周宇昊 ， 張海珍 ， 宋勝男

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030；2.浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310030）

0 引言

國內(nèi)在分布式能源領(lǐng)域起步較晚，分布式能源系統(tǒng)的研究處于初步階段，尚不成熟。而在國外分布式能源技術(shù)的科學(xué)研究已經(jīng)很成熟，分布式能源裝機容量占發(fā)電總量的比例遠高于中國。這在相當(dāng)程度上得益于國外具備眾多完備的分布式能源系統(tǒng)研究平臺。例如美國馬里蘭大學(xué)的分布式實驗平臺，采用裝機容量為250kW的微型燃氣輪機，系統(tǒng)效率達80%以上，提供學(xué)院綜合樓的冷、熱、電能源需要，同時滿足了科研要求，并將實驗平臺運行數(shù)據(jù)公示在校園網(wǎng)絡(luò)上。日本已建成多個具備實驗性質(zhì)的分布式能源系統(tǒng)平臺，其中著名的如：千住智能能源網(wǎng)絡(luò)。該平臺不僅可以向周邊區(qū)域供電，還可以開展例如CGS余熱的熱源綜合控制實驗，研究太陽熱能和CGS余熱雙向供應(yīng)的控制等技術(shù)[1,2]。

因此，在國內(nèi)建設(shè)一整套功能完備的分布式能源系統(tǒng)實驗平臺是一個極具理論研究意義與工程實踐價值的項目。

1 多能互補實驗平臺系統(tǒng)組成

該實驗平臺是多能源互補的微網(wǎng)系統(tǒng)，由動力模塊、分布式光伏模塊、儲能模塊、余熱利用模塊、需求側(cè)模塊、地源熱泵試驗井、測試模塊等。實驗平臺共十二種運行工況，能源利用效率設(shè)計最高值超過90%、節(jié)能率達到25%。實現(xiàn)電力自發(fā)自用、智能控制、多余上網(wǎng)、余缺網(wǎng)補。

圖1 實驗平臺現(xiàn)場圖Fig.1 Laboratory platform scene map

1.1 原動機設(shè)備

多能互補示范項目原動機子系統(tǒng)安裝容量為315kW燃氣內(nèi)燃機2臺，65kW燃氣輪機1臺。預(yù)留燃氣輪機與內(nèi)燃機認證測試機位各1個，最大可測試容量為兆瓦級。原動機系統(tǒng)可以開展的實驗研究主要有原動機系統(tǒng)性能檢測、原動機系統(tǒng)認證實驗、變工況時原動機配置方案研究等。

1.2 余熱利用設(shè)備

余熱利用子系統(tǒng)是分布式能源系統(tǒng)中一個重要的組成部分，在分布式能源系統(tǒng)中，可以利用的主要的余熱類型有燃氣內(nèi)燃機和燃氣輪機排放的高溫?zé)煔狻＠眠@些高溫燃氣，可以對煙氣型吸收式機組提供熱源。同時也可以將這部分煙氣通入到余熱鍋爐內(nèi)，將來流的水加熱為高溫蒸汽,利用獲得的蒸汽給吸收式機組提供熱源，同時也可以利用余熱鍋爐生產(chǎn)熱水，提供人們正常生活的熱水。

1臺煙氣熱水型溴化鋰制冷機、1臺蒸汽型溴化鋰制冷機、1套小型余熱鍋爐裝置。

1.3 蓄能設(shè)備

冰蓄冷、儲熱和電池儲能，并擁有移動蓄熱設(shè)備。采用硝酸鋰基熔鹽相變材料回收煙氣高溫?zé)崃?，采用十二水硫酸鋁鉀回收中低溫蒸汽熱量，采用自主研發(fā)的導(dǎo)熱塑料盤管蓄冰裝置用于冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。

圖2 熔鹽蓄熱現(xiàn)場圖Fig.2 Field diagram of molten salt storage

圖3 熔鹽蓄熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of molten salt regenerator

1.4 可再生能源設(shè)備

系統(tǒng)設(shè)有300kW等級太陽能光伏等設(shè)備，并預(yù)留生物質(zhì)燃料動力裝置和太陽能外燃機動力裝置基礎(chǔ)。

圖4 幕墻光伏Fig.4 Curtain wall photovoltaic

圖5 屋頂光伏Fig.5 Rooftop photovoltaics

1.5 區(qū)域能源智能管理系統(tǒng)

控制分布式電源的輸出功率和分布式負荷的保存運行數(shù)據(jù)供運行人員調(diào)用分析；實現(xiàn)冷、熱、電各種能源的綜合優(yōu)化，以保證整個微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行為目標(biāo)，以滿足安全性、可靠性和供電質(zhì)量要求為約束條件，對分布式發(fā)電供能系統(tǒng)的電源進行優(yōu)化調(diào)度、合理分配出力，實現(xiàn)分布式能源微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化運行。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多能互補分布式系統(tǒng)集成技術(shù)研究

建設(shè)完成MW級多能源互補的源網(wǎng)荷儲微能源網(wǎng)系統(tǒng)。由燃氣內(nèi)燃機、微型燃氣輪機、分布式光伏等組成分布式電源；余熱利用的煙氣和蒸汽型制冷/制熱吸收式機組、地源熱泵等；儲能系統(tǒng)包含相變蓄熱、冰蓄冷、蓄電池等；供需一體化構(gòu)成的微能源網(wǎng)，實時對供能側(cè)和用能側(cè)進行采集和反饋，進行系統(tǒng)優(yōu)化運行；測試模塊可調(diào)模擬電負載和移動測試平臺；整個微能源網(wǎng)可實現(xiàn)并網(wǎng)、并網(wǎng)不上網(wǎng)、孤網(wǎng)等多模式運行，滿足用戶冷熱電多種能源動態(tài)負荷需求。

建立分布式能源系統(tǒng)的各子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，為分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行和配置提供模型基礎(chǔ)，利用數(shù)值計算軟件編寫優(yōu)化計算程序，得到運行控制策略，并在實驗平臺上驗證。主要的開發(fā)和試驗內(nèi)容：

（1）燃氣分布式能源系統(tǒng)中動力系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)、煙氣余熱回收系統(tǒng)、信息控制系統(tǒng)耦合特性的數(shù)值模擬；

（2）采用數(shù)學(xué)模擬的方法，建立燃氣分布式能源系統(tǒng)各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上建立分布式能源系統(tǒng)的集成優(yōu)化模型，實現(xiàn)負荷分析、經(jīng)濟計算和系統(tǒng)集成優(yōu)化；

（3）修正各子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并將本項目的研究成果運用到國家能源局分布式研發(fā)中心試驗平臺的運行實踐中，在國內(nèi)具有示范性和代表性。

2.2 多能互補分布式能源管理及微網(wǎng)技術(shù)研究

分布式微網(wǎng)和微能源網(wǎng)的研究技術(shù)主要是分布式電源技術(shù)、控制和策略技術(shù)、多能源互補集成技術(shù)、微網(wǎng)系統(tǒng)保護技術(shù)、微網(wǎng)能量分析和管理技術(shù)、微網(wǎng)仿真技術(shù)研究、微網(wǎng)性能和安全測試技術(shù)。項目開展多能互補分布式能源供需一體協(xié)同控制技術(shù)研究，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的多能互補分布式能源微網(wǎng)管理系統(tǒng)。區(qū)域能源智能管理系統(tǒng)通過對供能側(cè)和負荷側(cè)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，制定節(jié)能和優(yōu)化運行控制策略，實現(xiàn)了冷熱電等多種能源產(chǎn)品的生產(chǎn)、輸送、儲存和使用的一體化控制。對園區(qū)負荷側(cè)和供給側(cè)動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測和反饋，調(diào)節(jié)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)能源供、需側(cè)的動態(tài)聯(lián)動調(diào)節(jié)和控制。

具體方法：對不同等級的用電負荷、不同的可再生能源、燃氣分布式能源、并蓄冷系統(tǒng)、并網(wǎng)設(shè)備等數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，實現(xiàn)不同發(fā)電系統(tǒng)和負荷的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、計算，實時計算發(fā)電、用電、購電等指標(biāo)，實現(xiàn)對可再生能源效率、區(qū)域電能質(zhì)量、實時收入、累計負荷特性、節(jié)能效益的分析和統(tǒng)計，并提供節(jié)能和優(yōu)化運行策略。

（1）區(qū)域能源智能監(jiān)測管理系統(tǒng)

多能源協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)根據(jù)氣、熱、電等能源行業(yè)的運轉(zhuǎn)情況，從系統(tǒng)安全運行、能源價值最大化、多能源交易準則和法規(guī)的角度對多種能源交易和能源資源配置進行協(xié)調(diào)管理，保障能源的安全高效供應(yīng)以及能源網(wǎng)絡(luò)的健康發(fā)展。與分布式可再生能源發(fā)電、大容量儲能系統(tǒng)的接入實現(xiàn)了能源供用關(guān)系的靈活轉(zhuǎn)換，同時也形成了多元市場主體并通過能源交易平臺完成電能交易、可再生能源配額交易等業(yè)務(wù)。區(qū)域能源智能管理系統(tǒng)通過對不同等級的用電負荷、不同的可再生能源、燃氣分布式能源、并蓄冷系統(tǒng)、并網(wǎng)設(shè)備等數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，實現(xiàn)不同發(fā)電系統(tǒng)和負荷的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析、計算，實時計算發(fā)電、用電、購電等指標(biāo)，實現(xiàn)對可再生能源效率、區(qū)域電能質(zhì)量、實時收入、累計負荷特性、節(jié)能效益的分析和統(tǒng)計，并提供節(jié)能和優(yōu)化運行策略。

互聯(lián)信息網(wǎng)絡(luò)通過在電網(wǎng)、燃氣網(wǎng)、熱網(wǎng)、負荷網(wǎng)、300kW光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、冰蓄冷供能系統(tǒng)、700kW分布式電源系統(tǒng)等能源系統(tǒng)范圍內(nèi)通過TCP/IP、RS485、MODBUS等通信協(xié)議，屋頂光伏數(shù)據(jù)采用光纜方式連接至實驗平臺，系統(tǒng)采集各種能源設(shè)備運行狀態(tài)及各能源系統(tǒng)的實時運轉(zhuǎn)狀況等海量信息，搭建能源管理和交易平臺。

（2）區(qū)域智能管理系統(tǒng)通過對園區(qū)一級負荷、二級負荷、三級負荷等分類監(jiān)測和統(tǒng)計，實現(xiàn)能耗的集中管理。

圖6 園區(qū)負荷波動Fig.6 Park load fluctuation

（3）微網(wǎng)仿真：采用仿真軟件對不同分布式DG和儲能系統(tǒng)進行控制策略管理，測試研究控制策略和對微網(wǎng)的影響、微網(wǎng)保護測試對比和微網(wǎng)暫態(tài)運行測試。結(jié)合實際運行情況，進行測試和分析對比。微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)對內(nèi)燃機、鉛酸蓄電池儲能系統(tǒng)、鋰電池儲能系統(tǒng)、超級電容儲能系統(tǒng)控制策略的調(diào)節(jié)，得出不同分布式DG的控制策略和特點。在黑啟動試驗過程中，主要對內(nèi)燃機和儲能系統(tǒng)進行黑啟動試驗，對啟動過程和運行狀態(tài)進行數(shù)據(jù)錄波分析，測試黑啟動DG能力和微網(wǎng)黑啟動時間。對比分析具有黑啟動能力DG特性、電壓、頻率、電能質(zhì)量和黑啟動能力等。

（4）智能云管理和遠程監(jiān)測平臺

智能云管理和遠程監(jiān)測平臺是基于集控中心HP服務(wù)器云計算打造的面向未來能量管理需求的云端運維管理系統(tǒng)。云平臺包括設(shè)備負荷資源、云服務(wù)計算和分析、云管理幾個部分。設(shè)備負荷資源是對硬件資源、軟件資源、網(wǎng)絡(luò)資源以及數(shù)據(jù)資源的各類物理基礎(chǔ)設(shè)施的池化管理，對分布式能源的DCS數(shù)據(jù)、SCADA數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)等進行統(tǒng)一編碼處理并轉(zhuǎn)發(fā)，為狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷應(yīng)用提供標(biāo)準化數(shù)據(jù)，以提高設(shè)備利用率與簡化管理為目標(biāo)，以預(yù)集成、標(biāo)準化的云部署單元為單位進行部署于管理。

（5）柔性微能源網(wǎng)技術(shù)

建設(shè)柔性能源網(wǎng)絡(luò)，基于鉛酸蓄電池100kWh，鋰電池50kWh，超級電容50kW±15s、300kW光伏、30kW光儲系統(tǒng)、700kW分布式電源系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)控制和管理供能，具有多種能源互補模式和運營方式，能源供給可以隨時根據(jù)需求側(cè)負荷進行變化，保證能源傳輸?shù)撵`活可控和安全穩(wěn)定，建設(shè)接納高比例可再生能源、促進靈活互動用能行為和支持分布式能源交易的綜合能源微網(wǎng)。

2.3 新型高效蓄熱裝置及充放熱特性研究

根據(jù)“溫度對口、梯級利用”的原則，國內(nèi)首次開展對分布式能源系統(tǒng)動力余熱進行分級儲能的應(yīng)用實踐研究。研究高溫熔鹽蓄熱、中低溫移動蓄熱、以及冰蓄冷等蓄能技術(shù)，采用硝酸鋰基熔鹽相變材料回收煙氣高溫?zé)崃浚捎檬蛩徜X鉀回收中低溫蒸汽熱量，采用自主研發(fā)的導(dǎo)熱塑料盤管蓄冰裝置用于冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)。實現(xiàn)煙氣梯級相變回收利用，通過主動蓄能調(diào)控方法，改善系統(tǒng)全工況性能，提高能源利用效率和系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。

通過蓄熱器不同截面的不同時間溫度分布云圖和液相率分布云圖對比分析可知，蓄熱器內(nèi)每根封裝管中都是靠近外壁處的PCM先開始溫度變化，并逐漸向管中心靠近。隨著時間推移，靠近導(dǎo)熱油的PCM溫度越來越接近相變溫度直至凝固，此時PCM區(qū)域和導(dǎo)熱油區(qū)域溫度場云圖顯示區(qū)別越來越大。針對蓄熱器設(shè)計的容量，驗證了裝置3小時后仍能滿足系統(tǒng)供熱要求。在此模擬基礎(chǔ)上，開發(fā)出熔鹽蓄熱器和移動蓄熱器。

2.4 分布式能源多目標(biāo)分層監(jiān)測評估技術(shù)研究

在線監(jiān)測各設(shè)備運行參數(shù)，圍繞“量”、“質(zhì)”、“環(huán)境性”、“可靠性”、“經(jīng)濟性”、“可持續(xù)性”等子目標(biāo)建立分布式能源系統(tǒng)的多目標(biāo)綜合評價體系[3-5]。

圖7 蓄熱器內(nèi)溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution nephogram in regenerator

圖8 蓄熱器內(nèi)液相率分布云圖Fig.8 The accumulator in liquid fraction distribution

圖9 蓄熱器內(nèi)部測點溫度變化曲線Fig.9 Temperature variation curve of measuring point in regenerator

圖10 蓄熱器液相率變化曲線Fig.10 The accumulator liquid fraction curve

開展分布式供能系統(tǒng)性能考核和測試評估方法研究；建立分布式能源系統(tǒng)多目標(biāo)評價模型；構(gòu)建分布式能源系統(tǒng)評估標(biāo)準體系建設(shè)。

圖11 分布式能源評估體系Fig.11 Distributed energy assessment system

3 結(jié)論

建設(shè)完成國家級分布式能源研發(fā)中心，開展多能互補分布式能源關(guān)鍵技術(shù)與實驗平臺研究及應(yīng)用技術(shù)，完成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多能互補分布式能源技術(shù)集成、測試、驗證平臺建設(shè)，為分布式能源示范工程提供技術(shù)方案和技術(shù)支持，具有良好的示范效果和應(yīng)用推廣價值。

[1]GCWalsh，H Ye,L Bushnell Stability analysis of Networked Control Systerm[C].San Diegn USA:Proceedings of American Control Conference，1999：2876-2880.

[2]楊素萍，趙永亮，欒鳳奎，等.分布式發(fā)電技術(shù)及其在國外的發(fā)展?fàn)顩r[J].電力需求側(cè)管理，2006，（1）：1-5.Yang Suping,Zhao Yongliang,Luan Fengkui,et al.Distribut?ed generation and its development in foreign countrie[J].power dsm,2006，（1）：1-5.

[3]徐建中.分布式供電和冷熱電聯(lián)產(chǎn)的前景[J].節(jié)能與環(huán)保，2002(3):10-14.Xu Jianzhong.Prospect of Distributed Power Supply and Combined Cooling Heating and Power Generation[J].ener?gy conservation and environment protectio,2002(3):10-14.

[4]劉殿海，楊勇平，楊昆，等.分布式能量系統(tǒng)的綜合評價[J].工程熱物理學(xué)報，2005，26（3）：382-384.Liu Dianhai,Yang Yongping,Yang Kun,et al.The Compre?hensive Evaluation of Distributed Energy System[J].jour?nal of engineering thermophysics,2005,26（3）:382-384.

[5]張曉暉，陳鐘頎．熱電冷聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的能耗特性[J].中國電機工程學(xué)報，2007，27(5)：93-98．Zhang Xiaohui,Chen Zhongqi.Energy Consumption Perfor?mance of Combined Heat Cooling and Power System[J].proceedings of the chinese society for electrical engineer?ing,2007，27(5)：93-98．