工業園區綜合能源服務方案配置方法研究（二）

趙林坤，雷 鳴，伍濟開，譚煒東，楊松坤

（1.國網湖南省電力有限公司 長沙供電分公司，湖南 長沙 410000；2.天地電研（北京）科技有限公司，北京 100083）

0 引 言

在《工業園區綜合能源服務方案配置方法研究（一）》文中，作者將工業園區企業分為4類，并給出了其中兩類企業的綜合能源服務方案配置方法[1]。在前文基礎上，本文將給出剩余重質量、問題多型企業和多冷熱、未利用型企業的綜合能源服務方案配置方法，并結合企業做出實例分析。

對于園區而言，若僅僅給出單個企業的綜合能源服務方案，各企業能源系統各自為政，則難以實現園區能源、資金以及設備的最大化利用，用戶和服務商均難以獲取最大收益。因此必須過各種數據采集裝置和信息處理中心平臺進行協同優化，實現電、氣以及熱的協同互補，階梯利用，將園區各企業形成整體的區域綜合能源系統（Regional Integrated Energy System，RIES），從而提高能源利用效率和供能靈活性[2-3]。要想實現這些功能，必須在區域中建設多能協調控制系統[4]。在此將結合實際工業園區的綜合能源服務方案與園區企業實際特征，給出一般工業園區適宜建設的園區綜合能源調度管控系統。

1 工業園區綜合能源服務方案配置方法

1.1 重質量、問題多型企業

結合具有該特征用戶的用能特性和特殊需求，設計符合該類型企業的綜合能源服務方案。方案具體包括儲能系統、用戶電能質量治理以及移動式儲能裝置租賃，此外還可以結合企業實際情況自主選擇其他合理方案。

1.1.1 儲能系統方案配置

由于具有該特征用戶的主要訴求集中在電能質量方面，因此在配置這類企業綜合能源服務方案時，必須著重解決企業內的電能質量問題。儲能系統配置過程如圖1所示，將儲能系統配置過程分為3個階段。

圖1 儲能系統配置過程流程圖

（1）第1階段為儲能系統功率選擇。與《工業園區綜合能源服務方案配置方法研究（一）》文中配備儲能系統為降低企業用電單價的目的不同，本類企業配置儲能系統的目的是為了改善企業內的電能質量。因此，應以企業負荷功率為基準配置儲能系統。為具有該特征的用戶配置儲能系統時，應考慮事故以后，儲能裝置放電功率需要滿足廠內電能質量敏感型負荷要求。即儲能裝置的放電功率應略大于廠內電能質量敏感型設備和不能停電的關鍵設備功率之和。按這種方式配置儲能系統，可以有效控制投資成本。

（2）第2階段為儲能系統設備選擇。選擇儲能系統設備型號時，選擇原則是在放電功率滿足要求的前提下，儲能系統容量應該盡可能與企業峰電日平均使用量相接近甚至相同。此外，儲能裝置容量選擇以后，需要核算充電功率是否在廠內變壓器要求的范圍內。若超過容量范圍且無法通過優化充電順序解決問題，則可考慮增設配變電設備。

（3）第3階段為儲能系統投資收益計算。確定儲能設備容量后即可測算投資。但需要注意的是，當在廠內增加了配變電設備時，投資中需加入配變電設備投資。

具有本特征的用戶設置儲能系統的主要目的是改善廠區內電能質量，使得系統改善電能質量和參與需求側響應獲得的收益更多。

1.1.2 用戶電能質量治理服務

對于部分中小型企業而言，儲能設備造價高昂，企業可能難以支撐。因此，為滿足這部分企業對電能質量的需求，需要開展用戶電能質量治理服務。服務商通過在園區建設電能質量綜合治理系統，幫助企業提升廠內電能質量。企業向服務商支付一定服務費用，在幫助企業避免了大金額投資的同時，解決了影響廠內電能質量問題。

1.1.3 移動式儲能設備租賃服務

企業長時間失電不僅影響企業正常生產，而且部分生產設備長時間失電還可能損壞。其中，消防設施長時間失電可能釀成重大安全事故。對于企業而言，配備備用電源需要成本的同時，其使用率低下也將導致資源浪費。此外，常規備用電源一般為柴油發電機，存在廢氣和噪聲污染。因此，可從服務商租賃移動式儲能裝置作為企業備用電源，從而避免企業計劃停電，縮短事故停電時間。

1.1.4 其他服務方案配置

除上述服務以外，擁有該特征的企業廠區內還可以根據自身資源稟賦和需求，選擇適合自身的綜合能源服務項目。

1.2 多冷熱、未利用型企業

結合該類企業特性可知，綜合能源服務重點在兩個方面。一是幫助企業獲得更加廉價的冷熱供應，二是幫助企業合理利用現有冷熱資源。因此，該類型企業的綜合能源服務方案中，往往會合理配置蓄冷/蓄熱系統和余熱回收利用系統，并結合企業自身條件選擇其他方案。

1.2.1 蓄冷/蓄熱系統

蓄冷/蓄熱系統主要適用于工作班制為一班制、兩班制或廠內有閑置電制冷/制熱設備的企業。利用峰谷電價差，幫助企業在電壓谷底時刻制冷/制熱并儲存，在電壓峰值時刻釋冷/釋熱供企業使用。

（1）蓄冷系統。于蓄冷系統而言，可根據企業環境條件選擇蓄冷方式。目前常見的蓄冷方式有冰蓄冷和水蓄冷兩種。這兩種方式都可以充分利用夜間谷段電力蓄冷，并于白天空調負荷高峰時段釋放蓄冷。其中，水蓄冷屬于顯熱蓄冷，每1 kg水溫度升高或降低1 ℃會吸收或放出4.2 kJ的熱量。冰蓄冷屬于潛熱蓄冷，利用冰發生相變時的溶解和凝固潛熱來儲存熱量。每1 kg冰的潛熱為334 kJ/kg，約為水的比熱容的80倍[5]。企業根據自身特征選擇合適的蓄冷方式。對于有空余場地的企業，推薦使用水蓄冷方式，優先利用地下室消防水池進行蓄冷，無需新上蓄冷罐。對于沒有多余場地且未建設消防水池的企業，可局部設置冰蓄冷系統。

蓄冷系統收益的計算公式如下：

式中，Ex1表示蓄冷系統日收益；μx1表示蓄冷系統利用效率；Pz1表示制冷電功率；tz1表示制冷時長；Ifd表示峰時電價；Igd表示谷時電價。

（2）蓄熱系統。蓄熱系統需要與電鍋爐配合工作，所以企業在建設蓄熱系統的同時，往往也伴隨著傳統燃氣鍋爐的電能替代。蓄熱系統的容量往往結合用戶的用熱量和環境條件共同決定。一方面，應在保證蓄熱系統的同時，盡可能提升蓄熱系統供能占用戶總用熱量的比例。另一方面，蓄熱系統需與用戶外部環境相協調，不能超過用戶蓄水池的安全容量。

測算蓄熱系統收益時，需要考慮蓄熱系統的轉化效率。按照現有技術水平，基本可以保證蓄熱系統的轉化效率在80%以上。蓄熱系統收益的計算公式如下：

式中，Exr表示蓄熱系統日收益；μzr表示蓄熱系統利用效率；Pzr表示制熱電功率；tsr表示制熱時長。

1.2.2 余熱回收利用系統

對于備有蒸汽鍋爐且蒸汽余熱未加有效利用的企業，可以設計余熱回收系統，回收利用企業余熱。

（1）余熱回收利用方案設計。余熱回收利用方案需要按照余熱品位的高低分別設計。對于高品位熱能而言，其利用空間更大，可以作為能量產品在園區流通。由于余熱溫度較高，可以滿足周邊企業的供熱需求，因此可以將余熱售予周邊企業，交易過程交與綜合能源服務商進行。購買余熱的企業不僅可以獲得質量可靠且價格低廉的熱能，也可以避免購買造價高昂的制熱設備。對于難以直接交易的低品位熱能，可以通過熱泵和接觸式換熱器等裝置回收熱量，用于園區生活用水，條件允許時甚至可以向園區周邊企業提供熱水。

（2）余熱回收方案投資收益測算。若余熱直接交易，則只需投資修建管道，實現兩廠之間的熱能流通即可。按照現階段蒸汽管道價格，每千米不超過20萬元，回收方案造價低廉。若將余熱轉化為熱水，再將熱水作于廠內或周邊各廠的生活用水，則需要購買換熱設備、建設收費系統、發行IC卡、購買電磁閥和計費POS系統以及建設管理機房和熱水管道。一般投資不超過150萬元。計算余熱回收利用系統收益比較簡單，只需要在企業每日向外部售出蒸汽/熱水噸數的基礎上，乘上每噸蒸汽/熱水的單價即可。

1.2.3 其他服務方案配置

除上述蓄冷系統和余熱回收利用系統，該特征的用戶廠區內還可以根據自身資源稟賦和需求，選擇適合自身的綜合能源服務項目。

2 典型企業案例分析

結合中部某省工業園內兩個企業的實際用能數據，設計了企業的綜合能源服務方案，并分析了方案為企業帶來的收益。兩個企業分屬重質量、問題多型企業和多冷熱、未利用型企業。

2.1 企業一：重質量、問題多型企業

2.1.1 企業特征

廠區電能質量問題突出，急需解決電能質量問題。廠內可建設光伏屋頂面積較少，但廠內有充電樁建設需求，且已建有大量停車位。此外，生產設備用能處于分散無序狀態，冷熱資源使用方式粗放，廠區各設備用能狀況未加有效監控。基于該廠特征，可在廠區配置儲能系統和光儲充一體化系統，開展用戶電能質量治理和合同能源管理等服務。

2.1.2 儲能系統方案配置與收益

利用本文方法配置儲能系統，結合廠內峰電時間段的用電需求，選擇充電功率為1 750 kW，總容量為7 000 kW·h的儲能裝置，全系統建設共需投資成本3 690萬元。建成以后，儲能設備每次充放電最多可為企業提供6 300 kW·h的電能，全年最多可為企業提供電能1.89×106kW·h。每年充電費用為68.712萬元，節約峰電電費為198.36萬元，因此每年可節約電費129.64萬元。此外，通過改善電能質量和解決廠內電壓暫降問題，儲能系統每年可為企業創造超過80萬元的隱形收益。經計算，該系統每年可為企業創造收益合計約209.64萬元，經過約17.6年企業可收回投資，儲能系統全壽命可為企業創造利潤約2 599.2萬元。需要說明的是，改善電能質量創造收益的估算值比較保守，正常情況下該部分收益可能超過“削峰填谷”所獲收益。

2.1.3 用戶側電能質量治理

企業可以直接從綜合能源服務商處購買電能質量治理服務，將廠區內電能質量治理任務交給服務商。服務商利用自身優勢，精準分析廠內電能質量，提供精細化服務，將廠內電能質量治理至用戶需求目標。

2.1.4 其他綜合能源服務方案

光儲充一體化系統利用企業屋頂與露天停車場建設光儲充一體化系統。系統設備和規模概述如下。200 kW群充群控設備1套，每套配置5個直流充電樁，工作時間為12 h為廠區內電動乘用車提供電能補給需求。利用企業符合條件屋頂和停車場可用空地，建設面積為2 000 m2的光伏發電系統，鋪設光伏電池1 200塊，裝機容量約280 kW·h，每年可發電2.29×105kW·h。建設成本為420萬元。建成以后，系統每年可以為企業創造收益27.48萬元，全壽命可以為企業創造利潤237萬元。此外，系統每年可節約標準煤28 t，減少碳排放76 t，全壽命可節約標準煤700 t，減少二氧化碳排放1 890 t。

合同能源管理可以為企業光儲充一體化設備和儲能設備提供節能減耗方案，共享節能減耗成果，提供設備運維服務，降低企業運營成本。

2.2 企業二：多冷熱、未利用型企業

2.2.1 企業特征

企業制冷需求大，冷水質量要求較高，但現階段企業制冷質量不高，且有未利用冷水機組。

廠內蒸汽需求量大，但是蒸汽利用以后有超過100 ℃的余熱未加利用，而且其中一變壓器運行超過20年，屬老舊變壓器。此外，廠區配電設備眾多，現有電工數量和技術都難以達到要求。

基于該廠特征，可為廠區配置蓄冷系統和余熱回收利用系統，開展高損耗配電設備損耗治理和設備代維代修等服務。

2.2.2 蓄冷系統方案配置

在本方案中，由于備用機組為螺桿式冷水機且廠區內空地較少，所以采用冰蓄冷方式。在現有冷水機組上進行蓄冰改造，需要成本約250萬元。系統建成以后，每日可為企業提供6.447×107kcal的冷量，解決峰電用量1 248 kW·h，創造收益約799.35元。每年可為企業創造收益23.98萬元，企業經過約10.4年可回收成本，全壽命內蓄冰系統可為企業創造利潤349.5萬元。

2.2.3 余熱回收利用系統

為合理利用廠區余熱，需配置適用于該廠的余熱回收利用系統。系統利用接觸式換熱裝置回收余熱，轉化為80 ℃左右的生活熱水，滿足本廠員工使用，并考慮向周邊廠區員工宿舍供熱水。為了配合熱水收費，還需建設IC卡多用戶熱水表收費管理系統。全系統建設成本合計約需150萬元。余熱回收利用系統建成后，每日生產熱水35 t，企業可獲利約1 386元，每年創造利潤34.66萬元，企業僅需4年即可收回成本，全壽命內可為企業創造利潤543.2萬元。且每年節約標準煤97 t，減少二氧化碳排放262 t。

2.2.4 其他綜合能源服務方案

其中，高損耗配電設備損耗治理需投資8萬元，用以更換現有老舊變壓器，之后每年可幫助企業節約用電4 117 kW·h，節約電費2 700元。設備代維代修服務在幫助企業提升配電設備使用效率的同時，還可幫助企業最少減少2名電工，每年節約人工成本12萬元。

3 園區綜合能源調度管控系統建設方案

為了滿足工業園區綜合能源服務需要，僅僅設計各用戶側的綜合能源服務方案是遠遠不夠的，必須建立與服務相配套的支撐平臺系統。為能實現園區內各企業用能情況的監控和計量、電能質量的治理以及內分布式能源的調度，可在園區建設多能信息采集和電能質量綜合治理系統以及綜合能源管控系統。

3.1 多能信息采集和電能質量綜合治理系統

3.1.1 多能信息采集系統

綜合能源服務設計水、電、氣以及熱等多種形式能源的使用，園區能源計量系統需能實現對多種形式能源的計量和監測。近年來，國家電網公司依托智能電能表應用和用電信息采集系統覆蓋廣泛的采集終端和通信資源，加快推進四表合一采集建設的應用工作[6]。在相關工作的開展下，四表合一采集應用已經具備一定的規模，可在其構架內容和技術方案的基礎上，構建適合工業園區綜合能源服務工作的用能計量和信息采集裝置，并將采集信息上傳至園區綜合能源能量管理系統。

用電信息采集系統是園區多能信息采集系統的基礎。園區用能情況的數據采集和發布工作都依靠用電信息采集系統，所以系統建設方案必須以用電信息采集系統為架構基礎。基于用電信息采集系統體系架構，四表合一技術體系架構可分為主站系統、前置解析機、采集設備以及智能儀表4個部分[7]。

主站系統按照數據模型進行數據存儲，同時將水、氣以及熱表采集示數同步到營銷基礎數據平臺，并提供可調用的數據層數據進行數據展示和報表查詢等業務功能，同時和營銷業務應用通過接口實現客戶檔案和電表示數的同步。前置解析機負責進行集抄系統設備管理、數據預處理以及提供數據收發服務等。采集設備負責綜合監測公變和居民用戶電能表以及居民水、氣、熱表的數據。在收集數據并進行處理儲存的同時，和主站或手持設備進行數據交換。

推薦在園區水閥、燃機回路以及蓄冷/蓄熱裝置處設置四表合一裝置，統一計量系統中的水、電、氣以及熱。

3.1.2 電能質量綜合治理系統

基于園區多能信息采集系統獲取的數據，可有效監測并及時治理園區能源質量，特別是電能質量問題[8]。為實現園區電能質量的協調治理，推薦配置電能質量監測裝置。監測10 kV出線、10 kV母線以及400 V母線等處的電能質量，并將頻率、電壓偏差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變以及諧波等電能質量數據遠傳至服務商。由服務商通過在園區內關鍵節點處配置電能質量治理設備，整體優化園區電能質量，或為有特殊要求的用戶提供定制服務。電能質量治理措施主要有以下3點。

一是安裝濾波裝置。在400V I母線和II母線處分別配置1套有源濾波裝置。二是安裝無功補償裝置。靜止無功補償裝置（Static Var Compensator，SVC）是成熟的FACTS裝置，其中磁控電抗器（Magnetically Controlled Reactors，MCR）采用磁控的方式，具有可靠性高、系統簡單、諧波較小、維護工作量小、維護簡單、占地面積小、全室外安裝以及基建成本低等優勢，是傳統相控方式無功補償裝置不可比擬的，而且在綜合能源系統中具有明顯的實用性優勢[9-10]。因此推薦在園區10 kV I段和II段母線分別配置容量適中的MCR型SVC裝置，通常容量選擇為300 kvar。三是安裝儲能及虛擬同步裝置。電動汽車等負荷具有較強的隨機性，大量接入電網時會對電網造成沖擊，誘發電壓暫降等電能質量問題[11]。因此在園區裝設儲能裝置和負荷虛擬同步電動機，可有效治理電壓暫降等電能質量問題。

光伏和風機等分布式發電裝置受環境因素影響，使得發電功率具有明顯的間歇性和波動性[12]。在變壓器低壓側配置儲能裝置和負荷虛擬同步機，可有效抑制分布式發電裝置在離網運行時擾動系統功率的情況，從而改善系統的電能質量。此外，在并網點裝設光儲虛擬同步發電機，可平抑并離網切換及穩態運行時的功率擾動，保證頻率電壓穩定。

3.2 綜合能源智能調控系統

為了保證多能互補綜合能源系統高效穩定地運行，通常由綜合能源智能調控軟件系統進行智能控制和自動調度決策。綜合能源智能調控軟件系統是一套具有發電優化調度、負荷管理、實時監測以及自動實現多能互補綜合能源系統同步等功能的能量管理軟件[13-15]。

本文推薦采用的綜合能源智能調控系統包含短期和長期的能量管理。短期的能量管理包括為產業園區屋頂光伏、儲能以及蓄冷/蓄熱等裝置提供功率設定值，使系統滿足電能平衡和電壓穩定。為多能互補綜合能源系統電壓和頻率的恢復和穩定提供快速的動態響應，滿足用戶的電能質量要求。此外，還為多能互補綜合能源系統的并網提供同步服務。長期的能量管理包括以最小化系統網損和運行費用以及最大化光伏利用等為目標，安排產業園區光伏、儲能以及蓄冷/蓄熱裝置的出力，為系統提供需求側管理，包括切負荷和負荷恢復策略。配置適當的備用容量，從而滿足系統的供電可靠性要求。

3.2.1 綜合能源智能調控系統功能模塊

為保障系統的安全穩定運行，綜合能源智能調控系統大致分為緊急控制、模式切換、協調控制、功率平衡、無功優化以及電能質量幾個功能模塊。

其中，緊急控制是指在多能互補綜合能源系統運行過程中，當出現某些特殊情況時，按要求進行對多能互補綜合能源系統的緊急控制。模式切換是指多能互補綜合能源系統在運行過程中存在并網和孤網的雙模式切換運行，在多能互補綜合能源系統的模式切換過程中，要統一協調并網點開關和儲能PCS，調節光伏功率、控制負荷功率，實現微網中并網和孤網的雙模式切換。協調控制多能互補示范項目光伏、儲能以及蓄冷蓄熱裝置出力，實現各種能源形式互補，達到綜合能源利用效率最優。功率平衡是指在微網孤網運行時，協調控制微網內的電源和負荷。此外，還包括儲能系統SOC、光伏發電系統、系統負荷以及內燃機的協調功率控制。無功優化是指在微網運行過程中，利用內部多類型無功調節電源，協調微網內各點無功電源出力，實現系統的無功優化控制。電能質量是指在微網運行過程中，通過電能質量檢測系統，結合系統模型和潮流分布，協調系統的無功分布，實現電壓控制，從而保障系統電能質量。

3.2.2 綜合能源智能調控系統架構

綜合考慮冷熱電等多種能源的運行狀態，構建涵蓋配電網、多種分布式能源以及柔性負荷等運行數據的多維信息模型。在保證配電網供電質量和可靠性的基礎上，以提高多種能源與柔性負荷的資源利用率和聯絡線功率精準控制為目標，實現能量管理、運行控制以及優化調度等功能。現有成熟平臺方案已實現基于動態代理技術的智能分層調控框架。構建了包含就地感知層、協調控制層以及優化決策層的分布式能源系統分層調控架構。平臺設計架構如圖2所示。

圖2 分層調控框架設計

就地感知層包含各類分布式能源和工商業多元負荷的信息采集與檢測。分布式電源智能體具有態勢感知、指令執行以及數據通信等功能模塊，能夠根據系統調控中心的指令和自身運行約束進行能量交互，并實現智能體之間的實時信息交互和信息上傳。協調控制器具備預測、通信、負荷控制以及需求響應等功能，能夠實時上傳負荷信息、進行負荷控制以及反饋負荷狀態。

協調控制層包含各區域分布式能源協調控制模塊，具有區域協同調控和實時通信等功能模塊，能夠接受上級的調控指令，并通過考慮系統運行的能效約束協同調控分布式能源系統的各個區域，滿足分布式能源系統實時動態調整的要求，并按照負荷和分布式能源的優先級進行指令的下發。基于多代理邊際一致性控制算法，通過區域分布式能源調控系統對區域內各就地感知層進行集中管理和分布控制，保證系統各區域的電壓和頻率穩定。

優化決策層包含分布式能源系統調控中心的優化調度模塊，能夠通過整合各下層智能體的運行信息和多主體的運行狀態，進行各層級多能源類型、多元用戶以及多時間尺度的互補協調和優化調度。協調不同控制響應速率的可調控資源，逐級消除預測誤差和擾動的影響，實現園區和多元用戶的優化互動。

4 結 論

本文繼續針對工業園區，設計綜合能源服務方案，主要得到兩點結論。一是給出了總質量、問題多型企業和多冷熱、未利用型企業的綜合能源服務方案配置方法，并給出了相應的企業實例分析。二是給出了園區多能信息采集和電能質量綜合治理系統以及綜合能源智能調控系統的建設方案。在園區建成于綜合能源服務相配套的支撐平臺系統，保證綜合能源服務的順利開展。