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靈活供能的能源艙通過模塊化集成供能、儲能、能源轉(zhuǎn)換等設(shè)備，以電能的高速轉(zhuǎn)換控制為核心，通過對風(fēng)、光、天然氣等能源的多能互補優(yōu)化、能效管理，為用戶提供經(jīng)濟、可靠、高效、靈活、低碳的冷、熱、電、氣等一體化綜合能源服務(wù)，從根本上解決了用能負荷時空不平衡、設(shè)備眾多集成度差、區(qū)域能源互濟性差、綜合能效低、缺乏統(tǒng)一運維管理系統(tǒng)等問題。能源艙具有清潔低碳、靈活高效快速供能的特點，尤其適用于供能設(shè)備缺乏集中統(tǒng)一運維管理系統(tǒng)的各類型園區(qū)(如以辦公區(qū)為主、商業(yè)區(qū)為主以及辦公、商業(yè)混合的各類小型產(chǎn)業(yè)園區(qū)、小型科技園區(qū)、小型工業(yè)園區(qū)、小型酒店、觀光休閑園區(qū)、高速公路服務(wù)區(qū)、數(shù)據(jù)中心、寄宿制中學(xué)等)。目前，上海已經(jīng)在浦東新區(qū)開展了具體的示范應(yīng)用。

——國網(wǎng)上海綜合能源服務(wù)有限公司技術(shù)總監(jiān)竇真蘭博士

(資料圖)

2023年3月23-24日，在上海舉辦“2023第五屆綜合能源服務(wù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展大會”，邀請資深電力行業(yè)專家、學(xué)者及企業(yè)代表，解讀最新的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢、分享優(yōu)秀的服務(wù)案例及經(jīng)驗、展示創(chuàng)新的技術(shù)及方案。會議中，國網(wǎng)上海綜合能源服務(wù)有限公司技術(shù)總監(jiān)竇真蘭博士主題演講《基于能源艙靈活供能的綜合能源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》。以下為提煉精彩內(nèi)容：

竇真蘭：今天我將從基于能源艙靈活供能的綜合能源系統(tǒng)的背景、關(guān)鍵技術(shù)和具體應(yīng)用等方面跟大家分享。

一、背景介紹

應(yīng)對新型電力系統(tǒng)和新型能源體系建設(shè)的新挑戰(zhàn)，靈活性能力建設(shè)是至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)。提升靈活資源的比重、電力系統(tǒng)的互通、互濟能力和構(gòu)建多能轉(zhuǎn)換的綜合能源系統(tǒng)可以彌補可再生能源功率波動大、電力電量不確定的問題。因此，綜合能源技術(shù)是解決靈活性建設(shè)的一個關(guān)鍵手段。

推動用戶側(cè)多能互補綜合能源系統(tǒng)建設(shè)一方面可以提升靈活性資源接入，實現(xiàn)用戶側(cè)資源靈活調(diào)度；另一方面通過實現(xiàn)設(shè)備層高速控制和終端層協(xié)同優(yōu)化可以滿足用戶多種形式用能需求；最終形成多種供能網(wǎng)絡(luò)耦合互聯(lián)的用戶側(cè)產(chǎn)消一體化供能體系。

針對園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，園區(qū)級用戶側(cè)供能存在：用能負荷時空不平衡；設(shè)備眾多集成度差；區(qū)域能源互濟性差，綜合能效低；缺乏統(tǒng)一運維管理系統(tǒng)等問題。因此，我們提出了基于能源艙靈活供能的綜合能源技術(shù)，通過模塊化集成供能、儲能、能源轉(zhuǎn)換等設(shè)備，通過統(tǒng)一的多能互補與能效管理，為用戶提供冷熱電氣一體化綜合能源服務(wù)。

二、關(guān)鍵技術(shù)

基于能源艙靈活供能的綜合能源系統(tǒng)共有5個關(guān)鍵技術(shù)。

第一個關(guān)鍵技術(shù)是能源艙多能轉(zhuǎn)換模塊化設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計。首先針對獨立供能艙也就是能源艙標(biāo)準(zhǔn)模塊建立模型庫，在此基礎(chǔ)上利用控制層多能優(yōu)化策略疊加設(shè)備層動態(tài)轉(zhuǎn)換模型構(gòu)建多能耦合能源艙模型。針對能源艙不同能源類型的供用能、傳輸及艙間的能量接口與信息接口開展標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，滿足模塊化組合設(shè)計要求。

目前獨立供能能源艙主要有熱泵能源艙、燃機發(fā)電能源艙、高溫蒸汽能源艙、氫電能源艙、蓄電池能源艙和蓄熱能源艙。

熱泵能源艙是空氣源熱泵和水源熱泵通過緩沖水箱有機耦合形成的一套綜合供暖系統(tǒng)，運行時空氣源作為一級熱源從空氣中吸收熱量，吸收分層緩沖水箱內(nèi)低溫?zé)崴臒崃?，?jīng)過二級壓縮為末端提供高達60-80℃熱水。一級空氣源熱泵和二級水源熱泵通過分層緩沖水箱耦合運行，實現(xiàn)熱泵的“雙級壓縮”，突破空氣源熱泵行業(yè)嚴寒工況下高溫供暖的技術(shù)難題，提高了系統(tǒng)整個冬季的供熱能力、供熱穩(wěn)定性和系統(tǒng)能效，也可通過工業(yè)余熱、熱電聯(lián)供余熱耦合二級水源熱泵滿足余熱回收和梯級利用。

燃機發(fā)電能源艙包括發(fā)電機組發(fā)電、溴化鋰制冷，余熱回收系統(tǒng)制熱三部分，通過發(fā)電機組的高溫蒸汽進行余熱回收后提供高溫蒸汽或者熱水。余熱經(jīng)過溴化鋰制冷機組蒸發(fā)器進行蒸發(fā)冷凝為用戶提供冷負荷。具有連續(xù)運行、低排放、耐久度高、高可靠性、經(jīng)濟效益突出的特點。可依據(jù)不同容量做針對性設(shè)計，經(jīng)過成熟的研發(fā)和嚴格的檢測，能夠滿足不同需求。發(fā)電效率可達45%，一次能源利用率達到85%，設(shè)備投資相對較小，回收期短。

高溫蒸汽能源艙包括三個單元：蓄熱單元、高溫水源熱泵微壓蒸汽單元、水蒸氣壓縮單元。配置1套高溫水源熱泵蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)，提供180℃蒸汽，壓力值可選,高復(fù)疊式熱泵機組將水加熱至120℃，負壓閃蒸罐提供微壓蒸汽，水蒸汽壓縮單元將120℃微壓蒸氣溫度提升至180℃。系統(tǒng)簡單、安裝方便，負壓或者微壓運行，降低安全風(fēng)險，COP能效最高可達2.4。

氫電能源艙主要集成了7-50kW的燃料電池聯(lián)供系統(tǒng)，可應(yīng)用在天然氣和氫氣多種燃料供應(yīng)的小型餐廳、超市、小型商鋪、小微企業(yè)的供暖和供電，通過多模塊集成可以在針對50kW-500kW工業(yè)企業(yè)、醫(yī)院開展分布式發(fā)電混合供能，并可用于建設(shè)分布式發(fā)電站，應(yīng)用范圍廣，能夠在供熱、供電同時實現(xiàn)減碳。

蓄電池能源艙以儲能、光伏為能源主體，以電力電子為靈活并網(wǎng)接口，以先進通信技術(shù)為手段，以協(xié)調(diào)控制與能量優(yōu)化為核心，采用模塊化設(shè)計50kW/50kWh~500kW/1MWh容量系列臺區(qū)用分布式儲能能源艙。

蓄熱能源艙將固體蓄熱物質(zhì)加熱并將能源存儲，在供電高峰期停止加熱，將儲存的熱能持續(xù)向采暖系統(tǒng)或者生活熱水系統(tǒng)工業(yè)用蒸汽系統(tǒng)釋放，設(shè)備可不間斷蓄熱并提供熱能。利用電網(wǎng)分時電價的低谷時段廉價電能和風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等清潔能源。

多能互補能源艙通過集成多種類型能源轉(zhuǎn)換、能源儲存設(shè)備，從而達到集成優(yōu)化、多能互補的效果。主要包括：1)光電熱能源艙；2)氣電熱能源艙；3)熱電能源艙；4)氫電熱能源艙。

光電熱能源艙是將光伏設(shè)備和儲能電池通過電力電子變換裝置集成在多能變換能源艙電能區(qū)。熱冷區(qū)集成電輔熱、太陽能集熱器設(shè)備和儲熱水箱，預(yù)留吸收式制冷機供冷或空氣源熱泵接口，可以為用戶提供生活熱水和供暖。

氣電熱能源艙以天然氣為原料靈活集成微燃機和燃氣鍋爐，進入微燃機燃燒產(chǎn)生的機械能驅(qū)動發(fā)電機輸出交流電，電能通過氣電互補控制器與儲能電池實現(xiàn)ms級電能響應(yīng)。

熱電能源艙利用工業(yè)余熱，高溫余熱通過蒸汽熱泵經(jīng)過負壓閃蒸和壓縮產(chǎn)生高溫蒸汽，低溫余熱通過水源熱泵產(chǎn)生熱水提供生活供水和供暖，靈活組合光伏發(fā)電和儲能電池實現(xiàn)ms級電能響應(yīng)。

氫電熱能源艙利用氫氣或者輸氫管道通過燃料電池發(fā)電和儲能電池經(jīng)過電能變換器提供負荷供電，電能變換器控制燃料電池發(fā)電并網(wǎng)，降低對電網(wǎng)的諧波沖擊。通過水源熱泵產(chǎn)生熱水提供生活供水和供暖，靈活組合光伏發(fā)電和儲能電池實現(xiàn)ms級電能響應(yīng)。

第二個關(guān)鍵技術(shù)是適用多種場景的能源艙優(yōu)化配置與靈活組合集成方法。

首先基于小型園區(qū)多種用能場景下的用戶海量數(shù)據(jù)（603138）進行特征提取分析，明確小型園區(qū)典型用戶構(gòu)成以及差異化需求。進一步從電、熱、氣多能生產(chǎn)、存儲、轉(zhuǎn)換功能角度出發(fā)劃分多類型能源艙，進行多類型能源艙艙架構(gòu)設(shè)計，并針對小型園區(qū)需求進行多類型能源艙艙間組合設(shè)計。最終形成適應(yīng)多場景的小型園區(qū)能源艙優(yōu)化配置方法，實現(xiàn)多種類型能源艙高效集成、低碳運行與多種能源靈活供應(yīng)。

第三個關(guān)鍵技術(shù)是靈活組合能源艙多能協(xié)同優(yōu)化調(diào)控技術(shù)。

能源艙內(nèi)中電、氣、熱、冷等多種能源耦合關(guān)系緊密復(fù)雜，且不同類型能源設(shè)備的工作模式、調(diào)控特性各異，此外還面臨著運行環(huán)境復(fù)雜多變的問題。如何統(tǒng)籌考慮能源艙涉網(wǎng)互動、電碳耦合、協(xié)同響應(yīng)的目標(biāo)，構(gòu)建基于“集中協(xié)同，分布自治”的優(yōu)化調(diào)控架構(gòu)，提出能量交互耦合、組合形式靈活多樣的多能源艙分區(qū)分層協(xié)同優(yōu)化調(diào)控方法，從而實現(xiàn)考慮電碳約束的單能源艙自治優(yōu)化運行與多能源艙協(xié)同優(yōu)化運行。

靈活組合能源艙的多能互補協(xié)同響應(yīng)模式主要有以電補熱、以電補冷、以氣補熱等。對于單能源艙自治優(yōu)化運行，主要考慮了源荷多重不確定性以及能源設(shè)備的變工況運行特性。

對于單能源艙自治優(yōu)化運行，主要考慮了源荷多重不確定性以及能源設(shè)備的變工況運行特性。由于可再生能源受天氣影響較大，預(yù)測精度相對較低，采用分布魯棒優(yōu)化處理源側(cè)的不確定性；負荷波動具有較強的規(guī)律性，預(yù)測的精度較高，采用隨機優(yōu)化處理負荷側(cè)的不確定性；

考慮到能源設(shè)備的效率會隨負載率、溫度、氣壓等的不同有所變化，如果參照傳統(tǒng)方法將效率設(shè)置為額定值會使系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換發(fā)生偏移，導(dǎo)致用能偏差，為此，通過多項式擬合各設(shè)備的效率與輸出功率之間的關(guān)系，構(gòu)造了設(shè)備的變工況特性方程。在上述基礎(chǔ)上，針對不同的應(yīng)用場景，結(jié)合優(yōu)化目標(biāo)以及約束條件，建立了計及多重不確定性和設(shè)備變工況特性的能源艙優(yōu)化調(diào)控模型。

基于“集中協(xié)同、分布自治”原則，將整個優(yōu)化過程分為園區(qū)層、能源艙層兩層。其中，園區(qū)層以最小化園區(qū)綜合成本為目標(biāo)，結(jié)合各能源艙的供能能力范圍以及園區(qū)負荷曲線，優(yōu)化得到各能源艙的外網(wǎng)購能值、能源艙間的能量交互值、以及能源艙的總產(chǎn)能值。能源艙層根據(jù)園區(qū)層下發(fā)的總產(chǎn)能值，結(jié)合艙內(nèi)設(shè)備運行狀態(tài)，優(yōu)化得到各設(shè)備的最優(yōu)出力，來滿足用戶的負荷需求。

第四個關(guān)鍵技術(shù)是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的能源艙主動運維技術(shù)。

安全穩(wěn)定性是能源艙運行與能量管理需要考慮的重要環(huán)節(jié)，能源艙內(nèi)部多種能流的深度耦合交互，局部的波動或故障會通過能源樞紐在不同能流網(wǎng)絡(luò)間傳遞，使得能源艙故障模式復(fù)雜多變，對能源艙安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。且能源艙之間也存在能流的傳輸與轉(zhuǎn)換，單個能源艙的異?；蚬收弦矔ζ渌茉磁摦a(chǎn)生影響。

傳統(tǒng)N-1安全性評估技術(shù)，難以描述評估能源艙系統(tǒng)異常后引發(fā)的連鎖性故障。本項目通過建立能源艙系統(tǒng)連鎖故障描述模型，模擬連鎖故障發(fā)展過程及規(guī)律，計算各設(shè)備靈活調(diào)節(jié)能力，并進行安全評估與多艙協(xié)同的應(yīng)急預(yù)案設(shè)計及仿真驗證；在此基礎(chǔ)上，開發(fā)云艙協(xié)同運維管理系統(tǒng)，實現(xiàn)安全預(yù)案設(shè)計執(zhí)行。

具體地說，是采集、篩選、處理能源艙及管網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)，選取關(guān)鍵測點，采用偏差抽樣加證據(jù)理論的方法時間序列數(shù)據(jù)進行分析，以實現(xiàn)系統(tǒng)安全診斷及故障分析。其次，建立N-1連鎖故障模型，通過故障模擬及仿真驗證等手段，實現(xiàn)能源艙故障狀態(tài)下的預(yù)案設(shè)計。

第五個關(guān)鍵技術(shù)是典型場景能源艙靈活組合供能系統(tǒng)實證。

首先針對適用于能源艙廣泛應(yīng)用場景的能源艙性能及其調(diào)控、運維系統(tǒng)的數(shù)字仿真與試驗測試聯(lián)合檢測方法難點，采用數(shù)字仿真與試驗測試相結(jié)合的測試方法，建立系統(tǒng)評價指標(biāo)體系與測試規(guī)范，開展現(xiàn)場檢測分析，獲取運行測試數(shù)據(jù)；然后基于仿真平臺建立示范工程仿真場景，采用動態(tài)仿真技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)運行、優(yōu)化策略等系統(tǒng)及裝置的仿真檢測，獲取仿真結(jié)果；仿真數(shù)據(jù)與示范工程測試數(shù)據(jù)交互驗證，互為支撐。

關(guān)于系統(tǒng)評價指標(biāo)體系的建立，針對不同評價對象建立了不同的評價指標(biāo)體系，由兩級指標(biāo)構(gòu)成。對于模塊化能源艙的評價，一級指標(biāo)有安全性、可靠性、經(jīng)濟性、環(huán)保性、技術(shù)性，安全性用供熱安全性、供氣安全性等二級指標(biāo)來描述，其他一級指標(biāo)也有各自的二級指標(biāo)。對于集中調(diào)控系統(tǒng)的評價，一級指標(biāo)有經(jīng)濟性、準(zhǔn)確性、快速性、環(huán)保性；對于能源艙無人值守、主動運維系統(tǒng)，一級指標(biāo)有可靠性、準(zhǔn)確性、快速性。

綜合能源仿真平臺主要由綜合能源數(shù)字仿真機柜、仿真管理主機及顯示器、物理模擬試驗平臺三個部分組成。搭建典型仿真場景時，需要基于上述平臺進行系統(tǒng)拓補構(gòu)建、模型參數(shù)配置、調(diào)控策略設(shè)置三個流程。

三、場景應(yīng)用

能源艙具有清潔低碳、靈活高效快速供能的特點，因此它特別適合用于諸如酒店醫(yī)院、高速服務(wù)區(qū)、學(xué)校、產(chǎn)業(yè)園等小型園區(qū)這類需要靈活配置、快速組合供能的場景。目前，已建立了辦公樓宇、企業(yè)園區(qū)、企業(yè)區(qū)域三個典型仿真場景。

辦公樓宇典型仿真場景選取某客服大廈辦公樓宇，其中包括熱泵供熱/供冷能源艙，用以供應(yīng)生活熱水與新風(fēng)機供熱交換機的熱負荷，以及空調(diào)和相應(yīng)配套設(shè)施的冷負荷，除此之外含包含有照明負荷、動力負荷等電負荷。

企業(yè)園區(qū)典型仿真場景選取某企業(yè)園區(qū)能源中心，該能源中心主要為企業(yè)總部辦公樓及附屬商業(yè)服務(wù)，其中包括燃機發(fā)電能源艙、高溫蒸汽能源艙、蓄電池能源艙和蓄熱能源艙，滿足該地區(qū)冷、熱、點負荷需求。

城鎮(zhèn)區(qū)域典型仿真場景包括商業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、小區(qū)四個能源站部分，其中包括燃機發(fā)電能源艙、熱泵供冷/供熱能源艙、蓄電池能源艙和蓄熱能源艙，用以滿足該區(qū)域冷、熱、電、氣負荷需求。

目前，我們已經(jīng)開展示范應(yīng)用。示范區(qū)能源中心設(shè)計總供能面積為1500平米，能源艙占地面積約500平米。示范項目通過一個智慧大腦平臺優(yōu)化管控，7種能源艙，形成微熱網(wǎng)、微電網(wǎng)、熱水網(wǎng)3種供能網(wǎng)絡(luò)，充分挖掘綜合能源的增值服務(wù)。項目的七種能源艙包括：地源熱能源艙、水蓄熱能源艙、熱水源能源艙、電能變能源艙、微電網(wǎng)能源艙、生物質(zhì)能源艙、氫能源艙。

示范工程的效果圖和現(xiàn)場圖如圖所示。示范工程通過基于能源艙靈活供能的綜合能源技術(shù)有效降低建筑物能源需求并提高建筑物能源利用效率，并在技術(shù)經(jīng)濟條件合理的前提下通過可再生能源的利用來最終降低建筑物的實際能耗，并以全生命周期內(nèi)能耗和碳排放的視角，兼顧節(jié)水、節(jié)地、節(jié)材和生態(tài)環(huán)保的原則要求，實現(xiàn)建筑物的低碳設(shè)計、建設(shè)、運行與回收。

以上是我今天的分享，請大家批評指正，謝謝。