典型終端供能系統(tǒng)模式和技術(shù)方案的研究

董 霜，沙志成，趙 龍，丁 楊

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250061；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250013；3.通遼發(fā)電總廠有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

0 引言

本文研究的“終端供能系統(tǒng)”是指位于用戶附近， 直接給用戶提供單獨的電能或者冷熱電等多能服務(wù)， 由多種供需雙側(cè)技術(shù)構(gòu)成的相對獨立的能源系統(tǒng)［1－2］。 終端供能系統(tǒng)的一系列技術(shù)包括：分布式發(fā)電機(jī)組 （包含不可再生能源發(fā)電和可再生能源發(fā)電）、熱力驅(qū)動的制冷系統(tǒng)、儲電／儲熱等儲能裝置。

終端供能系統(tǒng)通過能源的梯級利用提高能源的利用效率， 通過促進(jìn)可再生能源的消納比例達(dá)到削弱對化石能源的依賴、減少溫室氣體排放等目的。因為其在用戶附近，可以減少輸電損耗，減緩輸電設(shè)備的投資時間。 另外，分布式能源接近負(fù)荷，不需要建設(shè)大電網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離高壓或超高壓輸電， 可大大減少線損，節(jié)省輸配電建設(shè)投資和運行費用［3-6］。

1 終端供能系統(tǒng)的功能規(guī)范

終端供能系統(tǒng)的整體功能主要從3 個方面衡量：一次能源利用效率、污染氣體排放量、供能成本。本節(jié)將闡述這些功能的主要指標(biāo)。

1.1 終端供能系統(tǒng)一次能源利用率

終端供能系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)供能方式而言最為重要的優(yōu)勢是其一次能源利用率（primary energy ratio，PER）較高，也因此得到了政府的扶持，實際的供能系統(tǒng)必須具備足夠高的能源利用率是其存在的必要條件。目前測算表明，大電網(wǎng)的平均發(fā)電效率大約為35%， 天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的一次能源利用率可達(dá) 80%左右［7］。

對于終端供能系統(tǒng)為光伏發(fā)電、 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言，其消耗的是可再生能源，一次能源利用率則無需考察，本項目僅對天然氣燃料的終端供能系統(tǒng)，采用一次能源利用率作其功能規(guī)范的指標(biāo)，定義如下：

式中：E為天然氣終端供能系統(tǒng)供應(yīng)的電力需求，kW·h；Qc為天然氣終端供能系統(tǒng)供應(yīng)的冷負(fù)荷需求，kW·h；Qh為天然氣終端供能系統(tǒng)供應(yīng)的熱負(fù)荷需求，kW·h；F為的是天然氣終端供能系統(tǒng)天然氣消耗量。

終端能源供應(yīng)系統(tǒng)的第二大優(yōu)勢是其排放量較低。其排放量較低的原因主要來自3 個方面：一是天然氣燃料相對于煤等燃料而言， 排放量本身是比較低的；二是由于一次能源利用效率高，單位供能的耗能量進(jìn)一步減少；三是其可以消納部分可再生能源，進(jìn)一步減少了排放量。

終端供能系統(tǒng)消耗可再生能源在其運行期間幾乎沒有污染氣體排放， 其污染物排放主要來自自身消耗的天然氣燃料、 購買電能時電能生產(chǎn)產(chǎn)生的污染物排放。 建議主要考察二氧化碳排放量和二氧化硫排放量。

1.2 二氧化碳和二氧化硫排放量

二氧化碳排放量（The amount of CO2emission，CO2E）：

式中：μCO2，g是天然氣燃燒的二氧化碳排放量；μCO2，e是電網(wǎng)發(fā)電的二氧化碳排放量，F(xiàn)grid為電網(wǎng)發(fā)電天然氣消耗量。

二氧化硫排放量（The amount of SO2emission，SO2E）：

式中：μSO2，g是天然氣燃燒的二氧化硫排放量；μSO2，e是電網(wǎng)發(fā)電的二氧化硫排放量。

終端供能系統(tǒng)的功能規(guī)范還包含其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，主要用其成本衡量。成本包含容量成本和電量成本兩個部分。 容量成本是其投資成本，電量成本是其運行成本。 目前終端供能系統(tǒng)的容量成本相對都比較高，導(dǎo)致了其供能成本相比較傳統(tǒng)供能手段而言，優(yōu)勢不明顯。這也是需要進(jìn)一步研究和發(fā)展的方向［8］。

2 終端供能系統(tǒng)的模式

終端供能系統(tǒng)的模式依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)存在多種劃分。 以規(guī)劃優(yōu)化的視角終端供能系統(tǒng)模式可以按照終端供能系統(tǒng)與電網(wǎng)的關(guān)系分成獨立供能模式和聯(lián)網(wǎng)供能模式， 以終端供能系統(tǒng)提供的能源種類分成多能供能模式和單能供能模式。

2.1 終端供能系統(tǒng)的多能／單能供能模式

終端供能系統(tǒng)為終端用戶提供的能源服務(wù)可以包含單獨的能源種類，例如為用戶提供單獨的電能、制冷服務(wù)或者熱能服務(wù)。 終端供能系統(tǒng)也可以同時提供多種能源種類的能源服務(wù)，例如冷、熱、電等能源形式。

終端供能系統(tǒng)采用單獨的供能還是采用多能綜合服務(wù)主要取決于負(fù)荷需求與供能系統(tǒng)一次能源可用性以及能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性。 只有當(dāng)具備一定規(guī)模的負(fù)荷需求， 終端供能系統(tǒng)的供能才具有經(jīng)濟(jì)可行性， 在只有某種特定能源需求集中的地方單獨的能源種類服務(wù)才具有經(jīng)濟(jì)可行性。 傳統(tǒng)的集中供熱方式，也是終端供能系統(tǒng)的一種表現(xiàn)形式。

對于單獨供電的終端供能系統(tǒng)， 基于其一次能源利用效率、排放量等方面考慮，目前的主要形式就是光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源終端供能系統(tǒng)。采取內(nèi)燃機(jī)、 燃?xì)廨啓C(jī)等使用化石燃料的發(fā)電機(jī)組組成單獨供電的終端供能系統(tǒng)幾乎沒有其存在價值， 其原因是這類單獨的供電系統(tǒng)的發(fā)電效率僅為30%［9］，低于電網(wǎng)供電效率，發(fā)電成本高。可再生能源發(fā)電構(gòu)成的終端供電系統(tǒng)雖然具有一次能源可再生性、 排放量低等優(yōu)勢， 但受到一次能源可用性的限制，例如風(fēng)能、光能等自然條件限制，只有具備足夠好的自然條件的地方才可以實施。由于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等一次能源不可控，具有明顯的間歇性，其接入電網(wǎng)也需要考慮電網(wǎng)的接受能力［10］。

多能服務(wù)終端供能系統(tǒng)利用能源的梯級利用，多能互補(bǔ)等原理是終端供能系統(tǒng)今后的主流發(fā)展模式。 目前應(yīng)用范圍最為廣泛多能終端供能系統(tǒng)是天然氣為燃料的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)， 其最大的特點是發(fā)電余熱回收利用提高了能源的利用效率， 降低了污染物排放量。 天然氣燃料之所以應(yīng)用廣泛的另一個原因是天然氣作為一次能源在許多地方都可以得到。 如果生物質(zhì)燃料供應(yīng)充足，例如農(nóng)村地區(qū)，生物質(zhì)燃料冷熱電聯(lián)產(chǎn)方式也是值得肯定的方式。 基于冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的平臺， 消納部分可再生能源構(gòu)成終端能源綜合系統(tǒng)則是未來進(jìn)一步發(fā)展的方向。

2.2 終端供能系統(tǒng)獨立與聯(lián)網(wǎng)供能模式

終端供能系統(tǒng)提供能源服務(wù)時是否與電網(wǎng)連接，構(gòu)成了終端供能系統(tǒng)獨立運行模式和聯(lián)網(wǎng)模式。

終端供能系統(tǒng)與電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行， 大電網(wǎng)為終端供能系統(tǒng)運行提供了必要的支撐。 具體表現(xiàn)：

1）電網(wǎng)購電作為終端供能系統(tǒng)供能的輔助手段，為終端供能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行提供了幫助。 冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)電與余熱回收之間存在固定關(guān)系，但是負(fù)荷需求中的熱電比并不與之匹配，電網(wǎng)購電作為一種調(diào)節(jié)手段為終端供能系統(tǒng)提供了有力的幫助。

2）大電網(wǎng)為終端供能系統(tǒng)的運行提供了備用支撐。當(dāng)終端供能系統(tǒng)供能能力不足或者出現(xiàn)故障時，通過電網(wǎng)購電保證了終端用戶的用電需求。

3）在聯(lián)網(wǎng)方式下，終端供能系統(tǒng)內(nèi)部的控制有了明確的參考點， 從而可減少控制相關(guān)部分的復(fù)雜性。

聯(lián)網(wǎng)模式下還可以進(jìn)一步依據(jù)終端供能系統(tǒng)與電網(wǎng)的能量交流方向分成并網(wǎng)不上網(wǎng)、 并網(wǎng)且上網(wǎng)兩種類型。并網(wǎng)不上網(wǎng)模式下，終端供能系統(tǒng)可以從電網(wǎng)購電，但不能向電網(wǎng)送電，也即不能向電網(wǎng)銷售其多余的電力。并網(wǎng)且上網(wǎng)模式下，終端供能系統(tǒng)既可以購買電網(wǎng)的電能，也可以向電網(wǎng)售電。

并網(wǎng)且上網(wǎng)模式對電力系統(tǒng)會帶來一系列深刻的影響， 特別是在終端供能系統(tǒng)的比例較高的情況下。 其核心問題是并網(wǎng)且上網(wǎng)的終端供能系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)運行方式和方法。 傳統(tǒng)的發(fā)電廠按照電網(wǎng)調(diào)度的指令運行， 而終端供能系統(tǒng)的運行主要是為了滿足其自身的終端用戶的用能需求， 特別是在冷熱電多種能源同時供應(yīng)的情況下，其購電、售電行為原則是從其自身目標(biāo)出發(fā)。 終端供能系統(tǒng)的運行與電網(wǎng)的運行如何協(xié)調(diào)以期達(dá)到總體運行最優(yōu)的效果是需要解決的關(guān)鍵問題。 目前幾種可能的解決思路是：

1）用電力市場的方式，讓終端供能系統(tǒng)作為市場成員參與市場競爭形成其自身的購/售電計劃，并按照該計劃運行。

2）接受電網(wǎng)調(diào)度。 這種模式在終端供能系統(tǒng)具有較大規(guī)模的情況下尚可執(zhí)行。例如傳統(tǒng)情況下，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)按照以熱定電的方式運行， 其多余的電力被電力系統(tǒng)接受。 但對于大量的小規(guī)模的終端供能系統(tǒng)而言，這種模式要求電網(wǎng)調(diào)度工作量太大，很難實施。

3）分散協(xié)調(diào)。 這類方式是通過終端供能系統(tǒng)之間， 終端供能系統(tǒng)與配電網(wǎng)之間的分散協(xié)調(diào)達(dá)到整體的最優(yōu)運行。 能源互聯(lián)網(wǎng)模式中特別強(qiáng)調(diào)這種協(xié)調(diào)方式，但具體如何協(xié)調(diào)尚需要深入研究。

終端供能系統(tǒng)的獨立運行模式適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)。 該模式的特點是不需要架設(shè)昂貴的輸電線路到偏遠(yuǎn)的地區(qū)， 而在偏遠(yuǎn)地區(qū)建立獨立運行的供能系統(tǒng)提供能源服務(wù)，節(jié)省了輸電線路建設(shè)的費用。終端供能系統(tǒng)獨立運行模式意味著終端供能系統(tǒng)必須考慮供能系統(tǒng)的頻率、電壓的穩(wěn)定控制，必須考慮備用等，其終端供能系統(tǒng)的控制復(fù)雜性遠(yuǎn)高于聯(lián)網(wǎng)模式。常用的方式是構(gòu)建獨立運行的微網(wǎng)。

3 典型終端供能系統(tǒng)的技術(shù)方案

終端供能系統(tǒng)的技術(shù)方案非常豐富， 其中研究最多的方式是可再生能源的利用。 可再生能源主要的形式有風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、熱泵技術(shù)、小型水力發(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電等。 可再生能源的利用受到來自一次能源可用性的制約以及電網(wǎng)消納能力的制約，需要合理有序地發(fā)展。

基于提高能源利用率、減少污染物排放量、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)成熟的原則，從各類終端供能系統(tǒng)的方案看，冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有較大的優(yōu)勢。該類系統(tǒng)通過能源的梯級利用，在能源利用效率上具有明顯的優(yōu)勢，一次能源利用率可以達(dá)到80%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有各種分別供能的系統(tǒng)。該類系統(tǒng)技術(shù)成熟，以該類系統(tǒng)為核心組成終端供能系統(tǒng)是近期較為合理的選擇。

為了可再生能源的利用， 也為了冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)自身的優(yōu)化運行， 在冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中進(jìn)一步集成風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、熱泵等可再生能源，配備合適的儲能裝置是最近幾年終端供能系統(tǒng)最有潛力的發(fā)展方向。 以冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為平臺集成可再生能源，既可以增加可再生能源利用比例，也通過該平臺緩解了風(fēng)力發(fā)電、 光伏發(fā)電的間歇性和難以預(yù)測所帶來的負(fù)面影響，幫助電網(wǎng)消納更多的可再生能源。

從能源互聯(lián)網(wǎng)的角度， 更大范圍更大面積地構(gòu)成區(qū)域多能互補(bǔ)系統(tǒng)， 在能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過程中會起到關(guān)鍵性的作用， 目前這個方面的工作尚處于研究開端。

基于上述的情況，本節(jié)總結(jié)了適用于城市小區(qū)、樓宇的終端供能系統(tǒng)的技術(shù)方案和適用于農(nóng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的終端供能系統(tǒng)的典型技術(shù)方案， 以便作為本項目的主要研究對象。

3.1 適用于城市小區(qū)樓宇的終端供能系統(tǒng)典型的技術(shù)方案

適用于城市小區(qū)、 樓宇的終端供能系統(tǒng)的典型技術(shù)方案是以天然氣冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為核心的技術(shù)方案。 其要點如下：

1）動力系統(tǒng)采用燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)作為原動機(jī)，采取發(fā)電余熱回收的方式提供熱能， 利用吸收式制冷機(jī)提供制冷。燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)發(fā)電是終端供能系統(tǒng)提供電能服務(wù)的最重要的設(shè)備。 發(fā)電余熱回收提供了終端用戶冷熱需求的大部分服務(wù)。

2） 終端供能系統(tǒng)可根據(jù)所在地的一次能源情況，在終端供能系統(tǒng)中集成一部分光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、熱泵等裝置。

3）如果系統(tǒng)集成有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源發(fā)電需要在系統(tǒng)中安裝電儲能裝置以平滑光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的功率波動，讓系統(tǒng)的電能服務(wù)質(zhì)量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4）內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的容量范圍可從幾千瓦到50 MW，在樓宇、小區(qū)以及大學(xué)城、工業(yè)園區(qū)的范圍內(nèi)均可通過選擇不同的容量在冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)架下完成任務(wù)。

3.2 適用于城鎮(zhèn)農(nóng)村的終端供能系統(tǒng)的典型技術(shù)方案

適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)、 農(nóng)村的終端供能系統(tǒng)典型的技術(shù)方案是以生物質(zhì)能為燃料的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。 其要點如下：

1）一次能源采用農(nóng)村、城鎮(zhèn)地區(qū)易于得到的生物質(zhì)原料，例如秸稈、食物油提煉廢料等。

2）生物質(zhì)原料經(jīng)過氣化預(yù)處理、或者通過厭氧池生產(chǎn)沼氣等作為內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的燃料。

3）內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)作為原動機(jī)，通過同步發(fā)電機(jī)發(fā)電， 發(fā)電余熱回收供熱的能源梯級利用方式提供能源供應(yīng)。

4）在太陽能和風(fēng)能豐富的農(nóng)村地區(qū)可以集成光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電作為供電的補(bǔ)充。一般光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電均需要配置合適的儲能裝置以使得電能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5）從內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的容量范圍而言，城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村的能源需求均可滿足， 因此這類方案可基于具體的負(fù)荷大小選擇對應(yīng)的機(jī)組。

另外，在太陽能和風(fēng)能充裕的地方，還可以構(gòu)建光伏發(fā)電或者風(fēng)力發(fā)電站提供單獨的電力服務(wù)。 風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的技術(shù)方案要點為：

1）采用儲能裝置平移光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的波動，達(dá)到電網(wǎng)并網(wǎng)要求。

2）根據(jù)發(fā)電容量確定其接入電網(wǎng)的電壓等級。

3）終端供能系統(tǒng)內(nèi)部選擇直流總線／交直流混合總線模式。

4）選擇集中變流還是分散變流方案等。

3.3 基于可再生能源的單能供能系統(tǒng)

上述兩節(jié)分別介紹了基于冷熱電聯(lián)產(chǎn)為核心的終端供能系統(tǒng)，除此之外，基于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的終端供能系統(tǒng)在風(fēng)能和太陽能豐富的地區(qū)可構(gòu)成單能終端供能系統(tǒng)。

光伏發(fā)電主要包含家庭式屋頂發(fā)電為家庭提供電能供應(yīng)，或者建立小型光伏電站的形式提供農(nóng)村、城鎮(zhèn)地區(qū)的供電。

風(fēng)力發(fā)電較為合適的還是以建立小型風(fēng)力發(fā)電場的方式構(gòu)成終端供能系統(tǒng)。

基于可再生能源的單能供能系統(tǒng)主要是供電，其對電網(wǎng)的影響是目前需要特別關(guān)注的問題。

在終端供能系統(tǒng)中有一類僅僅由可再生能源供應(yīng)電能的形式， 其中最為典型的是光伏發(fā)電構(gòu)成的終端供能系統(tǒng)。 由光伏發(fā)電構(gòu)成的終端供能系統(tǒng)可以是家庭的屋頂式的微型系統(tǒng)，為家庭供應(yīng)電能，也可以是光伏發(fā)電站提供電能服務(wù)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池陣列、匯流箱（直流配電柜）、光伏逆變器、升壓變壓器無功補(bǔ)償裝置等組成。匯流箱是將太陽能光伏組串匯流的設(shè)備，具有匯流、放過流、防雷、監(jiān)測等功能。逆變器將直流變化為交流， 變壓器為將逆變器輸出的交流電的電壓等級提升到并網(wǎng)點處的電壓等級。 光伏發(fā)電系統(tǒng)可按照其儲能裝置的配備方式、 逆變器的配備方式區(qū)分其體系結(jié)構(gòu)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)按照是否配置電池儲能裝置分成可控和不可控兩種類型。 帶有電池儲能裝置的光伏發(fā)電系統(tǒng)通過蓄電池緩沖，其實際出力可以控制。雖然太陽能輻射不可控，有了儲能裝置后，當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度較大， 而負(fù)荷較低時可將多余的電能儲存到電池；當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度較低，光伏發(fā)電低于負(fù)荷要求時可釋放電池電能補(bǔ)充光伏發(fā)電不足。

與光伏發(fā)電類似， 也可以由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成終端供能系統(tǒng)。 由風(fēng)力發(fā)電構(gòu)成的終端供能系統(tǒng)幾乎都是構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電站的方式提供電能服務(wù)。

4 結(jié)論

1）典型終端供能系統(tǒng)包含以冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為核心的多能供應(yīng)系統(tǒng)和以可再生能源發(fā)電為核心的單能形式的供能系統(tǒng)。 多能供應(yīng)系統(tǒng)包含天然氣燃料終端供能系統(tǒng)和生物質(zhì)燃料終端供能系統(tǒng)。 單能供應(yīng)系統(tǒng)主要包含光伏電站和風(fēng)力電站。

2）在城市地區(qū)以天然氣為燃料的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是終端供能系統(tǒng)的典型形式， 根據(jù)不同容量的選擇，為樓宇，小區(qū)和園區(qū)提供供能服務(wù)。 在鄉(xiāng)村地區(qū)以生物質(zhì)為燃料的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是終端供能系統(tǒng)的典型形式，根據(jù)不同容量的選擇，為城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村用戶提供供能服務(wù)。

3）光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電在太陽能和風(fēng)能豐富地區(qū)可以作為獨立的供能方式提供電能服務(wù)， 這類系統(tǒng)一般需要儲能裝置幫助其電能達(dá)到電能供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

4）終端供能系統(tǒng)的模式包含獨立運行與聯(lián)網(wǎng)模式。 聯(lián)網(wǎng)模式下，終端供能系統(tǒng)可以獲得電網(wǎng)的備用支持， 使得終端供能系統(tǒng)的運行與控制較為簡單， 但終端供能系統(tǒng)與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行尚需要進(jìn)一步研究。