“兵分三路”！问道产业园区综合能源需求
发布日期：2018/8/17
本文梳理了典型产业园区的综合能源需求，在此基础上，分析了未来产业园区综合能源系统将呈现若干种形态特征，包括冷热电联供分布式能源站、园区光储微网、小水电+分散式风电、园区能源互联主动配电网和多能互补综合能源系统。然后，对产业园区综合能源系统多能互补、物理信息深度融合以及“源网荷储”协调互动的特征内涵进行了剖析。最后，结合我国能源和信息基础设施及能源市场等方面的现有条件，从近期、中期和远期三个发展阶段探讨了产业园区综合能源系统演化路线。
1、产业园区用能需求分析
目前国内推行的产业园区大多强调同类产业的集群效应。国内典型产业园区重点发展产业包括装备制造业、石化精炼、制浆造纸、电力产业、有色产业、烟酒产业、钢铁冶金产业、建材产业、煤炭产业、医药、食品加工、旅游商品特色产业、污水处理以及电子信息、新材料、生物技术、节能环保、新能源等新兴产业。因此，根据产业园区产业规划布局，园区中产业大致可归类为3种类型:离散制造业、过程工业和新兴研发产业。针对3种类型产业综合能源需求分析如下。
1.1 离散制造业用能需求分析
离散制造业主要包括通信设施、航空航天、电子设备、机床、汽车、各类型家电、玩具制造业以及服装等产业类型，其产品大多是由零部件组装起来的、具备使用功能的某种物品，消耗的能源以生产加工设备耗用的动力为主，主要消耗电能;但是该类型产业园区厂房的采暖和空调往往占总能耗比例较大。
上述园区产房用能的特点基本与建筑物终端用能相近，其中，用电耗能占总能耗约14%，采暖空调和热水供应用能约占80%。在我国北方地区，终端用能需求的热电比约为5.7。在南方地区，如果同时采用余热锅炉的蒸汽溴化锂吸收式制冷与电制冷以及低温余热供热水，其用能需求的热电比将远大于3。
1.2 过程工业用能需求分析
过程工业包括电力、冶金、化工、建材、造纸、食品、医药等工业类型，其原料和产品一般都是具有特定功能和性质的材料或者物料。实际上，我国产业结构中，过程工业的耗能总量远大于离散制造业耗能总量，而过程工业终端用能的构成中，用电占总耗能比例较小，其热电比一般大于3。过程工业的用热需求当中，蒸汽一般占比较大，其次为物流加热。针对不同的工业过程，用热需求的温度范围差异性较大。例如，建材工业用热范围为800～1 000℃，而食品工业用热一般在100℃左右;炼油工业用热需求范围较广，可从100℃到500℃。
工业用冷需求的温度范围也很广，从乙烯工业、空气液化分离过程约－180℃的深冷需求，到0～20℃左右的一般浅冷需求都有。
与建筑物终端能源需求相比，工业用能需求更大。工业用能需求占我国总能耗40%以上，其热电比与建筑物终端能源需求相比更大。以炼油工业为例，包括蒸汽需求和热需求在内的热电比一般也大于3。
1.3 新兴研发类型产业用能需求分析
对于园区中电子信息、新材料、生物技术、节能环保、新能源等新兴研发类型产业，使用生产用蒸汽的几率不大，即使有生产用蒸汽负荷，蒸汽用户点也会很分散，每个热用户的蒸汽用量估计不会太大。考虑到生产和输送蒸汽的经济性，分散的蒸汽用户可采取燃气、电等小型热源解决。
因此，产业园区大部分用热、用冷需求都是可以通过多能互补集成综合能源技术来生产和提供。园区多能互补综合能源供能方式不仅可提高分布式能源转换效率，而且可通过更高层次上的集成优化最终提升能源终端利用效率，从而实现最大的经济效益。
2、产业园区综合能源系统典型形态
综合能源系统的核心在于能源系统的协同优化。由上述分析可知，各类型产业园区呈现电/冷/热等多元化的用能需求。同时，由于产业园区所在特定的地理位置和复杂的地形地貌，可导致相应气候和生态条件复杂多样，因而不同区域的产业园区具有不同的自然资源优势。在不同的应用场景中，不同类型的能源形式扮演不同类型的角色，而主导能源形式也随之变化。
综上所述，考虑综合能源系统因地制宜、统筹开发、互补利用的实施原则，未来产业园区综合能源系统将呈现若干种典型形态，分别分析如下。
2.1 冷热电联供分布式能源站
针对新能源资源匮乏的产业园区，冷热电联供(combined cooling，heating and power，CCHP)分布式能源站是重要的综合能源利用形态之一。冷热电联供机组通过协调优化输出电能与高低品位热能，以提升天然气能源利用效率。从本质上来讲，冷热电联供机组和冰蓄冷空调均为局部的综合能源系统，也可认为是综合能源系统的雏形。
CCHP分布式能源站通常以小容量、小规模和分散的方式安装在客户端，可以自主运行或连接到配电网络，优先满足用户自己能量需求，通过冷电、热电或冷热电联供的方式实现能量梯级利用，涵盖能量生产、控制和存储的局部能源系统。
综合供能系统种类繁多，而相应的分类方法也多种多样。驱动综合供能系统的动力设备选型对系统设计和性能具有举足轻重的作用，因此根据动力设备类型对综合供能系统进行分类是目前最常用的方法。作为由多种能源技术集成得到的综合供能系统，其系统的集成形式也是多种多样的。结合产业园区的实际情况与需求，按照动力设备类型和冷热电、热电、冷电3种联供形式进行分类，分布式综合供能的集成方案包括以下类型:燃气轮机/内燃机作为动力装置的冷热电联产系统、燃气轮机为主蒸汽轮机为辅的冷热电联产系统、燃气轮机/内燃机作为动力装置的热电联产系统、燃气轮机/内燃机作为动力装置的冷电联产系统以及燃气轮机为主蒸汽轮机为辅的冷电联产系统。
在应用过程中，需要根据实际的环境和需求进行综合考虑，选取最适宜的综合供能系统，取得较好的经济和社会效益。对于冷热电联供系统，当燃料价格、电价、冷价或热价浮动时，一般来说，以燃气轮机作为动力装置的冷热电联产和燃气轮机为主蒸汽轮机为辅的冷热电联产方案经济效益较好。针对价格对单一方案的影响，一般来说:1)对于冷热电联供系统，电价变化对系统经济性的影响要大于冷价及热价变化对系统经济性的影响;2)系统运行时若出现弃冷现象，有可能会致使系统亏损。同时，弃冷或弃热越多，冷价或热价变化对经济性的影响越小;天然气消耗量越大，天然气价格变化对系统经济性的影响越大。
冷热电联供分布式能源站运营方式可包括经济最优运行模式、系统高效运行模式、以冷定电运行模式和以电定冷运行模式，在产业园区应用中可根据实际情况进行选择配置。
2.2 园区光储微网
工业园区占地面积大，具有发展屋顶分布式光伏的优势。针对部分电负荷需求比例较大的产业园区，如电子信息、新材料、生物技术、节能环保、新能源等新兴研发产业园区，可充分利用屋顶资源，建设园区分布式光伏屋顶，并集成分布式储能系统，形成园区光储微电网系统。
产业园区典型光储微电网系统的形态示意图如图1所示，微电网系统包含园区内分布式光伏及分布式储能单元，微电网通过公共耦合点PCC(point of common coupling，PCC)接入上级配电网。其中，园区内分布式光伏充分建设利用园区屋顶光伏全覆盖、停车场光伏覆盖、公交站光伏覆盖以及电动汽车充电站光伏覆盖，从而最大地提高产业园区可再生能源渗透率，实现屋顶、停车场、公交站、电动汽车充电站等太阳能光伏充分利用，促进产业园区绿色低碳发展。在园区光储微电网运营模式中，电网公司与工业园区具有充足场地/屋顶资源的工业用户签订能源管理合同，由电网公司作为分布式光伏和分布式储能的投资商和运营商，租用工业用户的场地资源建设和运营分布式光伏和分布式储能系统。由于分布式储能系统由电网公司投资，电网公司对分布式储能充放电拥有控制权，考虑到电池储能除追求自身收益最大化以外，还需要配合完成产业园区关于峰值负荷削减目标。
此外，由于配备储能系统，当计划性孤岛需求或外部电网故障扰动时，园区光储微电网系统可由并网运行模式切换至离网运行模式，系统不同运行模式间可确保平滑切换。园区光储微电网系统孤岛机制可有效提高园区供电可靠性。
图1产业园区典型光储微电网系统的形态示意图
2.3 小水电+分散式风电
我国水能资源极为丰富，如贵州省位于云贵高原东坡，气候温和多雨，水系发达，支流众多，河流落差集中，是中国水力资源较为丰富的地区之一。因此，结合当地实际开发建设小型水电，既可解决当地用电难题，又可服务发展地方经济;此外，目前国家实施可持续发展战略，大力推动清洁能源开发利用，政策层面为小水电的发展提供了较大的发展空间和机遇。
小水电通常是指容量在50 MW以下的水力发电站，从容量角度来看，小水电位于所有类型水电站的末端。此外，一般而言，小水电并网电压等级均偏低，绝大多数小水电并入10～110 kV配电网。
小水电具有数量多、分布广、容量小的特点。在实际中，与中大型水电站一般具有蓄水调节水库不同，大多数小水电为径流式电站，本质上无调节能力。
小水电出力具有明显季节性的特点，在丰水期，小水电机组集中发电，当地配电网难以消纳过多水电时，可能导致调度机构出于电网安全稳定运行强制要求小水电弃水限电;而相反枯水期间，小水电机组发电量不足，无法为上级电网供应足够的电力。小水电出力不能与当地用电需求匹配，因此其运行受到了较大限制。与此同时，目前各地电网企业对小水电的发电管理仍较为粗放，存在小水电管理体系不完善、缺乏调度和监测技术等问题;绝大多数小型水电站的并网运行不受电力调度机构管理和控制，呈现“多来多发、少来少发、有水则发、无水则停”的自由和无序状态。
而分散式风电是指风力发电机组以多点方式接入中低压配电网络，并网运行受电力调度机构统一调度的风力发电利用模式。目前，与集中式风电开发模式通过输电网消纳大规模风电不同，在分散式风电发展初期，风电机组需就近规划和接入在运行的10 kV、35 kV和110 kV 3个电压等级的配电网网络，其并网最高电压等级为110 kV。由于传统110 kV电网传输距离约为100 km，因此分散式风电将就近被本地电网消纳。
时间上出力的波动特性使得分散式风电和小水电两种电源具备较大的互补特性。以中国南方为例，在水力资源方面，受亚热带季风气候影响，一般而言，春夏季为河流丰水期，秋冬季为河流枯水期。在风力资源方面，冬季主要受西伯利亚高压的影响，风向较为稳定，风力资源丰富。风能资源总体时间分布特征为夏季风小，冬春季风较大。其次，就出力波动性而言，小水电日波动小，但季节性波动较大;而风电的日波动性很大，季节性波动却较小。
综上所述，在建设场地有限的产业园区可结合当地丰富的水电资源优势以及小水电和风电的天然互补特征，发展小水电+分散式风电多能互补综合能源系统的建设形式，从而最大限度的利用当地清洁能源，减轻间歇性可再生能源发电并网给配电网络带来的冲击。风水多能互补综合能源系统形态示意图如图2所示。此外，以小水电为基础，还可形成水光多能互补、风水光多能互补等典型综合能源系统。
图2产业园区风水互补综合能源系统形态示意图
2.4 园区能源互联主动配电网
产业园区能源互联主动配电网(active distribution network，ADN)是在主网配网协同控制的基础上，具备分布式发电、储能、需求侧响应、柔性负荷和电动汽车等丰富的电源负荷调控手段，能够针对能源互联主动配电网的实际运行状态，以经济性和安全性等为控制目标，自适应调节其网络结构、发电单元及负荷的智能配电网络。
典型产业园区能源互联主动配电网示意图如图3所示。在产业园区能源互联主动配电网中，大量的分布式发电单元从不同节点并网后将导致配电网由传统辐射状的网络变为数量众多的中小电源和用户的互联网络，从传统意义上“配电系统”转变成为一个“电力交换系统”。从本质上来看，主动配电网主要包含3方面特征:交直流混合架构、运行态势准确感知以及源网荷协调控制。
图3 产业园区能源互联主动配电网示意图
随着光伏、电动汽车等直流源荷在工业园区中快速增加，传统交流配电网络的兼容性和适应性亟待提高。园区能源互联主动配电网可根据需求采用交直流混合架构，其中直流子配电网为直流源荷的接入提供了极为便利的途径。各类型冲击负载，可再生能源发电和直流负荷可通过DC/DC变压器直接连接至直流配电网络，由于无需传统交流配电网络中的DC/AC环节，有效简化了控制系统，降低了损耗，节省了工程造价。此外，通过交直流双向变流器，可实现对混合网络潮流的柔性控制以及全局系统能量的优化调度和管理。
通过根据园区能源互联主动配电网中各种测量设备的测量和状态估计数据准确判断当前配电网的运行状态，以及基于负荷历史数据和数值天气预报高精度预测负荷/可再生能源信息，可实现对园区能源互联主动配电网态势的全面精确感知。
源网荷协调控制是园区能源互联主动配电网的中心所在，通过对配电网络源网荷对象的主动调控和管理，实现配电网络的低成本高效安全运行以及可再生能源的最大程度消纳。主动配电网的控制要素覆盖源网荷3方面，具体可包括联络开关变化为代表的电力网络控制，可再生能源发电调度为代表的电源功率控制，以及以电动汽车充放电控制策略为代表的灵活互动。
2.5 多能互补综合能源系统
对于大多数产业园区来说，负荷存在用电、用热、用冷等多种用能需求，且用能数量大，节能空间广。因此具有利用多能互补、源网荷储协同技术为工业园区提供能源整体服务的需求，以满足园区多样化的能源需求，提高供能质量，为用户节约用能成本。
产业园区典型多能互补综合能源系统的形态示意图如图4所示。它将电、气、热、冷、氢等多类型能源环节与信息、交通等其他社会支持系统进行有机集成，通过对多类型能源的集成优化和合理调度，实现多类型能源的梯级利用，提高能源利用效率，提升供能可靠性。同时，多能源系统的有机协调，对延缓输配电系统的建设，消除输配电系统的瓶颈，提高各设备的利用效率具有重要的作用。在紧急情况下，当电力或天然气系统受到天气或意外灾害的干扰而中断时，多能互补综合能源系统可以利用就地能源为重要用户提供不间断的能源供应，并为故障后能源供应系统的快速恢复提供动力支持。
图4产业园区多能互补综合能源系统形态示意图
综合能源配用电系统结构相对复杂，既包括冷热电联供分布式能源站、分布式光伏等电源设备，也包括电池储能、蓄冷/热储能，还需要依靠电网和冷/热管网进行能量输送，在实际应用过程中，需要根据具体的环境和需求进行综合考虑。
园区综合能源系统涵盖各种形式和特点的多能源环节，既包括可控性较强的能源环节，也包括控制难度较大的强间歇性能源环节;既包括容易存储和转换的环节，也包括难以大规模存储的环节;既包括底层设备的动态，也包括能源系统单元级别的动态，还包括多能耦合作用下的系统级别动态。本质上而言，园区多能互补综合能源系统从时间、空间和行为3个角度呈现多能流、多时标、高维数、大量非线性、多主体等极为复杂形态特征。
3、产业园区综合能源系统特征内涵
由上节分析可见，产业园区综合能源系统呈现多元化的典型形态。从本质上看，园区综合能源系统具备多能互补、物理信息深度融合、源网荷储协调互动的特征内涵如图5所示。
图5产业园区综合能源系统形态特征内涵
3.1 多能互补
多能耦合、协同互补是产业园区综合能源系统的核心特征之一。时间上出力的波动特性使得风电、光伏发电、小水电等能源供给来源天然存在较大的互补特性，同时，电、气、热、冷等多类型能源在用能需求、价格、特性上亦存在差异和互补特性。以电力网络为主体框架，通过电、气、热、冷、氢的灵活集成，充分挖掘横向源－源多能耦合、协同互补特性，从而有效抑制清洁能源发电的强随机性和强波动性，大幅提高综合能源系统的供能可靠性以及能源综合利用效率。
3.2 物理信息深度融合
覆盖能源生产、传输、消费、存储、转换的整个能源链，产业园区综合能源系统中信息共享，能量流与信息流的有机整合、互联互动、紧密耦合，形成信息物理系统(cyber physical system，CPS)。信息物理系统是园区综合能源系统的重要发展方向。互联网、物联网、大数据、云计算等的深度应用，有效提升园区综合能源系统的灵活性、适应性及智能化。通过对等开放的信息-物理系统架构，园区综合能源系统将具备高可靠安全的通信能力、全面的态势感知能力、大数据处理计算能力以及分布式协同控制能力。
3.3 源网荷储协调互动
产业园区综合能源系统能量流与信息流深度融合使传统能源参与主体由单纯的生产、传输、消费和存储者，转变为集成能源生产、传输、消费和存储者的多种角色于一体的自我平衡主体。传统用户成为产消者，能源生产和能源消费的边界将不再清晰，对应的角色和功能可以实现相互兼容和替代。园区综合能源系统运营商、电力公司、各类工业、商业和居民用户、电动汽车、分布式可再生能源、储能、热电冷联产系统等各类参与主体在供需关系和价格机制的引导下，灵活调整能源供应、能源消费和能源存储，从而实现综合能源柔性互动以及供需储的纵向一体化。
4、产业园区综合能源系统演化路线
产业园区综合能源系统是能源工业发展的全新形态，相关关键技术、业态及模式等正处于起步和和探索发展阶段。园区综合能源系统的发展和实现并非一蹴而就的，其技术体系的形成以及各种技术的应用和实践，不仅取决于技术本身的成熟度，还与技术的依赖性和技术应用的经济性以及社会效益，以及国家战略、复杂的外部环境密切相关。考虑到这些因素，对产业园区相关技术发展及应用推广的路径进行前瞻性研究，有助于政策制定者合理地利用政策资源，为产业园区综合能源系统的发展提供良好的政策环境;有利于相关企业和研究机构提前布局科研和技术开发项目;也有助于引导资本市场为相关领域提供充足的资金支持。
未来产业园区综合能源系统将以互联网深度应用为基础，以电力系统为核心，将供气系统、供热系统与电力系统等集成，横向角度实现电力、燃气、供热等一体化多能互补，纵向角度实现源网荷储全环节高度协调与灵活互动、集中化与分布式相互结合的能源网络。不论是单一的电力互联，还是能源领域演变产生的创新商业模式，亦或是互联网思维与技术对能源工业的改造升级，都是多能互补综合能源系统中的不同发展阶段中的应有要素。本质上而言，产业园区综合能源系统的发展是能源与信息不断融合以及互相促进的历程，是一个渐进的发展过程。综合我国能源和信息基础设施及能源市场等方面的现有条件，产业园区综合能源系统演化路线图如图6所示。随着时间推移，产业园区综合能源系统大概可以分为近期、中期和远期3个发展阶段。本质上而言，这3个发展阶段是一个同步发展、相互渗透和逐级递进的过程。3个阶段的发展目标和功能分别阐述如下。
图6产业园区综合能源系统演化路线图
4.1 近期发展目标与功能
近期，第一阶段是产业园区能源自身的互联阶段，以电力系统为中心，多类型能源网络物理上实现互联互通，实现横向角度的多能互补。大力推动产业园区综合能源系统试点和示范工程，因地制宜、积极建设一批不同规模和类型的试点和示范工程，推动综合能源信息基础设施的建设，包括园区综合能源系统智能化能源生产消费基础设施、信息通信基础设施以及多能协同综合能源网络建设。与此同时基本完成机制制度的准备。
4.2 中期发展目标与功能
中期，第二阶段是产业园区综合能源系统能源基础设施和信息基础设施互相促进的阶段，信息引导能量，同时能量实现价值提升。一方面，互联网深度应用促进产业园区综合能源系统产生新的商业模式，形成第三方综合能源服务和能源金融等一批新型业态;在另一方面，分布式能量管理体系形成，信息的高效流动使分散式决策代替了集中式决策的全局系统优化，实现产业园区综合能源系统资源配置的最优。与此同时，产业园区综合能源系统标准体系逐步建立，形成一批关键技术规范和标准。
4.3 远期发展目标与功能
远期，第三阶段是产业园区综合能源系统的能源基础设施和信息基础设施的深度融合，能源生产及消费各环节达到深度自动化、智能化和定制化，能源系统多参与主体之间，并实现灵活协调和互动，产业园区综合能源系统多形态、规模化发展，形成新型综合能源系统产业格局，园区综合能源系统产业体系基本完善，成为经济发展和增长的重要动力。并形成比较完善的产业园区综合能源系统市场机制，建成统一开放的现代能源市场体系;形成开放、共享的产业园区综合能源系统生态新环境，整体能源利用效率明显提高，可再生能源比重占主导地位，公众参与程度大幅度提高，为能源生产和消费革命提供有力支撑。
5、结语
综合能源系统作为将多类型能源生产、存储、传输、消费以及能源市场交易深度融合而衍生的全新能源工业形态，是未来能源互联网的主要物理载体。各类产业园区具备综合能源系统建设的自然资源、空间资源、电网基础和用户资源，成为综合能源服务、业务创新和效益增长的主战场。
本文研究了产业园区综合能源系统形态特征与演化路线这一科学问题，首先分析了产业园区中离散制造业、过程工业和新型研发产业的多元化的综合能源需求以及不同的自然资源优势。考虑综合能源系统因地制宜、统筹开发、互补利用的实施原则，未来产业园区综合能源系统将呈现多元化典型形态，包括冷热电联供分布式能源站、园区光储微网、小水电+分散式风电、园区能源互联主动配电网和多能互补综合能源系统。从本质上看，园区综合能源系统具备多能互补、物理信息深度融合以及源网荷储协调互动的特征内涵。
随着时间推移，产业园区综合能源系统可分为近期、中期和远期3个发展阶段，从能源本身的互联阶段，到能源基础设施和信息基础设施相互促进，再到能源和信息深度融合。这3个发展阶段是一个同步发展、相互渗透和逐级递进的过程。
来源：贵州电网有限责任公司电网规划研究中心 南方电网科学研究 唐学用 赵卓立 李庆生 马溪原 刘金森 赵维兴 张彦
