基于能源需求侧供需平衡的新能源优化配置研究

谢中元，任锐焕

(1.上海同济城市规划设计研究院有限公司，上海 200080;2.国网上海市电力公司嘉定供电公司，上海 201800)

新能源规划与能源需求侧负荷特性密切相关，后者制约着新能源的发展速度、规模和利用效率。传统的新能源规划主要考虑日照、风速等自然条件的影响，忽略了与用户负荷特性之间的联系，容易造成弃光、弃风、切负荷、利用率低等问题[1-2]。传统的城镇建设规划在能源需求方面主要从供应侧考虑，较少结合本地新能源情况进行统筹规划。

本文以苏州市同里新能源小镇为研究对象，根据规划区自然资源分布，再结合能源需求侧负荷特性，立足本地多能互补，就地消纳新能源。在城镇规划总规、控规已经确定的条件下，统筹考虑需求侧供需平衡、用地布局等因素进行新能源优化配置研究。研究结果表明，新能源在满足需求侧用能要求的基础上，能够改变城市的能源供给结构，提高城市的自供能力。

1 新能源介绍

新能源主要包括太阳能、风能、生物质能、地热能等。新能源发电具有随机性、不确定性等特点[3]，为了提高系统运行的安全稳定性，常和储能电站统筹规划建设。

太阳能发电包括光伏发电、光热发电和太阳能三联供等。太阳能发电潜力计算公式如下：

EPV=Q0ρAEληsun

(1)

式中EPV——太阳能发电资源量，kJ；Q0——太阳能年辐射量，MJ/m2·年；ρ——建筑密度；AE——建筑用地面积，m2；λ——屋顶面积可使用率，%；ηsun——太阳能综合利用效率，%。

风力发电分为地表风发电技术和高空风发电技术两类，对建设条件要求很高，选址考虑因素包括风能密度、风向稳定等。

生物质发电技术包括直接燃烧发电与转化为高值燃料后发电，如沼气发电、气化发电等。

地热能利用包括地热发电及热利用。地热发电对地热资源要求较高，主要运用深层地热能；热利用技术有地热供暖、地源热泵供暖及空调技术等。

2 能源需求侧供能分析

传统的城镇能源规划主要为供应侧规划，具有设备容量冗余度大、初投资规模高、设备利用率低、网损高等缺点，由于在规划时较少考虑新能源，因此存在能源供给结构单一、自供能力差等问题。

为提高能源利用效率[4]，转变能源供给结构，立足本地消纳新能源发电以提高自供能力，从需求侧用能特性出发，精准匹配用能需求与能源供应方式，从而确定能源系统构成及设备容量。本文以典型建筑类型为模型，结合当地气象参数、居民用能习惯，利用负荷模拟软件HDY-SMAD得到各类建筑全年及典型日逐时建筑能耗[5]如图1至图2所示。

图1 典型工作日建筑逐时能耗

图2 典型节假日建筑逐时能耗

建筑负荷主要包括建筑电气(照明及日常电器)负荷、空调冷(热)负荷、炊事负荷及生活热水负荷。各类负荷优先使用新能源供能方式，不足部分按照燃气三联供、市电的顺序进行补充供能。

3 永久会址基本情况

同里新能源小镇永久会址位于江苏省苏州市，规划将其打造为国际能源变革论坛永久会址，总建设用地面积0.86 km2，主要建筑类型有住宅、商业、旅馆、办公、娱乐康体、文化设施6种。永久会址负荷情况如表1所示。

表1 永久会址负荷汇总表

永久会址年累计总能耗为9 420 t(标准煤)，建筑能耗为主要能耗类型，约占总能耗的91.6%。建筑能耗中空调能耗占比最高，占总建筑能耗的56.0%；其次是建筑电气能耗，约占35.6%；炊事及生活热水能耗相对较小，分别占4.6%和3.8%。

4 新能源优化配置研究

4.1 供需平衡基础模型

新能源系统平稳运行的基础是保持系统中能量的供需平衡，即在运行过程中时刻保持供能端与耗能端能量平衡，系统能量供需平衡关系[5]如式(2)所示：

Gsun+Gwind+Gbio+Ggeo+Ggas+

Ggrid+Wsto=Sload+Ddump

(2)

式中Gsun——太阳能发电量，kWh；Gwind——风力发电量，kWh；Gbio——生物质能发电量，kWh；Ggeo——地热能发电量，kWh；Ggas——燃气三联供发电量，kWh；Ggrid——从电网所购电量，kWh；Wsto——储能电站充入或放出的电量，kWh；Sload——建筑负荷消耗电量，kWh；Ddump——可再生能源发电的多余废弃电量，kWh。

当系统独立运行时，即不从电网购电时，Ggrid=0。可再生能源发电被完全消纳时，Ddump=0，此时式(2)可简化为

Gsun+Gwind+Gbio+Ggeo+Ggas+Wsto=Sload

(3)

4.2 控制策略

清洁能源系统考虑峰谷电价，通过判断清洁能源发电量之和G∑与需求侧用能量的大小关系，调整系统供能方式，具体控制策略如表2所示。

表2 清洁能源系统控制策略

4.3 清洁能源配置优化结果

同里新能源小镇以打造绿色低碳小镇为发展主旨，在城镇规划总规、控规已经确定的条件下，清洁能源工程规划需统筹考虑用地布局及规模、用能需求、自然条件、配电网可接纳能力、初始投资等相关因素。在供需匹配、供需平衡的基础上，明确新能源小镇太阳能、风能、生物质能、地热能、燃气及储能相关能源工程的位置、规模、供应能力等。永久会址区清洁能源工程优化配置结果见表3至表5，新能源工程规划见图3。

表3 清洁能源发电工程一览表

表4 清洁能源供能工程一览表

表5 储能工程一览表

新能源工程优化配置后的永久地址区域用能平衡见表6。由表6可得，建筑电气用能缺口约975 t(标准煤)，经燃气三联供补充后，每年可盈余电量约3 105 t(标准煤)；空调年冷负荷总缺口约787 t(标准煤)，年热负荷总缺口约427 t(标准煤)，缺口部分通过燃气三联供补充后，可满足空调用能需求；生物质气体燃料在满足炊事用能的情况下仍可盈余约219 t(标准煤)/年；太阳能户用热水器可满足永久会址区域生活热水负荷需求。土壤源热泵年耗电量(1 624 t标准煤)与永久会址区域年盈余发电量(3 105 t标准煤)进行平衡。由平衡结果可知，年发电量仍有盈余。燃气三联供系统年耗气量约3 791 t(标准煤)，燃气消耗量与炊事用能一起平衡。

表6 永久会址区域用能平衡一览表 t(标准煤)

5 结语

本文立足本地消纳新能源，通过多能互补模式在满足需求侧用能要求的条件下对新能源工程进行优化配置研究，研究结果表明以清洁能源为主的多能互补模式可以满足需求侧用能需求。以同里新能源小镇为例，优化后永久会址区域自供能比例可达到55.10%，其中太阳能占30.15%；地热能占23.67%；风能占0.91%；生物质能占0.36%，大大削弱了对传统能源的依赖。

在城镇规划建设时，如同步进行新能源工程规划就需要政府和国家政策的大力支持，二者同步进行规划能够打破传统供能模式，提高了城镇自供能力，并且能避免弃光、弃风、切负荷现象的发生。