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绿色生态城区的智能能源微网.pdf

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绿色生态城区的智能能源微网.pdf

绿色生态城区的智能能源微网同济大学龙惟定摘要绿色生态城区能源规划的最主要目的是实现城区能源效率的最大化、用清洁能源、可再生能源、可再生热源和终端节能替代化石燃料能源。本文介绍了能源微网的概念,并分别对核心层、框架层和管理层的系统结构和配置做了全面分析。本文引入了智能电网、智能电网备份热泵、分布式热泵系统、能源总线,以及泛在控制网络协议等全新技术理念。在现有条件下,能源微网技术是完全可实现和可落地的。关键词绿色生态城区,能源规划,智能能源微网,智能电网备份热泵,能源总线,泛在控制网络协议TheSmartMicroEnergyNetworkinGreenEcoCommunitiesByLongWeiding★AbstractThemainobjectiveofenergyplanningingreenecocommunitiesistoachievethemaximizationofurbanenergyefficiency,andtousecleanenergy,renewableenergy,renewableheatandenduseenergysavingtoalternatethefossilfuelenergy.Thispaperintroducedtheconceptofmicroenergynetwork,anddoneacomprehensiveanalysisofthearchitectureandconfigurationforthecorelayer,theframeworklayerandthemanagementlayer,respectively.Thepaperintroducedthenewtechnologyconceptssuchassmartgrid,smartgridreadyheatpump,distributedheatpumpsystems,energybus,andtheubiquitouscontrolnetworkprotocol.Underexistingconditions,themicroenergynetworktechnologyiscompletelyachievableandlandingavailable.KeyWordsgreenecocommunity,energyplanning,smartmicroenergynetwork,smartgridreadyheatpump,energybus,ubiquitouscontrolnetworkprotocol★LongWeiding,TongjiUniversity,Shanghai,China1.绿色生态城区的能源规划2012年,中国城市化率已达到52.6。而今后二、三十年,将是中国城市化的关键时期。中国城市化的速度和规模,在人类历史上也是空前的。城市化也将成为中国经济社会持续发展的原动力之一。但在另一方面,中国的资源和环境容量都不足以支撑如此巨大的建设规模。因此,在中国287个地级以上城市中,约280个城市将发展低碳、生态城市作为自己的发展目标①,国内几乎所有新建开发区或工业园区都制订了低碳生态发展规划。而能源专项规划则是低碳生态发展规划的重要组成。与过去电力、燃气和城市热网等能源供应侧规划不同,绿色生态城区能源专项规划是一种需求侧规划,它最主要的功能是设定城区节能减排的战略目标和关键性能指标。集成应用低密度的可再生能源和低品位的可再生热源。将虚拟能源(即用户端的节能)作为无碳的替代资源。高效利用低碳的分布式能源热电联产DCHP。实现化石能源资源的梯级利用和热回收。预测建筑能源需求,利用布局调整、负荷参差率和同时系数使负荷平准化。实现城区能源投资的多元化、能源管理的市场化,以及清洁发展机制CDM。可以说,如果没有上述内涵,就没有必要做能源专项规划。能源规划最主要目的是实现城区能源效率的最大化、用清洁能源、可再生能源、可再生热源和终端节能替代化石燃料能源。2.能源微网概念近来有很多有关第三次工业革命的介绍和论述。根据知名的学者杰里米里夫金JeremyRifkin的归纳,第三次工业革命的五大特征是②利用可再生能源将建筑转化为微型发电厂在建筑及基础设施中使用氢和其他储能技术利用能源互联网技术将分散的电力网转化为能源共享网络运输工具转向插电式以及燃料电池动力车辆。这些论述,很清楚地指出了未来低碳生态城区能源系统的技术路线。即产能、供能、用能、蓄能和节能相互协调统一,它很像信息互联网,把分散的用能和分布式的产能互相连通、实现共享。提到能源的互联互通,不能不提及智能电网。所谓智能电网,是现代化的电力网,利用信息和通信技术(ICT),收集和处理供应侧和需求侧的信息,自动地提高电力生产和输配的效率、可靠性、经济性和可持续性③。即智能电网是传统电力网与现代信息网的两网融合。而在低碳生态城区中还要增加智能热力网(供冷供热),成为三网融合。中国以电力部门为主所倡导的智能电网是基于特高压供电的主干电网的坚强电网技术,还是供应侧单向管理的模式,与低碳生态城区所需要的分散用能、分布供能模式,以及第三次工业革命的五大特征并不相容。因此,在低碳生态城区层面,我们要构建的是一种能源微网,即融合了电力微网、热力微网和信息网的能源互联网。城区能源微网有三个层次(1)核心层以光伏、小型风电、燃料电池、利用天然气或生物质气的小微型热电联产系统等现场发电(OnSiteGeneration)系统为核心。(2)框架层以分布式热泵、集成各种低品位热源/热汇的能源总线,以及蓄冷蓄热设施为框架。核心层、框架层和用户之间,热泵作为重要的联系纽带。(3)管理层以网络技术、物联网技术、云技术等信息通信技术为支撑,对城区能源系统进行双向管理,这种管理本质上是一种能源服务。可再生能源和清洁能源现场发电的最大特点是不稳定性,特别是供应(发电)与需求(负荷)的不匹配,表现在时间上的不匹配与功率上的不匹配。对于热电联产系统,还有一个热与电的不匹配问题,在城区范围内,不可能将电力和供热同步用掉。按照目前的技术水平,大规模蓄电还无法实现商业化运行。而所有发电设备都有一定的热电比范围,如果发出电力用不掉,就会影响产热,致使系统无法运行。因此,如何通过蓄能使负荷平准化、协调供应和需求,是智能电网技术中重点研究的课题,称为智能电网备份(SmartGridReady)技术。研究中的备份办法有很多,例如用燃料电池、用电动汽车蓄电池等,但可以立即实现的是利用热泵蓄热从而间接蓄电,称为智能电网备份热泵(SmartGridReadyHeatPump)技术④。图1能源微网和智能电网备份热泵因此,能源微网完全颠覆了传统大集中、大一统、大规模的供能用能模式和单向管理架构。能源微网是一种分布式供能和分散式用能的模式,而且是分层次和交互式的管理架构。图2低碳生态城区能源微网的结构示意以下分别论述能源微网各层的关键技术。3.能源微网核心层现场发电与需求的匹配3.1分布式能源的经济性利用可再生能源和清洁能源的现场发电,是绿色生态城区能源系统的核心。但现场发电存在两个不确定因素(1)发电与用电的不同步光伏、小型风力发电发电高峰时段与建筑电力需求的高峰时段是不同时的(见图3)。图3现场发电与电力需求的不同步(2)发电与供热的不同步燃气热电联产效率高的重要原因是系统在发电的同时所产生的热量可以用来供热。但是,在一个城区有限的范围内,几乎不可能同步地将这些电能和热能完全利用。用户的需求随季节、气候、昼夜、建筑功能等诸多因素变化,而热电联产设备一经选定,其正常运行时的热电比是有一定范围的,所以总是会有富余的电能或热能。对于富余的电力,现有的大规模蓄电技术(如钠硫电池)还不能实现商业化运行。在热需求大于电力需求的期间,由于电力无法贮存,要么压低发电效率(燃气轮机),要么无法运行而不得不停机。为了解决多余电力的问题,最简单、最直接的方法就是允许其并网,通过电网的调度和调节,将多余电力消化掉。在我国,电力并网和上网是一直困扰分布式能源发展的政策瓶颈。2013年国家电网公司发布了关于做好分布式电源并网服务工作的意见,对分布式能源电力并网做了明确的规定。意见指出,所谓分布式能源,是指位于用户附近,所发电能就地利用,以10千伏及以下电压等级接入电网,且单个并网点总装机容量不超过6兆瓦的发电项目。包括太阳能、天然气、生物质能、风能、地热能、海洋能、资源综合利用发电等类型。这就很清楚地表明,允许并网的分布式能源电压等级不高、容量不大。在城区尺度下,上述规定使能源规划陷入尴尬(1)如果按以热定电,富余电力并网的原则,经济上不合理。国家对电力上网单位发电量补贴的起点为当地脱硫煤电标杆上网电价,大约0.45元/kWhe左右热电联产供热的价格,大体在0.50元/kWht左右。从2013年7月10日开始,非居民用天然气价格全面上涨,对分布式能源用的天然气有没有优惠,目前尚不得而知。此次调整后,全国平均门站价格由每m3从1.69元提高到1.95元,按照过去惯例,终端价大致是门站价的1倍。就是说,天然气价将达到3.90元/m3。用分布式能源热电联产,1m3天然气能发电3.5kWh,供热5.6kWh,如果电力上网,供热全部售出,则可得到收入4.38元,仅比燃料成本略高,不可能有投资回报。(2)如果按以电定热,延长机组运行时间的原则,即根据城区的基荷确定发电容量,延长了发电时间。因为峰谷平均电价为0.85元/kWh,所以1m3天然气可以得到5.78元的营收,而且每年运行小时数可以达到4000以上,效益要高于以热定电。但因为是按电力基荷选的设备,所以无论是电力设备还是供热供冷设备都需要重复设置重复投资。这种运行方式实际上是小发电,对提高综合能效没有好处。如果按建筑单位冷热量的投资计算,回报也就没有那么好了。国内某些政府主导的开发园区为了取得绿色生态的业绩将热电联产当作点缀,不惜一掷千金,实际是在按以电定热的技术路线配置系统,即象征性地配置12MW的热电联产设备,其余完全靠传统的区域供冷供热,致使某些分布式能源项目投资高得惊人,而且长期亏损。从经济性角度分析,要着重考虑如何发挥现场电力的价值。电是高品位能源,以并网的形式卖给电网,无异于将茅台酒卖了工业酒精的价钱。3.2分布式能源的能效图4热电分产和热电联产的效率从图4可以看出,热电联产因为使用了小型发电装置,其发电效率与热电分产相比有所降低,但总热效率可达到80左右产能也较热电分产增加了64。国家发改委2011年发布的关于发展天然气分布式能源的指导意见中指出,原则上天然气分布式能源全年综合利用效率应高于70,在低压配电网就近供应电力。其中2个关键词是年综合利用效率高于70和就近供应电力,说明热电联产项目成功的前提是①有稳定的热和电的需求②能够在有限范围内将热和电全部用掉。这对传统制造业需求而言不难实现,而将热电联产当作为建筑冷热源(即只考虑热电联产产热的利用,并不顾及产生的电力如何利用)实际是降低了效率。一次能效率最高的供热技术是冷凝锅炉(90以上),而一次能效率最高的供电技术是天然气联合循环发电(50以上)。所有的热电联产技术的综合热效率和发电效率都不可能高于上述两项技术。因此,如果仅为建筑供热供冷的目的,与其用投资很高的热电联产,还不如用冷凝锅炉和常规电制冷⑤。有一点不容忽略热电联产还可以发电,而电是高品位能源,不能简单地用热效率来衡量。如果仅仅将分布式能源热电联产系统当成建筑物的冷热源或当作锅炉使用,显然是降低了热电联产系统的价值。绿色生态城区的能源系统应尽可能提高对分布式能源所发电力的利用效率,从而体现电力的应用价值,同时要充分利用发电余热和乏热。3.3提高现场发电的利用率智能电网备份热泵要体现可再生能源和分布式能源现场发电的价值,就必须通过智能电网,整合所有的能源资源,包括在输电层面的大规模并网、配电层面的中等规模并网和商业或住宅建筑的小规模并网的电力,并对这些资源实现可调度性和可控性。为解决可再生能源和分布式能源发电的波动性以及产电、供电、用电之间的不平衡,蓄能系统(包括蓄电和蓄热系统),就成为智能电网的重要组成部分。通过蓄能系统,将能源的生产和供应脱钩。通过对发电和需求自动控制确保供应和需求的平衡⑥。表1智能电网蓄能成本比较⑦蓄能技术成本美元/kWh美元/kW电网交互式蓄热(GETS)3060100200地面压缩空气蓄能(CAES)200250700800锌溴电池2804504251300铅酸电池330480420660钠硫电池350400450550飞轮1340157033603920从表1可以看出,将发电高峰用热低谷时的电力,驱动热泵蓄热,在发电低谷用热高峰时使用,是成本最低的间接蓄电技术,称为电网交互式蓄热(GridinteractiveElectricThermalStorage)。因此,热泵蓄热成为智能电网的重要组成部分。它可以是集中在能源中心的大型热泵和蓄热水池,也可以是分散到各个用户的小型热泵或热泵热水器。3.4热电联产热泵(CHPHP)的能效热泵技术提升了低品位的天然免费能源,成为主要的低碳技术之一。在以往的以热定电的热电冷联供中,把主要注意力放在热利用上,并没有人关心发出的电力是如何利用的。我们看一个热电联产系统在供热模式下的常规配置(见图5)。图5分布式能源热电联产供热模式的常规配置从图5可以看出,常规模式下不考虑电力用途,分布式能源的热效率达到85。这已经是分布式能源系统最理想的工况了。而如果用所发电力驱动COP3.0的热泵,则总热效率便可达到155。可再生能源利用率也达到35.5。在区域级能源系统中可配置以磁浮离心机为主机的电动热泵系统,以及以第一类吸收式热泵为主机的热利用系统。

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