高校综合能源系统的发展

2020-06-12王广涛

上海节能 2020年5期

关键词：储能负荷能源

周波王广涛

1上海市燃气管理处

2上海电力大学

0 引言

能源是社会发展的动力和基础，随着经济的发展，能源开始出现利用紧张和价格上涨的趋势，节能减排工作成为非常重要的任务。近年来，随着我国能源革命的推进，能源的清洁高效利用地位日显重要，因此，针对不同应用场景的能源利用模式愈加多样化。

综合能源系统特指在规划、建设和运行等过程中，通过对能源的产生、传输与分配、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后，形成的能源产供销一体化系统[1]。综合能源系统可以充分利用多元能源，一方面能实现能源的高效互补利用，解决可再生能源的消纳问题，另一方面能够满足节能减排的要求，是相对于传统能源利用模式的创新。目前，我国高校分布式能源及综合能源的发展和实施都有了一定的基础。本文主要针对高校综合能源系统的发展和实施情况分析探究，希望对今后高校综合能源系统的利用提供参考。

1 国内外综合能源系统发展概述

1.1 国外综合能源系统的发展

综合能源系统对于提升能源的利用效率和可再生能源的规模化的开发利用具有重要的支撑作用[2]，国外许多国家针对本国的能源情况制定了综合能源的发展模式。从时间角度来看，欧洲是最早提出综合能源系统概念的地区，同时也进行实践。英国开展了可再生能源与电力网协同、集中式能源系统与分布式能源系统协同运行的项目，实现多元能源的协调，确保能源供应的安全。德国致力于发展包括智能发电、智能电网、智能消费和智能储能等方面为主的能源系统与信息系统集成的综合能源项目。美国在技术上推出分布式能源与冷热电联供技术的发展[3]。日本则致力智能社区综合能源技术的研究，以传统综合供能系统为基础，力求建设覆盖全社会的氢能供应网络，以“就近消纳、就地平衡”为原则，融合分布式能源、供热供水系统、电气化住宅、电气化交通网络等基础设施，形成区域性综合能源服务系统[4]，同时在能源网络的终端，不同的能源使用设备、能源转换和存储单元共同构成终端综合能源系统[5]。

1.2 我国综合能源系统的发展

为了推动能源领域的创新与协调，促进综合能源系统体系的建设，我国在2010年成立了国家能源委员会，推动能源领域改革，寻求创新发展模式。当前，我国已通过“973”、“863”研究计划，同时多项与综合能源技术相关的科技研发项目也已经启动。此外，我国政府积极寻求与包括新加坡、德国政府在内的相关机构共同合作，建设各类生态文明城市，积极推广综合能源利用技术，目的是构建清洁、安全、高效、可持续的综合能源供应系统和服务体系[2]。

近年来，我国能源革命的持续推进，以电力系统为核心，耦合热力、燃气等能源的综合能源系统也得到发展，综合能源系统场景适用性也更为广泛，主要有工业园区、智慧社区、交通枢纽等，其中高校综合能源系统的应用也逐步得到发展。

2 高校综合能源系统发展潜力

据统计，2017年全国共有普通高等学校2 631所(含独立学院265所)，全国各类高等教育在学总规模达到3 779万，且高效的人均能耗、水耗均是全国人均数值的2～4倍[6]。因此，高校的能源的高效清洁利用具有重要的意义。

3 高校综合能源系统特征

3.1 负荷特征

负荷特征对于高校综合能源系统的建设运行至关重要。高校的负荷主要由规模、类型、位置区域等因素决定的。高校的规模体现在在校的师生数量，教学区域等方面。从类型上来看，由于专业或学科的特殊性，理工类高校用能量相对较多[7]。

学校作为教育机构，由教育部门统一管理，因此学校用电特性在一定程度上会有很大的相似之处。用电特征的最显著特点是用电高峰期内负荷保持稳定。此类特征最显著学校一天之中从早上开始，负荷逐渐升高，然后稳定在一个负荷值左右，该负荷值在一年中的某个时间段变化不大，随后慢慢降低，直到降到学校最低负荷并保持稳定。此外，高校园区的用电负荷特性，规划时必须考虑一年三个月的寒暑假，高校的校园年负荷一般存在两个用电低谷，这是由于假期，校区用电功率降低导致。

3.2 供应模式

总结综合能源的供应模式如图1所示，以传统的电力、热力、燃气为基础，根据高校地域、气候等情况，耦合风能、光伏等可再生能源共同构成高校综合能源供应模式，由于区域规划的不同，有些高校没有燃气供应，热负荷可以采用热泵与其它辅助设备共同保障。

3.4 运营模式

综合能源系统把电、热、冷、气等多种能源形式在生产、输送、存储、消费等各个环节耦合起来，即在各种新型的能量转换、储存与分配设备的支撑下，用户能够获取灵活、高效、即插即用的能源服务。高校的综合能源系统运营模式主要有各参与主体独立运营和合作运营两种模式。

在各参与主体独立运行模式下，一般电网公司提供主要电力保障，光伏、风电或储能运营主体与投资主体一致。合作运营模式主要通过各运营主体共同组建合资公司，统一对高校能源进行调配与管理[8]。

4 典型案例介绍

综合能源系统在我国高校中的应用有许多成功的案例，如天津大学滨海工业研究院综合能源示范工程、广州大学城能源站项目、上海科技大学能源中心项目等，参考报告[9-10]，本节以上海电力大学为例，介绍高校综合能源系统的具体实施情况。

4.1 案例概况

该项目入选国家发改委、能源局在2017年5月批准的全国首批28个项目之一，是上海市首个新能源微电网示范项目，为全国高校中的唯一一个校园的示范项目。项目高起点、高标准的建设新能源微电网，打造“智能、低碳、环保、节能”的绿色校园。上海电力大学临港新校区智能微电网综合能源服务项目由国网节能服务有限公司投资，国网节能设计研究院负责设计实施。

图1 高校综合能源系统典型供应模式

4.2 系统组成

项目主要包括风力发电系统、储能系统、多类型光伏系统、太阳能与热泵耦合热水系统、一体化智慧路灯系统、智能微电网系统，以及建筑能耗的管理监测系统。通过各个系统的协调配合，共同实现了源、网、荷、储的协同运行以及综合管理。项目建设了10栋公寓楼空气源热泵辅助太阳能热水系统、约2 MW光伏发电系统（单晶、多晶、BHPV、高效组件等多种组件）、300 kW风力发电系统、1套混合储能系统（150 kW×2 h铅炭电池、100 kW×2 h磷酸铁锂电池及100 kW×10 s的超级电容），49 kW光电一体化充电站以及一体化智慧路灯,通过智慧能源管理系统，实现建筑能效管理、综合节能管理和“源网荷储充”协同运行，各系统组成有以下6个部分。

1）分布式光伏发电系统

分布于全校21栋建筑屋面及一个光电一体化充电站车棚棚顶，安装总装机容量2 061 kW。光伏组件采用单晶、多晶、BHPV、PERC、切半、叠片等多种组件形式，供应清洁电力的同时，为学校师生免费提供了研究新能源技术的场所。

2）风力发电系统

采用一台300 kW水平轴永磁直驱风力发电机组，与光伏发电系统、储能系统组成微电网系统。

3）储能系统

系统配置有容量为100 kW×2 h的磷酸铁锂电池、150 kW×2 h的铅炭电池和100 kW×10 s的超级电容储能设备。三种储能设备与学校的不间断电源相连，一并接入微网系统。

4）太阳能+空气源热泵的智能热网

在新校区公寓楼的屋顶，设置了太阳能集热器和空气源热泵，集中供应生活热水。同时，通过系统平台实现了热水系统的监测、控制和节能优化。10套系统，每天800 t热水，解决了10 000余名师生的生活热水使用需求。

5）智能微电网

采用光伏、风力等发电及储能技术，智能变压器等智能变配电设备，结合电力需求侧管理和电能质量控制等技术，构建智能微网系统，实现用电信息自动采集、供电故障快速响应、综合节能管理、智慧办公互动、新能源接入管理。在切断外部电源的情况下，微电网内的重要设备可离网运行1～2 h。

6）智慧能源管控系统

智慧能源管控系统主要监测风电、光伏、储能、太阳能+空气源热泵热水系统的运行情况，实现与智能微网、智能热网、校园照明智能控制系统及校园微网系统的信息集成及数据共享，满足学校对新能源发电、园区用电、园区供水等综合能源资源的动态实时监控与管理，通过对数据分析与挖掘，实现各种节能控制系统综合管控。值班室实行智能集控（智能能源管控系统总平台、智能微网子系统、建筑群能耗监测管理子系统等组成），通过2 000多个监测点，对校园内所有的变电站、建筑用电、用水、用气等监测，实现对资源情况的一体化布控。通常校内财务、物业、后勤等部门的信息系统并不打通，而在能源监控系统中，各个分系统的底层数据是一体化的，这成为“智慧校园”节能减排的信息化基础架构。比如在寒暑假，系统用户管理功能可以远程监测异常电耗，若某一处发生“状况”，也可远程查明甚至关断相应电源，替代了以往勤手勤脚的传统巡查手段。此外，如比较常见的地下水管内漏现象，系统也能灵敏察觉。智慧能源管控系统作用与效果如图2所示。