多能互补分布式能源实验平台系统关键技术研究

周宇昊 ， 张海珍 ， 宋胜男

（1.华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030；2.浙江省蓄能与建筑节能技术重点实验室，浙江 杭州 310030）

0 引言

国内在分布式能源领域起步较晚，分布式能源系统的研究处于初步阶段，尚不成熟。而在国外分布式能源技术的科学研究已经很成熟，分布式能源装机容量占发电总量的比例远高于中国。这在相当程度上得益于国外具备众多完备的分布式能源系统研究平台。例如美国马里兰大学的分布式实验平台，采用装机容量为250kW的微型燃气轮机，系统效率达80%以上，提供学院综合楼的冷、热、电能源需要，同时满足了科研要求，并将实验平台运行数据公示在校园网络上。日本已建成多个具备实验性质的分布式能源系统平台，其中著名的如：千住智能能源网络。该平台不仅可以向周边区域供电，还可以开展例如CGS余热的热源综合控制实验，研究太阳热能和CGS余热双向供应的控制等技术[1,2]。

因此，在国内建设一整套功能完备的分布式能源系统实验平台是一个极具理论研究意义与工程实践价值的项目。

1 多能互补实验平台系统组成

该实验平台是多能源互补的微网系统，由动力模块、分布式光伏模块、储能模块、余热利用模块、需求侧模块、地源热泵试验井、测试模块等。实验平台共十二种运行工况，能源利用效率设计最高值超过90%、节能率达到25%。实现电力自发自用、智能控制、多余上网、余缺网补。

图1 实验平台现场图Fig.1 Laboratory platform scene map

1.1 原动机设备

多能互补示范项目原动机子系统安装容量为315kW燃气内燃机2台，65kW燃气轮机1台。预留燃气轮机与内燃机认证测试机位各1个，最大可测试容量为兆瓦级。原动机系统可以开展的实验研究主要有原动机系统性能检测、原动机系统认证实验、变工况时原动机配置方案研究等。

1.2 余热利用设备

余热利用子系统是分布式能源系统中一个重要的组成部分，在分布式能源系统中，可以利用的主要的余热类型有燃气内燃机和燃气轮机排放的高温烟气。利用这些高温燃气，可以对烟气型吸收式机组提供热源。同时也可以将这部分烟气通入到余热锅炉内，将来流的水加热为高温蒸汽,利用获得的蒸汽给吸收式机组提供热源，同时也可以利用余热锅炉生产热水，提供人们正常生活的热水。

1台烟气热水型溴化锂制冷机、1台蒸汽型溴化锂制冷机、1套小型余热锅炉装置。

1.3 蓄能设备

冰蓄冷、储热和电池储能，并拥有移动蓄热设备。采用硝酸锂基熔盐相变材料回收烟气高温热量，采用十二水硫酸铝钾回收中低温蒸汽热量，采用自主研发的导热塑料盘管蓄冰装置用于冰蓄冷空调系统。

图2 熔盐蓄热现场图Fig.2 Field diagram of molten salt storage

图3 熔盐蓄热器结构图Fig.3 Structure of molten salt regenerator

1.4 可再生能源设备

系统设有300kW等级太阳能光伏等设备，并预留生物质燃料动力装置和太阳能外燃机动力装置基础。

图4 幕墙光伏Fig.4 Curtain wall photovoltaic

图5 屋顶光伏Fig.5 Rooftop photovoltaics

1.5 区域能源智能管理系统

控制分布式电源的输出功率和分布式负荷的保存运行数据供运行人员调用分析；实现冷、热、电各种能源的综合优化，以保证整个微网系统的经济运行为目标，以满足安全性、可靠性和供电质量要求为约束条件，对分布式发电供能系统的电源进行优化调度、合理分配出力，实现分布式能源微网系统的优化运行。

2 关键技术

2.1 多能互补分布式系统集成技术研究

建设完成MW级多能源互补的源网荷储微能源网系统。由燃气内燃机、微型燃气轮机、分布式光伏等组成分布式电源；余热利用的烟气和蒸汽型制冷/制热吸收式机组、地源热泵等；储能系统包含相变蓄热、冰蓄冷、蓄电池等；供需一体化构成的微能源网，实时对供能侧和用能侧进行采集和反馈，进行系统优化运行；测试模块可调模拟电负载和移动测试平台；整个微能源网可实现并网、并网不上网、孤网等多模式运行，满足用户冷热电多种能源动态负荷需求。

建立分布式能源系统的各子系统数学模型，为分布式能源系统的优化运行和配置提供模型基础，利用数值计算软件编写优化计算程序，得到运行控制策略，并在实验平台上验证。主要的开发和试验内容：

（1）燃气分布式能源系统中动力系统与储能系统、烟气余热回收系统、信息控制系统耦合特性的数值模拟；

（2）采用数学模拟的方法，建立燃气分布式能源系统各子系统的数学模型，在此基础上建立分布式能源系统的集成优化模型，实现负荷分析、经济计算和系统集成优化；

（3）修正各子系统数学模型，并将本项目的研究成果运用到国家能源局分布式研发中心试验平台的运行实践中，在国内具有示范性和代表性。

2.2 多能互补分布式能源管理及微网技术研究

分布式微网和微能源网的研究技术主要是分布式电源技术、控制和策略技术、多能源互补集成技术、微网系统保护技术、微网能量分析和管理技术、微网仿真技术研究、微网性能和安全测试技术。项目开展多能互补分布式能源供需一体协同控制技术研究，拥有自主知识产权的多能互补分布式能源微网管理系统。区域能源智能管理系统通过对供能侧和负荷侧数据采集和监测，制定节能和优化运行控制策略，实现了冷热电等多种能源产品的生产、输送、储存和使用的一体化控制。对园区负荷侧和供给侧动态数据监测和反馈，调节冷热电联供系统和储能系统，实现能源供、需侧的动态联动调节和控制。

具体方法：对不同等级的用电负荷、不同的可再生能源、燃气分布式能源、并蓄冷系统、并网设备等数据采集和监测，实现不同发电系统和负荷的数据统计、分析、计算，实时计算发电、用电、购电等指标，实现对可再生能源效率、区域电能质量、实时收入、累计负荷特性、节能效益的分析和统计，并提供节能和优化运行策略。

（1）区域能源智能监测管理系统

多能源协调管理系统根据气、热、电等能源行业的运转情况，从系统安全运行、能源价值最大化、多能源交易准则和法规的角度对多种能源交易和能源资源配置进行协调管理，保障能源的安全高效供应以及能源网络的健康发展。与分布式可再生能源发电、大容量储能系统的接入实现了能源供用关系的灵活转换，同时也形成了多元市场主体并通过能源交易平台完成电能交易、可再生能源配额交易等业务。区域能源智能管理系统通过对不同等级的用电负荷、不同的可再生能源、燃气分布式能源、并蓄冷系统、并网设备等数据采集和监测，实现不同发电系统和负荷的数据统计、分析、计算，实时计算发电、用电、购电等指标，实现对可再生能源效率、区域电能质量、实时收入、累计负荷特性、节能效益的分析和统计，并提供节能和优化运行策略。

互联信息网络通过在电网、燃气网、热网、负荷网、300kW光伏发电系统、储能系统、冰蓄冷供能系统、700kW分布式电源系统等能源系统范围内通过TCP/IP、RS485、MODBUS等通信协议，屋顶光伏数据采用光缆方式连接至实验平台，系统采集各种能源设备运行状态及各能源系统的实时运转状况等海量信息，搭建能源管理和交易平台。

（2）区域智能管理系统通过对园区一级负荷、二级负荷、三级负荷等分类监测和统计，实现能耗的集中管理。

图6 园区负荷波动Fig.6 Park load fluctuation

（3）微网仿真：采用仿真软件对不同分布式DG和储能系统进行控制策略管理，测试研究控制策略和对微网的影响、微网保护测试对比和微网暂态运行测试。结合实际运行情况，进行测试和分析对比。微网能量管理系统对内燃机、铅酸蓄电池储能系统、锂电池储能系统、超级电容储能系统控制策略的调节，得出不同分布式DG的控制策略和特点。在黑启动试验过程中，主要对内燃机和储能系统进行黑启动试验，对启动过程和运行状态进行数据录波分析，测试黑启动DG能力和微网黑启动时间。对比分析具有黑启动能力DG特性、电压、频率、电能质量和黑启动能力等。

（4）智能云管理和远程监测平台

智能云管理和远程监测平台是基于集控中心HP服务器云计算打造的面向未来能量管理需求的云端运维管理系统。云平台包括设备负荷资源、云服务计算和分析、云管理几个部分。设备负荷资源是对硬件资源、软件资源、网络资源以及数据资源的各类物理基础设施的池化管理，对分布式能源的DCS数据、SCADA数据、离线数据等进行统一编码处理并转发，为状态监测及故障诊断应用提供标准化数据，以提高设备利用率与简化管理为目标，以预集成、标准化的云部署单元为单位进行部署于管理。

（5）柔性微能源网技术

建设柔性能源网络，基于铅酸蓄电池100kWh，锂电池50kWh，超级电容50kW±15s、300kW光伏、30kW光储系统、700kW分布式电源系统通过协调控制和管理供能，具有多种能源互补模式和运营方式，能源供给可以随时根据需求侧负荷进行变化，保证能源传输的灵活可控和安全稳定，建设接纳高比例可再生能源、促进灵活互动用能行为和支持分布式能源交易的综合能源微网。

2.3 新型高效蓄热装置及充放热特性研究

根据“温度对口、梯级利用”的原则，国内首次开展对分布式能源系统动力余热进行分级储能的应用实践研究。研究高温熔盐蓄热、中低温移动蓄热、以及冰蓄冷等蓄能技术，采用硝酸锂基熔盐相变材料回收烟气高温热量，采用十二水硫酸铝钾回收中低温蒸汽热量，采用自主研发的导热塑料盘管蓄冰装置用于冰蓄冷空调系统。实现烟气梯级相变回收利用，通过主动蓄能调控方法，改善系统全工况性能，提高能源利用效率和系统运行经济性。

通过蓄热器不同截面的不同时间温度分布云图和液相率分布云图对比分析可知，蓄热器内每根封装管中都是靠近外壁处的PCM先开始温度变化，并逐渐向管中心靠近。随着时间推移，靠近导热油的PCM温度越来越接近相变温度直至凝固，此时PCM区域和导热油区域温度场云图显示区别越来越大。针对蓄热器设计的容量，验证了装置3小时后仍能满足系统供热要求。在此模拟基础上，开发出熔盐蓄热器和移动蓄热器。

2.4 分布式能源多目标分层监测评估技术研究

在线监测各设备运行参数，围绕“量”、“质”、“环境性”、“可靠性”、“经济性”、“可持续性”等子目标建立分布式能源系统的多目标综合评价体系[3-5]。

图7 蓄热器内温度分布云图Fig.7 Temperature distribution nephogram in regenerator

图8 蓄热器内液相率分布云图Fig.8 The accumulator in liquid fraction distribution

图9 蓄热器内部测点温度变化曲线Fig.9 Temperature variation curve of measuring point in regenerator

图10 蓄热器液相率变化曲线Fig.10 The accumulator liquid fraction curve

开展分布式供能系统性能考核和测试评估方法研究；建立分布式能源系统多目标评价模型；构建分布式能源系统评估标准体系建设。

图11 分布式能源评估体系Fig.11 Distributed energy assessment system

3 结论

建设完成国家级分布式能源研发中心，开展多能互补分布式能源关键技术与实验平台研究及应用技术，完成具有自主知识产权的多能互补分布式能源技术集成、测试、验证平台建设，为分布式能源示范工程提供技术方案和技术支持，具有良好的示范效果和应用推广价值。

[1]GCWalsh，H Ye,L Bushnell Stability analysis of Networked Control Systerm[C].San Diegn USA:Proceedings of American Control Conference，1999：2876-2880.

[2]杨素萍，赵永亮，栾凤奎，等.分布式发电技术及其在国外的发展状况[J].电力需求侧管理，2006，（1）：1-5.Yang Suping,Zhao Yongliang,Luan Fengkui,et al.Distribut⁃ed generation and its development in foreign countrie[J].power dsm,2006，（1）：1-5.

[3]徐建中.分布式供电和冷热电联产的前景[J].节能与环保，2002(3):10-14.Xu Jianzhong.Prospect of Distributed Power Supply and Combined Cooling Heating and Power Generation[J].ener⁃gy conservation and environment protectio,2002(3):10-14.

[4]刘殿海，杨勇平，杨昆，等.分布式能量系统的综合评价[J].工程热物理学报，2005，26（3）：382-384.Liu Dianhai,Yang Yongping,Yang Kun,et al.The Compre⁃hensive Evaluation of Distributed Energy System[J].jour⁃nal of engineering thermophysics,2005,26（3）:382-384.

[5]张晓晖，陈钟颀．热电冷联产系统的能耗特性[J].中国电机工程学报，2007，27(5)：93-98．Zhang Xiaohui,Chen Zhongqi.Energy Consumption Perfor⁃mance of Combined Heat Cooling and Power System[J].proceedings of the chinese society for electrical engineer⁃ing,2007，27(5)：93-98．