国网上海综能窦真兰：基于能源舱灵活供能的综合能源系统关键技术及应用

灵活供能的能源舱通过模块化集成供能、储能、能源转换等设备，以电能的高速转换控制为核心，通过对风、光、天然气等能源的多能互补优化、能效管理，为用户提供经济、可靠、高效、灵活、低碳的冷、热、电、气等一体化综合能源服务，从根本上解决了用能负荷时空不平衡、设备众多集成度差、区域能源互济性差、综合能效低、缺乏统一运维管理系统等问题。能源舱具有清洁低碳、灵活高效快速供能的特点，尤其适用于供能设备缺乏集中统一运维管理系统的各类型园区（如以办公区为主、商业区为主以及办公、商业混合的各类小型产业园区、小型科技园区、小型工业园区、小型酒店、观光休闲园区、高速公路服务区、数据中心、寄宿制中学等）。目前，上海已经在浦东新区开展了具体的示范应用。

——国网上海综合能源服务有限公司技术总监窦真兰博士

2023年3月23-24日，北极星电力网在上海举办“2023第五届综合能源服务产业创新发展大会”，邀请资深电力行业专家、学者及企业代表，解读最新的行业发展现状及趋势、分享优秀的服务案例及经验、展示创新的技术及方案。会议中，国网上海综合能源服务有限公司技术总监窦真兰博士主题演讲《基于能源舱灵活供能的综合能源系统关键技术及应用》。以下为北极星电力网提炼精彩内容：

窦真兰：今天我将从基于能源舱灵活供能的综合能源系统的背景、关键技术和具体应用等方面跟大家分享。

一、背景介绍

应对新型电力系统和新型能源体系建设的新挑战，灵活性能力建设是至关重要的关键技术。提升灵活资源的比重、电力系统的互通、互济能力和构建多能转换的综合能源系统可以弥补可再生能源功率波动大、电力电量不确定的问题。因此，综合能源技术是解决灵活性建设的一个关键手段。

推动用户侧多能互补综合能源系统建设一方面可以提升灵活性资源接入，实现用户侧资源灵活调度；另一方面通过实现设备层高速控制和终端层协同优化可以满足用户多种形式用能需求；最终形成多种供能网络耦合互联的用户侧产消一体化供能体系。

针对园区级综合能源系统的应用现状，园区级用户侧供能存在：用能负荷时空不平衡；设备众多集成度差；区域能源互济性差，综合能效低；缺乏统一运维管理系统等问题。因此，我们提出了基于能源舱灵活供能的综合能源技术，通过模块化集成供能、储能、能源转换等设备，通过统一的多能互补与能效管理，为用户提供冷热电气一体化综合能源服务。

二、关键技术

基于能源舱灵活供能的综合能源系统共有5个关键技术。

第一个关键技术是能源舱多能转换模块化设计与标准接口设计。首先针对独立供能舱也就是能源舱标准模块建立模型库，在此基础上利用控制层多能优化策略叠加设备层动态转换模型构建多能耦合能源舱模型。针对能源舱不同能源类型的供用能、传输及舱间的能量接口与信息接口开展标准化设计，满足模块化组合设计要求。

目前独立供能能源舱主要有热泵能源舱、燃机发电能源舱、高温蒸汽能源舱、氢电能源舱、蓄电池能源舱和蓄热能源舱。

热泵能源舱是空气源热泵和水源热泵通过缓冲水箱有机耦合形成的一套综合供暖系统，运行时空气源作为一级热源从空气中吸收热量，吸收分层缓冲水箱内低温热水的热量，经过二级压缩为末端提供高达60-80℃热水。一级空气源热泵和二级水源热泵通过分层缓冲水箱耦合运行，实现热泵的“双级压缩”，突破空气源热泵行业严寒工况下高温供暖的技术难题，提高了系统整个冬季的供热能力、供热稳定性和系统能效，也可通过工业余热、热电联供余热耦合二级水源热泵满足余热回收和梯级利用。

燃机发电能源舱包括发电机组发电、溴化锂制冷，余热回收系统制热三部分，通过发电机组的高温蒸汽进行余热回收后提供高温蒸汽或者热水。余热经过溴化锂制冷机组蒸发器进行蒸发冷凝为用户提供冷负荷。具有连续运行、低排放、耐久度高、高可靠性、经济效益突出的特点。可依据不同容量做针对性设计，经过成熟的研发和严格的检测，能够满足不同需求。发电效率可达45%，一次能源利用率达到85%，设备投资相对较小，回收期短。

高温蒸汽能源舱包括三个单元：蓄热单元、高温水源热泵微压蒸汽单元、水蒸气压缩单元。配置1套高温水源热泵蒸汽供应系统，提供180℃蒸汽，压力值可选,高复叠式热泵机组将水加热至120℃，负压闪蒸罐提供微压蒸汽，水蒸汽压缩单元将120℃微压蒸气温度提升至180℃。系统简单、安装方便，负压或者微压运行，降低安全风险，COP能效最高可达2.4。

氢电能源舱主要集成了7-50kW的燃料电池联供系统，可应用在天然气和氢气多种燃料供应的小型餐厅、超市、小型商铺、小微企业的供暖和供电，通过多模块集成可以在针对50kW-500kW工业企业、医院开展分布式发电混合供能，并可用于建设分布式发电站，应用范围广，能够在供热、供电同时实现减碳。

蓄电池能源舱以储能、光伏为能源主体，以电力电子为灵活并网接口，以先进通信技术为手段，以协调控制与能量优化为核心，采用模块化设计50kW/50kWh~500kW/1MWh容量系列台区用分布式储能能源舱。

蓄热能源舱将固体蓄热物质加热并将能源存储，在供电高峰期停止加热，将储存的热能持续向采暖系统或者生活热水系统工业用蒸汽系统释放，设备可不间断蓄热并提供热能。利用电网分时电价的低谷时段廉价电能和风力发电、太阳能发电等清洁能源。

多能互补能源舱通过集成多种类型能源转换、能源储存设备，从而达到集成优化、多能互补的效果。主要包括：1）光电热能源舱；2）气电热能源舱；3） 热电能源舱；4）氢电热能源舱。

光电热能源舱是将光伏设备和储能电池通过电力电子变换装置集成在多能变换能源舱电能区。热冷区集成电辅热、太阳能集热器设备和储热水箱，预留吸收式制冷机供冷或空气源热泵接口，可以为用户提供生活热水和供暖。

气电热能源舱以天然气为原料灵活集成微燃机和燃气锅炉，进入微燃机燃烧产生的机械能驱动发电机输出交流电，电能通过气电互补控制器与储能电池实现ms级电能响应。

热电能源舱利用工业余热，高温余热通过蒸汽热泵经过负压闪蒸和压缩产生高温蒸汽，低温余热通过水源热泵产生热水提供生活供水和供暖，灵活组合光伏发电和储能电池实现ms级电能响应。

氢电热能源舱利用氢气或者输氢管道通过燃料电池发电和储能电池经过电能变换器提供负荷供电，电能变换器控制燃料电池发电并网，降低对电网的谐波冲击。通过水源热泵产生热水提供生活供水和供暖，灵活组合光伏发电和储能电池实现ms级电能响应。

第二个关键技术是适用多种场景的能源舱优化配置与灵活组合集成方法。

首先基于小型园区多种用能场景下的用户海量数据进行特征提取分析，明确小型园区典型用户构成以及差异化需求。进一步从电、热、气多能生产、存储、转换功能角度出发划分多类型能源舱，进行多类型能源舱舱架构设计，并针对小型园区需求进行多类型能源舱舱间组合设计。最终形成适应多场景的小型园区能源舱优化配置方法，实现多种类型能源舱高效集成、低碳运行与多种能源灵活供应。

第三个关键技术是灵活组合能源舱多能协同优化调控技术。

能源舱内中电、气、热、冷等多种能源耦合关系紧密复杂，且不同类型能源设备的工作模式、调控特性各异，此外还面临着运行环境复杂多变的问题。如何统筹考虑能源舱涉网互动、电碳耦合、协同响应的目标，构建基于“集中协同，分布自治”的优化调控架构，提出能量交互耦合、组合形式灵活多样的多能源舱分区分层协同优化调控方法，从而实现考虑电碳约束的单能源舱自治优化运行与多能源舱协同优化运行。

灵活组合能源舱的多能互补协同响应模式主要有以电补热、以电补冷、以气补热等。对于单能源舱自治优化运行，主要考虑了源荷多重不确定性以及能源设备的变工况运行特性。

对于单能源舱自治优化运行，主要考虑了源荷多重不确定性以及能源设备的变工况运行特性。由于可再生能源受天气影响较大，预测精度相对较低，采用分布鲁棒优化处理源侧的不确定性；负荷波动具有较强的规律性，预测的精度较高，采用随机优化处理负荷侧的不确定性；

考虑到能源设备的效率会随负载率、温度、气压等的不同有所变化，如果参照传统方法将效率设置为额定值会使系统能量转换发生偏移，导致用能偏差，为此，通过多项式拟合各设备的效率与输出功率之间的关系，构造了设备的变工况特性方程。在上述基础上，针对不同的应用场景，结合优化目标以及约束条件，建立了计及多重不确定性和设备变工况特性的能源舱优化调控模型。

基于“集中协同、分布自治”原则，将整个优化过程分为园区层、能源舱层两层。其中，园区层以最小化园区综合成本为目标，结合各能源舱的供能能力范围以及园区负荷曲线，优化得到各能源舱的外网购能值、能源舱间的能量交互值、以及能源舱的总产能值。能源舱层根据园区层下发的总产能值，结合舱内设备运行状态，优化得到各设备的最优出力，来满足用户的负荷需求。

第四个关键技术是基于数据驱动的能源舱主动运维技术。

安全稳定性是能源舱运行与能量管理需要考虑的重要环节，能源舱内部多种能流的深度耦合交互，局部的波动或故障会通过能源枢纽在不同能流网络间传递，使得能源舱故障模式复杂多变，对能源舱安全稳定运行产生影响。且能源舱之间也存在能流的传输与转换，单个能源舱的异常或故障也会对其他能源舱产生影响。

传统N-1安全性评估技术，难以描述评估能源舱系统异常后引发的连锁性故障。本项目通过建立能源舱系统连锁故障描述模型，模拟连锁故障发展过程及规律，计算各设备灵活调节能力，并进行安全评估与多舱协同的应急预案设计及仿真验证；在此基础上，开发云舱协同运维管理系统，实现安全预案设计执行。

具体地说，是采集、筛选、处理能源舱及管网的运行数据，选取关键测点，采用偏差抽样加证据理论的方法时间序列数据进行分析，以实现系统安全诊断及故障分析。其次，建立N-1连锁故障模型，通过故障模拟及仿真验证等手段，实现能源舱故障状态下的预案设计。

第五个关键技术是典型场景能源舱灵活组合供能系统实证。

首先针对适用于能源舱广泛应用场景的能源舱性能及其调控、运维系统的数字仿真与试验测试联合检测方法难点，采用数字仿真与试验测试相结合的测试方法，建立系统评价指标体系与测试规范，开展现场检测分析，获取运行测试数据；然后基于仿真平台建立示范工程仿真场景，采用动态仿真技术实现系统运行、优化策略等系统及装置的仿真检测，获取仿真结果；仿真数据与示范工程测试数据交互验证，互为支撑。

关于系统评价指标体系的建立，针对不同评价对象建立了不同的评价指标体系，由两级指标构成。对于模块化能源舱的评价，一级指标有安全性、可靠性、经济性、环保性、技术性，安全性用供热安全性、供气安全性等二级指标来描述，其他一级指标也有各自的二级指标。对于集中调控系统的评价，一级指标有经济性、准确性、快速性、环保性；对于能源舱无人值守、主动运维系统，一级指标有可靠性、准确性、快速性。

综合能源仿真平台主要由综合能源数字仿真机柜、仿真管理主机及显示器、物理模拟试验平台三个部分组成。搭建典型仿真场景时，需要基于上述平台进行系统拓补构建、模型参数配置、调控策略设置三个流程。

三、场景应用

能源舱具有清洁低碳、灵活高效快速供能的特点，因此它特别适合用于诸如酒店医院、高速服务区、学校、产业园等小型园区这类需要灵活配置、快速组合供能的场景。目前，已建立了办公楼宇、企业园区、企业区域三个典型仿真场景。

办公楼宇典型仿真场景选取某客服大厦办公楼宇，其中包括热泵供热/供冷能源舱，用以供应生活热水与新风机供热交换机的热负荷，以及空调和相应配套设施的冷负荷，除此之外含包含有照明负荷、动力负荷等电负荷。

企业园区典型仿真场景选取某企业园区能源中心，该能源中心主要为企业总部办公楼及附属商业服务，其中包括燃机发电能源舱、高温蒸汽能源舱、蓄电池能源舱和蓄热能源舱，满足该地区冷、热、点负荷需求。

城镇区域典型仿真场景包括商业、学校、医院、小区四个能源站部分，其中包括燃机发电能源舱、热泵供冷/供热能源舱、蓄电池能源舱和蓄热能源舱，用以满足该区域冷、热、电、气负荷需求。

目前，我们已经开展示范应用。示范区能源中心设计总供能面积为1500平米，能源舱占地面积约500平米。示范项目通过一个智慧大脑平台优化管控，7种能源舱，形成微热网、微电网、热水网3种供能网络，充分挖掘综合能源的增值服务。项目的七种能源舱包括：地源热能源舱、水蓄热能源舱、热水源能源舱、电能变能源舱、微电网能源舱、生物质能源舱、氢能源舱。

示范工程的效果图和现场图如图所示。示范工程通过基于能源舱灵活供能的综合能源技术有效降低建筑物能源需求并提高建筑物能源利用效率，并在技术经济条件合理的前提下通过可再生能源的利用来最终降低建筑物的实际能耗，并以全生命周期内能耗和碳排放的视角，兼顾节水、节地、节材和生态环保的原则要求，实现建筑物的低碳设计、建设、运行与回收。

以上是我今天的分享，请大家批评指正，谢谢。