張笑薇

（徐州供電公司，江蘇 徐州 221000）

在多能互補(bǔ)綜合能源電力系統(tǒng)中，分布式能源是核心，基于此在特定的區(qū)域內(nèi)實(shí)施能源供應(yīng)。該能源系統(tǒng)整合了多種能源形式，包括熱、冷、燃?xì)狻㈦娔芎退畡?wù)都可以一體化運(yùn)行。綜合能源電力系統(tǒng)的一個重要優(yōu)勢在于，將多種能源協(xié)同并予以優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，使得再生能源充分利用，提高能源的利用率，避免產(chǎn)生浪費(fèi)問題。通過對能源逐級合理利用，以提高能源綜合利用水平[1]。綜合能源電力系統(tǒng)本身是非線性系統(tǒng)，其變量非常多，體現(xiàn)出復(fù)雜的特征，有很強(qiáng)的隨機(jī)性，與傳統(tǒng)的規(guī)劃問題相比較，其能源規(guī)劃更加復(fù)雜。

1 綜合能源電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合能源電力系統(tǒng)將多種能源的輸入輸出和轉(zhuǎn)換設(shè)備集成，應(yīng)用信息通信技術(shù)將各種系統(tǒng)建立為對應(yīng)耦合關(guān)系，主要包括供氣系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、供冷系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)等等，如圖1。

圖1 多能互補(bǔ)綜合能源電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

配置綜合能源電力系統(tǒng)的時候，需要對系統(tǒng)部件所屬類型以及規(guī)格明確，要充分認(rèn)識到系統(tǒng)配置對聯(lián)供系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)性具有重要的影響。在構(gòu)建綜合能源電力系統(tǒng)的時候，對于單個設(shè)備的效率要充分考慮，將運(yùn)行策略制定出來，明確用戶的冷熱電需求，同時還要保證經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益維持平衡狀態(tài)[2]。

在系統(tǒng)配置之前需要對綜合能源電力系統(tǒng)的負(fù)荷作出預(yù)測并詳細(xì)分析。在預(yù)測冷熱電負(fù)荷的時候，要將各種歷史數(shù)據(jù)為依據(jù)，主要為社會、經(jīng)濟(jì)、電力負(fù)荷以及氣象等等，明確電力負(fù)荷與有關(guān)因素之間所存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，從科學(xué)的角度預(yù)測未來的負(fù)荷。在進(jìn)行綜合能源電力系統(tǒng)規(guī)劃的過程中，負(fù)荷預(yù)測發(fā)揮基礎(chǔ)性的作用，其是否準(zhǔn)確對系統(tǒng)配置具有直接的影響。

根據(jù)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果配置綜合能源電力系統(tǒng)。綜合能源電力系統(tǒng)直接向用戶供應(yīng)能源，隨著用戶的負(fù)荷需求發(fā)生變化，就會出現(xiàn)用戶負(fù)荷的熱電比與系統(tǒng)熱電比以及用戶負(fù)荷的冷電比與系統(tǒng)冷電比不能保持一致的問題。為了滿足用戶的負(fù)荷需求，需要采用四種系統(tǒng)配置方法：第一種配置方法是補(bǔ)電子系統(tǒng)集成方法；第二種配置方法是補(bǔ)熱子系統(tǒng)集成方法；第三種配置方法是電- 熱轉(zhuǎn)換集成方法；第四種配置方法是蓄能集成方法。如果熱電比非常小或者用戶的電負(fù)荷已經(jīng)超過原動機(jī)功率的時候，可以應(yīng)用并網(wǎng)補(bǔ)充電能的方法，也可以用可再生能源對電能進(jìn)行補(bǔ)充[3]。當(dāng)綜合能源電力系統(tǒng)的供熱容量不足的時候，就要應(yīng)用補(bǔ)熱子系統(tǒng)進(jìn)行熱量供應(yīng)。當(dāng)用戶熱電比以及冷電比都超過系統(tǒng)輸出比的時候，可以應(yīng)用電- 熱轉(zhuǎn)換的方法將原來的熱需求向電需求轉(zhuǎn)換。如果用戶需求有峰谷差存在，就需要向綜合能源電力系統(tǒng)中引入蓄能手段，由于不同步導(dǎo)致的供應(yīng)和需求不平衡的問題就能夠得到緩解，如果存在不同于設(shè)計工況的問題，此時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力就會有所提高。

在進(jìn)行公共電網(wǎng)接入的時候可以采用不同的方式，綜合能源電力系統(tǒng)的配置模式也會上有所不同，可以根據(jù)需要選用孤島運(yùn)行模式、并網(wǎng)上網(wǎng)模式以及并網(wǎng)不上網(wǎng)模式。

采用孤島運(yùn)行模式的時候，綜合能源電力系統(tǒng)為獨(dú)立運(yùn)行，不需要架設(shè)連接線路也可以連接到公共電網(wǎng)上，對于可再生能源比較豐富的地區(qū)，如果公共電力網(wǎng)絡(luò)不能覆蓋，可以提供風(fēng)能或者太陽能，尤其是比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，能量供應(yīng)有所保證。

如果采用并網(wǎng)上網(wǎng)模式，可以通過電網(wǎng)購買電能，在電能比較富余的情況下，還可以向電網(wǎng)出售，從中可以獲得一定的收益。這種模式對電能質(zhì)量有很高的要求，需保持電能供應(yīng)穩(wěn)定且有較高的安全性，對于綜合能源電力系統(tǒng)的控制也比較復(fù)雜。

如果采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的模式，所發(fā)的電都是自己使用，如果出現(xiàn)電能不足的問題，就要向公共電網(wǎng)購買，這種模式已經(jīng)在人流量較高的場所應(yīng)用，諸如新型住宅區(qū)、大型工業(yè)園區(qū)和規(guī)模比較大的醫(yī)院等等，如果為冷熱電多聯(lián)供系統(tǒng)，可以應(yīng)用這種模式[4]。

2 綜合能源電力系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成

綜合能源電力系統(tǒng)可以將多種能源充分利起來，能源供應(yīng)形式也多種多樣，使得冷熱電等用能需求得以滿足，所以設(shè)備的種類也多種多樣。在綜合能源電力系統(tǒng)中，主要的設(shè)備是原動機(jī)、制冷設(shè)備以及供暖設(shè)備。

2.1 原動機(jī)

在綜合能源電力系統(tǒng)中，原動機(jī)屬于核心部件，要使其各項(xiàng)性能指標(biāo)符合設(shè)計要求，就需要充分考慮到不同類型的原動機(jī)有不同的使用特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需要合理選擇，且保證原動機(jī)的容量符合要求。

在各種原動機(jī)中，比較常見的類型包括燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、燃料電池、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)等。發(fā)揮內(nèi)燃機(jī)的作用，可以向氣缸中注入空氣和燃料，混合之后進(jìn)行壓縮處理，點(diǎn)火就會引發(fā)爆炸，在高溫高壓環(huán)境中，燃?xì)饪焖倥蛎?，活塞被推動做功，在氣缸連桿和曲軸的驅(qū)動下，發(fā)電機(jī)就會發(fā)電[5]。使用內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行發(fā)電，不僅效率高，而且功率范圍非常廣，有非常好的適應(yīng)性能，整個的結(jié)構(gòu)看起來緊湊，而且體積非常小，不會占用很大的空間，其重量輕，能夠快速啟動，便于操作，技術(shù)維護(hù)不是很復(fù)雜，大修的間隔時間比較長。

從燃?xì)廨啓C(jī)的構(gòu)成上來看，除了燃燒室控制系統(tǒng)之外，還包括透平機(jī)、壓氣機(jī)以及一些輔助性的設(shè)備。其中的壓氣機(jī)是燃燒室運(yùn)行過程中提供高壓空氣，燃燒室中的燃料燃燒中會釋放出熱量，就會有高溫高壓氣體產(chǎn)生，在透平機(jī)膨脹之后就會做功，此時熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能[6]。當(dāng)前，燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，不僅應(yīng)用非常廣泛，而且運(yùn)行效率高、質(zhì)量輕，體積小，摩擦部件也非常小，不會產(chǎn)生很大的振動，噪聲非常低，避免對環(huán)境造成污染。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，其是清潔能源，能夠獲得良好的環(huán)境效益。但是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也有缺點(diǎn)，其在運(yùn)行的過程中會產(chǎn)生很大的噪聲，而且在風(fēng)場選址的時候具有很高的要求，發(fā)電缺乏穩(wěn)定性。如果是風(fēng)能資源非常豐富的地區(qū)以及地廣人稀的地方，風(fēng)力發(fā)電機(jī)是比較好的選擇[7]。

光伏電池所發(fā)揮的作用是將太陽光照轉(zhuǎn)化電能，主要是直流電能，不會對環(huán)境造成污染，也不會被資源分布地域所限制，其還有一個重要的優(yōu)勢，就是可以在用戶側(cè)就近發(fā)電。光伏電池有不足之處，就是會受到氣象環(huán)境的限制，在輸出能量的時候存在不穩(wěn)定性。如果為光照充足的地區(qū)，且接入電網(wǎng)存在難度，就可以使用光伏電池發(fā)電。

燃料電池就是燃料中的化學(xué)能經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)之后轉(zhuǎn)化為電能，不需要經(jīng)過燃燒，也不會受到卡諾循環(huán)效應(yīng)的應(yīng)用，發(fā)電效率非常高。由于不使用機(jī)械傳動部件，就不會產(chǎn)生噪聲。當(dāng)前中國在傳統(tǒng)發(fā)電中使用燃料電池，還沒有在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)大量應(yīng)用。

比如，華秦儲能投資，天合商用總包建設(shè)的智慧能源示范園區(qū)所采用的就是綜合能源電力系統(tǒng)，在園區(qū)中將光伏電站、風(fēng)力發(fā)電、液流電池儲能、冷熱電三聯(lián)供，智慧能源綜合平臺等多種能源形式整合，對能源梯級利用，形成一個新能源體系，如表1。

表1 綜合能源電力系統(tǒng)配置

2.2 制冷設(shè)備以及供暖設(shè)備

吸收式制冷機(jī)的驅(qū)動主要是通過煙氣或者熱水實(shí)現(xiàn)的，制冷所采用的是溴化鋰或者氨水等等，這種制冷設(shè)備可以將余熱充分利用起來。

當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)的過程中會產(chǎn)生余熱，余熱鍋爐就可以將這些余熱充分利用起來，結(jié)合使用可燃物質(zhì)，經(jīng)過燃燒之后會有熱量釋放出來，將水加熱，在工業(yè)企業(yè)中利用，也可以用于采暖。余熱鍋爐包括兩種類型，一種是一般型的余熱鍋爐，另一種是補(bǔ)燃型的余熱鍋爐，其中的一般型余熱鍋爐運(yùn)行原理類似于熱交換器，不需要經(jīng)過燃燒。

熱泵所應(yīng)用的是低品位熱資源，可以用于供熱，也可以制冷，不僅運(yùn)行效率高，而且可以達(dá)到節(jié)能效果。當(dāng)進(jìn)入到冬季的時候，可以發(fā)揮熱泵機(jī)組的作用，將室外熱量傳輸?shù)绞覂?nèi)，可以起到很好的供熱效果。在夏季的時候，室內(nèi)的熱量可以輸送到室外，室內(nèi)溫度就會降低。

3 選擇設(shè)備容量的方法

當(dāng)確定了原動機(jī)、供冷設(shè)備以及供熱類型之后，還要將設(shè)備的容量合理確定下來，使設(shè)備容量的利用實(shí)現(xiàn)最大化，這就需要對用戶對于冷熱電負(fù)荷的需求充分考慮，同時還需要考慮所選用的原動機(jī)特性，以及在一年中電價的波動情況以及能源價格的波動情況，在對問題的處理中應(yīng)用最大矩形面積法，即矩形的高度為函數(shù)值，將矩形的面積計算出來。當(dāng)處于初步規(guī)劃綜合能源電力系統(tǒng)的過程中，基于已知時間- 負(fù)載曲線就可以應(yīng)用最大矩形面積法對設(shè)備的容量以及設(shè)備運(yùn)行時間進(jìn)行估算。

4 綜合能源電力系統(tǒng)的運(yùn)行策略

其一，以熱定電。用戶的熱需求得到滿足，將發(fā)出的電向用戶提供，當(dāng)電量過剩的時候可以上網(wǎng)售賣，電量不夠充足的時候可以通過電網(wǎng)補(bǔ)充。

其二，以電定熱。用戶的電需求得到滿足，釋放的熱量向用戶提供，使其熱需求得到滿足。在熱量不足的情況下，可以使用鍋爐補(bǔ)充燃燒，如果熱量過剩，可以使用蓄熱罐儲存。

其三，持續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)在預(yù)定的時間內(nèi)可以保持持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，即便能源需求有所變化也不需要考慮。如果系統(tǒng)生產(chǎn)的能源可以滿足的用戶需求，有剩余可以上網(wǎng)售電，否則就要通過電網(wǎng)補(bǔ)充。

結(jié)束語

通過上面的研究可以明確，多能互補(bǔ)綜合能源電力系統(tǒng)與傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)相比較，不僅效率高，而且運(yùn)行成本低，具有環(huán)保性。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家對這種系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟，中國則存在滯后性，主要由于存在技術(shù)障礙，加之政策上受到限制等等原因，所以，這種技術(shù)在中國依然處于發(fā)展階段。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，加之國家出臺了一些鼓勵性的政策，且已經(jīng)落實(shí)到具體的工作中，多能互補(bǔ)綜合能源電力系統(tǒng)就會有更大的發(fā)展空間。通過對多能互補(bǔ)綜合能源電力系統(tǒng)的建設(shè)模式進(jìn)行研究，以使該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。