新能源電力系統零碳工程可行性研究

俞 琪

（蘇州電力設計研究院有限公司， 江蘇 蘇州 215000）

1 項目概述

在國家“雙碳”目標以及能源互聯網建設背景下，圍繞綠色生態圈的建設，充分利用清潔能源、應用先進節能技術以及電氣化改造，建設成國家“雙碳”目標的示范基地[1-2]。

規劃建設規模包括：

1）建設全清潔能源供應系統，包括500 kW 光伏、100 kW 分布式風電、500 kW/1 000 kW·h 儲能方艙以及10 m 長的踩踏發電路面；

2）全電生態模式改造，包括船舶“油改電”、碼頭岸電系統建設、島內充電設施建設、全電廚房改造以及智慧路燈建設；

3）智能化零能耗民宿建設，包括民宿用能模式改造、建筑節能改造、用能節能改造以及民宿能源管理系統建設；

4）建設全島能源監測、環境資源監測等智能感知終端，部署碳平衡分析基礎系統和碳優化管理應用系統。

2 “碳平衡”分析

2.1 碳排放統計分析

碳排放是國家、企業、產品、活動或個人在一定時間內直接或間接產生的CO2或溫室氣體排放總量，而碳排放進行準確的量化評估與分析則是零碳示范建設的基礎。根據電力能源消耗、自來水供應、建筑工程、污水/雨水外排等方面進行碳排放統計[3]。

2.2 碳吸收技術分析

為有效實現碳中和目標，目前技術條件下的碳吸收技術主要有綠植碳匯和碳捕捉等，即通過綠植光合作用從空氣中吸收二氧化碳或者通過技術手段將產生排放的二氧化碳收集捕捉起來，并進行儲蓄封存或轉換利用。

“碳平衡”應用分析：通過整體年度碳排放和碳吸收統計分析，增加可再生能源抵消碳排放，潛在的技術路徑包括增加光伏/風力發電、儲能系統等；降低建筑能耗及能源轉換損耗，以減少碳排放，包括建筑節能改造、能源轉換利用優化調控等；結合電力市場交易現行政策，探索碳排放市場化運營模式，實現對用戶的碳資產市場化管理[4]。

3 建設方案

開展交通電氣化設施建設，為觀光車和電動自行車提供充電服務；建設電動船舶岸電接口，為岸電系統提供配電接口，同時配套建設岸電應急保障設施和互動化運行控制裝置；建設供用能監測裝置，監測島上供電和用電情況，為碳平衡分析提供實時數據；開展環境資源監測系統建設，監測氣象環境、空氣指數、水資源、人流量等實際情況，為碳平衡分析提供實時數據；開展碳平衡分析信息采集與轉發系統建設，碳排放模型建設與碳匯模型建設，建設碳平衡分析基礎系統，并在此基礎上開展碳優化管理應用系統建設。

3.1 交通電氣化設施建設

3.1.1 旅游觀光車配套充電設施建設

在碼頭和食堂附近配套建設4 臺7 kW 交流充電樁，滿足未來觀光接駁車的充電需求。充電樁采用室外建設，配套4 個旅游觀光車停車位。

3.1.2 電動自行車集中充電設施建設

建設1 座電動自行車集中充電設施點，項目建設點計劃選取充電需求相對集中的區域，建設范圍包括小型電動車充電停車坪及各40 個充電插座和停車位。線路供電電源采用公共用電線路。

3.1.3 車棚光儲一體化系統

利用新建的充電站車棚，配套建設光儲一體化系統，根據車棚棚頂平面布局安裝光伏組件，棚頂安裝光伏組件容量為5 kWp 左右，棚頂敷設面積約32 m2。棚頂光伏組件順坡安裝，采用固定支架安裝方式，組件安裝角度為26°，這種安裝方式的優點是安裝方便、布置緊湊、場地利用率高，隔熱、保溫、防水、同時利于雨雪消融。

車棚棚頂采用多晶硅的光伏組件。本項目每個充電站建設一套5 kW/17 kWh 鋰電池儲能系統，儲能系統交流輸出側直接接入車棚配電箱220 V 交流母線。

3.2 電動船舶岸電接口建設

船舶靠港使用岸電，是減少船舶污染物排放的有效手段。本項目計劃在港口建設低壓150 kW 容量的岸電設施，為往來旅游船舶及小型貨船提供便利的充放電服務。

基于安全、可靠、便捷的原則，常規港口岸電系統建設主要包括岸基供電設施、船岸連接設施、船舶受電設施關鍵系統建設，為有效解決港口往返旅游船舶充電需求，港口岸電系統建設主要包括岸基供電設施建設、船岸連接設施建設、港口岸電能源管理系統建設等，具體建設內容包括：

3.2.1 碼頭岸基配電設施建設

系統直接采用下側AC380V 作為電源輸入端，配套建設一套戶外智能型低壓配電箱，為岸電變頻設備、岸電應急保障設備供電，并未將來分布式發電和儲能預留接口。

3.2.2 岸電應急保障設施建設

為平滑岸電負荷功率，提升供電可靠性，計劃在岸電設備附近配套布置磷酸鐵鋰儲能儲能裝置，作為岸電設備應急保障電源。考慮到運輸和安裝的難度，項目選用儲能智慧方艙，具備清潔、環保、無噪音等諸多優點，而且電能質量高、續航能力強、移動便捷，不僅提高了供電可靠性，作業方式還更為靈活。儲能機組裝機容量為50 kW/100 kWh，共1 臺。

3.2.3 岸電互動化運行控制裝置建設

岸電互動化運行控制裝置作為面向碼頭電力能源領域應用開發的專業化系統，在碼頭范圍內實現電力能源系統綜合監控、優化控制、互動運行等功能，有效解決碼頭分布式發電、儲能、岸電等各個發用電設備的數據交互、監控和綜合能量管理，同時還可以擴展構建多能協同綜合能源網絡，參與電力需求側響應。

3.3 供用能監測裝置建設

3.3.1 配電網信息監測裝置建設

配電變壓器是低壓配電網的主要設備，在低壓配電系統中建設中用量巨大，其運行的經濟效益直接影響到整個電力系統的經濟效益。在城鄉10 kV 及以下的配電網中，配電變壓器的損耗約占線路損耗的1/3，農村配電變壓器的損耗約占到整個電力系統損耗的60%，甚至更多。近年來，快速發展的分布式發電大量接入配電網，以光伏發電為代表的分布式發電帶有波動性、周期性和不確定性等固有特性，這又給配電變壓器的運行帶來巨大的挑戰。所以為配電變壓器配置智能配變終端，有助于提升配電臺區工程建設規范化和標準化水平，滿足配電網智能化發展需要和客戶對供電能力、供電質量和供電服務的新要求，能夠提高供電能力和供電可靠性，提升運行管理水平和服務能力，進而收到很好的經濟效益。

項目計劃對配電變壓器裝設智能配變終端，實時監測配電變壓器運行信息，并開展智能分析和控制。

3.3.2 綜合服務用能監測裝置建設

利用現代化計算機技術以及分布式控制技術，建立起完整的能耗監測平臺。配置相應儀表后，能耗監測平臺可以對水、電、氣（熱力、煤氣、燃氣）等各類能耗分類分項計量，對各個設備系統化節能調節控制、數據采集與存儲、數據統計與分析等。做到能源消耗可視化、信息化，通過能耗監測平臺實現節能增效、提高能源利用率，幫助用戶降低成本、降低風險。

3.3.3 民宿用能監測裝置建設

民宿用能監測裝置由用戶管理終端與非侵入式監測裝置構成。其中用戶管理終端用于侵入式檢測與電氣數據采集，根據集中器指令控制電器通斷，用戶管理終端增加了紅外遙控功能，可對空調溫度、運行模式進行控制，達到更精確的負荷監控功能。非侵入式監測裝置與用戶管理終端以Wi-Fi 方式進行通信，該裝置嵌入非侵入式負荷識別算法，可實現非侵入式監測以及快速通斷功能。

非侵入式監測裝置主要應用在商業、居民用戶中，是以DSP 核心數據高效處理技術和Linux 系統的嵌入式ARM技術為基礎，充分利用現代電力電子、數字信號處理等技術開發出來的底層智能裝置

3.3.4 能源通信采集裝置建設

考慮監測裝置的分散特性，各監測裝置優先選用無線4G 公網開展數據采集，在監測裝置旁安裝無線通信模塊，采用虛擬專網模式，向監控后臺轉發數據，能夠保障數據信息安全。監測裝置操作電源從就近用電設備處取電。

3.4 碳平衡分析基礎系統建設

從碳平衡分析信息采集與轉發系統建設、碳排放統計建設與碳匯分析建設出發，建設碳平衡分析監測系統，支撐零碳示范工程建設。

3.4.1 基于碳監測的碳排放統計建設

1）碳排放量核算監測建設。從農業、林業、居民生活、廢棄物處理等四個關鍵方面，分析碳排放的結構特征，構建碳排放監測指標體系和計量模型，建立碳排放監測核算體系模型。

2）用戶碳資產信息管理建設。根據清潔能源消納情況、生產生活碳排放情況及民宿節能改造節約電力情況的定期監測和計算，按照通用碳資產算法，測算用戶碳資產規模，面向用戶，根據監測的碳排放、碳資產情況，生成用戶碳資產分析結果，并計入碳資產管理模型數據庫，方便后續查詢。碳資產管理模型主要信息應涵蓋：用戶基本信息管理、交易信息推送、交易競價管理、交易合約管理、交易結算管理、效益評估分析等功能。通過內置模型算法、運營策略，實現對用戶碳資產交易的有效代理和增值服務。

3.4.2 基于森林碳匯的碳吸收分析建設

1）森林碳匯測計模型構建。森林作為陸地生態系統的主體，是系統中最大的碳庫。森林固碳利用自然過程，成本較低，同時具有保護生物多樣性、涵養水源、防風固沙等生態效益，利用生態系統將二氧化碳以生物量的形式，這在一定程度上屬于更加科學有效的方法。森林蓄積生長量與森林面積作為碳匯測計的基礎，通過對大尺度區域進行估測，可有效分析森林生長量變化趨勢，從而支撐森林碳匯測計。

2）碳資產交易模型構建。基于碳資產市場機制、政策體系研究，向用戶推送碳資產運營可行商業模式信息、行業資訊信息，遠期可開發套餐定制、價格設計等功能選項，根據用戶定制化需求設計面向用戶碳資產增值的可行商業模式。

3.5 碳優化管理應用系統建設

3.5.1 基本架構

構建碳管理體系架構，實現一次能源系統的優化控制以及運行安全管理，同時還能夠聚合本地化能源/非能源信息資源，整體實現對外能量流、信息流、業務流的交互。

通過邏輯層面來看，主要包含三個層面的建設內容：

1）能源信息層。通過能源優化控制裝置和能源安全管理裝置的本地化建設部署，實現對風、光、柴、儲、生物質、燃氣、水以及其它化石/非化石等所有能源生產/能源消耗形式的監測、管理以及控制，達到本地能源運行效果最優、能源安全性最高的效果。

2）資源聚合層。通過建設能源/非能源信息聚合裝置，實現對能源生產信息、能源控制信息、能源消耗信息以及氣象、環境、空氣、人流等非能源信息的聚合，支撐對外信息流、能源流、業務流的交互。

3）對外互動層。能源/非能源信息聚合裝置與綠色交通網絡體系平臺實現信息交互，實現運行信息在遠方平臺的數據存儲、分析，就地側部署工作站及本地展示單元，通過遠程映射綠色交通網絡體系平臺，實現本地化的應用展示。同時還能夠以綠色交通網絡體系平臺為對外媒介，支撐對外參加電網緊急支撐、電網輔助服務、電力現貨交易、碳交易等能源業務。

3.5.2 碳優化協調控制裝置建設

建設一套能源優化控制系統，能夠實現多能預測，并具備“安全運行”“經濟運行”“綠色運行”自主運行模式，滿足高可靠性運行、經濟效益最大化運行、低碳運行等優化運行目標。其主要控制功能模塊包括風光儲充協調控制功能模塊、多能互補優化控制功能模塊，能夠實現清潔能源就地消納、移峰填谷、能源梯次利用等多種應用場景，最大化支撐能源碳排放的最優目標。

3.5.3 能源信息安全管理系統建設

本期先期考慮能源安全管理系統的數據接口建設，預留好各類應用數據接口，為后期能源安全管理系統的建設部署建立良好的基礎。

4 項目特色亮點

該項目構建了零碳示范工程，通過清潔能源利用、電能替代、全電改造等方式，促進了生態環境建設。構建新能源電力系統，提高供電可靠性，實現能源供應清潔化；打造柔性直流臺區，實現臺區間容量智能配置，促進新能源消納；探索消費側支撐零碳技術發展路線，構建全新能源消費體系；建成、形成典型零碳建設模式，具備推廣應用價值。