探析園區(qū)多能互補智慧能源系統(tǒng)的設計及運行

構建清潔、低碳、高效的能源供給體系，開創(chuàng)安全高效的能源消費新局面是我國能源轉型的方向和目標，也是實現“碳達峰、碳中和”的有效途徑。多能互補系統(tǒng)可以充分地利用分布式能源和可再生能源，對提升可再生能源消納具有重要意義。本文結合具體項目，詳細闡述了園區(qū)多能互補智慧能源系統(tǒng)設計的主要內容及多種能源耦合的運行方案。

1、總體設計方案

1.1項目建設背景本工程為北京市某單位辦公園區(qū)多能互補建設項目，現有園區(qū)于2006年建設完成，2009年進行了二次裝修改造?，F有主要變配電設備和供能機電設備都已運行12年以上，存在設備老舊、受損嚴重等問題。園區(qū)配電自動化水平不高，沒有自動抄表、分項計量和運行監(jiān)控系統(tǒng)，無法對電能使用情況進行分析、控制和優(yōu)化;隨著公司業(yè)務不斷增加，現有變壓器容量也難以滿足未來使用需求。綜上，園區(qū)能源供給總體存在設備老化、耗能大、經濟性差、供能結構不合理、供能可控性差、維護管理困難等問題。隨著公司業(yè)務不斷拓展，辦公人數日益增多，園區(qū)現有供能系統(tǒng)不能滿足日常所需，提高園區(qū)管理和能源利用能力迫在眉睫。1.2項目總體方案本項目依托園區(qū)內現有的2座辦公樓，建設多能互補智慧能源系統(tǒng)，對園區(qū)供能系統(tǒng)進行整體改造，其中電氣系統(tǒng)主要包括:新建159.64kWp多類型分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、250kW/550kWh混合電儲能系統(tǒng)、330kW燃氣分布式三聯(lián)供系統(tǒng)及電動汽車有序充電系統(tǒng)等。園區(qū)現供電系統(tǒng)為兩回10kV進線，單母線分段接線，接兩臺10kV/0.4kV、500kVA變壓器，兩段400V母線，單母線分段接線。2、設計方案優(yōu)化配置2.1電氣系統(tǒng)建設方案本工程電氣系統(tǒng)由原0.4kV的4號和5號母線分別引出一段新增母線，編號為6號和7號母線，對應設置6臺低壓配電柜。本項目光伏發(fā)電系統(tǒng)、電儲能系統(tǒng)接入6號0.4kV母線，三聯(lián)供系統(tǒng)330kW燃氣發(fā)電機接入7號0.4kV母線。全部發(fā)電設備并網運行，所發(fā)電能就地消納。新增地源熱泵、空氣源熱泵等用電設備分別接入6號和7號母線。項目電氣主接線圖見圖1。圖1園區(qū)電氣主接線圖2.2燃氣發(fā)電機建設方案根據園區(qū)逐時電耗統(tǒng)計分析，2018年5月14日至2019年5月6日一年用電量230萬kWh，日均用電量詳見圖2。園區(qū)現有2臺500kVA變壓器，其中1#變壓器工作日平均負荷波動區(qū)間為120～250kW，2#變壓器工作日平均負荷波動區(qū)間為170～300kW，休息日工作負荷約為工作日的50%～60%。圖2園區(qū)2018年5月14日至2019年5月6日日均用電量園區(qū)最大用電負荷約450kW，最小用電負荷約200kW。夏季和冬季用電高峰集中于10∶00-19∶00時段。冬夏季典型日日均用電功率如圖3所示。圖3冬夏季典型日日平均用電功率本次改造中新增電力負荷主要分為基本負荷(控制系統(tǒng)、機房暖通及環(huán)境)、季節(jié)性冷暖負荷(三聯(lián)供、地源熱泵、空氣源熱泵等)、隨機性負荷(充電樁等)及其他負荷(電化學儲能、實驗負荷等)。目前園區(qū)內入駐職工不斷增加，2019年平均月度用電量相較2018年同期增長約6%，考慮到未來新增人員需求，按最大負荷的8%～10%計負荷增長，該因素引起的負荷增長值暫列50kW。綜上，園區(qū)最大電力負荷校驗數據如表1所示。依據負荷校驗數據，本項目改造后現有兩臺500kVA變壓器基本可滿足園區(qū)日常用電需求，但在冬、夏季高峰負荷時段，僅靠現有變壓器供電時，變壓器負荷率較高，對于重要負荷的供電可靠性保障降低，因此需考慮增加項目的總體電力供應。同時結合項目用冷用熱負荷需要，經與相關機電專業(yè)共同討論，確定本項目選用燃氣發(fā)電機作為冷熱電負荷供應的供能設備，根據目前主流市場內燃機各型號容量，最終確定本工程選用的燃氣內燃機發(fā)電機組功率為330kW。2.3

光伏發(fā)電系統(tǒng)建設方案本項目于2座辦公建筑屋面建設光伏發(fā)電系統(tǒng)，詳細方案如圖4所示。A座屋頂安裝單晶硅光伏板300塊，總安裝容量為96.0kWp;B座屋頂安裝多晶硅光伏板80塊，安裝容量為23.2kWp，硅基異質結SHJ光伏板120塊，安裝容量為37.2kWp;A座主入口處天棚建設BIPV建筑光伏一體化透光薄膜發(fā)電系統(tǒng)，安裝雙玻10%透光薄膜光伏組件36塊，總安裝容量為3.24kWp。光伏系統(tǒng)總裝機規(guī)模159.64kWp，經電力電纜接入園區(qū)電氣系統(tǒng)。圖4屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)2.4電儲能系統(tǒng)建設方案為增加供電系統(tǒng)的供電可靠性及提高運行靈活性，本項目設置了一套電儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)的容量確定需要綜合考慮用能需求、投資成本、運行效益等因素。下面針對園區(qū)不同時段用電情況進行分析:

(1)

春秋季白天用電高峰時段總用電量約為2067kWh，剔除光伏系統(tǒng)發(fā)電量，剩余用電量為1621kWh，晚間用電高峰時段總用電量約777kWh;(2)

夏季白天用電高峰時段總用電量約為2447kWh，剔除三聯(lián)供系統(tǒng)及光伏系統(tǒng)發(fā)電量，剩余用電量為67kWh，晚間高峰時段用電量約1183kWh，剔除三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電量，剩余用電量為193kWh;

(3)

冬季白天用電高峰時段總用電量約為2175kWh，剔除三聯(lián)供系統(tǒng)及光伏系統(tǒng)發(fā)電量，剩余用電量為424kWh，晚間高峰時段用電量約818kWh，剔除三聯(lián)供系統(tǒng)發(fā)電量，剩余用電量為158kWh。根據以上園區(qū)歷史負荷、功率分析，結合未來用電需求，綜合考慮北京電價政策，電池容量、功率、經濟性以及本園區(qū)負荷特點等，儲能系統(tǒng)容量按最低滿足冬、夏季一天“一充一放”進行配置，最終確定本項目設置一套550kWh電池儲能系統(tǒng)，對應PCS功率選擇為250kW。

3、運行方案及效果分析3.1

運行方案分析確定了各類供能系統(tǒng)的裝機容量及設備選擇后，接下來對項目建成后的運行方案進行分析。(1)夏季電負荷分析及運行方案夜間23∶00－7∶00以市電滿足園區(qū)低谷用電、電化學儲能、地源熱泵水蓄能設施用電負荷需求，預計負荷峰值約400～450kW。自7∶00點起啟動燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)供應部分電能和冷負荷，不足部分主要由市電和光伏發(fā)電系統(tǒng)共同承擔，伴隨著負荷的增長在電價高峰時段10∶00－15∶00、18∶00－21∶00逐步釋放儲能電量。至21∶00后停止三聯(lián)供運行，以市電滿足園區(qū)用電需求。負荷典型匹配策略為:高峰用電負荷600kW，其中三聯(lián)供系統(tǒng)出力330kW、分布式光伏出力60～110kW、電儲能出力110kW，不足部分由市電補充。夏季典型日電負荷供需情況如圖5所示。圖5夏季典型日電負荷供需情況(2)冬季電負荷分析及運行方案夜間23∶00－7∶00以市電滿足園區(qū)低谷用電、電化學儲能、地源熱泵水蓄能設施用電負荷需求，預計負荷峰值約370～420kW。自7∶00點起啟動燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)供應部分電能和熱負荷，不足部分主要由市電和光伏發(fā)電系統(tǒng)共同承擔，伴隨著負荷的增長在電價高峰時段10∶00-15∶00、18∶00－21∶00逐步釋放儲能電量。至21∶00后停止三聯(lián)供運行，以市電滿足園區(qū)用電需求。負荷典型匹配策略為:高峰總用電負荷450kW，其中三聯(lián)供系統(tǒng)出力330kW、分布式光伏出力45～70kW、電化學儲能出力50kW。冬季典型日電負荷供需情況如圖6所示。圖6冬季典型日電負荷供需情況(3)過渡季運行方案過渡季園區(qū)無冷、熱負荷，電負荷全天處于較低狀態(tài)。夜間23∶00－7∶00以市電滿足園區(qū)低谷用電、電化學儲能用電負荷需求，預計負荷峰值約380~430kW。白天主要由市電和光伏發(fā)電系統(tǒng)共同承擔，伴隨著負荷的增長在電價高峰時段10∶00－15∶00、18∶00－21∶00逐步釋放儲能電量。負荷典型匹配策略為:高峰總用電負荷380kW，其中分布式光伏出力90～105kW、電化學儲能出力110～183kW。過渡季典型日電負荷供需情況如圖7所示。需要說明的是:在過渡季典型日電負荷期間，光伏系統(tǒng)日發(fā)電量約為774kWh，550kWh電化學儲能系統(tǒng)每日按“兩充兩放”模式運行，以提高設備利用率及儲能系統(tǒng)的經濟性，其余由市電補充。圖7過渡季典型日電負荷供需情況圖3.2項目建設效果本項目針對園區(qū)用能情況和北京電價、氣價情況，對園區(qū)進行多能互補智慧能源系統(tǒng)改造后，園區(qū)用能成本、能源利用效率、環(huán)境效益都得到了大幅度優(yōu)化。如表2所示，建成后年運行成本降低105.66萬元，成本節(jié)約率達到35.07%;每年節(jié)能量折合249.8t標準煤，年能源消耗節(jié)約率達到19.6%;每年可減少二氧化碳排放650t，二氧化碳減排降低22.4%；項目可再生利用率