探討多能互補綜合能源電力系統的建設模式

張笑薇

（徐州供電公司，江蘇 徐州 221000）

在多能互補綜合能源電力系統中，分布式能源是核心，基于此在特定的區域內實施能源供應。該能源系統整合了多種能源形式，包括熱、冷、燃氣、電能和水務都可以一體化運行。綜合能源電力系統的一個重要優勢在于，將多種能源協同并予以優化，實現優勢互補，使得再生能源充分利用，提高能源的利用率，避免產生浪費問題。通過對能源逐級合理利用，以提高能源綜合利用水平[1]。綜合能源電力系統本身是非線性系統，其變量非常多，體現出復雜的特征，有很強的隨機性，與傳統的規劃問題相比較，其能源規劃更加復雜。

1 綜合能源電力系統結構

綜合能源電力系統將多種能源的輸入輸出和轉換設備集成，應用信息通信技術將各種系統建立為對應耦合關系，主要包括供氣系統、電力系統、供冷系統和供熱系統等等，如圖1。

圖1 多能互補綜合能源電力系統結構

配置綜合能源電力系統的時候，需要對系統部件所屬類型以及規格明確，要充分認識到系統配置對聯供系統節能經濟性具有重要的影響。在構建綜合能源電力系統的時候，對于單個設備的效率要充分考慮，將運行策略制定出來，明確用戶的冷熱電需求，同時還要保證經濟效益與環境效益維持平衡狀態[2]。

在系統配置之前需要對綜合能源電力系統的負荷作出預測并詳細分析。在預測冷熱電負荷的時候，要將各種歷史數據為依據，主要為社會、經濟、電力負荷以及氣象等等，明確電力負荷與有關因素之間所存在的內在關聯性，從科學的角度預測未來的負荷。在進行綜合能源電力系統規劃的過程中，負荷預測發揮基礎性的作用，其是否準確對系統配置具有直接的影響。

根據負荷預測結果配置綜合能源電力系統。綜合能源電力系統直接向用戶供應能源，隨著用戶的負荷需求發生變化，就會出現用戶負荷的熱電比與系統熱電比以及用戶負荷的冷電比與系統冷電比不能保持一致的問題。為了滿足用戶的負荷需求，需要采用四種系統配置方法：第一種配置方法是補電子系統集成方法；第二種配置方法是補熱子系統集成方法；第三種配置方法是電- 熱轉換集成方法；第四種配置方法是蓄能集成方法。如果熱電比非常小或者用戶的電負荷已經超過原動機功率的時候，可以應用并網補充電能的方法，也可以用可再生能源對電能進行補充[3]。當綜合能源電力系統的供熱容量不足的時候，就要應用補熱子系統進行熱量供應。當用戶熱電比以及冷電比都超過系統輸出比的時候，可以應用電- 熱轉換的方法將原來的熱需求向電需求轉換。如果用戶需求有峰谷差存在，就需要向綜合能源電力系統中引入蓄能手段，由于不同步導致的供應和需求不平衡的問題就能夠得到緩解，如果存在不同于設計工況的問題，此時系統的調節能力就會有所提高。

在進行公共電網接入的時候可以采用不同的方式，綜合能源電力系統的配置模式也會上有所不同，可以根據需要選用孤島運行模式、并網上網模式以及并網不上網模式。

采用孤島運行模式的時候，綜合能源電力系統為獨立運行，不需要架設連接線路也可以連接到公共電網上，對于可再生能源比較豐富的地區，如果公共電力網絡不能覆蓋，可以提供風能或者太陽能，尤其是比較偏遠的地區，能量供應有所保證。

如果采用并網上網模式，可以通過電網購買電能，在電能比較富余的情況下，還可以向電網出售，從中可以獲得一定的收益。這種模式對電能質量有很高的要求，需保持電能供應穩定且有較高的安全性，對于綜合能源電力系統的控制也比較復雜。

如果采用并網不上網的模式，所發的電都是自己使用，如果出現電能不足的問題，就要向公共電網購買，這種模式已經在人流量較高的場所應用，諸如新型住宅區、大型工業園區和規模比較大的醫院等等，如果為冷熱電多聯供系統，可以應用這種模式[4]。

2 綜合能源電力系統的設備構成

綜合能源電力系統可以將多種能源充分利起來，能源供應形式也多種多樣，使得冷熱電等用能需求得以滿足，所以設備的種類也多種多樣。在綜合能源電力系統中，主要的設備是原動機、制冷設備以及供暖設備。

2.1 原動機

在綜合能源電力系統中，原動機屬于核心部件，要使其各項性能指標符合設計要求，就需要充分考慮到不同類型的原動機有不同的使用特點，根據實際需要合理選擇，且保證原動機的容量符合要求。

在各種原動機中，比較常見的類型包括燃氣輪機、風力發電機、光伏電池、燃料電池、燃氣內燃機等。發揮內燃機的作用，可以向氣缸中注入空氣和燃料，混合之后進行壓縮處理，點火就會引發爆炸，在高溫高壓環境中，燃氣快速膨脹，活塞被推動做功，在氣缸連桿和曲軸的驅動下，發電機就會發電[5]。使用內燃機進行發電，不僅效率高，而且功率范圍非常廣，有非常好的適應性能，整個的結構看起來緊湊，而且體積非常小，不會占用很大的空間，其重量輕，能夠快速啟動，便于操作，技術維護不是很復雜，大修的間隔時間比較長。

從燃氣輪機的構成上來看，除了燃燒室控制系統之外，還包括透平機、壓氣機以及一些輔助性的設備。其中的壓氣機是燃燒室運行過程中提供高壓空氣，燃燒室中的燃料燃燒中會釋放出熱量，就會有高溫高壓氣體產生，在透平機膨脹之后就會做功，此時熱能轉化為機械能[6]。當前，燃氣輪機技術已經成熟并實現商業化，不僅應用非常廣泛，而且運行效率高、質量輕，體積小，摩擦部件也非常小，不會產生很大的振動，噪聲非常低，避免對環境造成污染。

風力發電機是將風能轉化為電能，其是清潔能源，能夠獲得良好的環境效益。但是，風力發電機也有缺點，其在運行的過程中會產生很大的噪聲，而且在風場選址的時候具有很高的要求，發電缺乏穩定性。如果是風能資源非常豐富的地區以及地廣人稀的地方，風力發電機是比較好的選擇[7]。

光伏電池所發揮的作用是將太陽光照轉化電能，主要是直流電能，不會對環境造成污染，也不會被資源分布地域所限制，其還有一個重要的優勢，就是可以在用戶側就近發電。光伏電池有不足之處，就是會受到氣象環境的限制，在輸出能量的時候存在不穩定性。如果為光照充足的地區，且接入電網存在難度，就可以使用光伏電池發電。

燃料電池就是燃料中的化學能經過化學反應之后轉化為電能，不需要經過燃燒，也不會受到卡諾循環效應的應用，發電效率非常高。由于不使用機械傳動部件，就不會產生噪聲。當前中國在傳統發電中使用燃料電池，還沒有在冷熱電聯供系統大量應用。

比如，華秦儲能投資，天合商用總包建設的智慧能源示范園區所采用的就是綜合能源電力系統，在園區中將光伏電站、風力發電、液流電池儲能、冷熱電三聯供，智慧能源綜合平臺等多種能源形式整合，對能源梯級利用，形成一個新能源體系，如表1。

表1 綜合能源電力系統配置

2.2 制冷設備以及供暖設備

吸收式制冷機的驅動主要是通過煙氣或者熱水實現的，制冷所采用的是溴化鋰或者氨水等等，這種制冷設備可以將余熱充分利用起來。

當工業生產的過程中會產生余熱，余熱鍋爐就可以將這些余熱充分利用起來，結合使用可燃物質，經過燃燒之后會有熱量釋放出來，將水加熱，在工業企業中利用，也可以用于采暖。余熱鍋爐包括兩種類型，一種是一般型的余熱鍋爐，另一種是補燃型的余熱鍋爐，其中的一般型余熱鍋爐運行原理類似于熱交換器，不需要經過燃燒。

熱泵所應用的是低品位熱資源，可以用于供熱，也可以制冷，不僅運行效率高，而且可以達到節能效果。當進入到冬季的時候，可以發揮熱泵機組的作用，將室外熱量傳輸到室內，可以起到很好的供熱效果。在夏季的時候，室內的熱量可以輸送到室外，室內溫度就會降低。

3 選擇設備容量的方法

當確定了原動機、供冷設備以及供熱類型之后，還要將設備的容量合理確定下來，使設備容量的利用實現最大化，這就需要對用戶對于冷熱電負荷的需求充分考慮，同時還需要考慮所選用的原動機特性，以及在一年中電價的波動情況以及能源價格的波動情況，在對問題的處理中應用最大矩形面積法，即矩形的高度為函數值，將矩形的面積計算出來。當處于初步規劃綜合能源電力系統的過程中，基于已知時間- 負載曲線就可以應用最大矩形面積法對設備的容量以及設備運行時間進行估算。

4 綜合能源電力系統的運行策略

其一，以熱定電。用戶的熱需求得到滿足，將發出的電向用戶提供，當電量過剩的時候可以上網售賣，電量不夠充足的時候可以通過電網補充。

其二，以電定熱。用戶的電需求得到滿足，釋放的熱量向用戶提供，使其熱需求得到滿足。在熱量不足的情況下，可以使用鍋爐補充燃燒，如果熱量過剩，可以使用蓄熱罐儲存。

其三，持續運行系統在預定的時間內可以保持持續運行狀態，即便能源需求有所變化也不需要考慮。如果系統生產的能源可以滿足的用戶需求，有剩余可以上網售電，否則就要通過電網補充。

結束語

通過上面的研究可以明確，多能互補綜合能源電力系統與傳統的能源系統相比較，不僅效率高，而且運行成本低，具有環保性。經濟發達國家對這種系統的應用已經趨于成熟，中國則存在滯后性，主要由于存在技術障礙，加之政策上受到限制等等原因，所以，這種技術在中國依然處于發展階段。隨著科學技術的進步，加之國家出臺了一些鼓勵性的政策，且已經落實到具體的工作中，多能互補綜合能源電力系統就會有更大的發展空間。通過對多能互補綜合能源電力系統的建設模式進行研究，以使該技術得到廣泛應用。