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靈活供能的能源艙通過(guò)模塊化集成供能、儲(chǔ)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(guò)對(duì)風(fēng)、光、天然氣等能源的多能互補(bǔ)優(yōu)化、能效管理，為用戶(hù)提供經(jīng)濟(jì)、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(fù)荷時(shí)空不平衡、設(shè)備眾多集成度差、區(qū)域能源互濟(jì)性差、綜合能效低、缺乏統(tǒng)一運(yùn)維管理系統(tǒng)等問(wèn)題。能源艙具有清潔低碳、靈活高效快速供能的特點(diǎn)，尤其適用于供能設(shè)備缺乏集中統(tǒng)一運(yùn)維管理系統(tǒng)的各類(lèi)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(lèi)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(guān)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(kāi)展了具體的示范應(yīng)用。

——國(guó)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(huì)”，邀請(qǐng)資深電力行業(yè)專(zhuān)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(shì)、分享優(yōu)秀的服務(wù)案例及經(jīng)驗(yàn)、展示創(chuàng)新的技術(shù)及方案。會(huì)議中，國(guó)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(duì)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(jì)能力和構(gòu)建多能轉(zhuǎn)換的綜合能源系統(tǒng)可以彌補(bǔ)可再生能源功率波動(dòng)大、電力電量不確定的問(wèn)題。因此，綜合能源技術(shù)是解決靈活性建設(shè)的一個(gè)關(guān)鍵手段。

推動(dòng)用戶(hù)側(cè)多能互補(bǔ)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(shí)現(xiàn)用戶(hù)側(cè)資源靈活調(diào)度；另一方面通過(guò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備層高速控制和終端層協(xié)同優(yōu)化可以滿(mǎn)足用戶(hù)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(hù)側(cè)產(chǎn)消一體化供能體系。

針對(duì)園區(qū)級(jí)綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，園區(qū)級(jí)用戶(hù)側(cè)供能存在：用能負(fù)荷時(shí)空不平衡；設(shè)備眾多集成度差；區(qū)域能源互濟(jì)性差，綜合能效低；缺乏統(tǒng)一運(yùn)維管理系統(tǒng)等問(wèn)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(guò)模塊化集成供能、儲(chǔ)能、能源轉(zhuǎn)換等設(shè)備，通過(guò)統(tǒng)一的多能互補(bǔ)與能效管理，為用戶(hù)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(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是能源艙多能轉(zhuǎn)換模塊化設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)。首先針對(duì)獨(dú)立供能艙也就是能源艙標(biāo)準(zhǔn)模塊建立模型庫(kù)，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(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換模型構(gòu)建多能耦合能源艙模型。針對(duì)能源艙不同能源類(lèi)型的供用能、傳輸及艙間的能量接口與信息接口開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足模塊化組合設(shè)計(jì)要求。

目前獨(dú)立供能能源艙主要有熱泵能源艙、燃機(jī)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(guò)緩沖水箱有機(jī)耦合形成的一套綜合供暖系統(tǒng)，運(yùn)行時(shí)空氣源作為一級(jí)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(guò)二級(jí)壓縮為末端提供高達(dá)60-80℃熱水。一級(jí)空氣源熱泵和二級(jí)水源熱泵通過(guò)分層緩沖水箱耦合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)熱泵的“雙級(jí)壓縮”，突破空氣源熱泵行業(yè)嚴(yán)寒工況下高溫供暖的技術(shù)難題，提高了系統(tǒng)整個(gè)冬季的供熱能力、供熱穩(wěn)定性和系統(tǒng)能效，也可通過(guò)工業(yè)余熱、熱電聯(lián)供余熱耦合二級(jí)水源熱泵滿(mǎn)足余熱回收和梯級(jí)利用。

燃機(jī)發(fā)電能源艙包括發(fā)電機(jī)組發(fā)電、溴化鋰制冷，余熱回收系統(tǒng)制熱三部分，通過(guò)發(fā)電機(jī)組的高溫蒸汽進(jìn)行余熱回收后提供高溫蒸汽或者熱水。余熱經(jīng)過(guò)溴化鋰制冷機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)冷凝為用戶(hù)提供冷負(fù)荷。具有連續(xù)運(yùn)行、低排放、耐久度高、高可靠性、經(jīng)濟(jì)效益突出的特點(diǎn)?？梢罁?jù)不同容量做針對(duì)性設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)成熟的研發(fā)和嚴(yán)格的檢測(cè)，能夠滿(mǎn)足不同需求。發(fā)電效率可達(dá)45%，一次能源利用率達(dá)到85%，設(shè)備投資相對(duì)較小，回收期短。

高溫蒸汽能源艙包括三個(gè)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(jī)組將水加熱至120℃，負(fù)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(jiǎn)單、安裝方便，負(fù)壓或者微壓運(yùn)行，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，COP能效最高可達(dá)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(guò)多模塊集成可以在針對(duì)50kW-500kW工業(yè)企業(yè)、醫(yī)院開(kāi)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(shí)實(shí)現(xiàn)減碳。

蓄電池能源艙以?xún)?chǔ)能、光伏為能源主體，以電力電子為靈活并網(wǎng)接口，以先進(jìn)通信技術(shù)為手段，以協(xié)調(diào)控制與能量?jī)?yōu)化為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)50kW/50kWh~500kW/1MWh容量系列臺(tái)區(qū)用分布式儲(chǔ)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(chǔ)，在供電高峰期停止加熱，將儲(chǔ)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(shí)電價(jià)的低谷時(shí)段廉價(jià)電能和風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等清潔能源。

多能互補(bǔ)能源艙通過(guò)集成多種類(lèi)型能源轉(zhuǎn)換、能源儲(chǔ)存設(shè)備，從而達(dá)到集成優(yōu)化、多能互補(bǔ)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(chǔ)能電池通過(guò)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(yáng)能集熱器設(shè)備和儲(chǔ)熱水箱，預(yù)留吸收式制冷機(jī)供冷或空氣源熱泵接口，可以為用戶(hù)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(jī)和燃?xì)忮仩t，進(jìn)入微燃機(jī)燃燒產(chǎn)生的機(jī)械能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出交流電，電能通過(guò)氣電互補(bǔ)控制器與儲(chǔ)能電池實(shí)現(xiàn)ms級(jí)電能響應(yīng)。

熱電能源艙利用工業(yè)余熱，高溫余熱通過(guò)蒸汽熱泵經(jīng)過(guò)負(fù)壓閃蒸和壓縮產(chǎn)生高溫蒸汽，低溫余熱通過(guò)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(chǔ)能電池實(shí)現(xiàn)ms級(jí)電能響應(yīng)。

氫電熱能源艙利用氫氣或者輸氫管道通過(guò)燃料電池發(fā)電和儲(chǔ)能電池經(jīng)過(guò)電能變換器提供負(fù)荷供電，電能變換器控制燃料電池發(fā)電并網(wǎng)，降低對(duì)電網(wǎng)的諧波沖擊。通過(guò)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(chǔ)能電池實(shí)現(xiàn)ms級(jí)電能響應(yīng)。

第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是適用多種場(chǎng)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(chǎng)景下的用戶(hù)海量數(shù)據(jù)（603138）進(jìn)行特征提取分析，明確小型園區(qū)典型用戶(hù)構(gòu)成以及差異化需求。進(jìn)一步從電、熱、氣多能生產(chǎn)、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換功能角度出發(fā)劃分多類(lèi)型能源艙，進(jìn)行多類(lèi)型能源艙艙架構(gòu)設(shè)計(jì)，并針對(duì)小型園區(qū)需求進(jìn)行多類(lèi)型能源艙艙間組合設(shè)計(jì)。最終形成適應(yīng)多場(chǎng)景的小型園區(qū)能源艙優(yōu)化配置方法，實(shí)現(xiàn)多種類(lèi)型能源艙高效集成、低碳運(yùn)行與多種能源靈活供應(yīng)。

第三個(gè)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(lèi)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(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變的問(wèn)題。如何統(tǒng)籌考慮能源艙涉網(wǎng)互動(dòng)、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(shí)現(xiàn)考慮電碳約束的單能源艙自治優(yōu)化運(yùn)行與多能源艙協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行。

靈活組合能源艙的多能互補(bǔ)協(xié)同響應(yīng)模式主要有以電補(bǔ)熱、以電補(bǔ)冷、以氣補(bǔ)熱等。對(duì)于單能源艙自治優(yōu)化運(yùn)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(yùn)行特性。

對(duì)于單能源艙自治優(yōu)化運(yùn)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(yùn)行特性。由于可再生能源受天氣影響較大，預(yù)測(cè)精度相對(duì)較低，采用分布魯棒優(yōu)化處理源側(cè)的不確定性；負(fù)荷波動(dòng)具有較強(qiáng)的規(guī)律性，預(yù)測(cè)的精度較高，采用隨機(jī)優(yōu)化處理負(fù)荷側(cè)的不確定性；

考慮到能源設(shè)備的效率會(huì)隨負(fù)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(huì)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(guò)多項(xiàng)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(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合優(yōu)化目標(biāo)以及約束條件，建立了計(jì)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(gè)優(yōu)化過(guò)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(fù)荷曲線(xiàn)，優(yōu)化得到各能源艙的外網(wǎng)購(gòu)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(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化得到各設(shè)備的最優(yōu)出力，來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的負(fù)荷需求。

第四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的能源艙主動(dòng)運(yùn)維技術(shù)。

安全穩(wěn)定性是能源艙運(yùn)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(dòng)或故障會(huì)通過(guò)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(duì)能源艙安全穩(wěn)定運(yùn)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(gè)能源艙的異?；蚬收弦矔?huì)對(duì)其他能源艙產(chǎn)生影響。

傳統(tǒng)N-1安全性評(píng)估技術(shù)，難以描述評(píng)估能源艙系統(tǒng)異常后引發(fā)的連鎖性故障。本項(xiàng)目通過(guò)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(guò)程及規(guī)律，計(jì)算各設(shè)備靈活調(diào)節(jié)能力，并進(jìn)行安全評(píng)估與多艙協(xié)同的應(yīng)急預(yù)案設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證；在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)云艙協(xié)同運(yùn)維管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全預(yù)案設(shè)計(jì)執(zhí)行。

具體地說(shuō)，是采集、篩選、處理能源艙及管網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，選取關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)，采用偏差抽樣加證據(jù)理論的方法時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以實(shí)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(guò)故障模擬及仿真驗(yàn)證等手段，實(shí)現(xiàn)能源艙故障狀態(tài)下的預(yù)案設(shè)計(jì)。

第五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是典型場(chǎng)景能源艙靈活組合供能系統(tǒng)實(shí)證。

首先針對(duì)適用于能源艙廣泛應(yīng)用場(chǎng)景的能源艙性能及其調(diào)控、運(yùn)維系統(tǒng)的數(shù)字仿真與試驗(yàn)測(cè)試聯(lián)合檢測(cè)方法難點(diǎn)，采用數(shù)字仿真與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的測(cè)試方法，建立系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與測(cè)試規(guī)范，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析，獲取運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)；然后基于仿真平臺(tái)建立示范工程仿真場(chǎng)景，采用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行、優(yōu)化策略等系統(tǒng)及裝置的仿真檢測(cè)，獲取仿真結(jié)果；仿真數(shù)據(jù)與示范工程測(cè)試數(shù)據(jù)交互驗(yàn)證，互為支撐。

關(guān)于系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立，針對(duì)不同評(píng)價(jià)對(duì)象建立了不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，由兩級(jí)指標(biāo)構(gòu)成。對(duì)于模塊化能源艙的評(píng)價(jià)，一級(jí)指標(biāo)有安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)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(jí)指標(biāo)來(lái)描述，其他一級(jí)指標(biāo)也有各自的二級(jí)指標(biāo)。對(duì)于集中調(diào)控系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，一級(jí)指標(biāo)有經(jīng)濟(jì)性、準(zhǔn)確性、快速性、環(huán)保性；對(duì)于能源艙無(wú)人值守、主動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)，一級(jí)指標(biāo)有可靠性、準(zhǔn)確性、快速性。

綜合能源仿真平臺(tái)主要由綜合能源數(shù)字仿真機(jī)柜、仿真管理主機(jī)及顯示器、物理模擬試驗(yàn)平臺(tái)三個(gè)部分組成。搭建典型仿真場(chǎng)景時(shí)，需要基于上述平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)拓補(bǔ)構(gòu)建、模型參數(shù)配置、調(diào)控策略設(shè)置三個(gè)流程。

三、場(chǎng)景應(yīng)用

能源艙具有清潔低碳、靈活高效快速供能的特點(diǎn)，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(lèi)需要靈活配置、快速組合供能的場(chǎng)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(gè)典型仿真場(chǎng)景。

辦公樓宇典型仿真場(chǎng)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(jī)供熱交換機(jī)的熱負(fù)荷，以及空調(diào)和相應(yīng)配套設(shè)施的冷負(fù)荷，除此之外含包含有照明負(fù)荷、動(dòng)力負(fù)荷等電負(fù)荷。

企業(yè)園區(qū)典型仿真場(chǎng)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(jī)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(mǎn)足該地區(qū)冷、熱、點(diǎn)負(fù)荷需求。

城鎮(zhèn)區(qū)域典型仿真場(chǎng)景包括商業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、小區(qū)四個(gè)能源站部分，其中包括燃機(jī)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(mǎn)足該區(qū)域冷、熱、電、氣負(fù)荷需求。

目前，我們已經(jīng)開(kāi)展示范應(yīng)用。示范區(qū)能源中心設(shè)計(jì)總供能面積為1500平米，能源艙占地面積約500平米。示范項(xiàng)目通過(guò)一個(gè)智慧大腦平臺(tái)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(xiàng)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(chǎng)圖如圖所示。示范工程通過(guò)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(jì)條件合理的前提下通過(guò)可再生能源的利用來(lái)最終降低建筑物的實(shí)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(shí)現(xiàn)建筑物的低碳設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行與回收。

以上是我今天的分享，請(qǐng)大家批評(píng)指正，謝謝。