工业园区综合能源服务方案配置方法研究（二）

赵林坤，雷 鸣，伍济开，谭炜东，杨松坤

（1.国网湖南省电力有限公司 长沙供电分公司，湖南 长沙 410000；2.天地电研（北京）科技有限公司，北京 100083）

0 引 言

在《工业园区综合能源服务方案配置方法研究（一）》文中，作者将工业园区企业分为4类，并给出了其中两类企业的综合能源服务方案配置方法[1]。在前文基础上，本文将给出剩余重质量、问题多型企业和多冷热、未利用型企业的综合能源服务方案配置方法，并结合企业做出实例分析。

对于园区而言，若仅仅给出单个企业的综合能源服务方案，各企业能源系统各自为政，则难以实现园区能源、资金以及设备的最大化利用，用户和服务商均难以获取最大收益。因此必须过各种数据采集装置和信息处理中心平台进行协同优化，实现电、气以及热的协同互补，阶梯利用，将园区各企业形成整体的区域综合能源系统（Regional Integrated Energy System，RIES），从而提高能源利用效率和供能灵活性[2-3]。要想实现这些功能，必须在区域中建设多能协调控制系统[4]。在此将结合实际工业园区的综合能源服务方案与园区企业实际特征，给出一般工业园区适宜建设的园区综合能源调度管控系统。

1 工业园区综合能源服务方案配置方法

1.1 重质量、问题多型企业

结合具有该特征用户的用能特性和特殊需求，设计符合该类型企业的综合能源服务方案。方案具体包括储能系统、用户电能质量治理以及移动式储能装置租赁，此外还可以结合企业实际情况自主选择其他合理方案。

1.1.1 储能系统方案配置

由于具有该特征用户的主要诉求集中在电能质量方面，因此在配置这类企业综合能源服务方案时，必须着重解决企业内的电能质量问题。储能系统配置过程如图1所示，将储能系统配置过程分为3个阶段。

图1 储能系统配置过程流程图

（1）第1阶段为储能系统功率选择。与《工业园区综合能源服务方案配置方法研究（一）》文中配备储能系统为降低企业用电单价的目的不同，本类企业配置储能系统的目的是为了改善企业内的电能质量。因此，应以企业负荷功率为基准配置储能系统。为具有该特征的用户配置储能系统时，应考虑事故以后，储能装置放电功率需要满足厂内电能质量敏感型负荷要求。即储能装置的放电功率应略大于厂内电能质量敏感型设备和不能停电的关键设备功率之和。按这种方式配置储能系统，可以有效控制投资成本。

（2）第2阶段为储能系统设备选择。选择储能系统设备型号时，选择原则是在放电功率满足要求的前提下，储能系统容量应该尽可能与企业峰电日平均使用量相接近甚至相同。此外，储能装置容量选择以后，需要核算充电功率是否在厂内变压器要求的范围内。若超过容量范围且无法通过优化充电顺序解决问题，则可考虑增设配变电设备。

（3）第3阶段为储能系统投资收益计算。确定储能设备容量后即可测算投资。但需要注意的是，当在厂内增加了配变电设备时，投资中需加入配变电设备投资。

具有本特征的用户设置储能系统的主要目的是改善厂区内电能质量，使得系统改善电能质量和参与需求侧响应获得的收益更多。

1.1.2 用户电能质量治理服务

对于部分中小型企业而言，储能设备造价高昂，企业可能难以支撑。因此，为满足这部分企业对电能质量的需求，需要开展用户电能质量治理服务。服务商通过在园区建设电能质量综合治理系统，帮助企业提升厂内电能质量。企业向服务商支付一定服务费用，在帮助企业避免了大金额投资的同时，解决了影响厂内电能质量问题。

1.1.3 移动式储能设备租赁服务

企业长时间失电不仅影响企业正常生产，而且部分生产设备长时间失电还可能损坏。其中，消防设施长时间失电可能酿成重大安全事故。对于企业而言，配备备用电源需要成本的同时，其使用率低下也将导致资源浪费。此外，常规备用电源一般为柴油发电机，存在废气和噪声污染。因此，可从服务商租赁移动式储能装置作为企业备用电源，从而避免企业计划停电，缩短事故停电时间。

1.1.4 其他服务方案配置

除上述服务以外，拥有该特征的企业厂区内还可以根据自身资源禀赋和需求，选择适合自身的综合能源服务项目。

1.2 多冷热、未利用型企业

结合该类企业特性可知，综合能源服务重点在两个方面。一是帮助企业获得更加廉价的冷热供应，二是帮助企业合理利用现有冷热资源。因此，该类型企业的综合能源服务方案中，往往会合理配置蓄冷/蓄热系统和余热回收利用系统，并结合企业自身条件选择其他方案。

1.2.1 蓄冷/蓄热系统

蓄冷/蓄热系统主要适用于工作班制为一班制、两班制或厂内有闲置电制冷/制热设备的企业。利用峰谷电价差，帮助企业在电压谷底时刻制冷/制热并储存，在电压峰值时刻释冷/释热供企业使用。

（1）蓄冷系统。于蓄冷系统而言，可根据企业环境条件选择蓄冷方式。目前常见的蓄冷方式有冰蓄冷和水蓄冷两种。这两种方式都可以充分利用夜间谷段电力蓄冷，并于白天空调负荷高峰时段释放蓄冷。其中，水蓄冷属于显热蓄冷，每1 kg水温度升高或降低1 ℃会吸收或放出4.2 kJ的热量。冰蓄冷属于潜热蓄冷，利用冰发生相变时的溶解和凝固潜热来储存热量。每1 kg冰的潜热为334 kJ/kg，约为水的比热容的80倍[5]。企业根据自身特征选择合适的蓄冷方式。对于有空余场地的企业，推荐使用水蓄冷方式，优先利用地下室消防水池进行蓄冷，无需新上蓄冷罐。对于没有多余场地且未建设消防水池的企业，可局部设置冰蓄冷系统。

蓄冷系统收益的计算公式如下：

式中，Ex1表示蓄冷系统日收益；μx1表示蓄冷系统利用效率；Pz1表示制冷电功率；tz1表示制冷时长；Ifd表示峰时电价；Igd表示谷时电价。

（2）蓄热系统。蓄热系统需要与电锅炉配合工作，所以企业在建设蓄热系统的同时，往往也伴随着传统燃气锅炉的电能替代。蓄热系统的容量往往结合用户的用热量和环境条件共同决定。一方面，应在保证蓄热系统的同时，尽可能提升蓄热系统供能占用户总用热量的比例。另一方面，蓄热系统需与用户外部环境相协调，不能超过用户蓄水池的安全容量。

测算蓄热系统收益时，需要考虑蓄热系统的转化效率。按照现有技术水平，基本可以保证蓄热系统的转化效率在80%以上。蓄热系统收益的计算公式如下：

式中，Exr表示蓄热系统日收益；μzr表示蓄热系统利用效率；Pzr表示制热电功率；tsr表示制热时长。

1.2.2 余热回收利用系统

对于备有蒸汽锅炉且蒸汽余热未加有效利用的企业，可以设计余热回收系统，回收利用企业余热。

（1）余热回收利用方案设计。余热回收利用方案需要按照余热品位的高低分别设计。对于高品位热能而言，其利用空间更大，可以作为能量产品在园区流通。由于余热温度较高，可以满足周边企业的供热需求，因此可以将余热售予周边企业，交易过程交与综合能源服务商进行。购买余热的企业不仅可以获得质量可靠且价格低廉的热能，也可以避免购买造价高昂的制热设备。对于难以直接交易的低品位热能，可以通过热泵和接触式换热器等装置回收热量，用于园区生活用水，条件允许时甚至可以向园区周边企业提供热水。

（2）余热回收方案投资收益测算。若余热直接交易，则只需投资修建管道，实现两厂之间的热能流通即可。按照现阶段蒸汽管道价格，每千米不超过20万元，回收方案造价低廉。若将余热转化为热水，再将热水作于厂内或周边各厂的生活用水，则需要购买换热设备、建设收费系统、发行IC卡、购买电磁阀和计费POS系统以及建设管理机房和热水管道。一般投资不超过150万元。计算余热回收利用系统收益比较简单，只需要在企业每日向外部售出蒸汽/热水吨数的基础上，乘上每吨蒸汽/热水的单价即可。

1.2.3 其他服务方案配置

除上述蓄冷系统和余热回收利用系统，该特征的用户厂区内还可以根据自身资源禀赋和需求，选择适合自身的综合能源服务项目。

2 典型企业案例分析

结合中部某省工业园内两个企业的实际用能数据，设计了企业的综合能源服务方案，并分析了方案为企业带来的收益。两个企业分属重质量、问题多型企业和多冷热、未利用型企业。

2.1 企业一：重质量、问题多型企业

2.1.1 企业特征

厂区电能质量问题突出，急需解决电能质量问题。厂内可建设光伏屋顶面积较少，但厂内有充电桩建设需求，且已建有大量停车位。此外，生产设备用能处于分散无序状态，冷热资源使用方式粗放，厂区各设备用能状况未加有效监控。基于该厂特征，可在厂区配置储能系统和光储充一体化系统，开展用户电能质量治理和合同能源管理等服务。

2.1.2 储能系统方案配置与收益

利用本文方法配置储能系统，结合厂内峰电时间段的用电需求，选择充电功率为1 750 kW，总容量为7 000 kW·h的储能装置，全系统建设共需投资成本3 690万元。建成以后，储能设备每次充放电最多可为企业提供6 300 kW·h的电能，全年最多可为企业提供电能1.89×106kW·h。每年充电费用为68.712万元，节约峰电电费为198.36万元，因此每年可节约电费129.64万元。此外，通过改善电能质量和解决厂内电压暂降问题，储能系统每年可为企业创造超过80万元的隐形收益。经计算，该系统每年可为企业创造收益合计约209.64万元，经过约17.6年企业可收回投资，储能系统全寿命可为企业创造利润约2 599.2万元。需要说明的是，改善电能质量创造收益的估算值比较保守，正常情况下该部分收益可能超过“削峰填谷”所获收益。

2.1.3 用户侧电能质量治理

企业可以直接从综合能源服务商处购买电能质量治理服务，将厂区内电能质量治理任务交给服务商。服务商利用自身优势，精准分析厂内电能质量，提供精细化服务，将厂内电能质量治理至用户需求目标。

2.1.4 其他综合能源服务方案

光储充一体化系统利用企业屋顶与露天停车场建设光储充一体化系统。系统设备和规模概述如下。200 kW群充群控设备1套，每套配置5个直流充电桩，工作时间为12 h为厂区内电动乘用车提供电能补给需求。利用企业符合条件屋顶和停车场可用空地，建设面积为2 000 m2的光伏发电系统，铺设光伏电池1 200块，装机容量约280 kW·h，每年可发电2.29×105kW·h。建设成本为420万元。建成以后，系统每年可以为企业创造收益27.48万元，全寿命可以为企业创造利润237万元。此外，系统每年可节约标准煤28 t，减少碳排放76 t，全寿命可节约标准煤700 t，减少二氧化碳排放1 890 t。

合同能源管理可以为企业光储充一体化设备和储能设备提供节能减耗方案，共享节能减耗成果，提供设备运维服务，降低企业运营成本。

2.2 企业二：多冷热、未利用型企业

2.2.1 企业特征

企业制冷需求大，冷水质量要求较高，但现阶段企业制冷质量不高，且有未利用冷水机组。

厂内蒸汽需求量大，但是蒸汽利用以后有超过100 ℃的余热未加利用，而且其中一变压器运行超过20年，属老旧变压器。此外，厂区配电设备众多，现有电工数量和技术都难以达到要求。

基于该厂特征，可为厂区配置蓄冷系统和余热回收利用系统，开展高损耗配电设备损耗治理和设备代维代修等服务。

2.2.2 蓄冷系统方案配置

在本方案中，由于备用机组为螺杆式冷水机且厂区内空地较少，所以采用冰蓄冷方式。在现有冷水机组上进行蓄冰改造，需要成本约250万元。系统建成以后，每日可为企业提供6.447×107kcal的冷量，解决峰电用量1 248 kW·h，创造收益约799.35元。每年可为企业创造收益23.98万元，企业经过约10.4年可回收成本，全寿命内蓄冰系统可为企业创造利润349.5万元。

2.2.3 余热回收利用系统

为合理利用厂区余热，需配置适用于该厂的余热回收利用系统。系统利用接触式换热装置回收余热，转化为80 ℃左右的生活热水，满足本厂员工使用，并考虑向周边厂区员工宿舍供热水。为了配合热水收费，还需建设IC卡多用户热水表收费管理系统。全系统建设成本合计约需150万元。余热回收利用系统建成后，每日生产热水35 t，企业可获利约1 386元，每年创造利润34.66万元，企业仅需4年即可收回成本，全寿命内可为企业创造利润543.2万元。且每年节约标准煤97 t，减少二氧化碳排放262 t。

2.2.4 其他综合能源服务方案

其中，高损耗配电设备损耗治理需投资8万元，用以更换现有老旧变压器，之后每年可帮助企业节约用电4 117 kW·h，节约电费2 700元。设备代维代修服务在帮助企业提升配电设备使用效率的同时，还可帮助企业最少减少2名电工，每年节约人工成本12万元。

3 园区综合能源调度管控系统建设方案

为了满足工业园区综合能源服务需要，仅仅设计各用户侧的综合能源服务方案是远远不够的，必须建立与服务相配套的支撑平台系统。为能实现园区内各企业用能情况的监控和计量、电能质量的治理以及内分布式能源的调度，可在园区建设多能信息采集和电能质量综合治理系统以及综合能源管控系统。

3.1 多能信息采集和电能质量综合治理系统

3.1.1 多能信息采集系统

综合能源服务设计水、电、气以及热等多种形式能源的使用，园区能源计量系统需能实现对多种形式能源的计量和监测。近年来，国家电网公司依托智能电能表应用和用电信息采集系统覆盖广泛的采集终端和通信资源，加快推进四表合一采集建设的应用工作[6]。在相关工作的开展下，四表合一采集应用已经具备一定的规模，可在其构架内容和技术方案的基础上，构建适合工业园区综合能源服务工作的用能计量和信息采集装置，并将采集信息上传至园区综合能源能量管理系统。

用电信息采集系统是园区多能信息采集系统的基础。园区用能情况的数据采集和发布工作都依靠用电信息采集系统，所以系统建设方案必须以用电信息采集系统为架构基础。基于用电信息采集系统体系架构，四表合一技术体系架构可分为主站系统、前置解析机、采集设备以及智能仪表4个部分[7]。

主站系统按照数据模型进行数据存储，同时将水、气以及热表采集示数同步到营销基础数据平台，并提供可调用的数据层数据进行数据展示和报表查询等业务功能，同时和营销业务应用通过接口实现客户档案和电表示数的同步。前置解析机负责进行集抄系统设备管理、数据预处理以及提供数据收发服务等。采集设备负责综合监测公变和居民用户电能表以及居民水、气、热表的数据。在收集数据并进行处理储存的同时，和主站或手持设备进行数据交换。

推荐在园区水阀、燃机回路以及蓄冷/蓄热装置处设置四表合一装置，统一计量系统中的水、电、气以及热。

3.1.2 电能质量综合治理系统

基于园区多能信息采集系统获取的数据，可有效监测并及时治理园区能源质量，特别是电能质量问题[8]。为实现园区电能质量的协调治理，推荐配置电能质量监测装置。监测10 kV出线、10 kV母线以及400 V母线等处的电能质量，并将频率、电压偏差、三相电压不平衡、电压波动和闪变以及谐波等电能质量数据远传至服务商。由服务商通过在园区内关键节点处配置电能质量治理设备，整体优化园区电能质量，或为有特殊要求的用户提供定制服务。电能质量治理措施主要有以下3点。

一是安装滤波装置。在400V I母线和II母线处分别配置1套有源滤波装置。二是安装无功补偿装置。静止无功补偿装置（Static Var Compensator，SVC）是成熟的FACTS装置，其中磁控电抗器（Magnetically Controlled Reactors，MCR）采用磁控的方式，具有可靠性高、系统简单、谐波较小、维护工作量小、维护简单、占地面积小、全室外安装以及基建成本低等优势，是传统相控方式无功补偿装置不可比拟的，而且在综合能源系统中具有明显的实用性优势[9-10]。因此推荐在园区10 kV I段和II段母线分别配置容量适中的MCR型SVC装置，通常容量选择为300 kvar。三是安装储能及虚拟同步装置。电动汽车等负荷具有较强的随机性，大量接入电网时会对电网造成冲击，诱发电压暂降等电能质量问题[11]。因此在园区装设储能装置和负荷虚拟同步电动机，可有效治理电压暂降等电能质量问题。

光伏和风机等分布式发电装置受环境因素影响，使得发电功率具有明显的间歇性和波动性[12]。在变压器低压侧配置储能装置和负荷虚拟同步机，可有效抑制分布式发电装置在离网运行时扰动系统功率的情况，从而改善系统的电能质量。此外，在并网点装设光储虚拟同步发电机，可平抑并离网切换及稳态运行时的功率扰动，保证频率电压稳定。

3.2 综合能源智能调控系统

为了保证多能互补综合能源系统高效稳定地运行，通常由综合能源智能调控软件系统进行智能控制和自动调度决策。综合能源智能调控软件系统是一套具有发电优化调度、负荷管理、实时监测以及自动实现多能互补综合能源系统同步等功能的能量管理软件[13-15]。

本文推荐采用的综合能源智能调控系统包含短期和长期的能量管理。短期的能量管理包括为产业园区屋顶光伏、储能以及蓄冷/蓄热等装置提供功率设定值，使系统满足电能平衡和电压稳定。为多能互补综合能源系统电压和频率的恢复和稳定提供快速的动态响应，满足用户的电能质量要求。此外，还为多能互补综合能源系统的并网提供同步服务。长期的能量管理包括以最小化系统网损和运行费用以及最大化光伏利用等为目标，安排产业园区光伏、储能以及蓄冷/蓄热装置的出力，为系统提供需求侧管理，包括切负荷和负荷恢复策略。配置适当的备用容量，从而满足系统的供电可靠性要求。

3.2.1 综合能源智能调控系统功能模块

为保障系统的安全稳定运行，综合能源智能调控系统大致分为紧急控制、模式切换、协调控制、功率平衡、无功优化以及电能质量几个功能模块。

其中，紧急控制是指在多能互补综合能源系统运行过程中，当出现某些特殊情况时，按要求进行对多能互补综合能源系统的紧急控制。模式切换是指多能互补综合能源系统在运行过程中存在并网和孤网的双模式切换运行，在多能互补综合能源系统的模式切换过程中，要统一协调并网点开关和储能PCS，调节光伏功率、控制负荷功率，实现微网中并网和孤网的双模式切换。协调控制多能互补示范项目光伏、储能以及蓄冷蓄热装置出力，实现各种能源形式互补，达到综合能源利用效率最优。功率平衡是指在微网孤网运行时，协调控制微网内的电源和负荷。此外，还包括储能系统SOC、光伏发电系统、系统负荷以及内燃机的协调功率控制。无功优化是指在微网运行过程中，利用内部多类型无功调节电源，协调微网内各点无功电源出力，实现系统的无功优化控制。电能质量是指在微网运行过程中，通过电能质量检测系统，结合系统模型和潮流分布，协调系统的无功分布，实现电压控制，从而保障系统电能质量。

3.2.2 综合能源智能调控系统架构

综合考虑冷热电等多种能源的运行状态，构建涵盖配电网、多种分布式能源以及柔性负荷等运行数据的多维信息模型。在保证配电网供电质量和可靠性的基础上，以提高多种能源与柔性负荷的资源利用率和联络线功率精准控制为目标，实现能量管理、运行控制以及优化调度等功能。现有成熟平台方案已实现基于动态代理技术的智能分层调控框架。构建了包含就地感知层、协调控制层以及优化决策层的分布式能源系统分层调控架构。平台设计架构如图2所示。

图2 分层调控框架设计

就地感知层包含各类分布式能源和工商业多元负荷的信息采集与检测。分布式电源智能体具有态势感知、指令执行以及数据通信等功能模块，能够根据系统调控中心的指令和自身运行约束进行能量交互，并实现智能体之间的实时信息交互和信息上传。协调控制器具备预测、通信、负荷控制以及需求响应等功能，能够实时上传负荷信息、进行负荷控制以及反馈负荷状态。

协调控制层包含各区域分布式能源协调控制模块，具有区域协同调控和实时通信等功能模块，能够接受上级的调控指令，并通过考虑系统运行的能效约束协同调控分布式能源系统的各个区域，满足分布式能源系统实时动态调整的要求，并按照负荷和分布式能源的优先级进行指令的下发。基于多代理边际一致性控制算法，通过区域分布式能源调控系统对区域内各就地感知层进行集中管理和分布控制，保证系统各区域的电压和频率稳定。

优化决策层包含分布式能源系统调控中心的优化调度模块，能够通过整合各下层智能体的运行信息和多主体的运行状态，进行各层级多能源类型、多元用户以及多时间尺度的互补协调和优化调度。协调不同控制响应速率的可调控资源，逐级消除预测误差和扰动的影响，实现园区和多元用户的优化互动。

4 结 论

本文继续针对工业园区，设计综合能源服务方案，主要得到两点结论。一是给出了总质量、问题多型企业和多冷热、未利用型企业的综合能源服务方案配置方法，并给出了相应的企业实例分析。二是给出了园区多能信息采集和电能质量综合治理系统以及综合能源智能调控系统的建设方案。在园区建成于综合能源服务相配套的支撑平台系统，保证综合能源服务的顺利开展。