本文梳理了典型產(chǎn)業(yè)園區(qū)的綜合能源需求，在此基礎(chǔ)上，分析了未來(lái)產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)將呈現(xiàn)若干種形態(tài)特征，包括冷熱電聯(lián)供分布式能源站、園區(qū)光儲(chǔ)微網(wǎng)、小水電+分散式風(fēng)電、園區(qū)能源互聯(lián)主動(dòng)配電網(wǎng)和多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)。然后，對(duì)產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多能互補(bǔ)、物理信息深度融合以及“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)互動(dòng)的特征內(nèi)涵進(jìn)行了剖析。最后，結(jié)合我國(guó)能源和信息基礎(chǔ)設(shè)施及能源市場(chǎng)等方面的現(xiàn)有條件，從近期、中期和遠(yuǎn)期三個(gè)發(fā)展階段探討了產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)演化路線。

作者：唐學(xué)用1，趙卓立2，李慶生1，馬溪原2，劉金森1，趙維興1，張彥1

1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心

2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究

1、產(chǎn)業(yè)園區(qū)用能需求分析

目前國(guó)內(nèi)推行的產(chǎn)業(yè)園區(qū)大多強(qiáng)調(diào)同類產(chǎn)業(yè)的集群效應(yīng)。國(guó)內(nèi)典型產(chǎn)業(yè)園區(qū)重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)包括裝備制造業(yè)、石化精煉、制漿造紙、電力產(chǎn)業(yè)、有色產(chǎn)業(yè)、煙酒產(chǎn)業(yè)、鋼鐵冶金產(chǎn)業(yè)、建材產(chǎn)業(yè)、煤炭產(chǎn)業(yè)、醫(yī)藥、食品加工、旅游商品特色產(chǎn)業(yè)、污水處理以及電子信息、新材料、生物技術(shù)、節(jié)能環(huán)保、新能源等新興產(chǎn)業(yè)。因此，根據(jù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃布局，園區(qū)中產(chǎn)業(yè)大致可歸類為3種類型:離散制造業(yè)、過(guò)程工業(yè)和新興研發(fā)產(chǎn)業(yè)。針對(duì)3種類型產(chǎn)業(yè)綜合能源需求分析如下。

1.1 離散制造業(yè)用能需求分析

離散制造業(yè)主要包括通信設(shè)施、航空航天、電子設(shè)備、機(jī)床、汽車、各類型家電、玩具制造業(yè)以及服裝等產(chǎn)業(yè)類型，其產(chǎn)品大多是由零部件組裝起來(lái)的、具備使用功能的某種物品，消耗的能源以生產(chǎn)加工設(shè)備耗用的動(dòng)力為主，主要消耗電能;但是該類型產(chǎn)業(yè)園區(qū)廠房的采暖和空調(diào)往往占總能耗比例較大。

上述園區(qū)產(chǎn)房用能的特點(diǎn)基本與建筑物終端用能相近，其中，用電耗能占總能耗約14%，采暖空調(diào)和熱水供應(yīng)用能約占80%。在我國(guó)北方地區(qū)，終端用能需求的熱電比約為5.7。在南方地區(qū)，如果同時(shí)采用余熱鍋爐的蒸汽溴化鋰吸收式制冷與電制冷以及低溫余熱供熱水，其用能需求的熱電比將遠(yuǎn)大于3。

1.2 過(guò)程工業(yè)用能需求分析

過(guò)程工業(yè)包括電力、冶金、化工、建材、造紙、食品、醫(yī)藥等工業(yè)類型，其原料和產(chǎn)品一般都是具有特定功能和性質(zhì)的材料或者物料。實(shí)際上，我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，過(guò)程工業(yè)的耗能總量遠(yuǎn)大于離散制造業(yè)耗能總量，而過(guò)程工業(yè)終端用能的構(gòu)成中，用電占總耗能比例較小，其熱電比一般大于3。過(guò)程工業(yè)的用熱需求當(dāng)中，蒸汽一般占比較大，其次為物流加熱。針對(duì)不同的工業(yè)過(guò)程，用熱需求的溫度范圍差異性較大。例如，建材工業(yè)用熱范圍為800～1 000℃，而食品工業(yè)用熱一般在100℃左右;煉油工業(yè)用熱需求范圍較廣，可從100℃到500℃。

工業(yè)用冷需求的溫度范圍也很廣，從乙烯工業(yè)、空氣液化分離過(guò)程約-180℃的深冷需求，到0～20℃左右的一般淺冷需求都有。

與建筑物終端能源需求相比，工業(yè)用能需求更大。工業(yè)用能需求占我國(guó)總能耗40%以上，其熱電比與建筑物終端能源需求相比更大。以煉油工業(yè)為例，包括蒸汽需求和熱需求在內(nèi)的熱電比一般也大于3。

1.3 新興研發(fā)類型產(chǎn)業(yè)用能需求分析

對(duì)于園區(qū)中電子信息、新材料、生物技術(shù)、節(jié)能環(huán)保、新能源等新興研發(fā)類型產(chǎn)業(yè)，使用生產(chǎn)用蒸汽的幾率不大，即使有生產(chǎn)用蒸汽負(fù)荷，蒸汽用戶點(diǎn)也會(huì)很分散，每個(gè)熱用戶的蒸汽用量估計(jì)不會(huì)太大。考慮到生產(chǎn)和輸送蒸汽的經(jīng)濟(jì)性，分散的蒸汽用戶可采取燃?xì)狻㈦姷刃⌒蜔嵩唇鉀Q。

因此，產(chǎn)業(yè)園區(qū)大部分用熱、用冷需求都是可以通過(guò)多能互補(bǔ)集成綜合能源技術(shù)來(lái)生產(chǎn)和提供。園區(qū)多能互補(bǔ)綜合能源供能方式不僅可提高分布式能源轉(zhuǎn)換效率，而且可通過(guò)更高層次上的集成優(yōu)化最終提升能源終端利用效率，從而實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益。

2、產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)典型形態(tài)

綜合能源系統(tǒng)的核心在于能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化。由上述分析可知，各類型產(chǎn)業(yè)園區(qū)呈現(xiàn)電/冷/熱等多元化的用能需求。同時(shí)，由于產(chǎn)業(yè)園區(qū)所在特定的地理位置和復(fù)雜的地形地貌，可導(dǎo)致相應(yīng)氣候和生態(tài)條件復(fù)雜多樣，因而不同區(qū)域的產(chǎn)業(yè)園區(qū)具有不同的自然資源優(yōu)勢(shì)。在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中，不同類型的能源形式扮演不同類型的角色，而主導(dǎo)能源形式也隨之變化。

綜上所述，考慮綜合能源系統(tǒng)因地制宜、統(tǒng)籌開(kāi)發(fā)、互補(bǔ)利用的實(shí)施原則，未來(lái)產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)將呈現(xiàn)若干種典型形態(tài)，分別分析如下。

2.1 冷熱電聯(lián)供分布式能源站

針對(duì)新能源資源匱乏的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，冷熱電聯(lián)供(combined cooling，heating and power，CCHP)分布式能源站是重要的綜合能源利用形態(tài)之一。冷熱電聯(lián)供機(jī)組通過(guò)協(xié)調(diào)優(yōu)化輸出電能與高低品位熱能，以提升天然氣能源利用效率。從本質(zhì)上來(lái)講，冷熱電聯(lián)供機(jī)組和冰蓄冷空調(diào)均為局部的綜合能源系統(tǒng)，也可認(rèn)為是綜合能源系統(tǒng)的雛形。

CCHP分布式能源站通常以小容量、小規(guī)模和分散的方式安裝在客戶端，可以自主運(yùn)行或連接到配電網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)先滿足用戶自己能量需求，通過(guò)冷電、熱電或冷熱電聯(lián)供的方式實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)利用，涵蓋能量生產(chǎn)、控制和存儲(chǔ)的局部能源系統(tǒng)。

綜合供能系統(tǒng)種類繁多，而相應(yīng)的分類方法也多種多樣。驅(qū)動(dòng)綜合供能系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備選型對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能具有舉足輕重的作用，因此根據(jù)動(dòng)力設(shè)備類型對(duì)綜合供能系統(tǒng)進(jìn)行分類是目前最常用的方法。作為由多種能源技術(shù)集成得到的綜合供能系統(tǒng)，其系統(tǒng)的集成形式也是多種多樣的。結(jié)合產(chǎn)業(yè)園區(qū)的實(shí)際情況與需求，按照動(dòng)力設(shè)備類型和冷熱電、熱電、冷電3種聯(lián)供形式進(jìn)行分類，分布式綜合供能的集成方案包括以下類型:燃?xì)廨啓C(jī)/內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力裝置的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)為主蒸汽輪機(jī)為輔的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)/內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力裝置的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)/內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力裝置的冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)以及燃?xì)廨啓C(jī)為主蒸汽輪機(jī)為輔的冷電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

在應(yīng)用過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際的環(huán)境和需求進(jìn)行綜合考慮，選取最適宜的綜合供能系統(tǒng)，取得較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。對(duì)于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，當(dāng)燃料價(jià)格、電價(jià)、冷價(jià)或熱價(jià)浮動(dòng)時(shí)，一般來(lái)說(shuō)，以燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力裝置的冷熱電聯(lián)產(chǎn)和燃?xì)廨啓C(jī)為主蒸汽輪機(jī)為輔的冷熱電聯(lián)產(chǎn)方案經(jīng)濟(jì)效益較好。針對(duì)價(jià)格對(duì)單一方案的影響，一般來(lái)說(shuō):1)對(duì)于冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，電價(jià)變化對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響要大于冷價(jià)及熱價(jià)變化對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響;2)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)若出現(xiàn)棄冷現(xiàn)象，有可能會(huì)致使系統(tǒng)虧損。同時(shí)，棄冷或棄熱越多，冷價(jià)或熱價(jià)變化對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響越小;天然氣消耗量越大，天然氣價(jià)格變化對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響越大。

冷熱電聯(lián)供分布式能源站運(yùn)營(yíng)方式可包括經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行模式、系統(tǒng)高效運(yùn)行模式、以冷定電運(yùn)行模式和以電定冷運(yùn)行模式，在產(chǎn)業(yè)園區(qū)應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇配置。

2.2 園區(qū)光儲(chǔ)微網(wǎng)

工業(yè)園區(qū)占地面積大，具有發(fā)展屋頂分布式光伏的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)部分電負(fù)荷需求比例較大的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，如電子信息、新材料、生物技術(shù)、節(jié)能環(huán)保、新能源等新興研發(fā)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，可充分利用屋頂資源，建設(shè)園區(qū)分布式光伏屋頂，并集成分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，形成園區(qū)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)。

產(chǎn)業(yè)園區(qū)典型光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)的形態(tài)示意圖如圖1所示，微電網(wǎng)系統(tǒng)包含園區(qū)內(nèi)分布式光伏及分布式儲(chǔ)能單元，微電網(wǎng)通過(guò)公共耦合點(diǎn)PCC(point of common coupling，PCC)接入上級(jí)配電網(wǎng)。其中，園區(qū)內(nèi)分布式光伏充分建設(shè)利用園區(qū)屋頂光伏全覆蓋、停車場(chǎng)光伏覆蓋、公交站光伏覆蓋以及電動(dòng)汽車充電站光伏覆蓋，從而最大地提高產(chǎn)業(yè)園區(qū)可再生能源滲透率，實(shí)現(xiàn)屋頂、停車場(chǎng)、公交站、電動(dòng)汽車充電站等太陽(yáng)能光伏充分利用，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)園區(qū)綠色低碳發(fā)展。在園區(qū)光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式中，電網(wǎng)公司與工業(yè)園區(qū)具有充足場(chǎng)地/屋頂資源的工業(yè)用戶簽訂能源管理合同，由電網(wǎng)公司作為分布式光伏和分布式儲(chǔ)能的投資商和運(yùn)營(yíng)商，租用工業(yè)用戶的場(chǎng)地資源建設(shè)和運(yùn)營(yíng)分布式光伏和分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)由電網(wǎng)公司投資，電網(wǎng)公司對(duì)分布式儲(chǔ)能充放電擁有控制權(quán)，考慮到電池儲(chǔ)能除追求自身收益最大化以外，還需要配合完成產(chǎn)業(yè)園區(qū)關(guān)于峰值負(fù)荷削減目標(biāo)。

此外，由于配備儲(chǔ)能系統(tǒng)，當(dāng)計(jì)劃性孤島需求或外部電網(wǎng)故障擾動(dòng)時(shí)，園區(qū)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)可由并網(wǎng)運(yùn)行模式切換至離網(wǎng)運(yùn)行模式，系統(tǒng)不同運(yùn)行模式間可確保平滑切換。園區(qū)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)孤島機(jī)制可有效提高園區(qū)供電可靠性。

圖1產(chǎn)業(yè)園區(qū)典型光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)的形態(tài)示意圖