多能流耦合的关键支撑技术与设备优化方案

1.分布式发电

分布式发电（Distributed Generation，DG）也称分散式发电，一般指将相对小型的发电/储能装置（50MW以下）分散布置在用户（负荷）现场或附近的发电/供能方式。分布式电源（Distributed Generating Source，DGS）包括功率较小的内燃机（Internal Combustion Engines）、微型燃气轮机（Micro-turbines）、可再生能源（如光伏电池和风力发电）等。

微型燃汽轮机是以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型汽轮机。其发电效率可达30%，如实行热电联产，效率可提高到75%以上。微型燃气轮机的特点是体积小、重量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单。它是目前最成熟、最具有商业竞争力的分布式发电电源。

光伏电池是将可再生的太阳能转化成电能的一种发电装置。国外开发的屋顶式光伏电池发电技术已得到广泛的关注。德国最著名的2000户屋顶工程（2000 Roof Project），超过2000户家庭安装了屋顶式光伏发电装置，平均每个分布式发电单元发电量达3kW。虽然光伏电池与常规发电相比，有技术条件的限制，如投资成本高、发电功率的随机性变化等，但由于它利用的是可再生的太阳能，因此其前景依然被看好。

风力发电机组从能量转换角度分成两部分：风力机和发电机。风速作用在风力机的叶片上产生转矩，该转矩驱动轮毂转动，通过齿轮箱高速轴、制动盘和联轴器再与异步发电机转子相连，从而发电运行。它最有希望的应用前景是用于无电网的地区，为边远的农村、牧区和海岛居民提供生活和生产所需的电力。风力发电技术在新能源领域已经比较成熟，经济指标逐渐接近清洁煤发电。

2.能源存储

能源储能设备能够协调集中式及分布式能源生产，在支撑高比例可再生能源发电电网的运行、提高多元能源系统的灵活性和可靠性、为多元能源系统能量管理和路径优化提供支持、提高能源交易的自由度方面具有积极作用。大规模分布式储能设备能够协调集中式能源生产，参与广域能量管理，为能源生产和传输提供“能量缓冲”，维持系统供需平衡。储能与能源转换装置相互配合能够维持系统经济高效运行，能源管理系统根据储能的状态及供需预测信息，结合能源价格信息，对局域网内能源的生产和消耗进行决策，从能源市场购买或卖出能量。区域与用户级能源网中的储能不仅包含实现电能双向转换的设备（如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、电池储能、超级电容器储能、电动汽车等），还应包含其他形式能源的存储设备（包括储热、储气等），通过电储能、储热、储气等储能技术能够实现电网、交通网、天然气网、供热供冷网的“互联”，如图6-3所示。储气技术主要有储气罐储气、地下储气罐储气、管道储气、压缩天然气储气等，而储热技术包括显热存储、相变储热、化学反应热存储等。未来天然气固态储存技术、地下储热技术等新型存储技术将会推动天然气和热能存储的发展。

图6-3 区域与用户级智能能源网中的能量存储和转化技术

3.能源转换设备

智能能源网中不同能源系统之间存在大量能源转换设备，这使得电、气、热等可以在彼此之间产生相互转化；能源转化与存储技术的有机配合可提高能源供给的灵活性、可靠性与经济性^[6]。具体来说，能源转换方式主要有以下3种：电力-天然气之间转化、电力-热能之间转化和天然气-热能之间转化。电力-天然气转化主要体现在以微型燃气轮机和电力转天然气（Power to Gas，P2G）技术为代表的设备，微型燃气轮机将天然气的高品位能量用于发电，低品位能量进行供热供冷。电转气设备在电负荷低谷或可再生能源出力高峰期将多余的电能转化为天然气或氢气，在电力短缺时，将存储的气体转化为电能或热能提供给用户，从而提高了系统对可再生能源的消纳能力，如图6-4所示。热电联产、热泵、电锅炉、浸入式加热器等技术促进了电力系统与热力系统之间的能量转化。在终端用户中，电-热转化组件主要以热水器、空调等温控负荷的形式存在，体现了电热之间能量转换与民众生活息息相关。正处在研究阶段的基于热耦合效应的新型电池是新兴的电-热转化组件，它能利用低温热量进行发电，能够促进电网和热力网络的耦合。燃气锅炉是天然气系统与热力系统的重要转化组件，燃气锅炉通过天然气燃烧释放出的热能，然后通过传热过程把能量传递给水，使水变成水蒸气，直接为生产和生活提供所需的热能。

图6-4 电转气技术应用场景

4.能源传输

能源传输领域关注的重点问题包括提高输送容量、降低输送损耗和增加输送距离等^[7]。但当前电力、热力和天然气传输网络都是封闭运行的，单个能源系统中往往存在着系统单一、能源利用率不高、经济性欠佳等缺点。通过多种能源协同传输，可以克服常规能源的时空差异问题，实现多能源系统的耦合平衡，在能源终端若能以联合输送模式满足用户多样化能源的需求，也能减少由于多级能源转换带来的能耗，更有效地实现节能。

在相关研究中，能源互联器较为成熟，它可以实现电能、化学能和热能在同一装置下进行长距离柔性传输，如图6-5所示。能源互联器是一种联合传输装置，它包含一个中空的电导体，其周围还有天然气等化学物质。该模型建立在大量流体分析、微分方程与偏微分方程的求解，化学、热力、电力、天然气等能源系统传输模型提取归纳的基础上。能源互联器模型与能源集线器模型的有机组合可以构建未来能源网的基本框架。多能源联合传输的主要动机是利用废热回收，提高传输效率。在传输中，电导体中产生的部分热损失由传输介质存储，这种热量可以在线路的末端被回收；气流也起到冷却电导体的作用。与传统的单能源传输线进行比较，能源互联器的优点主要体现在以下几点：①适用于多区域等级、多种能源，有较强通用性；②简化了能源网络和能源终端设施的规划与布局，也为耦合组件的能量来源提供便捷；③提高线路存储能力以及效率，废热得到重新利用。

图6-5 能源互联器模型及其应用场景

5.ICT关键设备

（1）智能电表

智能电表是以微处理器应用和网络通信技术为核心的智能化仪表，具有自动计量/测量、数据处理、双向通信和功能扩展等能力，能够实现双向计量、远程/本地通信、实时数据交互、多种电价计费、远程断/供电、电能质量监测、水/气/热表抄读、与用户互动等功能。以智能电表为基础构建的智能计量系统，能够支持智能电网对负荷管理、分布式电源接入、能源效率、电网调度、电力市场交易和减少排放等方面的要求。智能电表有如下功能：

1）结算和账务。通过智能电表能够实现准确、实时的费用结算信息处理，简化了过去账务处理上的复杂流程。在电力市场环境下，调度人员能更及时、便捷地转换能源零售商，未来甚至能实现全自动切换。同时用户也能获得更加准确、及时的能耗信息和账务信息。(www.xing528.com)

2）电能质量和供电可靠性监控。采用智能电表能实时监测电能质量和供电状况，从而及时、准确地响应用户投诉，并提前采取措施预防电能质量问题的发生。传统的电能质量分析方式在实时性和有效性上都存在差距。

3）负荷分析、建模和预测。智能电表采集的水、气、热能耗数据可以用来进行负荷分析和预测，通过将上述信息与负荷特性、时间变化等进行综合分析，可估算和预测出总的能耗和峰值需求。这些信息将为用户、能源零售商和配网调度人员提供便利，促进合理用电、节能降耗以及优化电网规划和调度等。

4）电力需求侧响应。需求侧响应意味着通过电价来控制用户的负荷及分布式发电。它包括价格控制和负荷直接控制。价格控制大体上包括分时电价、实时电价和紧急峰值电价，来分别满足常规用电、短期用电和高峰时期用电的需求。负荷直接控制则通常由网络调度员根据网络状况通过远程命令来实现负载的接入和断开。

5）能效监控和管理。通过将智能电表提供的能耗信息反馈给用户，能促使用户减少能源消耗或者转换能源利用方式。对于装有分布式发电设备的家庭，还能为用户提供合理的发电和用电方案，实现用户利益的最大化。

6）节能。为用户提供实时能耗数据，促进用户调整用电习惯，并及时发现由设备故障等产生的能源消耗异常情况。在智能电表所提供的技术基础上，电力公司、设备供应商及其他市场参与者可以为用户提供新的产品和服务，例如不同类型的分时网络电价、带回购的电力合同、现货价格电力合同等。

（2）智能传感器

智能能源网结构复杂、分布面广、设备众多，存在各种各样的隐患，需要对这些环节进行持续监测，及时排除影响系统运行的因素才能保障能源网的正常运行。传感器就是实现智能能源网现场信息采集和状态监测、获取运行隐患的必要手段。

随着技术的发展，传统传感器已形成一套成熟的理论和技术，如应变式传感器、电感式传感器和压电式传感器等，在电力系统、工业自动化、石油化工和计算机等领域广泛应用。而一些新型传感技术，如光纤传感器、CCD传感器等，近些年发展较快，多数技术指标优于以前的传感器，又有耐高压、抗电磁干扰等优点，具备广泛的应用前景。

智能传感器的发展趋势有如下特点：

1）智能化。两方面发展方向一同迈进：一个发展方向是各式各样的传感功能与信息数据存储、处理及双向通信等的集成；另一个发展方向是软传感技术，也就是人工智能技术与智能传感器技术的有机融合。

2）可移动化。无线传感网技术的应用越来越快，无线传感网技术的核心在于打破节点资源的束缚，同时有效满足传感器网络容错性、扩展性等需求。

3）集成化。传感器技术集成化可划分成两方面：一方面是相同种类、传感器的集成，一方面是传感器多功能的一体化。

4）多样化。新材料技术的发展为各种新型传感器的诞生创造了有利的契机。其中，新型敏感材料为传感器技术提供了良好的基础，材料技术制备为改善性能、技术升级及成本控制提供了有效途径。

5）微型化。微机电系统传感器是借助微电子和微机械加工技术制造而成的一种新型传感器，伴随集成微电子和机械加工技术的快速发展，微机电系统传感器把半导体加工技术带进传感器研发制备中，以达到规模化生产的目的，同时有效地促进了传感器微型化的发展。

综上，多能流耦合的关键设备见表6-1。

表6-1 多能流耦合的关键技术与设备

（续）