基于新能源微電網的建筑綠色能源管理系統設計

牟磊

（雷沃重工集團 山東省青島市 266500）

我國深入推進公共建筑節能改造和綠色建筑，這也是我國建筑行業領域未來一段時間內的重要發展趨勢之一。各省市結合自身發展水平和能源應用能力，有針對性地建設了能源管理系統和能源指標體系，也進一步響應公共建筑節能號召。電力能源是維持建筑正常運轉和人民群眾正常生產生活的最主要能源類型之一，如果不對其進行有效控制，實現節能降耗，則會導致更大資源浪費問題，而在實現綠色建筑和建筑能源管理時需要配套建設建筑綠色能源管理專項系統，其中可以將各類新能源引入其中，既實現電力能源的“開源”，也提高節能降耗的“節流”效果，保障建筑能源正常運用，實現綠色降耗的建筑應用目標。

1 新能源微電網內涵

隨著我國能源領域研究的深入，各類可再生能源的種類及應用范圍不斷拓展，其中微電網將新能源運用與社會發展過程中的能源需求緊密聯系。傳統類型的微電網在設置和運用過程中存在穩定性不高、應用范圍狹窄的問題，而應用新能源進行微電網構建，則可以實現不同類型清潔能源和可再生能源之間的暢通互聯。如圖1所示，在新能源微電網中可以綜合應用太陽能光伏發電、風力發電以及傳統類型的燃氣輪機等進行共同發電，并入公共電網之中，以進一步滿足工業、居民及商業等諸多領域的電力能源需求。在現代信息技術的發展和推動影響之下，“互聯網+”理念在各行業領域的應用探索不斷加強，“互聯網+”同樣可以與微電網進行緊密聯系，提升清潔電力能源的利用效率，微電網在電力局域網中能夠將能源發揮最大作用，同時進一步形成層次更為豐富、功能多樣且效果顯著的電力能源應用聯通網絡[1]。

圖1：微電網的能源互聯網絡架構

2 新能源微電網發展背景

隨著我國社會發展水平的大幅度提升，各行業領域對于電力能源的需求明顯增長，為了滿足電力能源應用市場需求，實現能源節約和低碳環保目標，各類新型能源成為了熱點要素。相比于其他類型新能源運用形式，微電網整體研究相對較晚，于2004年前后逐漸開始微電網領域相關研究，2008年我國南方地區發生了特大冰雪災害，導致全國南部地區大面積供電網絡癱瘓，在此期間充分暴露了我國電力能源供應以及電力網絡設置方面存在的重大缺陷的問題，也進一步推動了微電網的專項研究與發展。近年來，我國越發重視可再生能源和微電網專項研究并取得了鮮明成果，例如天津中心生態城微電網等等，越來越多高校和專項科研單位組建了微電網實驗系統和多領域應用，將其作為重要研究重點之一，很多微電網工程項目已經投入運行之中。現如今，我國全面推進節能降耗，為了極大地緩解能源對外依存度問題，提高生態環境治理效果，要不斷提升電網的接納水平，將以往單一應用火力發電的電力能源生產形式轉化為清潔能源及可再生能源，真正實現降低能耗，同時也要保證當前供電網絡的穩定性和時效性，全面搭建智慧型電力網絡[2]。

3 新能源微電網儲能技術及功能需求

3.1 儲能技術分析

對于新能源微電網而言，在不同領域中進行應用，尤其是建筑綠色能源管理系統中進行組合化應用，其重點在于新能源的儲能技術和應用技術，而儲能技術恰恰是后續電力能源運用的基礎要素。現如今，我國清潔能源的整體發展趨勢體現為清潔化和多元化，這也代表了傳統類型的能源結構模式出現大幅度變革，隨著我國能源戰略轉型的落實，新能源成為了微電網運行與規劃的核心要素之一。例如，風能、太陽能光伏發電等在微電網中廣泛應用并取得一定進展，此類能源類型可以通過分布式電源的大規模集成，進一步提高微電網運行過程中的穩定性和應用效果，對此需要發揮儲能技術的作用和價值，不斷完善儲能系統控制，為后續能源應用和電力系統能源管理提供重要維持效果，避免出現隨機性供電和間歇性供電情況。

與此同時，需要結合微電網儲能技術進行分布式電源設置實現能量緩沖，從而結合當前電力能源使用情況，滿足高峰放電、削峰填谷的儲能應用目標，雖然原有儲能系統在應用過程中存在一定特殊性效果，但是將其應用于微電網中，能夠實現平滑切換，有利于改善電力網絡中的電能質量水平。對此需要在電網實際運行和規劃設置中，將不同類型的儲能裝置進行有針對性的論證，并結合不同功能需求和建筑能源管理系統需要，有針對性的選擇與之配合度更高的儲能裝置，進而實現混合儲能，發揮儲能技術的作用，有利于減少微電網運行期間電力能源的過度消耗，同時也可以將以往存儲的電力能源用作維持電力正常應用的基礎，緩解電力能源供應不足，保障電力網絡安全發展。

3.2 功能需求分析

當前我國傳統類型的能源系統在構建過程中，其主要能源流向大多是單一趨向的，尤其是建筑領域中所應用的能源管理系統，其用戶只是能源的消費者，而應用能源管理系統的作用在于對公共建筑內各類設備、電力能源應用情況和能耗情況進行實時監控，切實提高能源利用效率，滿足節能減排的需求。現如今，我國飛速推進智能電網和新能源微電網建設，公共建筑用戶側應用了各類分布式電源儲能裝置等設備，需要與電網側進行能源和信息的雙向流動，對此綠色能源管理系統除了以往電力能源使用情況監測和節能優化之外，同樣需要具備支持分布式電能支持儲能、海量數據處理、響應用戶需求等多項功能內容[3]。

分布式電源接入主要指的是風力發電、光伏發電等新型電力能源用戶側往往存在多種類型的分布式能源，其中有以風電和光伏發電最為常見，因此在建設建筑綠色能源管理系統時，需要基于此類新型能源拓展其供應多樣化水平，以不同用戶為單位優化設計能源供應形式。但值得注意的是，風力發電和光伏發電同樣受到自然天氣因素和環境因素的影響，甚至與該地區地理位置緊密聯系，對此應用分布式電源時，發電有一定間歇性特點，要應用建筑能源管理系統有效解決多種類型分布式電源接入為電網造成的負面影響，保障電網平穩運轉。

其次需要保障現有建筑能源管理系統能夠滿足用戶側的儲能需求，尤其是很多工業建筑和公共建筑，針對電動汽車等設置了專項接口，因此需要對電動汽車充放過程進行有序控制，進一步降低電動汽車充電過程中對建筑本身電網造成的負面影響。除以上功能之外，海量數據的分析與處理以及用戶參與度需求響應逐漸成為了電力系統數字化發展和智能化變革的重要媒介之一。需要對建筑綠色能源管理系統應用過程中存在的海量數據進行及時收集與分析、處理，突破以往數據采集方面的瓶頸問題，同時要面對用戶需求，進一步降低谷峰差和電力資產投資效果，幫助用戶降低用電費用，實現各類用電設備的靈活化調度[4]。

4 基于新能源微電網的建筑綠色能源管理系統設計對策

4.1 設計目標及內容

基于新能源微電網，開展建筑綠色能源管理系統設計與構建，以某液態奶生產基地為例，該項目已建成15MW 屋頂光伏、1MW 風力發電系統和0.5MW 鹽酸電池儲能系統等等，該項目已經建成應用RLC 可調負載新能源發電與智能微電網系統發揮作用，同時結合負荷端制冷系統的冰蓄冷單元，利用峰谷平電費差額，實現谷電價蓄冷，峰電價融冰融冰，有利于節約用電成本。該系統運行過程中將新能源發電與智能微電網進行協調控制與運用，基于新能源發電要素與智能微電網之間運行原理及工作特性，從而進一步判斷監控管理系統與智能微電網絡運行過程中是否能夠實現并網運行或單一孤立運行，應用智能微電網系統開展專項設計，通過集成運營實時數據、能耗實時數據、各分布式能源的運行數據等，運用相應的系統模型和人工智能算法，基于多類不規則數據的分析，輸出各分布式能源的優化調度指令，實現新能源發電的數據采集與集中優化控制，在此基礎之上對園區綠色能源開展綜合化管理，尤其針對風力發電機和光伏發電兩個組成部分，實現信息收集與優化控制。

4.2 項目設計要素

4.2.1 智能微電網組成系統

通過前期勘察，針對項目所在建筑進行發電系統和用電系統等分別勘測與全面資料收集，共同構成園區智能微電網。首先需要由發電系統共同組成發電環節，應用逆變器進行交流電與直流電之間的轉換，并將風力發電能源和光伏發電能源以電能形式直接存儲到電能儲能系統之中，或直接供給建筑內各類用電設備的負荷情況。園區智能微電網主要涵蓋了分布式電源與儲能裝置、電能轉換裝置以及傳感器、監控器等等，共同匯集成小型發配電系統，能夠在該建筑內實現能源有效管理和自我控制，既可以與外部電網進行并網運行，也可以單獨孤立運行[5]。總體規劃如圖2所示。

該建筑同時設置了光伏發電設備和風力發電設備，因此可以滿足白天黑夜的風、光互補運轉，雖然夜間無法應用太陽能源，但是可以通過風力發電系統實現并網發電，光伏發電陣列由不同光伏能源共同組成，由逆變器進行DC/DC 的升壓變換，隨后以直流電形式進行電壓輸出，開展DC/AC 變換，最終輸出三相交流電。如果當前建筑所處地區天氣晴朗、光照良好，該光伏系統完全可以實現自動化運轉，而逆變器也可以在系統運轉期間對輸出功率點進行跟蹤，并結合光伏陣列的溫度變化和太陽輻射變化情況自動化控制電壓與電流，始終保持最大輸出的狀態。

4.2.2 硬件組成部分

該建筑綠色能源管理系統中，硬件組成部分主要涵蓋了該項目已建成15MW 屋頂光伏、1MW 風力發電系統和0.5MW 鹽酸電池儲能系統、智能微電網系統。因此開展硬件設計時需要綜合設計電氣接線方案和不同傳感器所在數據點位、采集點，對測量元件進行專項安裝。其中測量部分至關重要，需要通過嵌入傳感器形式，讓其與控制單元模塊進行連接，對能源管理系統當前各類設備和發電系統的運轉情況進行實時監測，最大程度上避免出現斷電情況。傳感器可以設置為數字模式或模擬化形式，對當前光伏發電系統的環境溫濕度、電力系統運轉期間的開路和短路問題進行實時傳感監測。例如風力發電系統在運行過程中所得到的交流電，需要通過AC/DC 轉換器實現整流，再一次應用DC/AC 轉換器將直流電轉換為交流電，將電輸送至電力運轉線路之中。而太陽能板則需要直接將太陽光能轉化為電能，應用逆變器轉換為交流電，實現電力應用為各類蓄電池、燈泡等提供電力能源。

4.2.3 軟件設計部分

建筑綠色能源管理系統構建中，所涉及的軟件系統主要涵蓋了軟件開發、通信點表設計等多項內容。該系統應用SOA 架構，分層次進行構件設置和應用模塊設計，例如設置分布式管理中間件、第三方接口中間件、數據監控中間件等等，確保能夠對系統運轉過程中多項變量進行數據分析，從而進一步優化調整系統要素，實現良好能源管理水平。結合該系統應用實際情況，分別設置了光伏及風能、冷站群控系統多項監測軟件手段和儲能系統監控要素，確保實現軟硬件之間的緊密聯合，將新能源發電系統與建筑綠色能源管理系統進行協調融合，提高能源的綜合利用效率。如平臺數據模塊，沿用SCADA5.0 整體架構，訂閱SCADA 實時告警和實時數據，通知運維模塊自主派單，相關數據上傳至MQ 服務器，以展示使用。應用展示模塊采取J2EE 架構，應用B/S 多層體系結構，應用HTML5+CSS3.0+BOOTSTRAP響應式開發界面UI，以Ajax 技術進行秒級數據處理等。業務邏輯層依賴于Spring 輕型Jcc 容器，實現業務組件管理。數據存儲則應用MYSQL 數據庫，實現數據庫備份和還原等功能。

4.3 建筑綠色能源管理系統應用結果

通過對現有建筑綠色能源管理系統的實驗性應用和軟件模擬，對建筑負荷運行情況實現模擬運轉，可以得知當前電網中各類負荷大體可以分為阻性、感性和容性三種類型，因此在實現負荷模擬時，需要根據不同電力設備的參數、電感、電阻等情況，實現電網負荷的真實模擬，再結合組合負荷模型提升預測精準度和有效性，發揮軟件編程功能，統籌規劃儲能系統的發電功率水平與輸電功率，確保其能夠與預測模擬電荷之間相匹配，優化電力能源的運用效果，真正實現節能減排。尤其針對光伏發電和風力發電能源需存儲到專項儲能系統之中，該儲能系統分別設置了電源和儲能兩項功能屬性，充電和放電更為靈活，同時增加了變流器警報狀態信息要素，針對儲能系統運行過程中的平均電壓、平均溫度、可用能量、可用功率、單體電壓、溫度、濕度等信息、充放電次數累計、充電容量、電池組狀態等進行實時監測，一旦發生異常情況則觸發相應級別警報。

實際應用過程中，該儲能系統對于電力能源的靈活性調配以及設備運行削峰填谷有重要優勢作用。值得注意的是，該建筑綠色能源管理系統運行期間，光伏發電機和風力發電機雖然是新能源類型，但是仍舊受到天氣影響因素限制較多，不同時間點光照強度和角度也會對光伏發電水平造成影響，而風力發電機對于風力的需求也進一步增大。對此需要在現有研究成果的基礎之上，實現風力發電系統與光伏發電系統的協調有效運轉，真正提升建筑園區綠色能源管理效果，實現資源節約的目標。

5 結論

綜上所述，現如今我國綠色建筑的興建比例大幅度增長，綠色建筑、節能建筑等新型建筑理念在行業領域中廣泛推廣，但是如何真正實現綠色節能化建筑成為了建筑規劃設計、施工以及電力企業廣泛探討的熱點話題。本文基于新能源微電網，共同探討了建筑綠色能源管理系統的設計要素。首先分析了新能源微電網內涵及發展背景，其次探討了新能源微電網儲能技術及功能需求，重點分析基于新能源微電網的建筑綠色能源管理系統設計對策，以某項目為例，明確系統設計目標及內容，厘清項目設計要素，如智能微電網組成系統、硬件及軟件組成部分，最后提出建筑綠色能源管理系統應用結果。希望能夠進一步推進我國新能源微電網和智能微電網的普及化應用，并加速新能源在建筑綠色能源管理系統中的運行效果，推進我國可再生能源開發與利用進程。