新能源电力系统零碳工程可行性研究

俞 琪

（苏州电力设计研究院有限公司， 江苏 苏州 215000）

1 项目概述

在国家“双碳”目标以及能源互联网建设背景下，围绕绿色生态圈的建设，充分利用清洁能源、应用先进节能技术以及电气化改造，建设成国家“双碳”目标的示范基地[1-2]。

规划建设规模包括：

1）建设全清洁能源供应系统，包括500 kW 光伏、100 kW 分布式风电、500 kW/1 000 kW·h 储能方舱以及10 m 长的踩踏发电路面；

2）全电生态模式改造，包括船舶“油改电”、码头岸电系统建设、岛内充电设施建设、全电厨房改造以及智慧路灯建设；

3）智能化零能耗民宿建设，包括民宿用能模式改造、建筑节能改造、用能节能改造以及民宿能源管理系统建设；

4）建设全岛能源监测、环境资源监测等智能感知终端，部署碳平衡分析基础系统和碳优化管理应用系统。

2 “碳平衡”分析

2.1 碳排放统计分析

碳排放是国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的CO2或温室气体排放总量，而碳排放进行准确的量化评估与分析则是零碳示范建设的基础。根据电力能源消耗、自来水供应、建筑工程、污水/雨水外排等方面进行碳排放统计[3]。

2.2 碳吸收技术分析

为有效实现碳中和目标，目前技术条件下的碳吸收技术主要有绿植碳汇和碳捕捉等，即通过绿植光合作用从空气中吸收二氧化碳或者通过技术手段将产生排放的二氧化碳收集捕捉起来，并进行储蓄封存或转换利用。

“碳平衡”应用分析：通过整体年度碳排放和碳吸收统计分析，增加可再生能源抵消碳排放，潜在的技术路径包括增加光伏/风力发电、储能系统等；降低建筑能耗及能源转换损耗，以减少碳排放，包括建筑节能改造、能源转换利用优化调控等；结合电力市场交易现行政策，探索碳排放市场化运营模式，实现对用户的碳资产市场化管理[4]。

3 建设方案

开展交通电气化设施建设，为观光车和电动自行车提供充电服务；建设电动船舶岸电接口，为岸电系统提供配电接口，同时配套建设岸电应急保障设施和互动化运行控制装置；建设供用能监测装置，监测岛上供电和用电情况，为碳平衡分析提供实时数据；开展环境资源监测系统建设，监测气象环境、空气指数、水资源、人流量等实际情况，为碳平衡分析提供实时数据；开展碳平衡分析信息采集与转发系统建设，碳排放模型建设与碳汇模型建设，建设碳平衡分析基础系统，并在此基础上开展碳优化管理应用系统建设。

3.1 交通电气化设施建设

3.1.1 旅游观光车配套充电设施建设

在码头和食堂附近配套建设4 台7 kW 交流充电桩，满足未来观光接驳车的充电需求。充电桩采用室外建设，配套4 个旅游观光车停车位。

3.1.2 电动自行车集中充电设施建设

建设1 座电动自行车集中充电设施点，项目建设点计划选取充电需求相对集中的区域，建设范围包括小型电动车充电停车坪及各40 个充电插座和停车位。线路供电电源采用公共用电线路。

3.1.3 车棚光储一体化系统

利用新建的充电站车棚，配套建设光储一体化系统，根据车棚棚顶平面布局安装光伏组件，棚顶安装光伏组件容量为5 kWp 左右，棚顶敷设面积约32 m2。棚顶光伏组件顺坡安装，采用固定支架安装方式，组件安装角度为26°，这种安装方式的优点是安装方便、布置紧凑、场地利用率高，隔热、保温、防水、同时利于雨雪消融。

车棚棚顶采用多晶硅的光伏组件。本项目每个充电站建设一套5 kW/17 kWh 锂电池储能系统，储能系统交流输出侧直接接入车棚配电箱220 V 交流母线。

3.2 电动船舶岸电接口建设

船舶靠港使用岸电，是减少船舶污染物排放的有效手段。本项目计划在港口建设低压150 kW 容量的岸电设施，为往来旅游船舶及小型货船提供便利的充放电服务。

基于安全、可靠、便捷的原则，常规港口岸电系统建设主要包括岸基供电设施、船岸连接设施、船舶受电设施关键系统建设，为有效解决港口往返旅游船舶充电需求，港口岸电系统建设主要包括岸基供电设施建设、船岸连接设施建设、港口岸电能源管理系统建设等，具体建设内容包括：

3.2.1 码头岸基配电设施建设

系统直接采用下侧AC380V 作为电源输入端，配套建设一套户外智能型低压配电箱，为岸电变频设备、岸电应急保障设备供电，并未将来分布式发电和储能预留接口。

3.2.2 岸电应急保障设施建设

为平滑岸电负荷功率，提升供电可靠性，计划在岸电设备附近配套布置磷酸铁锂储能储能装置，作为岸电设备应急保障电源。考虑到运输和安装的难度，项目选用储能智慧方舱，具备清洁、环保、无噪音等诸多优点，而且电能质量高、续航能力强、移动便捷，不仅提高了供电可靠性，作业方式还更为灵活。储能机组装机容量为50 kW/100 kWh，共1 台。

3.2.3 岸电互动化运行控制装置建设

岸电互动化运行控制装置作为面向码头电力能源领域应用开发的专业化系统，在码头范围内实现电力能源系统综合监控、优化控制、互动运行等功能，有效解决码头分布式发电、储能、岸电等各个发用电设备的数据交互、监控和综合能量管理，同时还可以扩展构建多能协同综合能源网络，参与电力需求侧响应。

3.3 供用能监测装置建设

3.3.1 配电网信息监测装置建设

配电变压器是低压配电网的主要设备，在低压配电系统中建设中用量巨大，其运行的经济效益直接影响到整个电力系统的经济效益。在城乡10 kV 及以下的配电网中，配电变压器的损耗约占线路损耗的1/3，农村配电变压器的损耗约占到整个电力系统损耗的60%，甚至更多。近年来，快速发展的分布式发电大量接入配电网，以光伏发电为代表的分布式发电带有波动性、周期性和不确定性等固有特性，这又给配电变压器的运行带来巨大的挑战。所以为配电变压器配置智能配变终端，有助于提升配电台区工程建设规范化和标准化水平，满足配电网智能化发展需要和客户对供电能力、供电质量和供电服务的新要求，能够提高供电能力和供电可靠性，提升运行管理水平和服务能力，进而收到很好的经济效益。

项目计划对配电变压器装设智能配变终端，实时监测配电变压器运行信息，并开展智能分析和控制。

3.3.2 综合服务用能监测装置建设

利用现代化计算机技术以及分布式控制技术，建立起完整的能耗监测平台。配置相应仪表后，能耗监测平台可以对水、电、气（热力、煤气、燃气）等各类能耗分类分项计量，对各个设备系统化节能调节控制、数据采集与存储、数据统计与分析等。做到能源消耗可视化、信息化，通过能耗监测平台实现节能增效、提高能源利用率，帮助用户降低成本、降低风险。

3.3.3 民宿用能监测装置建设

民宿用能监测装置由用户管理终端与非侵入式监测装置构成。其中用户管理终端用于侵入式检测与电气数据采集，根据集中器指令控制电器通断，用户管理终端增加了红外遥控功能，可对空调温度、运行模式进行控制，达到更精确的负荷监控功能。非侵入式监测装置与用户管理终端以Wi-Fi 方式进行通信，该装置嵌入非侵入式负荷识别算法，可实现非侵入式监测以及快速通断功能。

非侵入式监测装置主要应用在商业、居民用户中，是以DSP 核心数据高效处理技术和Linux 系统的嵌入式ARM技术为基础，充分利用现代电力电子、数字信号处理等技术开发出来的底层智能装置

3.3.4 能源通信采集装置建设

考虑监测装置的分散特性，各监测装置优先选用无线4G 公网开展数据采集，在监测装置旁安装无线通信模块，采用虚拟专网模式，向监控后台转发数据，能够保障数据信息安全。监测装置操作电源从就近用电设备处取电。

3.4 碳平衡分析基础系统建设

从碳平衡分析信息采集与转发系统建设、碳排放统计建设与碳汇分析建设出发，建设碳平衡分析监测系统，支撑零碳示范工程建设。

3.4.1 基于碳监测的碳排放统计建设

1）碳排放量核算监测建设。从农业、林业、居民生活、废弃物处理等四个关键方面，分析碳排放的结构特征，构建碳排放监测指标体系和计量模型，建立碳排放监测核算体系模型。

2）用户碳资产信息管理建设。根据清洁能源消纳情况、生产生活碳排放情况及民宿节能改造节约电力情况的定期监测和计算，按照通用碳资产算法，测算用户碳资产规模，面向用户，根据监测的碳排放、碳资产情况，生成用户碳资产分析结果，并计入碳资产管理模型数据库，方便后续查询。碳资产管理模型主要信息应涵盖：用户基本信息管理、交易信息推送、交易竞价管理、交易合约管理、交易结算管理、效益评估分析等功能。通过内置模型算法、运营策略，实现对用户碳资产交易的有效代理和增值服务。

3.4.2 基于森林碳汇的碳吸收分析建设

1）森林碳汇测计模型构建。森林作为陆地生态系统的主体，是系统中最大的碳库。森林固碳利用自然过程，成本较低，同时具有保护生物多样性、涵养水源、防风固沙等生态效益，利用生态系统将二氧化碳以生物量的形式，这在一定程度上属于更加科学有效的方法。森林蓄积生长量与森林面积作为碳汇测计的基础，通过对大尺度区域进行估测，可有效分析森林生长量变化趋势，从而支撑森林碳汇测计。

2）碳资产交易模型构建。基于碳资产市场机制、政策体系研究，向用户推送碳资产运营可行商业模式信息、行业资讯信息，远期可开发套餐定制、价格设计等功能选项，根据用户定制化需求设计面向用户碳资产增值的可行商业模式。

3.5 碳优化管理应用系统建设

3.5.1 基本架构

构建碳管理体系架构，实现一次能源系统的优化控制以及运行安全管理，同时还能够聚合本地化能源/非能源信息资源，整体实现对外能量流、信息流、业务流的交互。

通过逻辑层面来看，主要包含三个层面的建设内容：

1）能源信息层。通过能源优化控制装置和能源安全管理装置的本地化建设部署，实现对风、光、柴、储、生物质、燃气、水以及其它化石/非化石等所有能源生产/能源消耗形式的监测、管理以及控制，达到本地能源运行效果最优、能源安全性最高的效果。

2）资源聚合层。通过建设能源/非能源信息聚合装置，实现对能源生产信息、能源控制信息、能源消耗信息以及气象、环境、空气、人流等非能源信息的聚合，支撑对外信息流、能源流、业务流的交互。

3）对外互动层。能源/非能源信息聚合装置与绿色交通网络体系平台实现信息交互，实现运行信息在远方平台的数据存储、分析，就地侧部署工作站及本地展示单元，通过远程映射绿色交通网络体系平台，实现本地化的应用展示。同时还能够以绿色交通网络体系平台为对外媒介，支撑对外参加电网紧急支撑、电网辅助服务、电力现货交易、碳交易等能源业务。

3.5.2 碳优化协调控制装置建设

建设一套能源优化控制系统，能够实现多能预测，并具备“安全运行”“经济运行”“绿色运行”自主运行模式，满足高可靠性运行、经济效益最大化运行、低碳运行等优化运行目标。其主要控制功能模块包括风光储充协调控制功能模块、多能互补优化控制功能模块，能够实现清洁能源就地消纳、移峰填谷、能源梯次利用等多种应用场景，最大化支撑能源碳排放的最优目标。

3.5.3 能源信息安全管理系统建设

本期先期考虑能源安全管理系统的数据接口建设，预留好各类应用数据接口，为后期能源安全管理系统的建设部署建立良好的基础。

4 项目特色亮点

该项目构建了零碳示范工程，通过清洁能源利用、电能替代、全电改造等方式，促进了生态环境建设。构建新能源电力系统，提高供电可靠性，实现能源供应清洁化；打造柔性直流台区，实现台区间容量智能配置，促进新能源消纳；探索消费侧支撑零碳技术发展路线，构建全新能源消费体系；建成、形成典型零碳建设模式，具备推广应用价值。