能源綜合服務站系統的能流分析方法與能效評估

李妍 ,習文青，劉子嫣，馬晨，張群，王球，王青山，梁海峰

(1.國網江蘇省電力有限公司經濟技術研究院,南京市 210008;2.華北電力大學電氣與電子工程學院,河北省保定市 071003)

0 引言

能源是人類社會與經濟發展的重要物質基礎[1]。能源利用效率低、不可再生能源短缺、可再生能源消納低等能源問題和溫室效應、空氣污染等環境問題一直備受各行各業關注,能源改革已成為當今世界的熱點[2]。隨著電動汽車(electric vehicle,EV)、分布式能源發電、儲能的不斷發展,大數據、云計算等技術的迅速成熟,能源互聯已成為時代發展的必然趨勢[3-5]。為此,國內外學者相繼提出并研究了綜合能源系統、能源互聯網、能源綜合體等能源互聯、共享互通的模式。近年來,我國不斷致力于推進“互聯網+”智慧能源的發展[2],并在2016 年批準了55 個能源互聯網示范工程,能源互聯網的工程應用已成為熱點項目。

目前,我國有多種能源互聯的建設模式,以變電站為核心的能源綜合服務站便是國家電網公司重點培育發展的模式之一。能源綜合服務站是指以變電站為載體打造的具有“儲能站+數據中心+N”功能的綜合能源服務體系,也有學者據此提出了能源綜合體的概念[6]。相對于傳統的單一變電站,能源綜合服務站打破了傳統變電站的單一模式,開創了變電站、儲能站、分布式光伏電站和數據中心多站合一的新思維,具有提高能效水平、節約能源、提高供能可靠性和靈活性等突出優勢,當前已成為變電站建設的熱點方向。雖然能源綜合服務站系統的運行模式尚處于發展初期,但在國內已有部分工程應用,例如,國內首個智慧能源綜合體——南京江北新區能源綜合體、國內首批多站融合的試點正定朱河城市綜合體、江蘇無錫紅旗變電站、江蘇宿遷綜合能源服務站以及重慶、安徽、江西能源綜合服務站試點等。作為能源互聯的樞紐站,能源綜合服務站系統的發展對于研究能源互聯的先進技術、信息通信技術及新能源發電技術具有重要意義[1]。其中,能源綜合服務站的能效評估是探究綜合站多能協同規劃、能效提升及優化運行等方面的關鍵所在,科學合理的能效評估方法對能源綜合服務站的發展極為重要。

目前能源綜合服務站系統的能效評估研究相對較少,但對于單一的變電站、數據中心、儲能系統、風電/光伏電站的能效評估,以及能源互聯系統的能效評估,現階段已有一定的研究成果。文獻[7]從電氣設備性能、系統運行狀態、建筑結構性能和運行環境因素4 個角度對變電站的能效進行評估;文獻[8]從設備、變電站用電和辦公用電3 個方面分析變電站的能耗分布;文獻[9]采用神經網絡模型對數據中心能源利用效率進行優化,提高數據中心電能使用效率;文獻[10]從機組層、系統層和設備層選取能效指標對風電機組能效進行評估;文獻[11]基于光儲充電站源荷特性提出充電站能效評估指標及其方法,并進行交、直流系統的能效對比分析,發現光儲容量越大,直流配電越具有優勢;文獻[12-14]根據分布式能源發電的不穩定、間歇性以及環保等特點,研究分布式能源指標體系的建立。然而,評估能源綜合服務站系統的能效時,各站不再是獨立的個體,而是相互聯系、相互作用的整體,因此在能效評估時還需考慮能源之間的轉換利用、耦合互補,對此國內外學者在綜合能源系統能效評估中已有諸多研究。劉曉鷗等認為影響綜合能源系統能源利用效率的核心要素有可再生能源滲透率、能源轉化設備效率和容量配置結構、冷/熱/電負荷需求結構[15];劉洪等構建考慮能源品位差異、可再生能源利用的多能源供應系統能效的評估模型[16];文獻[17]根據綜合能源系統中可再生能源特點及多能流特性提出適用于綜合能源系統能效評估的能源綜合利用率指標;原凱等梳理能源互聯網的綜合能效評價指標的研究現狀,并對部分能效指標進行了歸納整理[18]。受限于以變電站為核心的能源綜合服務站系統的發展進程,現階段關于能源綜合服務站的研究主要集中于規劃設計和技術開發,評估方面的內容還相對較少,與能源互聯相關的評估方面的工作大多針對在用戶端的區域綜合能源系統,以變電站為核心的能源綜合服務站的能效評估還有待研究。

本文針對能源綜合服務站系統的能源供給需求,考慮可再生能源的利用情況,建立包括宏觀能效指標、微觀能效指標以及能源經濟指標的綜合能效評估體系,并基于加權有向圖建立能源綜合服務站系統內部能流的模型,將能源綜合服務站系統運行策略映射成能量路徑計算能源綜合服務站系統能流值,繼而利用層次分析法計算得到各指標值及綜合能效評估結果。最后,本文以某能源綜合服務站系統為算例,建立能源綜合服務站系統評估場景,利用所提方法得出能源互聯情景下的能源綜合服務站能效評估結果,驗證所提方法的有效性。

1 能源綜合服務站系統

1.1 系統分析

能源綜合服務站的組合模式可根據實際需要和建設條件將變電站與儲能電站、數據中心站、充換電站、分布式光伏電站、冷熱電三聯供系統等靈活配置。其中,目前配置較為完善、供能相對齊全的模式是“變電站+儲能電站+數據中心站+EV 充電站+風電/光伏電站+冷熱電三聯供系統”五站合一組合模式,如圖1 所示,能源輸入設備由中高壓配電網、分布式風電/光伏電站、天然氣管網構成,能源輸出至儲能電站、數據中心站、EV 充換電站或配電網。該組合模式下,變電站與多元能源站相結合,變電站、三聯供系統作為“源”,儲能電站作為“儲”,數據中心站、充換電站、配電網中的冷、熱、電負荷作為“荷”,“源-儲-荷”聯合運行,通過能源之間的有機互補,系統能量供應的靈活性和穩定性大大增強。

圖1 能源綜合服務站系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated energy service station system

1.2 能量流分析

能源綜合服務站系統的關鍵在于不同站間的能源耦合互動,通過對變電站、儲能站、可再生能源發電站、三聯供系統、數據中心站等進行科學調度,實現能源高效利用。

圖2 描繪了能源綜合服務站系統內部能量流的輸入、轉換、傳輸情況,能源綜合服務站系統的輸入能源為電力、可再生能源、天然氣,不同能源之間通過燃氣輪機、電制冷機、吸收式制冷機等能源轉換設備進行耦合互動,而儲能電站、蓄冷裝置等儲能裝置則幫助系統保障能源供應的可靠性,以及削峰填谷,減少資源的浪費。系統輸出能源為冷、熱、電,去向為數據中心站、EV 充換電站和配電網,如果冷、熱能量富裕,也可供應給鄰近工商業、企業或小區。

圖2 能源綜合服務站系統的能量流動圖Fig.2 Energy flow diagram of the integrated energy service station system

基于熱力學第一、二定律,能量可用于表征能源綜合服務站系統能源的流動,體現系統做功的能力。對于能源綜合服務站系統的能效評估,須掌握系統能源輸入與輸出情況,而能源綜合服務站系統的內部結構較為復雜,因此可利用黑箱模型[19]分析能量的輸入與輸出。如圖3 所示,能源綜合服務站系統的輸入能源為電力、可再生能源、天然氣,輸出能源為冷、熱、電。

圖3 黑箱模型Fig.3 The black box model

2 綜合能效評估指標體系

為了全面、系統地評估能源綜合服務站系統的能效,本文建立了涵蓋宏觀能效指標、微觀能效指標、能源經濟性指標的綜合能效評估指標體系,如圖4所示。

圖4 能源綜合服務站的綜合能效評估指標體系Fig.4 Comprehensive energy efficiency evaluation index system of integrated energy service station

2.1 宏觀能效指標

宏觀能效指標指從系統整體的角度分析系統的能源利用情況,包含能源利用率、可再生能源利用占比。

1)能源利用率A1。

能源利用率指能源綜合服務站系統輸出能量與輸入能量的比值,該比值大小反映系統對能源的利用水平。此處輸入能源電能、風/太陽能(可再生能源)、天然氣均折算為一次能源煤計算,折算標準參照GB/T 2589—2008[20],輸出能量包含配電網、EV充電站、數據中心所消耗的能量。

式中:K為標準煤的低位發熱量,為29.307 MJ/kg;Cg、Cre、Ce分別為天然氣、可再生能源、電能折合成標準煤的系數,為122.8、0、309 kg/(MW·h)。

2)可再生能源利用占比A2。

可再生能源利用占比指能源綜合服務站系統中可再生能源輸入的能量占總輸入能量的比例,該比值的大小反映了能源綜合服務站系統對可再生能源的消納水平。

2.2 微觀能效指標

微觀能效指標:分析系統內部能源利用情況,掌握系統內部環節能源利用情況,有利于能源綜合服務站系統的優化設計,包含EV 充電站能效、數據中心能效。

1)EV 充電站能效B1。

EV 充電站能效反映能源綜合服務站系統中EV充電站的工作效率,充電設備效率、監控系統效率、管理與運營制度等均會影響EV 充電站的能效。

2)數據中心能效B2。

數據中心能效用IT 設備的能源消耗占數據中心總能源消耗的比重體現,該指標反映了數據中心有多少能源用于網絡、服務器等計算機設備,或有多少能源用于制冷/熱、照明設備等輔助設備,體現了數據中心站的能效水平。

式中:QIT、QDC分別表示IT 設備、數據中心消耗的能量。

2.3 能源經濟指標

1)能源經濟成本C1。

能源經濟成本指一段時間內輸出單位能源所需的經濟成本,反映了該能源綜合服務站系統的經濟性水平。

式中:Pg、Pre、Pe分別為輸入的天然氣、可再生能源、電能的單位成本。

2)經濟發展適應能力C2。

經濟發展適應能力反映了能源綜合服務站系統滿足當地社會經濟發展需求的能力,對延緩能源綜合服務站系統的改造具有重要意義,用供能總量年平均增長率與當地GDP 年平均增長率的比表示。

式中:DQ、DGDP分別表示供能總量年平均增長率、供能區域GDP 年平均增長率。

3 指標計算及能效評估方法

3.1 指標計算

根據各指標的定義,能源綜合服務站系統的能效指標計算取決于輸入輸出能量流。但在能源綜合服務站系統規劃階段對系統進行預評估時,系統輸入輸出能量流并不能掌握,因此,在計算指標前需要分析系統內部能源傳輸、轉換、存儲、利用過程中能量的分流、合并和損耗,并進行建模。能源綜合服務站系統中的能流可利用有向圖對能源綜合服務站系統內部能流情況簡化[21],描繪出系統內部能流關系,用于系統規劃階段能效的預評估。

本文采用加權有向圖表示能源綜合服務站系統內部的能流關系和損耗情況。有向圖由邊集U和頂點集V構成,可表示為E(U,V)。每個頂點代表能源綜合服務站系統的能源傳輸、轉換、存儲、利用端口,連接端口的邊表示端口之間的聯系,并通過給邊賦權體現端口間能源損耗情況。以圖5 中的加權有向圖為例,頂點V1、V2、V3代表能源綜合服務站系統的電能、可再生能源、天然氣能源輸入端口,V11、V12、V13代表系統冷能、熱能和電能的輸出端口,中間其他頂點代表能源輸送、轉換或存儲端口。頂點之間的有向邊η代表端口間的能源流向和效率。

圖5 加權有向圖示例Fig.5 Example graph of weighted directed graph

利用加權有向圖對能源綜合服務站系統進行建模,用矩陣A=(aik)nxm表示加權有向圖中n個頂點與m條邊的關系,其中,aik表示頂點Vi與第k條邊的關系。其取值為:

其次,利用頂點Vi、Vj間能源轉換的效率ηij給邊賦權,建立邊的權矩陣:

另外,考慮到能源端口容量的上限問題,各邊能流端點具有上限值,即各邊能流具有上限值,建立邊的上限權矩陣取頂點Vi流向頂點Vj的能流最大值。

定義向量X=(x1,x2,…,xn),其元素取值為:

那么,路徑長度可表示為:

對于圖4 所示系統,以V1至V11的一條路徑為例,向量X應滿足

由此可計算V1至V11的其中一條路徑,1 -6 -9 -11的長度為:

可得,V11輸出單位能源時,V1需輸入10d能源,也可以據此求得各邊能流量。

通過對能源綜合服務站系統進行建模,能源綜合服務站系統運行策略的選擇在建立的模型上表現為路徑的選擇,能流調度按照選擇的路徑進行,由此計算規劃方案中能流情況,繼而計算指標值,流程如圖6 所示。

3.2 綜合能效評估

權重計算流程如圖7 所示,利用層次分析法計算各能效指標權重[22]。為了得到綜合能效評估結果,需對上一節計算得出各項能效指標的值進一步歸一化,各能效指標權重對其進行加權得出系統綜合能效評估結果,評估模型如圖8 所示。

圖8 評估模型Fig.8 The evaluation model

4 算例分析

4.1 能源綜合服務站系統結構

本文選取我國某能源綜合服務站系統作為研究對象,該系統中充電站配電容量為500 kV·A,數據中心站功率為7 500 kW,且所處地理位置年日照時間充足,具備一定的分布式發電能力。根據其規劃報告中可以得到以下基本數據如表1 所示。

表1 該能源綜合服務站系統的基本數據Table 1 Basic data of the integrated energy service station system

該能源綜合服務站系統規劃中的有向圖模型如圖9 所示,V1—V3表示天然氣、輸電線路供電、可再生能源(光伏發電)輸入端口,V14—V16表示電、冷、熱能輸出端口。V4、V5、V6、V7、V9、V11、V13分別表示系統內部的主要設備端口,包括燃氣鍋爐、燃氣輪機、電儲能(battery energy storage,BES)、熱交換器、吸收式制冷機、空調設備,其中,電儲能V7與電能總線V8形成環。

圖9 該能源綜合服務站系統有向圖Fig.9 Directed graph of the integrated energy service station system

根據有向圖與相關設備效率形成矩陣A與權矩陣B,尋找有向圖由輸入到輸出頂點的所有路徑,如表2 所示。

表2 系統路徑集Table 2 The system path set

能源綜合服務站系統中數據中心站在冷熱供應時需滿足恒溫條件,考慮到冷熱供應的季節特征,因此將系統冷熱能源供應分為供冷和供熱兩種情景。系統能效指標也會隨站內設備的工作狀態變化而變化,通常,能效評估以年為時間跨度。因此,本文結合系統能源運行策略和需求特征建立能效評估場景,選擇圖10 所示供冷/熱兩種情景下能源綜合服務站典型日的負荷和光照條件作為評估的基本場景,并設定各狀態一年中出現的概率各為1/2。

圖10 能源綜合服務站典型日負荷及光照情況Fig.10 Typical daily load and light conditions of the integrated energy service station

參考熱電聯供系統的運行策略[23],對于算例中建立的能源綜合服務站系統,具體運行策略和路徑選擇為:

1)可再生能源發電和從輸電線路輸入的電能優先滿足電力負荷需求,其次再滿足冷負荷和熱負荷的需求;

2)若可再生能源發電和輸電線路輸入的電能無法滿足需求,此時由天然氣及電儲能提供剩余能源需求,系統遵循的路徑編號優先級順序從高到低為{10,13,7,5(6),3(2),4,1};

3)若可再生能源發電和輸電線路輸入的電能可以滿足能源需求并存在盈余,此時盈余能源以電能形式儲存于電儲能站,系統則遵循的路徑編號優先級為{10(13),11(8),12(9),5(6),3(2),4,1}。

系統輸入功率如圖11 所示。由圖11 可看出可再生能源輸入電能超出系統消納和輸出能源時儲能站儲存電能,此時儲能站輸入為正值;反之輸出電能,儲能站輸入為負值。依據兩種場景下系統輸入輸出能量計算結果,按照公式(1)—(6)計算能效評估指標,表3 中給出了相關參數及各能效指標計算結果。從表3 可以看出能源利用率大于1,原因在于進行指標計算時光伏發電作為可再生能源,其標準煤折算系數取0,能源綜合服務站系統中可再生能源利用水平越高,能源利用率越大。

圖11 系統輸入功率圖Fig.11 System input power diagram

表3 能效指標參數及計算結果Table 3 Energy efficiency index parameters and calculation results

4.2 綜合評估

本文利用層次分析法對系統6 個評估指標進行歸一化處理,計算權重,可得綜合評價結果,如表4所示。

表4 能效評估結果Table 4 Results of energy efficiency assessment

在綜合評估權重計算中,依據專家經驗,能源利用率最能凸顯能源綜合服務站系統整體能效,且在變電站向能源綜合服務站系統升級過程中,數據中心作為其重要的服務對象,其能效的高低對變電站升級成功與否具有重要意義,因此,這兩個指標所占權重最大。根據指標值及相應的權重,可計算出系統的綜合能效評估值為0.850 6,綜合能效評估值越高,說明該能源綜合服務站系統在能效上具備一定的優越性。在進行能源綜合服務站建設和發展時,要提升其能效水平,應注重能源利用率和數據中心能效的提升,算例中可再生能源利用水平較高,能源利用率大于1,在一定程度上彌補了可再生能源利用占比的不足,保證了能源綜合服務站的較高能效水平,評估結果可作為能源綜合服務站確定未來發展方向的參考,在今后發展中,可在保證能源利用率和數據中心能效水平的基礎上,適當提高可再生能源利用占比和能源經濟成本水平,進而提高能源綜合服務站的能效水平。

5 結論

提高能源的利用效率是能源綜合服務站系統建設的主要目標之一,為了反映能源綜合服務站系統能源利用、轉換、損耗的特征,本文從宏觀能效、微觀能效、能源經濟3 個方面考慮,提出了能源利用率、可再生能源利用率、EV 充電站能效、數據中心能效、能源經濟成本、經濟發展適應性6 個評估指標,并針對上述指標,建立了加權有向圖模型模擬能源綜合服務站系統內部能流情況,計算系統能量輸入輸出及能效評估指標值。最終,采用層次分析法得到系統的綜合評估結果。

通過算例表明,本文提出的能效指標體系及相應的指標計算方法,適用于能源綜合服務站系統綜合能效評估,可在能源綜合服務站系統規劃時提供參考。并且,本文建立的加權有向圖模型中的有向圖路徑可與運行策略進行映射,可用于以提高能效為目標的能源綜合服務站系統運行策略的優化。