幅度地降低電網的高峰負荷、充填低谷負荷、進行移峰填谷。蓄冷主要有兩種方案：水蓄冷和冰蓄冷，水蓄冷技術可直接使用風機制冷，冰蓄冷可作為乙二醇的冷源，由乙二醇供冷器。

2.3 供熱技術

能源微網中的供熱可考慮空氣熱源泵+蓄熱技術。空氣源熱泵是由電動機驅動的，利用壓縮制冷循環(huán)工作原理，以環(huán)境空氣為冷（熱）源制取冷（熱）風或者冷（熱）水的設備，主要零部件包括用熱側換熱設備、熱源側換熱設備及壓縮機等。空氣源熱泵利用空氣中的熱量作為低溫熱源，經過傳統空調器中的冷凝器或蒸發(fā)器進行熱交換，然后通過循環(huán)系統，提取或釋放熱能，利用機組循環(huán)系統將能量轉移到建筑物內，滿足用戶對生活熱水、地暖或空調等需求。

2.4 節(jié)能技術

智慧能源微網系統，深入到每一個能源利用，在區(qū)域內的路燈設計中，可考慮風光互補路燈，白天陽光充足，風力發(fā)電、光伏發(fā)電源源不斷地給蓄電池充電，到夜間時，路燈用風和蓄電池供電，當電壓不足時，再投入配電網，由電網供電，充分利用了區(qū)域內的各種資源。

3 智慧能源微網能源供應綜合設計

結合上述關鍵技術問題，構建了能源供應結構圖，如圖2所示，其中實線為電力線路，點畫線為冷源回路，多段線為熱源回路。

該方案面向建筑終端用戶電、熱、冷、氣等多種用能需求，以天然氣分布式能源和主電網為基礎，融入了冷、熱能源耦合利用，實線了智慧能源微網中，多能協同供應和能源綜合梯級利用，實現了多能源的協調運行，促進高效、科學、安全用能，為能源的充分利用和減少節(jié)能減排都有很好的示范作用。

4 結束語

智慧能源微網以能源的綜合利用，提高效率和減少排出為主要任務，離不開能源的最優(yōu)規(guī)劃，在工程實際設計中，設備容量的選擇也很重要。建立智慧能源微網，離不開探索多能源協同供應模型和深入的分析設計，更離不開通信技術支持。文中分析了智慧能源微網中各個能源的關鍵技術，并給出了智慧能源微網中綜合能源供應結構圖，該圖能夠提高能源利用效率，提升能源供應可靠性。智慧能源微網的建設還需要更深入研究，建立能源利用分析機制，評估能源微網可靠性與風險等都是今后的重要工作。

參考文獻：

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