用户侧微能网供能系统的制作方法

本发明属于电网技术领域，具体涉及微电网、综合能源系统技术领域。

背景技术：

我国面临的是新能源和化石能源互补的“能源综合时代”，在新时代能源需求下，我国亟需以新一轮技术革命、产业革命为支点，从以往粗放的发展模式转变为更为集约、可持续的发展模式，建立更加高效、安全与可持续的能源利用模式。分布式能源系统为需要冷、热、电的商业或工业用户以及海岛供电、移动供电提供了有效途径，但是分布式能源系统的能源利用方式为分布式“就地收集，就地存储，就地使用”，难以实现一定区域范围的协调互济。另一方面，在传统能源系统中，供电、供热、供冷等不同能源行业相对封闭，互联程度有限，不同系统孤立规划和运行，不利于能效提高和可再生能源消纳。

微能网它将电力、燃气、供热/供冷等多种能源环节与用户有机结合，通过该系统内多种能源之间的科学调度，实现能源高效利用、满足用户多种能源梯级利用、社会供能安全可靠等目的；同时，通过多种能源系统的有机协调，还有助于消除配供电系统瓶颈，提高各能源设备利用效率；当电力或燃气系统因天气或意外灾害出现中断时，用户侧微能网可利用本地能源实现对重要用户的不间断供能，并为故障后供能系统的快速恢复提供电源支持。目前能源互联主要集中在用户侧，如何通过局部网络构建合理的微能网接入并协调多种能源互联已经成为能源互联网技术的发展方向。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是提供一种用户侧微能网供能系统，协调多种能源互联，实现能源生产、传输、利用全过程的清洁高效、节能环保梯级利用、互补协调和安全优质。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：用户侧微能网供能系统，包括居民社区微能网、商业园区微能网、工业区微能网、农业区微能网，所述居民社区微能网、商业园区微能网、工业区微能网、农业区微能网均包括：

输入单元：与外部电网、市政热网、天然气网连接，其中外部电网作为该微能网的后备电源，市政热网和天然气网分别为该微能网输入热能和天然气，还与其他微能网连接，输入其他微能网的电能与热能；

中间能量生产、转换与存储单元：包括冷、热、电三根母线以及能量转换设备和能量存储设备，其中，冷、热、电三根母线分别汇集相应的能流，并通过相应的能量转换设备实现三种能流之间的相互转换，通过相应的能量存储设备将部分多余能量储存起来；

输出单元：输出冷、热、电供给微能网内用户冷、热、电需求，且多余的电上网或者供给其他微能网，多余的热能供给其他微能网。

优选的，所述居民社区微能网包括用于发电的燃气轮机、光伏发电设备；用于制热的热泵机组、太阳能集热器和燃气锅炉；用于制冷的热水型吸收式空调机组、电制冷机；以及烟气-水热交换器；

(1)夏季工况时，燃气轮机发电后产生的高温烟气，进入烟气-水热交换器，制备出高温热水进入热水型吸收式空调机组，通过吸收式制冷提供冷冻水；热泵机组将空调系统中制冷剂吸收的热量转移给地埋管侧的循环水路，达到制冷目的；不足的冷量则由电制冷机补充；

(2)冬季工况时，燃气轮机发电后产生的高温烟气则直接通过烟气-水热交换器，制备出高温热水，提供采暖热源；热泵机组地埋管侧的循环水路将土壤中存储的热量转移给制冷剂，然后通过制冷剂循环将热量转移给空调侧的循环水路，向室内散热；不足的热量则由燃气锅炉补充。

优选的，所述商业园区微能网包括内燃机冷热电联产设备，所述内燃机冷热电联产设备包括燃气内燃发电机、缸套水换热器、润滑油冷却器；用于发电的光伏发电设备；用于制热的热泵机组、太阳能集热器和燃气锅炉；用于制冷的热水型吸收式空调机组、电制冷机；以及烟气-水热交换器、板式热交换器；

(1)冬季工况时，燃气内燃发电机发电的同时，产生的高温烟气通过烟气-水热交换器，交换出高温热水，与缸套水换热器、润滑油冷却器的冷却水通过板式热交换器制备的热水一起供给热用户；热泵机组地埋管侧的循环水路将土壤中存储的热量转移给制冷剂，然后通过制冷剂循环将热量转移给空调侧的循环水路，向室内散热；不足的热量通过燃气锅炉补充；

(2)夏季工况时，燃气内燃发电机发电产生的烟气余热通过烟气-水热交换器交换出高温热水，与高温缸套水制备出的热水一起进入热水型吸收式空调机组，通过吸收制冷，向用户提供冷冻水；热泵机组将空调系统中制冷剂吸收的热量转移给地埋管侧的循环水路，达到制冷目的；不足的冷量由电制冷机补充；

优选的，所述工业区微能网包括用于发电的光伏发电设备、风力发电设备；用于制热的热泵机组和燃气锅炉，用于换热的汽-水换热器；用于制冷的吸收式空调机组、电制冷机；以及燃气轮机冷热电联产设备，所述燃气轮机冷热电联产设备包括燃气轮机、余热锅炉、汽轮机、蒸汽机和分气缸；

(1)冬季工况时，燃气轮机的高温烟气首先通过余热锅炉制取蒸汽，蒸汽推动汽轮机发电后，排出蒸汽，经分气缸汇集后，分别送往吸收式空调机组进行制冷和汽-水换热器提供热水，或直接送往用汽点供给工业热负荷；热泵机组地埋管侧的循环水路将土壤中存储的热量转移给制冷剂，然后通过制冷剂循环将热量转移给空调侧的循环水路，向室内散热；不足的热量通过燃气锅炉补充；

(2)夏季工况时，燃气轮机与蒸汽轮机联合发电产生的余热蒸汽经分气缸汇集后进入吸收式空调机组，通过吸收制冷，向用户提供冷冻水；热泵机组将空调系统中制冷剂吸收的热量转移给地埋管侧的循环水路，达到制冷目的；不足的冷量由电制冷机补充。

优选的，所述农业区微能网包括用于发电的燃气轮机、光伏发电设备、风力发电设备、生物质发电设备；用于制热的余热直燃机、热泵机组、太阳能集热器和燃气锅炉；用于制冷的电制冷机；

(1)冬季工况时，燃气轮机发电产生的高温余热经余热直燃机进行吸收式制热，满足农业生产热量需求；热泵机组将土壤中的热量转移到室内，达到供暖的目的；当热泵机组和余热直燃机不能满足用户的热能需求时，启用燃气锅炉来补充不足的部分；

(2)夏季工况时，燃气轮机发电产生的高温余热经余热直燃机进行吸收式制冷；热泵机组将室内热量转移至土壤中，实现制冷；当热泵机组和余热直燃机不能满足用户的冷能需求时，启用电制冷机来补充不足的部分。

本发明采用的技术方案，考虑常规能源和多种分布式可再生能源，以能源网络为载体，依托信息通信技术，满足用户多种能源需求的小型能源系统，可以实现能源生产、传输、利用全过程的清洁高效、节能环保梯级利用、互补协调和安全优质。

具体的，具有如下有益效果：

在源端，微能网利用多种能量形式之间的转化以及更为廉价和大容量的热储等技术，可显著提高可再生能源消纳水平，并平抑其波动；

在用户端，可有针对性地满足用户多品位的能量需求，在以用户为中心的前提下有效提高能源综合利用率；

在传输网侧，多能源开放互联网可以减少网络建设，提高系统安全可靠水平。

本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1是微能网典型结构形态示意图。

图2是居民社区微能网供能模式。

图3是商业区微能网供能模式。

图4是工业园区微能网供能模式。

图5是农业园区微能网供能模式。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员可以理解的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

一种用户侧微能网供能系统。其中微能网典型结构形态中包含能量的生产、转换、存储、传输、利用五类能量单元。

1)能量生产单元。其包括各种一次能源和将能源转换为用户所需冷/热/电负荷的设备。能源有传统能源，如煤炭、石油、天然气、水能、木材等；还有分布式可再生能源如，风能、太阳能、水能、生物质能、地热能等非化石能源。能源转换时设备包括风机、光伏、燃气轮机、锅炉等；

2)能量转换单元。能量转换单元通常遵循高品位能向低品位能转换，电、热、冷的能量品味依次降低，所以该单元的输入一般为电和热，输出一般为热和冷，可实现冷/热/电之间转换的设备，包括溴化锂吸收式制冷机、换热器、热泵和电制冷机等；

3)能量存储单元。能量存储单元实现能量跨时段转移并协调网内“源-荷”间不平衡，具有削峰填谷和抑制可再生能源波动的作用，促进供能系统经济高效运行，分为储电、储热和储冷，包括电化学储能和蓄水罐等；

4)能量传输单元。能量传输单元分为电网、热网和天然气网络。通过电网、热网、天然气网等将各个能源站和分散式能源及用户建立互联互通、协同、可靠的能源传输网络。

5)能量利用单元。包括冷、热、电三种负荷。电负荷变化随机性强，且电能以目前技术难以大量储存，系统内电功率必须保持实时平衡；冷、热能以高温蒸汽、空调热水、空调冷水、生活热水等能量形式供给用户，协调满足冷、热负荷变化的过程存在一定的滞后性，供应用户冷、热能时只需保证阶段内总供需平衡。

现阶段在电力规划及电力行业统计中，常把电力负荷分成工业、农业、商业、市政生活等四类典型负荷；根据性质，热负荷可以分为民用和工业用热负荷两大类。参考现有电力负荷热负荷划分标准，基于微能网的结构形态和运行机理，结合用户用能特点，根据能源需求、供能条件、负荷种类进行分类，用户侧微能网主要分为四种供能模式，即居民社区微能网供能模式、商业园区微能网供能模式、工业园区微能网供能模式以及农业园区微能网供能模式。

针对用户侧负荷多样性、能源供能形式繁多、各形式无法连通而造成的能源重复浪费、综合效率低现象，本发明提出了用户侧微能网典型结构形态和供能模式：微能网系统配置在用户侧有助于当地可再生分布式能源的接入和高效利用，当可再生能源发电接入电力系统遭遇系统运行约束问题时，相对于弃风、弃光策略，可将多余电能转化为热能和氢气等形式直接利用或存储，最大限度地利用可再生资源，实现能源的生产过程的清洁环保；微能网中电、气、热等多种能源本身具有互补性，电能易传输不易存储，热能易存储不易传输，通过多种能量转换技术及信息流、能量流交互技术，实现能源资源的开发利用和资源运输网络、能量传输网络之间的相互协调，可以极大提高系统的灵活性和可靠性，为用户提供安全优质的能源服务。

如图1所示，典型微能网由输入侧、输出侧以及中间能量生产、转换与存储环节三部分组成。在输入侧，能源站因地制宜地充分利用当地的风能、太阳能、生物质能和地热能等分布式可再生资源，另一方面，其还可与公用电网、市政热网以及天然气网连接，外部电网作为微能网系统的后备电源，除此之外，输入侧还包括从其他能源站传输来的电能与热能；在输出侧，能源站除了供给周边用户冷、热和电需求，多余的电力还可以上网或者传输给其他能源站，多余的热能也可以供给周边能源站。

在中间的环节，冷、热、电三根母线分别汇集相应的能流，并且可以通过相应的能量转换设备实现三种能流之间的相互转换，同时各母线还分别配备了相应的储能单元，风力与生物质分别经过风机和燃机转化成电能接入电母线，热泵机组消耗电能，利用土壤、空气、水源等热源实现冬天供热夏天制冷，输入的太阳能既可通过太阳能集热器转化成热量又可通过光伏转化成电能，输入的天然气既可通过锅炉转换成热量，又可作为耦合单元冷热电联产系统(cchp)的燃料，生产冷能、电能和热能。

微能网中春秋两季的负荷主要为电能，微能网只提供电能，与电能相关的能量生产、存储、传输单元正常工作，该工况下的系统运行比较简单。综合考虑能源需求、供能条件、负荷种类特性，本发明提出用户侧微能网的四种典型供能模式，即居民社区、商业园区、工业园区以及农业园区，系统运行特性重点关注夏季工况和冬季工况。

1、典型居民社区微能网

典型居民社区的供能单元包含：电网供电、燃机冷热电联产、热泵、太阳能集热器、光伏发电、风力发电等。系统结构图如图2所示。

(1)夏季工况时，燃气轮机发电后产生的高温烟气，进入烟气-水热交换器，制备出高温热水进入热水型吸收式空调机组，通过吸收式制冷提供冷冻水；热泵机组将空调系统中制冷剂吸收的热量转移给地埋管侧的循环水路，达到制冷目的；不足的冷量则由电制冷机补充。如果有生活热水需求，也可分出一个支路，作为生活热水热源。

(2)冬季工况时，高温烟气则直接通过烟气-水热交换器，制备出高温热水，提供采暖热源；热泵机组地埋管侧的循环水路将土壤中存储的热量转移给制冷剂，然后通过制冷剂循环将热量转移给空调侧的循环水路，向室内散热；不足的热量则由燃气锅炉补充。

2、商业园区微能网

商业园区对热和冷负荷的需求一般，对电力需求较高且电价比较高，适合采用以内燃机为核心的联产系统。结合以上特点，典型商业园区供能单元包含：电网供电、内燃机冷热电联产、热泵、光伏发电、太阳能集热器，其系统工艺图如图3所示。

(1)冬季工况时，燃气内燃发电机发电的同时，产生的高温烟气通过烟气-水热交换器，交换出高温热水，与高温缸套水和润滑油冷却水通过板式热交换器制备的热水一起供给热用户；热泵机组地埋管侧的循环水路将土壤中存储的热量转移给制冷剂，然后通过制冷剂循环将热量转移给空调侧的循环水路，向室内散热；不足的热量通过燃气锅炉补充。

(2)夏季工况时，燃气内燃发电机发电产生的烟气余热通过烟气-水热交换器交换出高温热水，与高温缸套水制备出的热水一起进入热水型吸收式空调机组，通过吸收制冷，向用户提供冷冻水；热泵机组将空调系统中制冷剂吸收的热量转移给地埋管侧的循环水路，达到制冷目的；不足的冷量由电制冷机补充。

由于热水型吸收式空调机组cop较低，一般为0.8左右，相对而言，余热制备出的热水如果能直接供给用户，则最好减少通过热水进行吸收式制冷的比例。

3、工业园区微能网

工业区多处于城市边缘，占地面积较大，周围比较空旷并且地价较低，适合安装风机和光伏。目前，内燃机在较小容量的燃气冷热电分布式能源系统中占有一定的优势，而燃气轮机在规模较大的系统中具有吸引力，燃气轮机的功率范围一般在1000～50000kw广泛应用于电力工业、船舶、机车、车辆等领域。燃气轮机和蒸汽轮机联合循环发电，大大提高了系统发电效率，非常适合对用电、蒸汽需求较高的工业园区，除此之外，通过汽-水换热器和蒸汽型吸收式制冷机满足园区内的生活热水负荷和用冷需求。

结合以上特点，典型工业区供能单元包含：电网供电、燃气锅炉、燃气轮机冷热电联产(与蒸汽轮机联合发电)、光伏发电、风力发电等。系统工艺图如图4所示。

(1)冬季工况时，燃气轮机的高温烟气首先通过余热锅炉制取蒸汽，蒸汽推动汽轮机(抽凝机或背压机)发电后，排出蒸汽，经分气缸汇集后，分别送往吸收式空调机组进行制冷和汽水换热装置提供热水，或直接送往用汽点供给工业热负荷；热泵机组地埋管侧的循环水路将土壤中存储的热量转移给制冷剂，然后通过制冷剂循环将热量转移给空调侧的循环水路，向室内散热；不足的热量通过燃气锅炉补充。

(2)夏季工况时，燃气轮机与蒸汽轮机联合发电产生的余热蒸汽经分气缸汇集后进入蒸汽型溴化锂吸收式空调机组，通过吸收制冷，向用户提供冷冻水；热泵机组将空调系统中制冷剂吸收的热量转移给地埋管侧的循环水路，达到制冷目的；不足的冷量由电制冷机补充。

4、农业园区微能网

农业园区内的自然电源较其他园区相比更为丰富，占地面积较大，周围比较空旷并且地价较低，其采取分布式资源进行供能也更具可行性，可以利用的可再生资源包括光伏、风力、水力、生物质能(沼气、木柴)等。

农业园区负荷一般可分为种植农业和养殖农业两大类。养殖农业包括水产养殖和禽类养殖，水产养殖的用电设备主要有循环水系等，禽类养殖的用电设备主要有消毒设备等，种植农业用电设备主要是灌溉水泵等，主要用于田间灌概和收割工程，以白天用电为主。除了电负荷，大棚等种植农业以及禽类的室内养殖通常需要保持温度在一定的范围内，对温度有要求，所以还存在热能需求。

余热吸收式空调机组，在供热工况时，其效率与燃气锅炉或汽水换热器基本相当或略低，基本在90％左右，在供冷工况时，cop可达1.3以上。由于燃气轮机的发电效率低于燃气内燃机，但余热品质较高(只有高温烟气一种形式)，热电比较大，当采用单循环发电，余热进行吸收式制冷供热时，主要适用于冷热负荷较为稳定的场所，像农业园区中种植蔬菜的大棚以及牲畜圈，既保证机组的满负荷运行时间，又能将余热充分利用。

结合以上特点，典型农业区供能单元包含：电网供电、燃气轮机冷热电联产、光伏发电、风力发电、生物质发电、太阳能集热器等。系统工艺图如图5所示。

(1)冬季工况时，燃气轮机发电产生的高温余热经余热直燃机(余热溴化锂吸收式空调机组)进行吸收式制热；热泵机组将土壤中的热量转移到室内，达到供暖的目的；当热泵机组和余热直燃机不能满足用户的热能需求时，启用燃气锅炉来补充不足的部分。

(2)夏季工况时，燃气轮机发电产生的高温余热经余热直燃机进行吸收式制冷；热泵机组将室内热量转移至土壤中，实现制冷；当热泵机组和余热直燃机不能满足用户的冷能需求时，启用电制冷机来补充不足的部分。

本发明提出的用户侧微能网典型结构形态，从能源产生、能源传输网络和能源利用等方面给出了其组成要素和系统特征；通过微能网的四种典型供能模式分析，可以证明微能网能有效提高终端用户的能源利用效率，缓解区域能源供需的矛盾，促进分布式可再生能源就地消纳，保证供能的稳定性和可靠性，达到节能减排的目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。