基于多能协同优化的用户侧综合能源舱

李瑶虹，陈 虹，杨晓霞，余 涛，吕志鹏，杜许锋，薛 琳

（1.国网江苏省电力有限公司常州供电分公司，江苏 常州 21300；2.国网上海能源互联网研究院有限公司，上海 201210）

0 引言

随着我国经济高速发展，工业和外围产业的规模扩大，用能主体从工业用户高比例向生态建设、交通、餐饮、等多元占比发展。绿色建筑、智慧交通、餐饮等用户的能源供给形式多元，综合能源、可再生能源因素更加明显，综合能源需求更加多样、灵活多变。多种能源供给满足多元化负荷需求的难度更加突出。随着乡村振兴、生态建设、绿色低碳园区的理念不断更新，我国以节能降耗、小型多功能园区为主要载体，更加需要清洁低碳、安全高效的能源体系，而传统的集中供能不能满足小型园区的供能要求，而布局分散的供能设备无法满足小型园区的综合能源协同供应体系。因此，用户侧综合能源系统将成为小型园区、绿色生态园区、低碳园区等各种建筑的标配[1]。

根据我国国家发展和改革委员会、国家能源局《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》中指出：多能互补集成优化示范工程中包括，面向终端用户电、热、冷、气等多种用能需求，因地制宜、统筹开发、互补利用传统能源和新能源，优化布局建设一体化集成供能基础设施，通过天然气冷热电三联供、分布式可再生能源和能源智能微网等方式，实现多能协同供应和能源综合梯级利用；而我国目前用户侧多能互补还处在示范阶段，预计每年10%的增长，每个地区的终端一体化供能系统的投资至少在200 万元，预计年销售额在3 亿元左右[2]。

1 建模分析

用户侧综合能源舱汇集光、气、电、水等多种能源输入，先通过电能转换装置，例如微燃机、燃料电池、光伏等，将各种能源转化为电能，再通过各种电转热、电转冷等设备，如电热锅炉、热泵、燃机、燃料电池余热回收，将电能利用起来，并通过储能设备，例如蓄电池、蓄热水箱、冰储冷等存储未用电能，最后通过电力多端口装置对电力的发、用集中管控达到多能协同一站式供能[3]。

1.1 光伏发电系统建模

如图1 所示，光伏电池是光伏系统的主要发电单元，其单个的硅晶体输出电压、输出电流、功率都很低。而组合成光伏组件和光伏阵列，可达到高的输出电压和更大的输出功率。光伏阵列是一种直流电源，它是光伏发电系统中的实际电源，用户侧综合能源舱在顶部和周围充分利用当地土地资源结合，部署光伏阵列，通过电力电子变换装置经过DC-DC 或者DC-AC 转换为直流/交流给负荷供电。

图1 光伏系统

光伏发电系统的输出功率由辐照强度和环境温度、安装角度共同决定：

式中：Ppv（It，Tt）为辐照强度It与光伏表面温度Tt对应的光伏输出功率；fpv为光伏发电系统的功率降额系数，一般取0.8；Ppv为光伏额定出力；ISTC为标准测试条件下的辐照强度，为1 kW/m2；αp为功率温度系数，一般取-0.47%/℃；TSTC为标准测试条件下的光伏表面温度，一般取25 ℃。

辐照强度It可以根据HDKR 模型计算得到：

式中：Ibt，Idt，Irt是It的三个分量，分别对应辐照强度的直接分量、天空散射分量与地面反射分量；Ib，Id分别为t 时段的直接辐照量与天空散射辐照量；A=Ib/I0，I0为t 时段的地外水平辐照量；RB为斜面束辐照与水平面束辐照之比；β 为电池板的安装倾角；ρ 为地面反射系数，一般取0.2[3]。，I 为t 时段的当地总辐照量；kt为t 时段的天空晴朗指数，可以根据历史数据或通过随机分解法模拟得到。

1.2 气体供能系统建模

1.2.1 氢气供能系统

氢气供能系统主要由燃料电池发电系统、余热回收系统、电制氢系统[5]。燃料电池堆为氢气和氧气反应提供催化剂，与光伏系统类似，每个单体电池的工作电压范围通常在0.5～1 V，工作电流密度在0.2～2 A/cm2，单体电池串联组合成燃料电池组。在相同电压水平下，电极性能高低与电流密度、电池组的单体数量和每片电池的活性面积相关。单体电池的数量越多，燃料电池的工作电压越高。单体电池的活性面积越大电堆的工作电流也越大，电堆包含单体的数量和每片活性面积的大小共同决定了电堆的输出功率。燃料电池参数如表1 所示。

表1 燃料电池参数

燃料电池的余热回收系统主要有3 种回收途径：燃料电池内部生成的水气化产生的热量；燃料电池的热辐射产生的热量；循环后的冷却水带来的热量。

燃料电池的很多热量都是循环水和热辐射的热量，其热量占燃料电池余热的80%以上。所以水系统是热量的主要来源，燃料电池的水路主要分两部分：主水路和辅水路。主水路为燃料电池主循环水路，作用是保证燃料电池的温度恒定。辅水路主要作用是为除燃料电池电堆外的其他零部件提供水循环。为了最大程度提高能源综合效率。用户侧能源舱系统对燃料电池电堆的循环水进行余热回收，可以为用户提供生活用热水及供暖热量。

如表2 所示，电解氢系统主要利用了碱式电解水制氢技术，整个系统可以达到自动停机、自动检测和控制的效果，全自动运行，并保持水电解槽氢气和氧气之间的压力差处于较低值，设定＜0.5 kPa。氧气出气管和氧气总管之间设置了放空管和切断阀防止气体混合，并安装氧中氢自动分析仪，会根据设定阈值进行报警，配置氢气泄漏检测传感器，报警阈值为0.3%体积浓度。

表2 电解制氢系统

用户侧综合能源舱结合燃料电池特性、经济性和光伏比例，按照燃料电池20～50 kW 的范围配置。

1.2.2 天然气供能系统

天然气进入燃机燃烧产生的热量把水气化推动机械设备驱动发电机输出交流电，通过电能变换装置进行稳压和交直流变换，供应交流/直流负荷。产生的余热，与燃料电池的余热回收系统类似，高温烟气和缸套水经过余热回收系统转化成热水给负荷供热或者经循环水泵混合后流向储热装置。

余热回收装置模型可表示为：

图2 为微燃机功能框图。

图2 微燃机功能框图

1.3 电-热/冷设备建模1.3.1 蓄热式电热锅炉

用户侧综合能源舱选用的是蓄热式电热锅炉，主要利用电阻丝或者电磁感应为锅炉加热，分为电开水锅炉、电热水锅炉和电蒸汽锅炉，是利用电能转换为热能，把水加热至有压力的热水或蒸汽（饱和蒸汽）的一种热力设备。安装使用方便、全自动、安全可靠，热效率可达98%以上等特点，是一种绿色环保产品。电热锅炉模型可表示为[6]：

式中：ηB，j为电热锅炉j 的转换效率；PEB，j为电热锅j 的功率。

如图3 所示，蓄热锅炉以电锅炉为热源，利用低谷电加热水储能，在用电高峰期关闭电锅炉保温，达到降低用电费用，经济运行的效果。包括电锅炉、电锅炉控制柜、保温控制装置和水处理装置。用户侧综合能源舱选用蓄热式电锅炉的功率为100 kW，配置蓄热水箱3～5 t。

图3 蓄热式电锅炉系统

1.3.2 热泵

如图4 所示，热泵主要分为空气源热泵、水源热泵和地源热泵。用户侧能源舱选用空气/水源型热泵，利用室外采用风冷，室内采用水循环的介质，冬季采用压缩机的冷凝模式，室内水通过冷凝器吸收室外空气热量加热水，采暖采用地热型，形成从下到上的自然对流，有较好的舒适度，而夏季压缩机在蒸发模式，室内水经过冷凝器后产生冷凝水，采用循环水的风机盘管，冷风从上到下，采用35 ℃的热水供应。

图4 热泵功能框图

结合用户侧的不同情况还可以选用水源热泵，与空气源热泵类似，水源热泵的室外为水源，室内可以为空气源也可以为水源，用户侧能源舱中热泵由两部分组成：地能采集系统（在能源舱附近）、水源热泵机组、控制系统。与空气源/水源热泵类似，冬季水源热泵通过室内水的循环或空气与室外的水系统通过冷凝器进行换热，夏季水源热泵通过室内水循环或者空气与室外水系统通过蒸发进行换热。

热泵的制冷系数比较高，通常热泵的制冷系数为3～4。热泵的应用能够有效提升综合能源系统的能源利用效率，而且用户侧综合能源舱利用储热、储冷技术，根据用户的用能情况，在用电低谷期，根据外界温度变化实时把多余的热、冷存储在储能设备中，以备在用电高峰期放热、放冷，起到电负荷调节的作用。

1.4 储能设备建模

1.4.1 储气设备

氢储能技术被认为是智能电网和可再生能源发电规模化发展的重要支撑。随着绿色生态建设，氢能被越来越多的接收，从2021 年开始我国很多省市开展了储氢的示范应用，并成为能源科技创新和产业支持的焦点。用户侧综合能源舱系统把储氢系统分为两部分：氢气储气和氮气储气。氢气储氢采用0.6 m3/1.6 MPa 的储气罐用来对电解水制氢的氢气进行储存，燃料电池工作时，作为燃料。氮气是作为燃气系统吹扫和气体的置换使用，可以直接采用集装格的方式进行储放。如表3 所示。

表3 储氢系统

1.4.2 储热/蓄冷

如图5 所示，相变热池采用纳米晶技术为相变储能材料，热池可将储存的热能按需要时间方式释放热能，同时可通过热池的串并联以实现不同的蓄热量和热交换效率要求。其热池温度曲线如图6 所示。用户侧综合能源舱的相变储热用于余热回收系统，储能密度为180 kWh/m3，储热时间6 h，充放电热效率>95.3%，24 h 热损<4‰。在综合能源舱中选择相变热池的功率为50～100 kW，在电网低谷时段消纳无法上网的电力或下载弃风电能转换为热能储存，可以实现深度调峰的同时保证供热能力不下降，有效解决热电矛盾，实现热电解耦。增加机组供热能力以应对新增供热面积[7]。

图5 纳米晶相变材料的温度分布

图6 相变热池温度曲线

1.4.3 蓄电池建模

蓄电池根据净负荷正负情况不同分为充电、放电和闲置三种状态，根据以上状态构建的数学模型首先定义电力系统t 时段的净负荷为：

根据以上分析，用户侧综合能源舱选配的储能尽量在光伏容量的50%，满足光伏白天用电负荷的直接供应和少部分储能作用。

2 多能协同控制分析

由于用户侧综合能源舱分层调控的复杂性和冷、热、电、气相互转化的特性，多能协同调控需要采用分层调控[8]的思路，主要分为需求响应层、就地控制层和执行层。

2.1 需求响应层

用户侧综合能源舱不仅能够实现光、电、气等能源的输入和存储，而且可以实现高品质冷、热、电等多种形式能量的相互转换和输出，为提高多种能源系统和综合利用提供解决方案。

综合能源舱将相互独立的电、热、气等不同形式能源耦合为集成的多能源系统，通过电、热、气等多种能源间的互济互补，提升能源利用效率，增加能源系统中可再生能源消纳比例，降低能源供应成本。

需求侧的响应控制策略可以为电网起到降低用电负荷的目的，通过电网侧的安全协议和通信链路把电网控制综合能源系统优化策略传达到综合能源系统的管控层，完成需求响应的控制。

在热泵和蓄热锅炉的调控中，若为谷价时段，优先采用热泵供热，用电锅炉给相变热池蓄热；若为峰价时段，优先采用相变热池供热，随后热源为空气源热泵；若为平段时间，优先用空气源热泵供热。

电力系统中，当电网发出需求侧响应指令、就地管控系统按照需求侧响应机制检测储能系统、光伏系统，按照价格激励和用户负荷发出储能放电或者余电上网指令，按照控制策略，光伏系统从自发自用模式改为余电上网模式，储能系统自检自身系统后改为放电模式响应电网，优化策略见图7。通过电网的需求侧响应调度指令，实时响应电网的调峰信号与电网进行互动。

图7 优化策略算法

2.2 就地控制层

就地控制层中，主要是用户侧综合能源舱就地能源控制器的策略控制，各能源设备设定为经济性最优和能源综合利用率最优两种模式。

2.2.1 经济性最优模式

控制目标为运行成本最低，控制变量主要包括光伏系统、储氢、燃料电池系统，储热、储能配合达到节省市电、天然气的利用最低化。控制策略为：根据预测的或者系统反馈的用电负荷、热冷负荷，利用程序计算出燃料电池功率、天然气功率、进而控制燃料电池和天然气功率，使系统运行在整个阶段的成本最低的状态。主要应用遗传算法来满足策略优化的选择过程，如图8 所示。

图8 遗传算法流程

在利用遗传算法进行寻优求解时，首先是从控制策略得出的可能解按照某种预先设定的顺序排列编码。然后随机选择这些编码的组合设定为初始的组合群，通过利用策略函数的适应性计算，使得编码中具有高适合度的多次出现不断优化。在进化过程中，初始编码组通过迭代更新，适应度高的不断更新。重复上述过程，重复度高，利用性高的编码作为最接近优化解，即可得到所求目标函数的最优解。

2.2.2 能源综合利用率最优模式

能源综合利用率最优是按照能源高效低碳化运行为目标[9]，根据预测或实际的用电量、热冷量等优化策略控制计算最高能效比，调整系统的运行状态，使得系统的综合能源高效利用，主要通过动态规划法满足策略的优化过程，如图9所示。

图9 规划算法流程

按照调度策略以每小时或者每15 min 为一个周期做循环，按照日前优化调度可以分为24个或者96 个阶段决策过程。系统每次做决策时，按照用户侧负荷从本阶段直至最后一个阶段的总目标进行计算。

2.3 执行控制层

执行控制层主要包括各个设备的控制指令和状态设定值，它是用户侧综合能源舱的就地控制层和设备的接口部分，主要包括氢能系统[10]、电热储能控制器、光伏[11]等环节控制器。控制器与设备组合，上层控制环节与控制器通信实现用户侧综合能源舱的整体协调管控[12]。

2.3.1 氢能系统控制策略

氢能系统控制[13]策略：根据就地控制层下发的指令，调控氢燃料电池系统的发电、满足氢气供应的前提下，排除电网限电，电解水制氢启动，按照设定的程序流程完成自检，满足压力、燃料正常的条件下，启动燃料电池系统发电。

燃料电池发电后，满足余热回收系统的条件后启动，供给热能到蓄热系统。如果就地控制层输出停止命令，燃料电池控制系统通过自检，满足条件后启动停止燃料电池发电系统，余热回收系统停止余热回收。控制策略如图10 所示。

图10 氢能系统控制策略

2.3.2 燃机系统控制策略

燃机系统控制策略为：微燃机控制器收到就地控制系统的指令后启动，与微燃机水箱连接的循环水泵自动开启，在燃机余热回收系统满足设定的温度条件后自动开启，热量存储蓄热装置中。微燃机控制器收到就地控制器关闭指令后，自动设定与微燃机水箱连接的循环水泵在2 h 后关闭，余热回收装置在满足时停止余热回收。控制策略如图11 所示。

图11 燃机系统控制策略

2.3.3 光伏-储电系统控制策略

在光伏-储能系统的就地管控系统没有收到电网的需求侧响应指令的情况下按照以下控制策略：光伏系统按照自发自用模式，余电优先储能系统，储能系统不满足要求，再启动余电上网模式。控制策略如图12 所示。

图12 光伏-储电控制策略

2.3.4 热泵-储热/冷系统控制策略

热泵-储热控制策略：就地管控层发出热泵制冷、制热的开启指令后，热泵进行自检满足控制和温度条件后开启热泵进行制热，如果热泵不满足热量供应时收到就地管控层发出的增加制热、制冷量要求时，启动蓄热、蓄冷装置，控制策略为检测蓄热、蓄冷装置是否满足控制条件，启动蓄热/蓄冷装置，如果检测到就地管控层的降低热量要求时，就地管控层先检测储热/储冷装置是否开启，如果开启首先启动蓄热/蓄冷到存储状态，启动热泵的变频控制，满足多余热量存储的同时，对温度的时间滞后性调节作用，达到温度要求。控制策略如图13 所示。

图13 热泵-储热/冷控制策略

3 综合能源系统评估分析

用户侧综合能源舱的系统评估方法主要有以下3 个方面，分别为经济效益指标、环保性指标、节能性指标[14]。

3.1 经济性指标

1）投资成本

式中：K 为设备总台数；y 为设备寿命。

综合能源系统中各设备单位容量初投资成本见表4。

表4 投资成本

根据以上公式可以得出用户侧综合能源舱配置光伏、燃气轮机、余热回收系统和电锅炉的R值为0.16，由此可算出年投资成本大约在32～40万元之间。

2）年维护成本

根据公式，可计算出用户侧综合能源舱的年维护成本为6～10 万元。

3）年运行成本

式中：D（m）为光伏以外需要另外买电的典型季节的天数。

根据公式，可以估算出400 kWh 综合能源舱的年运行成本在60～70 万元。

用户侧综合能源舱系统年初投资成本、年维护成本以及年运行成本的总和C 可表示为:

经过测算后，用户侧综合能源系统年度成本大约在98～120 万元之间。比相同配置的独立供能系统（即电、热等能源分开供应）年度成本降低25%。

3.2 环保性指标

用户侧综合能源舱系统采用CO2排放量mCO2作为环保性的评价指标。

引入环境成本系数α，α 的需要如表5 所示。现在将CO2的排放量需要转换为与年度成本可比对的经济值，作为经济分析的一部分，转化后可以表示为：

表5 性能参数值

测算后，综合能源系统CO2排放量年度成本比独立供能系统年度成本降低13%～16%。

我国能源利用效率低，节能潜力和减排压力巨大。综合能源系统应充分利用用户侧资源，通过横向“冷热电气”和纵向“源网荷储”协同，充分利用可再生能源的经济效益和环境效益，实现系统的节本增效、低碳环保。先进的综合能源系统可实现能源转化的综合效率达到70%以上[16]。

4 结论

用户侧综合能源舱通过建模以能源利用率最优和经济效益最优两个目标构建设备的冷、热电、水选型，从三层优化用能策略对能源设备的协调和多能互补利用、分时电价等方面达到经济性、集约性用能，最后通过综合能源评估方法评估综合能源舱的性能指标，为用户能效对标和运行管理提供参考，为用户侧能源装备的建模和策略优化以及评估分析提供参考。