辦公園區(qū)微能源網(wǎng)系統(tǒng)集成及實踐

1、辦公園區(qū)微能源網(wǎng)系統(tǒng)集成及實踐近年來，隨著電力電子技術(shù)、儲能技術(shù)、通信技術(shù)、多能耦合技術(shù)的不斷發(fā)展，在能源革命新思想“四個革命、一個合作”的引領(lǐng)下，能源互聯(lián)網(wǎng)、微電網(wǎng)不斷深入人心。在以“三型兩網(wǎng)”為核心的綜合能源服務(wù)浪潮引領(lǐng)下，通過對電力、天然氣、熱力等多種能源在源、荷、時、空多維度的集成優(yōu)化，打破能源技術(shù)壁壘和產(chǎn)業(yè)壁壘，實現(xiàn)系統(tǒng)能源高效利用，進而實現(xiàn)高性價比、環(huán)境友好型的微能源網(wǎng)，已經(jīng)成為一個重要的研究方向和未來能源轉(zhuǎn)型的重要抓手，有很好的現(xiàn)實意義。系統(tǒng)集成前期調(diào)研以在已有的3000m2辦公園區(qū)建設(shè)園區(qū)用能經(jīng)濟性和功能性相統(tǒng)一、可觀、可控性價比高的微能源網(wǎng)為目的，通過仔細分析園區(qū)用能類型、用

2、能成本、用能曲線及可用分布式資源的實際情況，設(shè)計并實現(xiàn)了對電力、制冷、采暖等多種類型能源的經(jīng)濟控制和優(yōu)化利用。負荷分析及能源成本1）常規(guī)負荷：廚房電加熱廚具、電動自行車充電亭、新能源車充電樁、室外高桿燈、屋頂亮化工程、電熱水器、室內(nèi)空調(diào)。2）可調(diào)節(jié)負荷：小型冷庫、電動自行車充電亭、新能源車充電樁、辦公用中央空調(diào)（需要做改造）3）關(guān)鍵負荷區(qū)域：會議室、檔案室以及獨立客房。4）電費執(zhí)行峰谷商業(yè)電價；燃氣費：3.5元/m3;采暖費：39.8元/m2。系統(tǒng)初置參數(shù)如圖1所示。約束條件1）辦公樓位于市區(qū)，南面為低層民宅，晚間休息時間不允許有噪聲，噪聲需小于45dB，安全要求較高。2）可用屋頂面積300m

3、2，相對狹小，部分屋頂采用光導(dǎo)管實現(xiàn)節(jié)能使用，部分屋頂設(shè)置了無公害菜園，院落中有高大喬木法桐樹，進一步減少了分布式能源安裝面積。3）并網(wǎng)不上網(wǎng)的限制要求更好的有功功率控制。4）關(guān)鍵負荷如會議辦公室及冷藏室。5）成本預(yù)算限制及投入產(chǎn)出比。燃氣發(fā)電容量偏低，導(dǎo)致單位容量成本偏高;儲能技術(shù)商業(yè)化不足，成本偏高。功能需求 TOC o 1-5 h z 1）通過削峰填谷獲得套差收益;2）采暖季節(jié)燃氣聯(lián)供系統(tǒng)效率不低于78%;3）可調(diào)負荷的時段調(diào)整;4）進行負荷畫像，優(yōu)化負荷曲線，減少最大需量MD;5）分布式能源發(fā)電應(yīng)兼顧功能性和經(jīng)濟性;6）根據(jù)不同應(yīng)用場景確定不同的操作模式，保證在不同場景下的自動控制?？?/p>

4、利用資源分析1）屋頂面積不足300m2，去除遮擋;2）燃氣分布式可利用空間30m2，已安裝采暖終端;3）可用于安裝控制室和電池室12m2;4）可用于控制室和顯示大屏25m2;5）已經(jīng)積累的數(shù)據(jù)、可測量的負荷曲線;6）可進行智能控制的中央空調(diào)、冷庫螺桿制冷機組、園區(qū)高桿燈以及充電設(shè)施。其他約束條件1）微能源網(wǎng)作為新鮮事物，相關(guān)部門沒有規(guī)定明確的流程，難以實現(xiàn)并網(wǎng)逆功率運行;2）辦公園區(qū)原來沒有燃氣接口，負荷多為電力負荷，燃氣接口需要協(xié)調(diào)，燃氣需要滿足安全要求;3）居民樓宇與實驗室比較近，噪聲問題和排煙問題需要著重考慮。微能源網(wǎng)系統(tǒng)集成經(jīng)充分分析，從收益模型來看，應(yīng)最大化地應(yīng)用光伏分布式電源，通過

5、儲能進行削峰填谷，降低最大需量MD，高負荷時段滿功率發(fā)電，利用余熱作采暖運行;從實驗平臺來看，要盡可能考慮多種不同分布式能源和不同用能屬性的負荷，為研究如何實現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲、控五位一體的平臺創(chuàng)造條件，并借此研究各個子系統(tǒng)的耦合和優(yōu)化控制。經(jīng)充分考慮，確定了微能源網(wǎng)的系統(tǒng)組成，分別是能源控制系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、負荷采集系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能梯級利用、燃氣分布式聯(lián)供及余熱補燃鍋爐。根據(jù)典型工作日負荷曲線的分析，最大負荷在11：00前后，該階段辦公園區(qū)工作用電、沿街門頭房營業(yè)用電、廚房做飯用電等多個負荷共同作用。負荷在夏季達到最大值142kW，冬季典型日負荷最大值為89.8kW。系統(tǒng)

6、配置系統(tǒng)為“并網(wǎng)不上網(wǎng)”交流母線型分布式系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)相對獨立，如果出現(xiàn)系統(tǒng)故障解列等異常情況，系統(tǒng)可自主進行后續(xù)安全處理。各子系統(tǒng)統(tǒng)一受能源管理系統(tǒng)的協(xié)同及控制，系統(tǒng)由能源管理系統(tǒng)EMS、負荷監(jiān)控系統(tǒng)、光伏發(fā)電子系統(tǒng)、動力電池梯次利用儲能子系統(tǒng)、燃氣熱電聯(lián)供及補燃采暖系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)圖如圖2所示。能源管理子系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)（以下簡稱EMS）作為系統(tǒng)控制單元，主要完成實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的收集、分析及優(yōu)化控制以及各個子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制，具有能流界面、運行界面、子系統(tǒng)界面等多個界面，人機界面良好，多種模式可選。EMS是整個系統(tǒng)的核心和大腦部分，是、荷、儲、控的智能單元。EMS布置在型號為E2000的主

7、站上，該型號主站響應(yīng)時間2ms,平均無故障時間大于6000h,可進行熱冗余配置。此外，通過安裝安全隔離設(shè)備可以將數(shù)據(jù)有選擇、有區(qū)分地進行Web發(fā)布。圖3為系統(tǒng)能流圖，直觀、清晰地顯示了能源流動的大小和方向。能源管理子系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的“大腦”，控制命令是否下發(fā)并且正確響應(yīng)需要回傳確認，確認命令是否執(zhí)行，并作出相應(yīng)響應(yīng)。除自身軟件具備故障處理機制外，還需要通過熱機冗余以及UPS等手段保證其可靠性和安全性。負荷監(jiān)控子系統(tǒng)負荷用能采集子系統(tǒng)主要是通過對負荷的實時采集及運算，實現(xiàn)對最佳工作模式的計算和正確響應(yīng)人機交互的命令。電力數(shù)據(jù)主要包含實時采集數(shù)據(jù)、功率因數(shù)數(shù)據(jù)等，使用DLT645協(xié)議，通過協(xié)議

8、轉(zhuǎn)化模塊，采用專用RS485線纜進行有線通信，數(shù)據(jù)采樣時間小于100ms，以保證數(shù)據(jù)采集的及時準(zhǔn)確。圖4是各個區(qū)域電度表的拓撲圖，將不同區(qū)域的表計數(shù)據(jù)作相關(guān)統(tǒng)計，能實時看到各個負荷當(dāng)前的運行情況，為負荷預(yù)測和源荷平衡控制等提供了數(shù)據(jù)支撐。受辦公園區(qū)限制，經(jīng)分析，可利用的負荷確定為會議室中央空調(diào)（6匹）、慢充充電樁（7kW）、電動自行車棚充電區(qū)域20部電動自行車的充電和8燈頭X60W廣場高桿燈。可控負荷的選擇可為負荷平衡起到重要作用，為負荷時移提供了基礎(chǔ)條件。系統(tǒng)將核心團隊辦公室以及食堂用能作為關(guān)鍵負荷，不允許出現(xiàn)斷電或者長時間停電的情況?？煽刎摵傻氖褂眯柽M行改造，主要包括兩部分：一是對含有智能

9、控制器且響應(yīng)控制命令的機組（如冷庫用螺桿機組）進行通信調(diào)試或智能化改造（中央空調(diào)機組控制器），一般需要機組廠家的技術(shù)配合，以充分了解數(shù)據(jù)點表、響應(yīng)能力以及通信協(xié)議或干接點;二是對開斷類建議負荷，將負荷配電柜的開關(guān)替換成接觸器或智能斷路器，通信可以采用Lora無線或干濕接點有線控制。光伏發(fā)電子系統(tǒng)光伏系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，發(fā)電過程無噪聲，無廢水和廢渣。光伏系統(tǒng)用于商業(yè)用電具有較好的收益，應(yīng)利用可用空間最大化利用高效光伏系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場勘測，考慮遮擋因素，使用1組英利熊貓系列最新高效285Wp雙玻雙面光伏組件，背面增益10%;2組高效單玻單晶組件290Wp電池板，光伏適當(dāng)架高，保證背面反射率，基礎(chǔ)屋

10、頂作增大反射率處理以保證最大發(fā)電量，同時作對比?？?cè)萘繛?5kWp，逆變器采用自取電多MPPT華為逆變器30KTL,為了配合系統(tǒng)對光伏單元的有功控制，采用配套專用通信管理機進行通信。光伏系統(tǒng)運行圖如圖5所示。特別需要注意遮擋對光伏子系統(tǒng)不成比例的影響。在屋頂設(shè)置光伏時，一般冬至日09：0015：00不對電池板產(chǎn)生遮擋，特殊情況下，可通過MPPT（最佳功率點跟蹤）的組串設(shè)置規(guī)避影響。采用雙玻雙面電池時，支架設(shè)置需要考慮光伏支架對散射光的影響，不合理的設(shè)置可能使得背面發(fā)電部分實際損失超過50%。另外，通過對屋面層的不同處理可以進行反射率實驗。梯級利用儲能子系統(tǒng)儲能子系統(tǒng)由采用50KTL的儲能變流器

11、PCS、電池管理單元BMU、電池管理系統(tǒng)BMS和8組50kW/160kWh鎰酸鋰動力電池等組成。PCS在谷值時段以0.2C的充電電流進行充電，白天尖峰時段和高峰時段以0.5C（0.2C2C）進行放電。鎰酸鋰電池額定電壓為3.8V充放電閾值設(shè)定區(qū)間為2.54.25V。除實現(xiàn)基本的峰谷套差外，還可以為會議室、關(guān)鍵區(qū)域辦公電腦和照明等關(guān)鍵負荷提供容量備用?？紤]到成本，本次系統(tǒng)未考慮無縫切換的功能。梯次利用儲能單元運行系統(tǒng)原理如圖6所示。特別要注意：儲能子系統(tǒng)要保持良好的通風(fēng)和散熱條件，制定好電池單元級別及電池簇級溫度、過充、過放的安全控制策略。在離網(wǎng)運行模式下，需要匹配負荷啟動或停止時產(chǎn)生瞬時負荷的

12、控制策略，同時輔以管理要求。儲能變流器在離網(wǎng)運行時，處于V/F工作模式下，需要防孤島模塊保證安全性。燃氣聯(lián)供及補燃燃氣鍋爐來自市政管網(wǎng)的氣源穩(wěn)定，氣壓在高峰用氣階段不低于1800Pa（18：3020：00，與用電高峰重合），滿足內(nèi)燃機發(fā)電要求，發(fā)電功率30kW，其余熱包含480煙氣、82冷卻水以及90潤滑油，通過工業(yè)板式換熱器為1200m2辦公室冬季采暖提供熱源或余熱。余熱功率經(jīng)測算約40kW，考慮到建筑現(xiàn)有保溫結(jié)構(gòu)，設(shè)置60kW余熱補燃鍋爐作為補充。圖7為燃氣發(fā)電補燃鍋爐運行系統(tǒng)圖。燃氣發(fā)電負荷運行的注意點：余熱利用會受壓運行，余熱利用會降低發(fā)電效率1%-2%滿負荷運行時，是系統(tǒng)效率最大的時

13、刻。余熱利用需要反復(fù)實驗流量得出最佳值，要盡量采用變頻泵，熱量表精度要滿足計量要求，采用渦街流量計進行計量。熱水管要保證充滿水，不得有氣泡，施工工藝需滿足要求。燃機的維護需要按照操作規(guī)程完成，潤滑油的加注、冷卻水的溫度跟蹤都將一定程度上影響運行結(jié)果。如果有力率考核，可以進行無功補償。工作模式的設(shè)置方案集成后，針對不同的工況，系統(tǒng)設(shè)置了如下工作模式：最大化收益模式、假期經(jīng)濟模式、保供電模式、需求側(cè)響應(yīng)模式。最大化收益模式，顧名思義就是收益最大化，具有以下要求：1）最大化利用分布式光伏能源，防止棄重。2）最大化利用電儲能移峰填谷，梯次利用電池谷時充滿電（上限安全閾值4.25V,下限安全閾值2.5V

14、）,電價尖峰時段全部放電。3）燃機實現(xiàn)滿功率高效運行。采暖季，燃機發(fā)電余熱聯(lián)供工作在滿功率;非采暖季則主要用于需量MD管理。4）負荷管理。充電電動車錯開用電高峰時段，減少充電成本;空調(diào)自動限溫運行，限時、移峰使用;螺桿制冷機組錯峰運行。假期經(jīng)濟模式，是針對非工作日負荷出現(xiàn)較大差異，對負荷分析并綜合平衡后的控制策略，具有以下要求：1）并網(wǎng)不上網(wǎng)，光伏多余發(fā)電，儲電應(yīng)用，儲能充滿后限功率運行，必要時棄光處理。2）燃機停運。3）負荷分類。除關(guān)鍵負荷或關(guān)鍵區(qū)域外，空調(diào)停運;電動自行車充電站停止運行;高桿燈限功率、限時段運行;可控螺桿機組大功率谷電應(yīng)用等。保供電模式是針對特殊場合下的特殊訴求，如基于特殊

15、時間，對重要客戶、重要活動保證安全的應(yīng)對策略，可能會犧牲一些經(jīng)濟性，具有以下要求：1）儲能SOC不低于90%;2）燃機處于熱冗余狀態(tài)，采暖季補燃鍋爐全功率運行;3）光伏投入有功功率處于可控狀態(tài)，多云天氣停發(fā);4）負荷控制，優(yōu)先保證關(guān)鍵負荷用電訴求。需求側(cè)響應(yīng)模式是針對電力體制改革不斷演進過程中，新產(chǎn)生的輔助服務(wù)要求或需求側(cè)響應(yīng)要求，如容量激勵、需量管理等明確需求，以產(chǎn)生增值的模式，是本平臺作為實驗平臺，針對場景的預(yù)設(shè)開發(fā)。在實際運行中，受容量、政策限制不具備實操此模式的條件。這里要特別指出，針對不同的園區(qū)，如生產(chǎn)類、商務(wù)類和研發(fā)類的辦公園區(qū)控制策略將出現(xiàn)比較大的差異，關(guān)鍵在于負荷“畫像”以及對

16、企業(yè)管理行為的把握。一成不變的控制策略不能適用于所有場合。4系統(tǒng)效果分析系統(tǒng)搭建完成后，開發(fā)了基于分布式控制的能源管理平臺，完成了整個系統(tǒng)的選型，子單元安裝、調(diào)試及運行，做了大量功能性實驗和驗證性實驗，針對不同模式實現(xiàn)了初期規(guī)劃的全部功能。以冬季采暖季為例，07：3018：00（工作時間）開啟燃氣聯(lián)供，經(jīng)測算，效率達到74.3%，其中，發(fā)電效率為30.8%。燃氣成本為3.5元/m3，燃氣熱值在8400kcal，可發(fā)電8400X30.8%/860弋3.（kWh,采暖換熱效率為33.5%因為規(guī)模偏小，保溫措施等還有待加強，發(fā)電效率和換熱效率仍有較大改善空間。光伏發(fā)電全部消納，每年1Wp可發(fā)電在1.21kWh，儲能部分谷電峰（尖）用，梯次利用電池成本