我国微能源网发展的价值机遇和关键技术

1 微能源网发展的价值机遇

微能源网与区域综合能源系统(或区域能源互联网)的最主要区别在于后者涉及供能范围较大,例如一个城镇,从而必须考虑较复杂的电力、天然气、热蒸汽等较长距离输送和针对不同用户负荷特点的规划、安全、控制等问题。而微能源网直接面对单个主体用户,它主要以商务区、居民区、医院、火车站、航站楼等单个主体为发展对象,所以无论是供能规模、供能网络还是控制方式都更加简单,更具有实际应用价值。

微能源网集成了风、光、气等多种能源输入和热、电、冷等多种产品输出,并综合考虑了各种能源之间的有机组合与集成优化,其突出优势是可以充分利用可再生能源以及能源的梯级利用技术进行冷热电一体化生产、计划和调度,帮助用户选择更经济的能源。微能源网的组成除了用户外通常还包括分布式三联供燃气机、光伏电源、小型风电、热泵等供能单元,蓄冷、蓄热、蓄电、蓄气等储能单元以及电网、热(冷)网、通信网等网络单元,并通过大数据、云计算、物联网等信息技术对用户和能源进行统一的调度管理,从而更好的实现能源、环境和经济效益的协调发展。

1.1政策导向不断利好

近几年,国家越来越重视新能源的发展及能源的高效利用,特别是2015年政府工作报告,重点提到了要大力发展新能源,并强调了“互联网+”计划。

同时电改9号文也明确指出全面放开用户侧分布式电源市场,支持企业、机构、社区和家庭投资建设太阳能、风能、生物质能发电以及燃气“热电冷”联产等各类分布式电源,准许接入各电压等级的配电网络和终端用电系统,并鼓励专业化能源服务公司与用户合作或以“合同能源管理”模式建设分布式电源。

目前中国已经展开了以深圳为试点的电力改革,随着政府对相关政策文件的进一步落实,分布式电源向用户直供电将逐步成为现实,而微能源网由于集成风电、光伏、燃气机等多种分布式电源,并采用全网统一的调度管理技术,将成为分布式电源直供电的最佳解决方案。同时由于我国工商业用电价格较高,若微能源网直接面对工商业用户供电,即便考虑用户一定的电价优惠,相比传统的发电上网模式也具有更大的盈利空间。

1.2解决分布式电源并网的安全问题

大多数分布式光伏电源建设初期并未考虑有效的功率控制方案,不仅会造成有功功率波动大,同时会造成无功功率供给不平衡,目前已经造成部分用户供电电能质量问题。随着分布式光伏电源进一步的规模化,这一问题将更为突出,而且可能影响电网主网的安全。

微能源网将是分布式电源安全接入的有效解决方案,它既能提高分布式电源的利用效率,又能通过对分布式电源的统一调度管理实现全网的安全经济运行。随着分布式电源的迅速发展,微能源网将发挥越来越重要的作用。

1.3能源利用效率的显著提高

目前传统火电的综合能源利用效率只有40%～50%,大型天然气发电厂的发电效率一般为35%～55%,燃气锅炉直接供热的效率虽然能达到90%,但是它的最终产出能量形式为低品位的热能,而微能源网通过热电联产或冷热电三联供技术实现对能源的梯级利用,可将能源综合利用效率提高到70%～80%,在等量能源输出的情况下,减少燃料耗量,达到节能的目的。以我国南方一个工业区的实际供能设计方案为例,若采用能源阶梯利用的三联供方案,比采用分散燃气供热锅炉+燃气纯凝发电机组+电制冷空调供能方案能源利用效率可提高12%以上,达到79.8%的水平。

1.4我国天然气供应呈逐年宽松趋势

分布式燃气机是微能源网的重要组成部分,不仅发电功率稳定,产生的余热还可以给用户供冷和供热。根据中国石化石油勘探开发研究院的关于中国天然气行业“十三五”发展分析,2014年国内天然气市场已经出现区域性、阶段性的供大于求的局面,2017年之后全球液化天然气市场将逐渐宽松,甚至可能出现供大于求的局面。同时国家发改委《关于建立保障天然气稳定供应长效机制的若干意见》,到2020年我国天然气供应能力达到4000亿立方米,力争达到4200亿立方米。因此,“十三五”末期,我国天然气市场供需将逐渐向买方市场转变,而天然气价格也有下行可能。将有利于分布式燃气机发展,从而促进微能源网的建设。

1.5信息通信技术的广泛应用

云计算被认为是未来智能电网以及能源互联网的核心计算平台,能够优化电力节能调度和能源综合利用。微能源网作为微型能源互联网,利用大数据、云计算技术能够充分分析用户需求特点,为全网优化控制提供基础。

同时物联网技术已经成为了人们日常生活中密不可分的一部分,现在人们已经习惯利用手机和互联网进行生活、学习和工作,人们正享受信息技术为生活带来的便利,这也为微能源网的发展提供了机遇。

与用户的互动是微能源网智能化的一大特征,既然现在用户端设备(例如手机)和信息技术均已广泛应用,那么微能源网的用户需求管理理念不再遥不可及。

1.6储能产品和控制技术的日趋成熟

由于光伏、风电等分布式电源波动性和间歇性较大,特别是在孤网运行时,微能源网需要利用储能装置平稳网内功率波动,同时储能装置也能削峰填谷,提高系统整体运行效率和安全性。

然而储能产品给人们的印象往往是价格高,技术不成熟,这也限制了其大规模的应用。经过多年的研究发展,储能技术日趋成熟,各类储能产品也层出不穷。特别是特斯拉公司发布的特斯拉能源(TeslaEnergy)系列产品,包括家用产品Powerwall,其性能和价格更是震惊了世界,这将刺激全球储能产业的发展,从而带动微能源网的发展。

2 微能源网发展的关键技术

虽然微能源网的各组成单元(例如分布式燃气机、光伏、储能等)已经得到大规模的应用,但微能源网作为联系各单元的统一网络在设计研究中还需要充分考虑以下技术问题。

2.1规划设计

微能源网是涉及到冷、热、电、储能的综合能源利用系统,是一个十分复杂的多目标、多约束、非线性、随机不确定混合整型组合优化问题,同时由于涉及供电、供热/冷以及互联网技术,传统单一专业设计人员已经不能凭借本专业的工程经验满足微能源网的规划设计要求,因此各专业间的协同规划设计非常重要。

微能源网的规划设计主要针对用户用能需求特点,根据项目地点的资源条件和建设条件,合理选用设备种类和设备容量,并进行充分的技术方案分析和经济效益分析。

优秀的规划设计可以避免项目建设过程中的反复和资源浪费,同时还能达到预期建设目标和运营效果,获得最好的投资回报率。因此规划设计是微能源网成功建设和成功运营的关键阶段。

2.2协调运行

微能源网内包含的供能单元和储能单元种类众多,每个单元又有自己的特点,例如光伏电源建成后几乎不需要发电成本但发电不稳定,分布式燃气机发电稳定但受发电成本和供热负荷限制,热泵能够以较低的电能消耗达到较好的制冷制热效果但受气候影响较大,等等。因此必须根据用户不同时段的用能需求,结合各供能单元运行工况、储能裕度情况,进行实时经济成本分析,并根据最优运行策略对微能源网进行统一的协调控制,从而使微能源网运行更经济、更安全。

微能源网的实际控制策略中,应综合考虑生产成本、环境成本以及协调成本,利用数据挖掘、云计算等先进技术,对控制目标进行优化。

2.3“互联网+”重构供需

自2015年政府工作报告提到了“互联网+”行动计划后,“互联网+”概念一直是社会各行业讨论的热点,能源行业也不例外。其实早在2012年里夫金《第三次工业革命》就已经提到,在经历第一次工业革命和第二次工业革命之后,“第三次工业革命”将是互联网对能源行业带来的冲击。