解决方案：零碳农业园区综合能源服务解决方案

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RURAL ELECTRIFICATION 零碳农业园区综合能源服务解决方案 王建宾 1，胡永朋 2，周忠堂 4，赵 冠 4，吕 辉 3* （1. 国网山东省电力公司，山东 济南 250001; 2. 国家电网有限公司，北京 西城 100031; 3. 南京南瑞信息通信有限公司，江苏 南京 210000; 4. 国网山东省电力公司临沂供电公司， 山东 临沂 276000） 摘要： 在双碳目标和区域高质量发展背景下，园区作为产业集聚发展的核心单元，已经成为推动我国区 域经济高质量发展和区域落实“双碳”战略的重要平台。文章以某国家农业园区的零碳园区综合能源服 务系统为例，结合光伏发电系统相关优化运行策略，介绍了包含园区综合能源系统清洁替代方案、源网 荷储多能互补、能效提升优化、能碳双控智慧能源管理系统的零碳园区综合能源服务解决方案，具有非 常可观的推广意义。 关键词： 双碳目标；零碳园区；综合能源系统；多能互补；建设方案 中图分类号： TM76 Zero Carbon Agricultural Park Integrated Energy Service Solution WANG Jianbin 1, HU Yongpeng 2, ZHOU Zhongtang 4, ZHAO Guan 4, LV Hui 3* (1. State Grid Shandong Electric Power Company, Shandong Jinan 250001, China; 2. State Grid Corporation of China, Beijing Xicheng 100031, China; 3. Nanjing NARI Information Communication Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 210000, China; 4. Linyi Power Supply Company of State Grid Shandong Electric Power Company, Shandong Linyi 276000, China) Abstract: Under the background of dual-carbon goals and regional high-quality development, the park, as the core unit of industrial agglomeration development, has become an important platform for promoting the high-quality development of China's regional economy and regional implementation of the "dual-carbon" strategy. This paper takes the zero-carbon park integrated energy service system of a national agricultural park as an example, combined with the relevant optimization operation strategy of photovoltaic power generation system, this paper introduces the zero-carbon park integrated energy service solution, which includes the clean alternative scheme of the park integrated energy system, the multi-energy complementarity of grid, load and storage, the optimization of energy efficiency improve- ment, and the intelligent energy management system of energy and carbon double control, which has very considerable promotion significance. Keywords: double carbon target; zero carbon park; integrated energy system; multi-functional complementary; construction plan 化石燃料大量使用的背景下，全球变暖和温室 效应日趋显著 [1]。我国积极稳妥推进碳达峰碳中和 [2]。 在“双碳”任务的紧迫性和重要性双重影响下，我 国相关部门先后制定出台了建设循环经济园区、低 碳园区、生态园区、绿色园区等政策文件 [3]。 作为产业集聚发展的核心单元和先进要素高度 集聚、创新活动蓬勃发展的产业活动主要载体，以 产业园区为代表的各类型园区快速发展，已经成为 推动我国工业化、城镇化发展和区域经济高质量发 展的重要平台 [4]。园区通过自身的质量变革、效率 变革和动力变革，率先实现零碳化，树立发展标杆， 对于区域落实“双碳”战略，实现高质量发展具有 重要的意义 [5]。 综合能源系统（integrated energy system，IES） 作为将多种类型的能源系统在不同环节、不同时空 尺度进行耦合而组成的综合能源系统 [6-7]，是促进碳 减排的重要方式。本文以某国家农业园区的零碳园 区综合能源服务系统为例，从园区综合能源系统清 洁替代方案、源网荷储多能互补、能效提升优化、 能碳双控智慧能源管理系统 4 个方面，介绍农业园 区碳中和智慧用能系统，为碳中和零碳园区建设提 收稿日期： 2022-11-28 DOI:10.13882/j.cnki.ncdqh.2023.01.016 60 2023 年第 1 期 总第 428 期 RURAL ELECTRIFICATION 供示范与参考。 1 面向碳中和的零碳园区建设框架 围绕国家“双碳”战略与国家电网有限公司 “一体四翼”发展布局要求，结合代村项目“区位 优势明显、功能要素齐全、资源禀赋优越”的突出 特点，因地制宜推进零碳园区新型电力系统建设， 构建以新能源为主体的新型电力系统，以能源、办 公、农业、养殖、餐饮等多场景的零碳园区数据体 系建设，助力实现“双碳”目标落地，零碳园区建 设整体思路框架图如图 1 所示。 零碳园区以优化能源结构、动态平衡碳能、推 动产业转型升级、更新硬件设施、提升精细化管理 水平为建设路径。通过物联网、区块链等技术实现 能源综合管控平台和碳排放检测平台对分布式智能 终端实现动态监测，并通过人工智能和大数据运算 等智能计算技术进行趋势预测和对比分析，从而实 现智能决策并实行优化策略。 2 园区综合能源系统清洁替代方案 2.1 可再生能源建设 根据园区所处地区的可再生能源资源禀赋情况， 设计接入光伏发电系统和风力发电系统，以并网光 伏发电系统为主要能源来源。 光伏发电系统主要建设于园区酒店主楼及配楼 房顶、农展馆屋顶、食品加工厂屋顶，年发电量可 达约 2201.2 kWh。 安装部分风力发电机，风力发电系统不上网， 供园区负荷自用。 2.2 电气化清洁电能替代 园区电气化清洁电能替代主要包括交通工具电 气化和全电厨房改造 [8]。对园区小火车、观光游览 车、工作人员通勤车、农产品运输车等交通工具进 行电气化改造，实现交通工具全电化。 针对酒店、老街餐饮企业和沿街商户大部分用 天然气、液化气专控，采用全电厨房设备“以电代 气”，具有无明火、智能稳定、无泄漏风险，同时 替代的电能全部来源于可再生清洁能源，减少 CO2 排放。 3 园区源网荷储多能互补建设方案 为尽可能的就地消纳分布式风光资源，实现园 区实时碳中和，同时提高电网友好互动能力，建设 建设源网荷储多能互补系统 [9]。 3.1 电储能系统建设 通过引入电储能系统，将光伏发电所产生的间 歇性、随机性能量超出的负荷储存起来，在负荷增 加时，释放到变压器输出侧，一方面平滑园区负荷 曲线，实现对大电网网的友好负荷；另一方面，降 低用户的用电成本，实现最大收益。 主要建设方案：储能变流器与电池包、BMS 系 统、消防系统均采用模块化设计，集成于标准储能 柜内，与拟并网的变压器输出侧接入。每个储能柜 的数据均通过 5G 网络与动态能量管理器相连，接 入云端能量管理系统。储能变流器采用模块化设计， 具备离网、并网及整流模式，并可在 3 种模式之间 智能切换，同时兼备无功补偿及谐波补偿功能，采 用先进控制算法实现多机并联，具备优良的负载适 性和电网适应性。 电储能控制策略如图 2 所示，储能系统根据负 荷曲线、园区用电成本、天气情况等进行详细的优 化控制，主要分为日前调度与日内滚动调度两阶段。 建筑 应用层 碳排放监测 能源综合管控 生产 制造 碳汇 能源 分析 对比 趋势 预测 调度 管理 能耗 优化 动态 监测 智能 决策 支撑层 物理层 智能计算 智能存储 智能网络 智能终端 能力开 发平台 数据集成 智能数据 使用引擎 数据运 营平台 云计算 大数据 区块链 人工智能 物联网 ...... 应用开发 优化策略 能耗预测 零碳专题库 零碳主题库 通用计算 弹性计算 边缘计算 网络存储 归档存储 数据备份 低碳网络 无线网络 传感设备 视频监控 数据采集与 传输设备 4G/5G 图 1 零碳园区建设整体思路框架图 2023 年第 1 期 总第 428 期 61 RURAL ELECTRIFICATION 日前调度 [10]：根据日前负荷曲线及天气预报， 以园区用户用电成本最小、园区净负荷曲线尽量平 缓为目标，综合考虑需量防守、储能充放约束、充 放效率、能量约束、网络拓扑约束等，建立日前储 能充放电优化模型，通过二次规划方法，获取日前 储能最优充放电策略。 日内滚动调度 [11]：考虑日前负荷及光伏出力预 测误差及其随机波动特征，以需量防守为约束，基 于模型预测控制技术，对储能充放功率进行实时追 踪控制。 根据具体负荷情况，各储能柜配置在相应变压 器输出侧，通过联络线和云端能量管理系统，实现 区域协同。在每台变压器输出侧安装低压线路智能 监控终端，根据典型工作日负荷曲线情况，由动态 能量控制器来进行日前优化调度和日中实时滚动控 制的储能柜的充放电工作策略，实现平滑负荷和用 户最优用电效益。 3.2 蓄热系统建设 由于电储能设备前期投资较大，且园区玻璃温 室大棚以及部分景区存在一定的用热需求，为提高 园区储能系统经济性和最大化利用光伏发电，同时 满足园区生产车间的用热需求，拟采用固体电蓄能 机组进行蓄热，利用峰、谷、平电价差，在低谷电 时段直接蓄热 [12]，利用电加热将蓄热体加热到 750 °C 储存起来，并以热能形式储存在蓄热体器内供白天 峰或平电时段使用，满足供暖需热量，以达到完全 避峰、平电时段的用电量，削峰填谷，大大减少运 行费用的目的。 蓄热系统采用 PLC 控制系统 [13]，可提供本地和 异地监控，具有手动、自动、远程控制功能，具有 良好的人机界面，输出报表内容全面。控制系统智 能化管理，可分时段运行模式，每天可设定多个时 段，依次定时自动运行，每个时段可分别设置不同 的运行温度，并可实现气候补偿控制，实现分时段 按需供暖。具有通用的 485 接口，可以实现楼宇自 控等多种控制方式。 3.3 智慧充电桩建设 为实现绿色出行从而减少园区碳排放，丰富园 区直流元素，在园区内建设电动汽车智慧直流充电桩。 智慧直流充电桩接入方式如图 3 所示，通过网 联模块与充电桩控制器等关键元器件配合，实现充 电桩安全接入、用户充电鉴权、电量实时采集、负 荷监测、启动停止控制以及各类异常告警上送等功 能。根据需要，网联模块可安装在充电桩内部，也 可安装在充电桩外部。 上级平台 网联模块 主控单元 充电桩 充电桩 充电桩 充电桩 充电桩/群控 系统 充电桩/群控 系统 CAN BUS CAN BUS RS485/UART/ CAN RS485/ CAN ... ... 主控单元 主控单元 主控单元 主控单元 主控单元 网联模块 网联模块 网联 模块 4G 4G 4G 图 3 智慧充电桩接入方式 综合历史负荷、用户数据、配变容量、充电需 求等信息，形成电动汽车智慧充电桩有序充电控制 策略，如图 4 所示，当充电服务运营平台下发的有 序充电控制策略后，可实现输出功率的实时调节和 控制。当智慧直流充电桩处于正常状态时，能源控 制器接受到充电计划后，通过向能源路由器下发充 电功率设定值，最终通过 PWM 控制车辆充电功率； 当智慧直流充电桩处于配变运行越限时，能源控制 器在感知到配变越限状态后，立即在既有充电计划 基础上进行越限紧急控制。 3.3.1 充电模式 根据用户用车需求，设计有序充电的控制策略， 将用户主要分为“时间优先型用户”和“费用优先 型用户”两部分，为其提供“尽快充”和“低费充” p O t 削峰 分布式电源 燃气轮机 储能电池单元 基线负荷 可控负荷 交流母线 充放 电机 大电网 光伏 逆变器 光伏阵列 DC/AC AC/DC/AC DC/AC DC/AC DC/AC DC/AC 光伏阵列 ... “削峰” “消纳” 消纳 原负荷 曲线 DER并网后 负荷曲线 填谷 优化 目标 优化 手段 调度 对象 考虑效率指标最大化、费用指标最小化及 多目标综合性能指标最优的多场景运行非 线性优化算法、云端与本地协同计算 分布式光伏大棚 储能 空气源热泵 实时电价 储能充放电功率 优化调度 光伏最大化消纳 可控资源 优化 图 2 电储能控制策略示意图 62 2023 年第 1 期 总第 428 期 RURAL ELECTRIFICATION 两类有序充电模式。 3.3.2 管理策略 事件即时调度：当充电用户发起充电请求时， 对其进行充电计划的预调度编排，审核充电请求的 合理性和有效性。 周期滚动调度：在有序充电过程中，根据电网 实时运行状况、负荷预测以及用户订单执行偏差， 周期滚动进行充电调度计划的编排。 3.3.3 控制策略 在充电桩台区配变充电容量不足、上级电网紧 急负荷控制请求等条件下，需要进行对充电负荷进 行在线调度控制。 3.4 低压柔直多台区用能互济建设 为实现各个台区之间的功率互济，优化用能水 平，在选择分布式电源配置与负荷特性具有互补特 性的临近台区，建设如图 5 所示的低压柔性直流配 电系统进行台区低压侧互联。 主要建设方案如下：在各台区低压侧分别建 设部署低压柔性直流配电换流阀，各个换流阀之间 通过直流母线互联，从而形成台区之间的低压柔性 互联。就地部署能源控制器，将各台区负荷数据、 分布式电源的运行数据以及低压柔性直流用电系 统的运行监控数据通过 HPLC 方式在能源控制器进 行汇总，控制器根据各台区负荷水平、光伏出力、 生产控制大区 信息内网 信息外网 调度控制系统 云端有序充电 (内网) 云端有序充电 (外网) 订单处理 请求 充电 计划 充电桩 运行状态 配变 运行状态 设点 指令 订单 计划 运行状态 申请 反馈 充电 请求 预决策 集合 交易 调度决策 协同 控制 配网运行信息 采集与控制 配电管理系统 (DMS) 配电网 配变N 能源控制器N 能源控制器2 能源控制器1 能源路由器1 能源路由器2 能源路由器N 配变2 配变1 云 端 平 台 区 充 电 现 场 区 图 4 智慧充电桩有序充电基本架构图 用能优化平台 (用采系统) 安全接入 安全接入 主站 10 kV 10 kV 4G/5G 4G/5G 380 V 380 V 台区1 台区2 功率流 信息流 能源控制器 能源控制器 低压柔直系统 柔直换流阀 柔直换流阀 低压柔直母线 储能系统 双向充放电桩 逆变器 电动汽车 薄膜光伏车棚 HPLC/无线 HPLC/无线 PCS 台区端 用户端 智能电表 居民电表 智能电表 居民电表 逆变器 光伏组件 台区其他负荷 台区其他负荷 图 5 低压柔直多台区用能互济技术框架图 2023 年第 1 期 总第 428 期 63 RURAL ELECTRIFICATION 其他负荷需求以及储能系统的 SOC 对低压柔性配电 系统进行调度控制，进行各个台区之间的功率 互济。 4 园区能效优化提升建设方案 为实现用电用能的综合监控和管理，满足园区 用户用电用能需求，提高园区能源利用率和可靠性， 通过空调热泵用能优化、5G+配电自动化监控运维 升级、5G+光伏智慧运维实现园区能效优化提升。 4.1 空调热泵用能优化 目前园区内农业大棚使用大量的空气源热泵供 冷、供热。酒店及办公大楼都使用多联机系统进行 供冷供热，普遍存在着能效地下，用能管理粗放等 问题。通过在部署能源控制器，对所有的底层感知 设备进行信息采集、数据诊断、策略生成和下发， 实现供能侧的能源协同优化以及以公共用能设备的 用能侧负荷控制，构建“以电能为核心”的电、气、 热、冷终端一体化综合能源供应体系。通过“多能 服务应用”入口，用户可以查询用能信息、参与电 力需求响应等智慧用能服务，设备厂商可以获取设 备运行状态、质量情况、市场份额等商业信息，电 网公司可获知用户用能情况，掌握用户侧可调负荷 数据，实现用户侧需求响应，平抑电网峰谷差。 主要控制策略如下： 在多联机空调机组外机上安装专用通信板卡， 用于采集多联机空调机组运行的相关数据和控制多 联机的启停，通过 485 通信线、无线 LoRa 或 TCP/ IP 方式将数据上传综合能源管理平台。 建设一套空气源热泵系统，在空气源热泵机组 控制箱安装专用通信网关，用于采集制冷机组运行 的相关数据并提供通信接口，在空气源热泵机组管 路上安装冷热量表、压力变送器做数据采集，通过 485 通信线、无线 LoRa 或 TCP/IP 方式将数据上传 综合能源管理平台。 由综合能源管理平台根据用户实际需求和环境 状况进行智能化策略分析，自动帮助用户选择最节 能、效率最高的运行模式。 4.2 园区电能监管系统建设 为提高对配电网的运行管理水平及供电可靠性， 实现用电的综合监控和管理，满足园区内精密设备 的高质量供电要求，建立如图 6 所示园区电能监管系统。 园区配电自动化系统通过部署电力专用 UPF， 建立电力生产控制大区端到端切片，实现业务安全