辦公園區(qū)微能源網(wǎng)系統(tǒng)集成及實(shí)踐

摘 要：介紹了位于某公司辦公園區(qū)的包括25 kWp光伏發(fā)電、盟固利160 kWh錳酸鋰動(dòng)力儲(chǔ)能梯次利用、30 kW燃?xì)鈨陕?lián)供、60 kW燃?xì)忮仩t以及負(fù)荷監(jiān)測與優(yōu)化的微能源網(wǎng)設(shè)計(jì)及集成案例，通過能源管理系統(tǒng)（EMS）可實(shí)現(xiàn)用能數(shù)據(jù)采集、多種能源系統(tǒng)的控制和優(yōu)化，通過數(shù)據(jù)采集形成用能行為畫像，可針對(duì)效益最大化、保供、假日模式等不同應(yīng)用場景采用相應(yīng)運(yùn)行模式進(jìn)行工作，以期達(dá)到功能性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。

關(guān)鍵詞：微能源網(wǎng);光伏;梯次利用電池;燃?xì)鈨陕?lián)供;多能互補(bǔ);運(yùn)行模式

0? ? 引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)、通信技術(shù)、多能耦合技術(shù)的不斷發(fā)展，在能源革命新思想“四個(gè)革命、一個(gè)合作”的引領(lǐng)下，能源互聯(lián)網(wǎng)、微電網(wǎng)不斷深入人心。在以“三型兩網(wǎng)”為核心的綜合能源服務(wù)浪潮引領(lǐng)下，通過對(duì)電力、天然氣、熱力等多種能源在源、荷、時(shí)、空多維度的集成優(yōu)化，打破能源技術(shù)壁壘和產(chǎn)業(yè)壁壘，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能源高效利用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比、環(huán)境友好型的微能源網(wǎng)，已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究方向和未來能源轉(zhuǎn)型的重要抓手，有很好的現(xiàn)實(shí)意義。

1? ? 系統(tǒng)集成前期調(diào)研

以在已有的3 000 m2辦公園區(qū)建設(shè)園區(qū)用能經(jīng)濟(jì)性和功能性相統(tǒng)一、可觀、可控性價(jià)比高的微能源網(wǎng)為目的，通過仔細(xì)分析園區(qū)用能類型、用能成本、用能曲線及可用分布式資源的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力、制冷、采暖等多種類型能源的經(jīng)濟(jì)控制和優(yōu)化利用。

1.1? ? 負(fù)荷分析及能源成本

（1）常規(guī)負(fù)荷：廚房電加熱廚具、電動(dòng)自行車充電亭、新能源車充電樁、室外高桿燈、屋頂亮化工程、電熱水器、室內(nèi)空調(diào)。

（2）可調(diào)節(jié)負(fù)荷：小型冷庫、電動(dòng)自行車充電亭、新能源車充電樁、辦公用中央空調(diào)（需要做改造）。

（3）關(guān)鍵負(fù)荷區(qū)域：會(huì)議室、檔案室以及獨(dú)立客房。

（4）電費(fèi)執(zhí)行峰谷商業(yè)電價(jià);燃?xì)赓M(fèi)：3.5元/m3;采暖費(fèi)：39.8元/m2。

系統(tǒng)初置參數(shù)如圖1所示。

1.2? ? 約束條件

（1）辦公樓位于市區(qū)，南面為低層民宅，晚間休息時(shí)間不允許有噪聲，噪聲需小于45 dB，安全要求較高。

（2）可用屋頂面積300 m2，相對(duì)狹小，部分屋頂采用光導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)節(jié)能使用，部分屋頂設(shè)置了無公害菜園，院落中有高大喬木——法桐樹，進(jìn)一步減少了分布式能源安裝面積。

（3）并網(wǎng)不上網(wǎng)的限制要求更好的有功功率控制。

（4）關(guān)鍵負(fù)荷如會(huì)議辦公室及冷藏室。

（5）成本預(yù)算限制及投入產(chǎn)出比。燃?xì)獍l(fā)電容量偏低，導(dǎo)致單位容量成本偏高;儲(chǔ)能技術(shù)商業(yè)化不足，成本偏高。

1.3? ? 功能需求

（1）通過削峰填谷獲得套差收益;

（2）采暖季節(jié)燃?xì)饴?lián)供系統(tǒng)效率不低于78%;

（3）可調(diào)負(fù)荷的時(shí)段調(diào)整;

（4）進(jìn)行負(fù)荷畫像，優(yōu)化負(fù)荷曲線，減少最大需量MD;

（5）分布式能源發(fā)電應(yīng)兼顧功能性和經(jīng)濟(jì)性;

（6）根據(jù)不同應(yīng)用場景確定不同的操作模式，保證在不同場景下的自動(dòng)控制。

1.4? ? 可利用資源分析

（1）屋頂面積不足300 m2，去除遮擋;

（2）燃?xì)夥植际娇衫每臻g30 m2，已安裝采暖終端;

（3）可用于安裝控制室和電池室12 m2;

（4）可用于控制室和顯示大屏25 m2;

（5）已經(jīng)積累的數(shù)據(jù)、可測量的負(fù)荷曲線;

（6）可進(jìn)行智能控制的中央空調(diào)、冷庫螺桿制冷機(jī)組、園區(qū)高桿燈以及充電設(shè)施。

1.5? ? 其他約束條件

（1）微能源網(wǎng)作為新鮮事物，相關(guān)部門沒有規(guī)定明確的流程，難以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆功率運(yùn)行;

（2）辦公園區(qū)原來沒有燃?xì)饨涌冢?fù)荷多為電力負(fù)荷，燃?xì)饨涌谛枰獏f(xié)調(diào)，燃?xì)庑枰獫M足安全要求;

（3）居民樓宇與實(shí)驗(yàn)室比較近，噪聲問題和排煙問題需要著重考慮。

2? ? 微能源網(wǎng)系統(tǒng)集成

經(jīng)充分分析，從收益模型來看，應(yīng)最大化地應(yīng)用光伏分布式電源，通過儲(chǔ)能進(jìn)行削峰填谷，降低最大需量MD，高負(fù)荷時(shí)段滿功率發(fā)電，利用余熱作采暖運(yùn)行;從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來看，要盡可能考慮多種不同分布式能源和不同用能屬性的負(fù)荷，為研究如何實(shí)現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、控五位一體的平臺(tái)創(chuàng)造條件，并借此研究各個(gè)子系統(tǒng)的耦合和優(yōu)化控制。經(jīng)充分考慮，確定了微能源網(wǎng)的系統(tǒng)組成，分別是能源控制系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、負(fù)荷采集系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能梯級(jí)利用、燃?xì)夥植际铰?lián)供及余熱補(bǔ)燃鍋爐。根據(jù)典型工作日負(fù)荷曲線的分析，最大負(fù)荷在11：00前后，該階段辦公園區(qū)工作用電、沿街門頭房營業(yè)用電、廚房做飯用電等多個(gè)負(fù)荷共同作用。負(fù)荷在夏季達(dá)到最大值142 kW，冬季典型日負(fù)荷最大值為89.8 kW。

2.1? ? 系統(tǒng)配置

系統(tǒng)為“并網(wǎng)不上網(wǎng)”交流母線型分布式系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，如果出現(xiàn)系統(tǒng)故障解列等異常情況，系統(tǒng)可自主進(jìn)行后續(xù)安全處理。各子系統(tǒng)統(tǒng)一受能源管理系統(tǒng)的協(xié)同及控制，系統(tǒng)由能源管理系統(tǒng)EMS、負(fù)荷監(jiān)控系統(tǒng)、光伏發(fā)電子系統(tǒng)、動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能子系統(tǒng)、燃?xì)鉄犭娐?lián)供及補(bǔ)燃采暖系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)圖如圖2所示。

2.2? ? 能源管理子系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)（以下簡稱EMS）作為系統(tǒng)控制單元，主要完成實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的收集、分析及優(yōu)化控制以及各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制，具有能流界面、運(yùn)行界面、子系統(tǒng)界面等多個(gè)界面，人機(jī)界面良好，多種模式可選。EMS是整個(gè)系統(tǒng)的核心和大腦部分，是實(shí)現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、控的智能單元。EMS布置在型號(hào)為E2000的主站上，該型號(hào)主站響應(yīng)時(shí)間≤2 ms，平均無故障時(shí)間大于6 000 h，可進(jìn)行熱冗余配置。此外，通過安裝安全隔離設(shè)備可以將數(shù)據(jù)有選擇、有區(qū)分地進(jìn)行Web發(fā)布。圖3為系統(tǒng)能流圖，直觀、清晰地顯示了能源流動(dòng)的大小和方向。

能源管理子系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的“大腦”，控制命令是否下發(fā)并且正確響應(yīng)需要回傳確認(rèn)，確認(rèn)命令是否執(zhí)行，并作出相應(yīng)響應(yīng)。除自身軟件具備故障處理機(jī)制外，還需要通過熱機(jī)冗余以及UPS等手段保證其可靠性和安全性。

2.3? ? 負(fù)荷監(jiān)控子系統(tǒng)

負(fù)荷用能采集子系統(tǒng)主要是通過對(duì)負(fù)荷的實(shí)時(shí)采集及運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)最佳工作模式的計(jì)算和正確響應(yīng)人機(jī)交互的命令。電力數(shù)據(jù)主要包含實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、功率因數(shù)數(shù)據(jù)等，使用DLT645協(xié)議，通過協(xié)議轉(zhuǎn)化模塊，采用專用RS485線纜進(jìn)行有線通信，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間小于100 ms，以保證數(shù)據(jù)采集的及時(shí)準(zhǔn)確。圖4是各個(gè)區(qū)域電度表的拓?fù)鋱D，將不同區(qū)域的表計(jì)數(shù)據(jù)作相關(guān)統(tǒng)計(jì)，能實(shí)時(shí)看到各個(gè)負(fù)荷當(dāng)前的運(yùn)行情況，為負(fù)荷預(yù)測和源荷平衡控制等提供了數(shù)據(jù)支撐。

受辦公園區(qū)限制，經(jīng)分析，可利用的負(fù)荷確定為會(huì)議室中央空調(diào)（6匹）、慢充充電樁（7 kW）、電動(dòng)自行車棚充電區(qū)域20部電動(dòng)自行車的充電和8燈頭×60 W廣場高桿燈。可控負(fù)荷的選擇可為負(fù)荷平衡起到重要作用，為負(fù)荷時(shí)移提供了基礎(chǔ)條件。

系統(tǒng)將核心團(tuán)隊(duì)辦公室以及食堂用能作為關(guān)鍵負(fù)荷，不允許出現(xiàn)斷電或者長時(shí)間停電的情況。

可控負(fù)荷的使用需進(jìn)行改造，主要包括兩部分：一是對(duì)含有智能控制器且響應(yīng)控制命令的機(jī)組（如冷庫用螺桿機(jī)組）進(jìn)行通信調(diào)試或智能化改造（中央空調(diào)機(jī)組控制器），一般需要機(jī)組廠家的技術(shù)配合，以充分了解數(shù)據(jù)點(diǎn)表、響應(yīng)能力以及通信協(xié)議或干接點(diǎn);二是對(duì)開斷類建議負(fù)荷，將負(fù)荷配電柜的開關(guān)替換成接觸器或智能斷路器，通信可以采用Lora無線或干濕接點(diǎn)有線控制。

2.4? ? 光伏發(fā)電子系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，發(fā)電過程無噪聲，無廢水和廢渣。光伏系統(tǒng)用于商業(yè)用電具有較好的收益，應(yīng)利用可用空間最大化利用高效光伏系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場勘測，考慮遮擋因素，使用1組英利熊貓系列最新高效285 Wp雙玻雙面光伏組件，背面增益10%;2組高效單玻單晶組件290 Wp電池板，光伏適當(dāng)架高，保證背面反射率，基礎(chǔ)屋頂作增大反射率處理以保證最大發(fā)電量，同時(shí)作對(duì)比。總?cè)萘繛?5 kWp，逆變器采用自取電多MPPT華為逆變器30KTL，為了配合系統(tǒng)對(duì)光伏單元的有功控制，采用配套專用通信管理機(jī)進(jìn)行通信。光伏系統(tǒng)運(yùn)行圖如圖5所示。

特別需要注意遮擋對(duì)光伏子系統(tǒng)不成比例的影響。在屋頂設(shè)置光伏時(shí)，一般冬至日09：00—15：00不對(duì)電池板產(chǎn)生遮擋，特殊情況下，可通過MPPT（最佳功率點(diǎn)跟蹤）的組串設(shè)置規(guī)避影響。采用雙玻雙面電池時(shí)，支架設(shè)置需要考慮光伏支架對(duì)散射光的影響，不合理的設(shè)置可能使得背面發(fā)電部分實(shí)際損失超過50%。另外，通過對(duì)屋面層的不同處理可以進(jìn)行反射率實(shí)驗(yàn)。

2.5? ? 梯級(jí)利用儲(chǔ)能子系統(tǒng)

儲(chǔ)能子系統(tǒng)由采用50KTL的儲(chǔ)能變流器PCS、電池管理單元BMU、電池管理系統(tǒng)BMS和8組50 kW/160 kWh錳酸鋰動(dòng)力電池等組成。PCS在谷值時(shí)段以0.2C的充電電流進(jìn)行充電，白天尖峰時(shí)段和高峰時(shí)段以0.5C（0.2C～2C）進(jìn)行放電。錳酸鋰電池額定電壓為3.8 V，充放電閾值設(shè)定區(qū)間為2.5～4.25 V。除實(shí)現(xiàn)基本的峰谷套差外，還可以為會(huì)議室、關(guān)鍵區(qū)域辦公電腦和照明等關(guān)鍵負(fù)荷提供容量備用。考慮到成本，本次系統(tǒng)未考慮無縫切換的功能。梯次利用儲(chǔ)能單元運(yùn)行系統(tǒng)原理如圖6所示。

特別要注意：儲(chǔ)能子系統(tǒng)要保持良好的通風(fēng)和散熱條件，制定好電池單元級(jí)別及電池簇級(jí)溫度、過充、過放的安全控制策略。

在離網(wǎng)運(yùn)行模式下，需要匹配負(fù)荷啟動(dòng)或停止時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)負(fù)荷的控制策略，同時(shí)輔以管理要求。儲(chǔ)能變流器在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，處于V/F工作模式下，需要防孤島模塊保證安全性。

2.6? ? 燃?xì)饴?lián)供及補(bǔ)燃燃?xì)忮仩t

來自市政管網(wǎng)的氣源穩(wěn)定，氣壓在高峰用氣階段不低于1 800 Pa（18：30—20：00，與用電高峰重合），滿足內(nèi)燃機(jī)發(fā)電要求，發(fā)電功率30 kW，其余熱包含480 ℃煙氣、82 ℃冷卻水以及90 ℃潤滑油，通過工業(yè)板式換熱器為1 200 m2辦公室冬季采暖提供熱源或余熱。余熱功率經(jīng)測算約40 kW，考慮到建筑現(xiàn)有保溫結(jié)構(gòu)，設(shè)置60 kW余熱補(bǔ)燃鍋爐作為補(bǔ)充。圖7為燃?xì)獍l(fā)電—補(bǔ)燃鍋爐運(yùn)行系統(tǒng)圖。

燃?xì)獍l(fā)電負(fù)荷運(yùn)行的注意點(diǎn)：余熱利用會(huì)受壓運(yùn)行，余熱利用會(huì)降低發(fā)電效率1%～2%。滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，是系統(tǒng)效率最大的時(shí)刻。

余熱利用需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)流量得出最佳值，要盡量采用變頻泵，熱量表精度要滿足計(jì)量要求，采用渦街流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。熱水管要保證充滿水，不得有氣泡，施工工藝需滿足要求。

燃機(jī)的維護(hù)需要按照操作規(guī)程完成，潤滑油的加注、冷卻水的溫度跟蹤都將一定程度上影響運(yùn)行結(jié)果。

如果有力率考核，可以進(jìn)行無功補(bǔ)償。

3? ? 工作模式的設(shè)置

方案集成后，針對(duì)不同的工況，系統(tǒng)設(shè)置了如下工作模式：最大化收益模式、假期經(jīng)濟(jì)模式、保供電模式、需求側(cè)響應(yīng)模式。

最大化收益模式，顧名思義就是收益最大化，具有以下要求：

（1）最大化利用分布式光伏能源，防止棄電。

（2）最大化利用電儲(chǔ)能移峰填谷，梯次利用電池谷時(shí)充滿電（上限安全閾值4.25 V，下限安全閾值2.5 V），電價(jià)尖峰時(shí)段全部放電。

（3）燃機(jī)實(shí)現(xiàn)滿功率高效運(yùn)行。采暖季，燃機(jī)發(fā)電余熱聯(lián)供工作在滿功率;非采暖季則主要用于需量MD管理。

（4）負(fù)荷管理。充電電動(dòng)車錯(cuò)開用電高峰時(shí)段，減少充電成本;空調(diào)自動(dòng)限溫運(yùn)行，限時(shí)、移峰使用;螺桿制冷機(jī)組錯(cuò)峰運(yùn)行。

假期經(jīng)濟(jì)模式，是針對(duì)非工作日負(fù)荷出現(xiàn)較大差異，對(duì)負(fù)荷分析并綜合平衡后的控制策略，具有以下要求：

（1）并網(wǎng)不上網(wǎng)，光伏多余發(fā)電，儲(chǔ)電應(yīng)用，儲(chǔ)能充滿后限功率運(yùn)行，必要時(shí)棄光處理。

（2）燃機(jī)停運(yùn)。

（3）負(fù)荷分類。除關(guān)鍵負(fù)荷或關(guān)鍵區(qū)域外，空調(diào)停運(yùn);電動(dòng)自行車充電站停止運(yùn)行;高桿燈限功率、限時(shí)段運(yùn)行;可控螺桿機(jī)組大功率谷電應(yīng)用等。

保供電模式是針對(duì)特殊場合下的特殊訴求，如基于特殊時(shí)間，對(duì)重要客戶、重要活動(dòng)保證安全的應(yīng)對(duì)策略，可能會(huì)犧牲一些經(jīng)濟(jì)性，具有以下要求：

（1）儲(chǔ)能SOC不低于90%;

（2）燃機(jī)處于熱冗余狀態(tài)，采暖季補(bǔ)燃鍋爐全功率運(yùn)行;

（3）光伏投入有功功率處于可控狀態(tài)，多云天氣停發(fā);

（4）負(fù)荷控制，優(yōu)先保證關(guān)鍵負(fù)荷用電訴求。

需求側(cè)響應(yīng)模式是針對(duì)電力體制改革不斷演進(jìn)過程中，新產(chǎn)生的輔助服務(wù)要求或需求側(cè)響應(yīng)要求，如容量激勵(lì)、需量管理等明確需求，以產(chǎn)生增值的模式，是本平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)場景的預(yù)設(shè)開發(fā)。在實(shí)際運(yùn)行中，受容量、政策限制不具備實(shí)操此模式的條件。

這里要特別指出，針對(duì)不同的園區(qū)，如生產(chǎn)類、商務(wù)類和研發(fā)類的辦公園區(qū)控制策略將出現(xiàn)比較大的差異，關(guān)鍵在于負(fù)荷“畫像”以及對(duì)企業(yè)管理行為的把握。一成不變的控制策略不能適用于所有場合。

4? ? 系統(tǒng)效果分析

系統(tǒng)搭建完成后，開發(fā)了基于分布式控制的能源管理平臺(tái)，完成了整個(gè)系統(tǒng)的選型，子單元安裝、調(diào)試及運(yùn)行，做了大量功能性實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，針對(duì)不同模式實(shí)現(xiàn)了初期規(guī)劃的全部功能。以冬季采暖季為例，07：30—18：00（工作時(shí)間）開啟燃?xì)饴?lián)供，經(jīng)測算，效率達(dá)到74.3%，其中，發(fā)電效率為30.8%。燃?xì)獬杀緸?.5元/m3，燃?xì)鉄嶂翟? 400 kcal，可發(fā)電8 400×30.8%/860≈3.0 kWh，采暖換熱效率為33.5%，因?yàn)橐?guī)模偏小，保溫措施等還有待加強(qiáng)，發(fā)電效率和換熱效率仍有較大改善空間。光伏發(fā)電全部消納，每年1 Wp可發(fā)電在1.21 kWh，儲(chǔ)能部分谷電峰（尖）用，梯次利用電池成本約為正常電池的1/2，在低放電功率下，可循環(huán)利用1 500次以上，儲(chǔ)能度電成本在0.5元/kWh左右，未來將有更大的降價(jià)空間。

5? ? 結(jié)語

本文通過對(duì)園區(qū)微能源網(wǎng)的信息收集、功能分析、系統(tǒng)配置及選型、能源管理策略制定及開發(fā)到最終調(diào)試運(yùn)行并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的全過程的介紹展示了微能源網(wǎng)的產(chǎn)生過程。該微能源網(wǎng)系統(tǒng)采用分布式構(gòu)架，通過智能能源管理系統(tǒng)進(jìn)行各自主子系統(tǒng)的優(yōu)化管理，達(dá)到可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，是未來能源互聯(lián)網(wǎng)的智能單元;同時(shí)，對(duì)于在建筑上友好使用綠色能源，推動(dòng)能源產(chǎn)業(yè)革命方面，也具有很好的推廣意義和應(yīng)用價(jià)值。

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[8] 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司華東建筑設(shè)計(jì)研究總院.公共建筑綠色設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：DGJ 08-2143—2014[S].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2019.

收稿日期：2020-04-02

作者簡介：楊曉光（1987—），男，山東東營人，工程師，研究方向：新能源發(fā)電、微電網(wǎng)以及綜合能源服務(wù)。