基于综合能源协同优化的配电网规划策略
摘要
考虑将能源供应侧和需求侧各种形式的资源综合成为一个整体进行统筹利用,基于大数据中心和能源协调规划运营信息共享平台建设,建立了多能互补协调发展的综合模型。为使规划方案能够更加精细化,采用地理信息系统的网格化方法开展协调规划,实现能源互动和梯级利用,降低了电网调峰压力,提高了对清洁能源的消纳能力。最后,对综合能源协调发展运营模式和社会效益进行了展望和分析。通过该园区实例进行对比分析,表明了所述能源互联网协调规划的优势,可为后续开展区域间能源互联网协同规划建设方案和社会与经济效益分析提供经验。
关键词 : 综合能源; 管理平台; 网格化; 储能系统; 运营模式;
0 引言
随着工业生产和居民消费水平的日益增长,传统的以煤炭、石油为主的能源供应正面临资源枯竭、环境污染等严峻问题。合理开发利用天然气、光伏、风能等清洁能源,通过热电冷联产等能源综合利用,提高能源利用效率,提高清洁能源消纳能力已成为未来城市配电网发展趋势[1-2]。2016年3月,国家发布《十三五规划纲要》中提及国家将“积极建设源-网-荷-储协调发展、集成互补的能源互联网”作为国家“十三五”规划建设的一项重要内容。综合能源系统(integrated community energy system,ICES)是关于能源供给体系的创新概念,是开展综合能源供给侧改革的一个重要平台[3]。构建综合能源系统,能够在满足系统内多元化用能需求的同时,有效提升能源利用效率,促进可再生能源的规模化开发,既能够满足工业的能源需求,又能优化目前的能源消费结构,改善生态环境,对园区配电网进行科学合理的规划具有重大意义[4-6]。
目前,综合能源系统发展受到了国家层面的高度重视,围绕综合能源优化运行等方面相关的研究也积极开展。文献[7-8]分别构建了并网上网分布式能源系统的经济性评价模型和双层优化模型,建立机组内部能效特性与外部能源分配的联系,实现内部机组高效运行和外部能源经济分配。文献[9]从“源-网-荷”全环节出发,提出了融合配电网重构的综合能源系统最优混合潮流算法来对ICES进行优化调度和提出了交直流混合输电网最优潮流二层规划数学模型。文献[10]为更准确地体现综合能源系统中不同能源的价值,更好地激励用户合理用能,建立了热电联供系统的最优潮流模型,提出了一种新的多种能源耦合定价机制节点能价,并在热电联供系统中对节点能价进行了研究。文献[11]从模型、算法及指标体系这3个方面归纳了综合能源系统可靠性评估亟需解决的问题。文献[12]开展了区域能源电、冷、热负荷的能量消费平衡系统研究,但是未考虑实际传输通道的约束条件。文献[13]考虑了电能与天然气直接单向转换模式,但是未对电、气、热、可再生能源多能互补深度耦合关系进行分析。
智慧园区配电网相比传统园区配电网,能源形式更多元,且具有主动消纳、主动吸收、主动控制等特点,对园区配电网的规划与运行带来了深刻影响[14]。本文在传统的园区规划方案基础上,充分考虑了示范区各用户之间不同的用能需求和示范区节能环保的要求,在构建综合能源发展基本框架基础上,基于综合能源协同规划运营管理服务平台,建立多能互补协调发展的综合模型。为使规划方案能够更加细化合理,采用了基于地理系统(geographical information system,GIS)的网格化规划方法,结合园区热电联产(combined heat and power,CHP)、光伏发电和天然气等资源利用条件,构建能源了互联微电网协调规划方案,并对综合能源协调发展运营模式和社会效益进行了展望和分析。
1 综合能源协同发展理念与规划区发展概述
1.1 综合能源协调规划理念
随着经济快速发展,能源互联网产业迅速崛起,智能用电设备高度普及,供给侧的随机性增强、可控性降低,需求侧要求更加高效化和清洁化、需求侧波动性增大,系统的安全风险增加,整体性凸显。综合能源系统能够在满足系统内多元化用能需求的同时,有效提升能源利用效率,促进可再生能源的规模化开发,提高可再生能源消纳能力[15-16]。构建以综合能源系统为中心,多种类型能源系统有机耦合与综合利用的物理平台,考虑区域发展实际情况,通过多能互补微电网实现能源发展“源-网-荷-储”的深度耦合,实现能源互动和梯级利用,为园区建设成为绿色、环保、节能、先进的智慧能源示范区,成为城市发展的“绿色引擎”具有重要意义[17]。
1.2 新区现状及综合能源发展概况
新区位于中国广东省珠江三角洲中南部,新区总面积为115 km2,属于亚热带季风气候区,具有冬暖夏凉、降水丰沛的特点,年平均气温20℃左右。目前,规划区已在分别在商务核心区和协调发展区建成综合能源站3座,主要为新区“两馆一宫”进行供能服务,未来新区规划建设风光互补、溴冷机吸收进行制冷等系统为新区提供供能服务,通过热泵、光电光热等可再生能源进行补充和辅助。新区将以区域合作、制度创新为动力,建设成为社会和谐、环境友好、经济繁荣、设施完善、服务优质区域,集行政、商务、物流、医疗、教育为中心为一体的现代化新城。
1.3 不考虑综合能源发展规划方案
根据珠三角中南部气候特性和建筑特性,考虑新区每年采暖期2个月(1月1日—2月31日),制冷期6个月(5月15日—11月15日)每天运行时间为居住建筑为24 h,办公类建筑运行16 h。至2030年新区项目冷负荷约为228 MW,热负荷约为79 MW。
目前新区有1座220 kV变电站,3座110 kV变电站,均达到设计最终容量,已无扩建主变的条件。若不考虑新综合能源及电动汽车等发展因素,到2030年新区负荷将达到715 MW,采用传统规划方法进行测算,到2030年目标网架需要1座220 kV变电站、7座110 kV变电站,按照每座增容总总量3×63 MVA的设计方案,远景年增容756 MVA。
2 综合能源协同发展规划策略
2.1 协调规划发展策略目标
能源互联协同发展系统是指以电力系统为中心,借助信息化设备资源,实现电、气、热、可再生能源等“多能互补”和“源-网-荷-储”各环节高度协调的区域性能源平衡系统[18]。基于规划区的能源结构,提升能源利用,优化产业结构和能源消费结构,建设不同规模的综合能源站,满足多样化的用能需求。搭建能源信息管理平台,通过园区智能楼宇和计量信息系统等对园区用能需求进行实时监控,采用先进的通信技术手段,实现信息及时共享。开展能源互联网商业运营模式,为用户提供灵活用能服务。实现能源高效利用,节能绿色环保发展的建设目标。
2.2 综合能源协同发展策略基本模型框架
根据新区的总体规划,考虑将能源供应侧和需求侧各种形式的资源综合成为一个整体进行统筹利用,实现基于综合能源协同发展的多种形式能源供给配置。通过能源供应、能源输送系统、能源终端、能源信息系统平台的建设,充分考虑新区分布式储能系统,基于数据中心和能源信息共享平台建设,实现新区多能互补协调发展的模式,能实现热、电、冷、气、水等多元能源发展的协调规划,达到供需灵活接入、信息协调互动、节能减排和绿色环保发展的目标。综合能源协同发展基本模型框架见图1。
图1 综合能源协同发展基本模型框架
2.3 综合能源协同规划运营管理服务平台
开展综合能源协调供应信息共享技术,协调规划运营管理服务平台在硬件设备层基础上,集成电网公司信息系统、深度挖掘用户和电网大数据,用能数据等多种异构海量数据,实现统一数据交换、存储与管理,为综合能源交易和运维管理提供辅助决策平台,提供开发的数据服务,为用户制定出一套完整专业的能源供应、传输、交换的服务系统,降低企业经营成本、缩短系统研发周期、减少电网故障风险、提升工作效率。综合能源协同策略规划运营管理服务平台框架如图2所示。
图2 综合能源协同规划系统管理服务平台
2.4 综合能源协同规划模型构建及约束条件
本次综合能源协同规划的目标是保证系统安全稳定运行条件基础上,考虑资源的最优化利用,实现系统投资和运行成本最小,并最大程度消纳清洁能源,提高能源利用效率,减少污染和排放。本文综合考虑了电网建设费用、CHP建设费用和风光互补系统等建设费用,以及发电成本和弃风弃光的惩罚措施成本,以系统综合费用最低为目标,建立优化规划数学模型,模型的目标函数表达式为
2.5 考虑GIS系统的网格化协调规划策略
网格定义是将某个区域按照一定规则,划分成若干个网格状的小单元,便于对区域进行更精细化的管理[19-20]。所谓“格”是指管理区域或对象被划分后的空间单位,类似地块、责任区等,可大可小;所谓“网”指的是若干个格组成的适当区域。
本文将网格化概念引入配电网规划,根据网架现状、负荷分布、地理分界等实际情况,将复杂的配电网划分为多个相对独立的网格,分析网格现状与存在问题,结合典型负荷预测模型,对近中远三期做出负荷预测,制定网格化的目标,按照差异化的规划标准,结合区域综合能源分布情况,分区域开展配电网一次网架规划和综合能源设施协调规划。
具体方法为采用“大而化小,分而治之”的规划思路,基于区域地理信息系统,将配电网划分为3个供电层级和多个供电分区,依据多种边界条件将供电分区再细分为多个供电网格。网格化分层思路为第一层网格以3~5个110 kV变电站为组成一个网格,主要开展变电站的建设需求、变电站间隔利用率分析;第二层网格为不超过3组的典型接线组组成一个网格,主要开展网架接线、线路资源调配、负荷需求管理、综合能源接入和消纳利用能力管理和分析;第三层网格以低压配变台区为单位组成网格,主要为加强对用户供电质量和可靠性进行跟踪和分析。
通过网格化规划提出电力和能源通道方案,预留出道路所需的架空和电缆通道,预留出综合能源输送通道分布路径,结合城市道路建设,避免建而复拆,进一步优化资源利用,达到区域能源协调规划,制定精细化的协调规划策略。基于地理信息系统的网格化划分见图3。
图3 基于地理信息系统的网格化划分
2.6 综合能源系统协调规划流程图
根据上述思路,制定考虑GIS的网格化协调规划策略流程为：首先,对示范区电网现状和能源资源条件进行分析,通过区域特点进行网格的初步划分,开展网格内电力负荷和综合能源发展需求分
析;其次,开展网格化分区修正和协调规划策略约束条件制定。充分考虑河流、山体、城市规划路网、谷歌地图等地理信息系统等,尽量使每个供电区域相对独立,每一个中压配电网格中的线路能够独立承担网格内供电任务,且便于新能源消纳、线路运维检修等,尽量使每个供电分区采用1~3组10 kV配网典型接线进行供电,区域间通过综合能源系统进行能量交换,制定区域能源互补约束条件;最后,开展制定协同规划方案和效益评估。基于区域发展特点和重要用户保底网架供电要求,提出综合能源协调规划方案,制定区域目标网架规划方案,开展经济和社会效益评估,输出基于综合能源协同优化的配电网规划策略方案。策略流程图见图4。
图4 策略流程图
2.7 综合能源协调规划策略微电网基本结构
以综合能源系统为中心,充分发挥冷热电三联供技术、溴化锂制冷技术、风光互补协同供电方案、港口供电方案、电动汽车充电技术,考虑区域发展实际情况,通过多能互补微电网实现能源发展
“源-网-荷-储”的深度耦合,实现能源互动和梯级利用,降低电网调峰压力,提高供电可靠性,充分发挥储能系统的能力,提高风电和光伏等清洁能源的消纳能力,降低了企业用户成本,构建区域综合能协调规划策略微电网基本结构。能源互联微电网框架结构见图5。
图5 能源互联微电网框架结构
3 能源互联协同规划系统方案
3.1 热电联产供热方案
根据新区规划,至2030年新区所需设计热负荷最大需求为595 t/h,为满足新区热负荷需求,计划在新区中部建设天然气热电联产供热中心,其中一期建设2×180 MW级天然气热电联产项目,2套机组设计供热量为139 t/h;第二期2套机组设计发电装机2×400 MW,供热量为496 t/h。规划综合上述各热源点的可供应热负荷,设计供热量达635 t/h,可满足新区目标年各热用户569 t/h的热负荷需求,剩余部分热负荷可以考虑对新区周边热企业进行供应。
3.2 溴化锂制冷方案
新区范围为减少电网高峰时段空调用电负荷及空调系统装机容量,计划电制冷站采用相变蓄冷。考虑园区综合能源实际情况,能源站采用燃气内燃机,其特点为发电效率高,设备集成度高。其发电效率通常在30%~40%之间。排出的高温烟气进入吸收式制冷机,消耗夜间的低谷电能,利用溴化锂及冰水相变潜热进行能量的储存,白天用电高峰期释放出冷量。利用峰谷电价差,在电价较低的谷时段蓄冷,在电价较高的峰时段释放冷量,降低系统运行综合成本,协助电网公司消峰填谷,提高综合能源系统利用效率[21]。预测新区冷负荷需求为228 MW。为有效利用热电联产中心热能,计划在热电联产中心附近建设3座溴化锂吸收式制冷站。此外,为满足新区东南部冷负荷需求,计划在冷负荷中心地区共建7座电制冷站。其中溴化锂制冷站制冷量为22 MW,每座电制冷站制冷量为24 MW,合计制冷量约为230 MW,能满足新区冷负荷需求。
3.3 风光互补协同供电方案
当光伏系统与风电组成联合系统发电时,光伏可以削减风电的不确定性,提高能源的利用效率[22-23]。拟在新区主干道路凤凰大道和景观大道路两侧建设风光一体化路灯。采用高压钠灯照明的路面照度按30 Lx考虑的6车道主干道的照明功率密度值不应大于1.05 W/m2。示范区主干道路长度约46 km,按主干道红线宽度40 m估算道路面积约184万m2,路灯总功耗约为1.93 MW,风能和光能约占10%,其余主网电源补充。
3.4 港口供电方案
船舶港口岸电技术是指船舶在靠港期间停止使用船舶上的发电机,改用陆地电源供电,从而减少废气排放量的船舶供电方式。根据政府规划,港口新区共规划有5万t级泊位5个,5000 t~1万t级泊位8个。预测港口岸供电负荷约6.5 MW。根据规划泊位分布,暂按13个岸电供电系统考虑,每个泊位均有独立的岸电系统。
3.5 电动汽车充电规划
根据新区总体规划,新区需要有300辆公交车进行服务。设定每个枢纽站/首末站的车辆数为
60辆,则需要4~5个枢纽站/首末站,考虑到远期公共机构分散式发展,规划远期分散式直流充电桩约250个;中期新区考虑电动汽车私人充电桩数量约300辆,远期新区考虑私人电动汽车数量约800辆,私人充电桩按照一车一桩进行配置。新区未来充电需求容量约为5.9 MW。电动汽车充电规划情况见表1。
表1 电动汽车充电规划
3.6 综合能源控制中心
建立新区综合能源控制中心,通过互联网大数据、通信网络技术,实现在新区范围综合能源监管,新区热、电、冷、气、水等多种综合能源实现高效率多能互补协同运行。信息服务管理服务平台实现基于实时监控系统采集电网系统中的状态信息,采集热网系统中的状态信息、分布式电源运行信息和热负荷变动信息,以帮助相应能源管理主体在生产供应计划、调度、需求管理、故障处理等方面采集措施,保证能源生产和供应安全,提高数据采集、记录、分析、管理和控制能力,达到高效控制、智能化发展目标。
3.7 综合能源协同发展规划方案
通过综合能源协调规划和储能装置的削峰填谷作用,根据电网公司规划技术原则要求,在考虑容载比1.9~2.1需求情况下,远景年相比常规园区规划方案,至远景年新区共有110 kV变电站5座,相比传统规划方案减少了2座110 kV变电站;远景年增容378 MVA,相比传统方案主变容量共减少了378 MVA,至2030年新区范围110 kV主变容量为837 MVA;考虑区域综合能源供需能力,将整个片区划分为48个网格,形成53组10 kV典型接线组进行供电,远景年需增加69回中压线路,共153回线路供电的方案,每个网格中压供电线路更加清晰有序,比传统方案约减少了43回中压线路;园区新能源消纳远景年约占35%,相比传统规划方案提高了约25%的比例。
同时,构建了以区域能源为中心,充分发挥了冷热电三联供技术、溴化锂制冷技术、风光互补供电技术、港口供电技术,电动汽车充电技术等,实现了能源高效梯级利用。相比传统方案,达到了综合能源协同发展、能源结构绿色低碳安全、能源利用效率大大提高的目标。区域综合能源发展规划方案见图6。方案对比分析见表2。
4 配电网综合能源协同发展效益分析
4.1 配电网综合能源协同发展运行模式
通过建立综合能源供应协调规划运营服务平
图6 区域综合能源发展规划方案
表2 方案对比分析
台,实现能量管理信息系统自动化。能源公司受政府监督,对区域内的冷热电需求进行分析,并取得大型能源供应设备的供应资格。考虑储能系统与电力系统具有互补特性,通过储能系统与电力系统高效结合,在负荷低谷期间通过储能设备进行储能,提高了可再生能源的消纳能力;在负荷高峰期间通过储能设备进行能量释放,提高能源供应能力,减少电网公司和电厂投资建设成本。电动汽车充电用户等供能用户将更加积极参与到能源管理辅助决策系统中,通过价格引导机制,更有效地响应能源公司和电网企业需求,能有效降低企业运营成本,达到社会效益最大化。综合能源协同发展模式见图7。
4.2 综合能源协同发展社会效益
新区通过多能互补协调发展,冷热电三联供技术、风光互补技术和储能装置等先进技术的应用,节约能源资源,降低了新区能耗和碳排放量,提高了能源整体利用效率。根据中电联统计数据,全国6 MW及以上火电厂机组平均供电标准煤耗为0.315 kg/(kW•h)时,单位火电发电量CO2、SO2、NOx和粉尘排放分别为0.78 kg/(kW•h)、0.47 g/(kW•h) 、0.43 g/(kW•h)和0.09 g/(kW•h)。根据新区综合能源发展规划,预计清洁能源年发电量32 536万kW•h,节省标煤10.25 t,减少CO排放25.38 t,减少NO排放13.99 t,减少粉尘排放2.93 t,减排SO排放15.29 t;同时电动汽车累计节省27.1t燃油,节能减排CO12.2t。节能减排量见表3,新区电动汽车发展社会效益见表4。
图7 综合能源协同发展模式
表3 节能减排量
表4 新区电动汽车发展社会效益
5 结论
本文考虑将能源供应侧和需求侧各种形式的资源综合成为一个整体进行统筹利用,基于数据中心和能源信息共享平台建设,建立多能互补协调发展的综合模型,为使规划方案能够更加精细化,采用地理信息系统的网格化方法开展协调规划,以综合能源系统为中心,充分发挥冷热电三联供技术、溴化锂制冷技术、风光互补协同供电方案、港口供电方案、电动汽车充电技术,实现能源互动和梯级利用,降低了电网调峰压力,充分发挥储能系统的能力,提高了对清洁能源的消纳能力。本次研究未考虑跨区域的综合能源协调规划和研究,开展区域间综合能源协调规划和可靠性经济型效益分析,值得今后深入重点研究。
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