“多能協(xié)同”技術(shù)方案充分利用可再生能源和清潔能源，代表了未來(lái)能源的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)推進(jìn)節(jié)能減排和實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前我國(guó)燃?xì)忾T(mén)站大多位置偏遠(yuǎn)，市電接入費(fèi)用高，用電安全難以保障。以北京燃?xì)饧瘓F(tuán)為例，其擁有燃?xì)忾T(mén)站10 座，燃?xì)庹{(diào)壓站箱2 萬(wàn)余座，只有不足三成的燃?xì)忾T(mén)站及調(diào)壓站箱可穩(wěn)定供電。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，燃?xì)庹{(diào)壓站（箱）供電電壓低，用電量少，因此市電入網(wǎng)難且費(fèi)用高昂。然而，燃?xì)忾T(mén)站具備充足的燃?xì)饽茉春拓S富的余壓資源，為其構(gòu)建多能互補(bǔ)穩(wěn)定發(fā)電供電方式提供可能。

1 項(xiàng)目概述及負(fù)荷分析

該燃?xì)忾T(mén)站位于北京市延慶區(qū)，已投入運(yùn)行，現(xiàn)狀電力供應(yīng)為施工臨電，1 臺(tái)315kVA 桿上變壓器與1 臺(tái)移動(dòng)式柴油發(fā)電機(jī)，不滿(mǎn)足燃?xì)忾T(mén)站二級(jí)負(fù)荷的運(yùn)行要求。

燃?xì)忾T(mén)站用電負(fù)荷呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性。全年負(fù)荷只有監(jiān)控系統(tǒng)、可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)、安防系統(tǒng)，以及照明、辦公用電等；季節(jié)性的負(fù)荷主要是春秋季電伴熱鍋爐、冬季采暖電伴熱鍋爐、夏季電制冷空調(diào)。采用需要系數(shù)法計(jì)算，夏季電負(fù)荷為98.7kW，冬季電負(fù)荷為129.1kW，另有消防水泵電負(fù)荷75kW。結(jié)合該門(mén)站實(shí)際用電情況及北京其他同規(guī)模門(mén)站用電情況，確定其平均用電負(fù)荷夏季30kW，冬季40kW。

系統(tǒng)用電解決方案設(shè)計(jì)時(shí)，平均負(fù)荷作為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，用于配置儲(chǔ)能系統(tǒng)電池組容量、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)等設(shè)備參數(shù)。計(jì)算負(fù)荷作為系統(tǒng)瞬態(tài)指標(biāo)，用于配置儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS 容量、柴油發(fā)電機(jī)等設(shè)備參數(shù)。

2 可用能源技術(shù)及發(fā)電裝機(jī)容量分析

門(mén)站具備設(shè)置燃?xì)獍l(fā)電的優(yōu)良條件：燃?xì)赓Y源豐富、價(jià)格低廉，現(xiàn)狀設(shè)有 1臺(tái) 12kPa中壓調(diào)壓箱，剩余能力為 338Nm3/h。

冬季（11 月至次年3月）天然氣流量3.8 萬(wàn)～5.8 萬(wàn)Nm3/h，總進(jìn)口壓力8.2MPa，總出口壓力0.188MPa，滿(mǎn)足壓差發(fā)電的需求，可配置30kW 壓差發(fā)電機(jī)。

綜合考慮門(mén)站建筑條件及風(fēng)光資源優(yōu)勢(shì)，最大可設(shè)置約30kW 的光伏發(fā)電系統(tǒng)，及約2kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

3 “多能協(xié)同”供電系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合負(fù)荷需求及發(fā)電裝機(jī)最大容量限制，按照門(mén)站二級(jí)負(fù)荷供電，并達(dá)到消防水泵雙路獨(dú)立電源、末端互投的可靠性要求，構(gòu)建供電系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。系統(tǒng)設(shè)2 段母線，其中Ⅰ段母線為正常工況主供線路，配置2 臺(tái)100kW 燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組，1 臺(tái)30kW 壓差發(fā)電機(jī)組，30kW 光伏發(fā)電，2kW 風(fēng)力發(fā)電，1 組放電倍率為0.5C 的250kW 蓄電池（EES-1）；Ⅱ段母線為消防工況主供線路，配置1 臺(tái)250kW 柴油發(fā)電機(jī)，2 組放電倍率為0.5C 的250kW 蓄電池（EES-2）和2 臺(tái)200kvar SVG無(wú)功補(bǔ)償器。為保證用電安全性，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度和優(yōu)化管理，配置EMS 能量管理系統(tǒng)。

需要說(shuō)明的是，蓄電池容量的確定，一方面考慮分布式電源全部退出后，夜間15h 無(wú)人值守的運(yùn)行要求；另一方面保證獨(dú)立支撐消防水泵運(yùn)行不低于6h。儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS 容量的選擇，充分考慮了滿(mǎn)足系統(tǒng)最大計(jì)算負(fù)荷的同時(shí)，獨(dú)自起動(dòng)消防水泵的能力。當(dāng)Ⅰ段母線支撐電網(wǎng)時(shí)，電池EES-1 剩余電量保持在20%～80%SOC；當(dāng)Ⅱ段母線支撐電網(wǎng)時(shí)，電池EES-2 剩余電量保持在60%～90%SOC（其中一組電池長(zhǎng)期保持滿(mǎn)容量熱備，以保證消防水泵隨時(shí)啟動(dòng)）。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)啟動(dòng)條件為電池EES-1電量低于20%SOC，或負(fù)荷超過(guò)設(shè)定值；停機(jī)條件為電池EES-1電量達(dá)到90%SOC，且負(fù)荷低于設(shè)定值。

4 “多能協(xié)同”供電系統(tǒng)控制策略

4.1 正常工況

正常工況冬季控制策略為Ⅰ段母線主供、Ⅱ段母線熱備。當(dāng)Ⅰ段母線支撐電網(wǎng)時(shí)，電池EES-1 剩余電量保持在20%～80%SOC；當(dāng)Ⅱ段母線支撐電網(wǎng)時(shí)，電池EES-2 剩余電量保持在60%～90%SOC（其中一組電池長(zhǎng)期保持滿(mǎn)容量熱備，以保證消防水泵隨時(shí)啟動(dòng)）。在白天工作時(shí)間即8 時(shí)至17 時(shí)，優(yōu)先使用光伏風(fēng)力發(fā)電和壓差發(fā)電，達(dá)到燃?xì)獍l(fā)電機(jī)啟機(jī)條件時(shí)開(kāi)啟燃?xì)獍l(fā)電，同時(shí)在EMS 能量管理系統(tǒng)管理控制下，整個(gè)供電系統(tǒng)在17 時(shí)前為蓄電池ESS-1、ESS-2 的第二組蓄電池充電至80%SOC；晚間17 時(shí)至次日8 時(shí)，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)夜間不工作。優(yōu)先使用風(fēng)力發(fā)電供電，不足時(shí)由蓄電池ESS-2 和ESS-1補(bǔ)充。該控制策略可以盡量推遲燃?xì)獍l(fā)電機(jī)開(kāi)啟時(shí)間，避免燃?xì)獍l(fā)電機(jī)頻繁啟停。

夏季控制策略與冬季相似，同樣采用EMS 能量管理系統(tǒng)，區(qū)別僅在于壓差發(fā)電機(jī)在此季節(jié)不具備開(kāi)機(jī)條件因而停機(jī)。

4.2 消防工況

消防工況供電策略為Ⅱ段母線主供、Ⅰ段母線熱備。蓄電池EES-2 提供Ⅱ段母線電壓支撐，為消防水泵供電，柴油發(fā)電機(jī)冷備；當(dāng)蓄電池系統(tǒng)故障，或電量不滿(mǎn)足消防水泵啟動(dòng)和運(yùn)行要求時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)為消防水泵供電。

圖1 “多能協(xié)同”供電系統(tǒng)架構(gòu)圖

5 投資與經(jīng)濟(jì)分析

該項(xiàng)目投資范圍包括原有能源機(jī)房改造、站內(nèi)設(shè)備及安裝、電氣系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)。通過(guò)計(jì)算，建設(shè)投資估算為1730.5 萬(wàn)元。該項(xiàng)目運(yùn)行成本主要由天然氣費(fèi)、人工費(fèi)和維修費(fèi)構(gòu)成，同時(shí)考慮蓄電池的使用年限，每隔5 年對(duì)蓄電池進(jìn)行1 次更換，更換費(fèi)用200 萬(wàn)元。年均購(gòu)氣9.5 萬(wàn)Nm3，按照發(fā)電售氣2.62 元/Nm3計(jì)算天然氣費(fèi)為25 萬(wàn)元/a；人工費(fèi)51萬(wàn)元/a；燃?xì)獍l(fā)電機(jī)維修費(fèi)16 萬(wàn)元/a、脫硝裝置維護(hù)費(fèi)5 萬(wàn)元/a、壓差發(fā)電維修費(fèi)3 萬(wàn)元/a。按照運(yùn)營(yíng)期20 年考慮，可以計(jì)算凈現(xiàn)值為3284 萬(wàn)元。

經(jīng)過(guò)多輪談判，市供電接入投資為3500 萬(wàn)元；采用市電運(yùn)行成本由電費(fèi)和維修人員人工費(fèi)兩部分組成，其中電費(fèi)按照電價(jià)1.3 元/kWh 計(jì)算結(jié)果為52 萬(wàn)元/a，人工費(fèi)12 萬(wàn)元/a。按照運(yùn)營(yíng)期20a 可以計(jì)算市電供電方案凈現(xiàn)值為3734 萬(wàn)元。

6 結(jié)論與建議

本文突破燃?xì)忾T(mén)站供電外部依托的瓶頸，結(jié)合門(mén)站資源稟賦條件，因地制宜，創(chuàng)造性地提出了夜間無(wú)人值守的差異化“多能協(xié)同”供電解決方案。通過(guò)合理的系統(tǒng)配置和控制策略匹配，保證供電安全可靠、節(jié)能低碳。通過(guò)與市電接入方案相比，得出該解決方案具有經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)的結(jié)論。本文提出的供電解決方案可在門(mén)站類(lèi)邊遠(yuǎn)地區(qū)和條件受限區(qū)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。