赵林坤，雷 鸣，伍济开，谭炜东，杨松坤

（1.国网湖南省电力有限公司 长沙供电分公司，湖南 长沙 410000；2.天地电研（北京）科技有限公司，北京 100083）

0 引 言

为了应对化石能源的枯竭、温室效应以及环境污染等威胁人类可持续发展的问题，必须改变现有的粗放式和不可持续的能源生产与消费模式。电网作为能源革命的基础性平台，未来将发展成大规模新能源电力输送和分配的智能电网，并将成为能源、电力以及信息综合服务体系的支撑平台[1]。基于这个需求，以电力系统为核心的能源互联网应运而生。

能源互联网作为能源系统的新一步革新，将分布式能量转化、存储装置以及各类型负荷构成的冷、热、电以及气等能源节点连接起来，可以实现多种能量的双向互补与集成优化[2]。国内外对于能源互联网的研究众多，其中能源枢纽的概念极为重要。能源枢纽作为能源转换单元，可以为多种能源和负荷提供接口，并通过管理能源的供应与消费关系，实现多种能源的综合利用[3]。在该概念的基础上，研究人员综合分析多能互补系统的运行与调度问题，逐步实现了系统中多种元件的统一建模，并提出了众多调度方法和手段[4-6]。同时，众多示范项目也相继开展。例如，德国开展了Smart Watts项目和E-Energy项目，实现了能量流、信息流以及资金流的高度融合[7]。美国能源部在2001年提出了综合能源系统（Integrated Energy System，IES）发展计划，重点是促进对分布式能源（Distributed Energy Resources，DER）和冷热电联供（Combined Cooling，Heating and Power，CCHP）技术的推广应用。国内近年来也开展了众多示范项目，如北京市延庆县的“城市能源互联网”综合示范工程、雄安新区的多能互补工程以及张家口的张北风光热储输多能互补示范工程等。示范工程均实现了区域内的多能互补和可再生能源的综合利用，有效提升了能源的利用效率[8-10]。

在能源互联网模式下，传统的能源系统将转化为综合能源系统。传统能源供应商也将向综合能源服务商转型，并通过综合能源服务的形式，向用户提供绿色清洁能源供应、生产技术解决方案以及综合能源增值服务，并向城市清洁金融服务和交易服务等方面延伸[11,12]。文献[13]从综合能源服务商、服务内容、商业模式以及支撑技术4个方面介绍了园区综合能源服务。此外，绝大多数研究集中在服务商风险规避和需求响应调控策略问题，并已构建了多种目标、多种条件以及多种运营模式下的能源购置策略[14,15]。

目前，国内综合能源服务仍处于起步阶段，综合能源服务平台建设是现阶段的主要任务。服务商的主要工作是结合用户用能特征设计服务方案，并计算用户通过综合能源服务获得收益。但是，综合能源服务方案配置方法却鲜有报道。基于此，本文将结合工业园区的用能特征，提出贴合工程实际的工业园区综合能源服务方案配置方法，指导综合能源服务业务的开展。

1 工业园区企业特征分类

工业园区内企业众多。由于产品种类各不相同，因此工业用户具有产业结构多样、工作班制多样、能源需求多样、厂区环境多样以及用能结构多样等特征。本文作者通过实地走访多个企业，分析企业用能特征和需求，将工业园区企业分为4类，并总结这4类企业的特征。

1.1 多屋顶、轻负荷型企业

该特征类型企业为工业园区数量最多的一类用户。其用能形式比较单一，主要用能形式为电能。每年用电量在1×106～5×106kW·h，用电量适中。除电能以外，仅使用极少量燃气，一般用于企业食堂。企业生产中冷热需求较少，夏季制冷主要为满足车间和宿舍降温，冬季少量供热需求也限于办公区和宿舍，冷热几乎都由空调设备提供。企业占地面积大，车间屋顶面积大，厂区内一般建有大面积车间厂房，并相对应的存在大面积的屋顶。此外，工作班制灵活，按照订单需求灵活使用一班制或两班制的工作班制，三班制的使用时间较少。

1.2 高耗能、低能效型企业

该特征类型企业的年用电量和用气量巨大。企业年用电超过1×107kW·h，年用气量接近甚至超过5×106m3。这类企业中一般有大功率的用电设备和用气设备，用于企业生产。因为用电量和用气量比较大，所以厂内用能较为粗放，没有形成合理的用能体系，生产过程中大量设备的用能不科学。

1.3 重质量、问题多型企业

该特征类型企业主要包括两类。一类是对电能质量要求较高的企业，如精密制造业。这类企业的电能质量问题不仅影响产品质量，而且可能损坏生产设备，造成巨额损失。另一类是现阶段电能质量问题突出的企业。这部分企业虽然对于电能质量问题并不特别敏感，但企业却存在严重的电压暂降和三相电压电流不平衡等问题。现阶段电能质量问题虽未暴露，但长此以往，必将影响厂内生产。

1.4 多冷热、未利用型企业

该特征类型企业是指冷热资源需求较多，但未加合理利用的客户。这类用户又可以分为制冷需求大、供热需求大以及冷热需求都大的3种类型。对于制冷需求大的用户而言，制冷不仅仅是用于夏季消暑，更主要的是用于生产。因此厂内制冷设备众多，一般有多台冷水机和制冰机，制冷功率高达数千千瓦。对于供热需求大的用户而言，厂内一般有燃气锅炉或余热锅炉。每日需蒸汽量可能在数十吨以上，但往往蒸汽余热都未加有效利用。对于冷热需求都大的用户而言，厂内一般既有大量制冷设备，又有锅炉设备。需要说明的是，一个企业可能被同时划分到多个类型，如部分企业可能既是重质量、问题多型企业，也是高耗能、低能效型企业。出现这种情况的原因主要是由于4个企业类型的划分并不互斥。此外，由于企业多样化的特征，使得这种不互斥的划分方式反而更贴合实际。

2 工业园区综合能源服务方案配置方法

将工业园区企业合理分类以后，即可根据各类企业特征，提出适合工程实践的各类企业综合能源服务方案及方案配置方法。

2.1 多屋顶、轻负荷型企业

结合该类型企业的用能特性、厂区结构以及工作班制，可以设计符合该类型企业的综合能源服务方案。方案具体包括光伏系统、储能系统以及企业可自主选择的普适性方案。

2.1.1 光伏发电系统配置

具有该特征的用户一般具有较大面积的屋顶，而且这类企业生产过程中一般不会产生影响光伏发电的废弃物，所以可以在该类企业配置屋顶光伏发电系统。光伏发电系统配置方法如图1所示，将配置方法分为3个阶段。

（1）第一阶段：光伏发电系统容量选择

在选择光伏发电系统容量之前，应该通过调研确定可建设光伏发电系统的屋顶面积。随后，确定光伏电池的型号参数，并计算屋顶安装光伏电池的理论数量。计算公式如下：

图1 光伏发电系统配置过程流程图

式中，Cg1表示光伏电池理论安装数量；Sg表示单个光伏电池面积；Sw表示屋顶面积。

由于还需考虑安装间隙和辅助设备安装空间等因素，所以光伏电池实际安装数量并不能达到理论数值，须在理论数值上略微减少。光伏电池实际安装数量如下：

式中，Cgs为光伏电池实际安装数量；Cgj为考虑安装间隙等原因减少的光伏电池数量，通常取300～500。

根据计算结果，即可利用公式（3）计算出企业光伏发电系统装机容量：

式中，Pgz表示企业光伏发电系统装机容量；Pgd表示单块光伏电池发电功率。

（2）第二阶段：光伏发电系统运营方式选择

由于企业屋顶面积各不相同，因此可建设光伏发电系统容量也各不相同。若采用单一的投资运营方式，部分企业难以获得最大收益。为此，可提供两种投资运营方式，一种是企业自行投资，采用“自发自用，余电上网”的运营模式；另一种是服务商投资，采用综合能源管理的运营模式。决定企业光伏发电系统运营方式的因素包括企业能否支撑光伏发电系统投资和企业能否消纳光伏系统的发电量两点。通过比较两个因素，可以确定光伏系统运营方式。光伏发电系统投资金额计算公式为：

式中，Iz表示光伏发电系统总投资额；Id表示光伏发电系统单位投资成本。

光伏系统年发电量的计算公式为：

式中，Wgs表示光伏年实际发电量；μzh表示系统综合效率，通常取65.7%；F表示年平均太阳辐射总量；μgd表示光电转换效率。

（3）第三阶段：光伏发电系统收益计算

选择光伏发电系统运营模式以后，即可计算光伏发电系统收益。采用企业自行投资，“自发自用，余电上网”的运营模式时，计算收益以前需要首先计算企业年自用光伏发电量和上网电量。企业年自用光伏发电量和光伏发电系统上网电量需根据企业典型日负荷曲线和光伏发电系统典型日出力曲线计算。无法获取负荷曲线时，可以根据当地年光照日进行估算。计算公式如下：

式中，Wzy表示企业年自用光伏发电系统电量；Wsw表示上网电量；Wyd表示企业年用电量；Dgz表示当地年光照日；Dkg表示企业年开工日。

上述公式计算结果比较粗略。但由于该类用户负荷功率不是很大，而光伏发电系统装机容量一般较大，光伏发电系统开始发电以后基本可以满足企业负荷需求，因此上述计算方法已经能够满足需要。企业年收益为：

式中，Egf表示企业年收益；Iyd表示企业用电单价；Isw表示脱硫机组上网电价。

采用服务商投资，综合能源管理运营模式时，服务商运营光伏发电系统获得的收益可由下式计算：

式中，Efw表示服务商运营光伏发电系统获得的收益；μzk为企业用电享受的折扣率；μfc为企业和服务商的收益分成比例。企业年收益为：

式中，Egf表示企业年收益。

发电系统每年节约标准煤和减少二氧化碳量的计算公式如下：

式中，Mbm表示年节约标准煤数；Mco2表示年减少二氧化碳排放量。

2.1.2 储能系统配置

该类用户峰电电费占比较大，导致企业用电单价过高。建设储能系统，谷电时段充电，峰电时段放电，可以降低企业电费单价。储能系统的配置过程如图2所示。

图2 储能系统配置过程流程图

（1）第一阶段：储能系统容量选择

在计算储能系统容量之前，需要通过调研获取企业用电单价和各时段的用电比例等数据。总之，储能系统容量计算公式如下：

式中，Wc1表示储能系统理论容量；Cfb表示企业峰电用量比例；Wpj表示企业日平均用电量。由于用户日平均用电量可以有效表征企业最常见的用能状况，因此以该值为基准可以保证储能系统具有较高的利用率。为了方便选择电池舱，通常会在理论容量的基础上略微放大至一整百数值。略微放大也可保证储能系统容量充足。即：

式中，Wcs表示储能系统实际容量；ΔWc表示在储能系统理论容量上的放大值。

（2）第二阶段：储能系统设备选择

选择预制舱型号时，需保证设备总充电时间不超过谷电时长，且建议预制舱充电功率尽可能多样，从而方便优化储能装置的充放电过程。

初步选择储能装置设备型号以后，需要核算充电功率是否在厂内变压器要求范围内。一般而言，储能装置充电时，负荷功率（含充电功率）不得超过变压器容量的80%。若超过，应考虑通过优化储能装置型号组合和充电顺序，使充电功率降低至允许范围内。若无法通过优化设备型号组合使充电功率降低至允许范围，那么可以考虑略微降低储能系统容量。但不建议增设配变电设备以达到要求，因为增设配变电设备必然导致成本增加。

（3）第三阶段：储能系统投资收益计算

储能系统投资金额计算公式为：

式中，Ic表示储能系统投资总金额；Icd表示单位投资成本。

在计算储能系统收益之前，需要计算储能系统的充放电量。一般而言，企业需要储能系统提供的电能等于企业峰电电量，所以企业充电电量计算公式为：

式中，Wd1表示储能系统充电电量；μfs表示储能系统放电深度。

储能系统收益计算公式为：

式中，Ecn表示储能系统收益；Ifd表示峰时电价；Igd表示谷时电价。

除上述利用峰谷电价差值获得的利润以外，储能系统还可以作为企业备用电源参与需求侧响应。这些方式都将为企业创造收益，具体收益视企业情况而定。

2.1.3 其他服务方案配置

该类企业同样可以选择适合企业的增值服务方案。对于该类型企业，着重推荐合同能源管理、设备代维代修以及绿色智慧照明等服务。

2.2 高能耗、低能效型企业

针对该类企业自身特征，综合能源服务的重点是提供给企业节能减耗方案并提供电能替代服务。因此，对这类企业配置的综合能源服务方案包括合同能源管理、电能替代以及结合企业自身情况自主选择的项目。

2.2.1 合同能源管理

对于符合该特征的用户而言，进行合同能源管理很有必要。针对厂内现阶段生产设备用能处于分散无序状态且各设备用能状况未加有效监控的情况，服务商可在厂区内装设能源监测平台，获取各设备用能信息，并通过分析这些用能信息获得企业的用能特性，设计节能减耗方案，优化厂区设备工作方式，达到节能减耗的目的。节能减耗成果可以采用多种方式和综合能源服务商共享。

2.2.2 电能替代

电能替代方案可以帮助企业减少煤或天然气的使用量，提升用能效率，进而减少用能费用，提升产品质量。一般而言，电能替代设备包括电锅炉替代和感应加热热处理设备。对于用气设备为锅炉的企业而言，可将燃气锅炉或煤锅炉替换为电锅炉。电锅炉没有燃烧时发生化学反应的炉膛，是靠电器元件通电达到加热的目的，不产生污染排放，具有无污染、无噪音以及占地少等优点。此外，电锅炉还可以在电价低谷时段对水进行加热，并将热水存储于蓄热罐中。在白天电网高峰时段，由蓄热罐释放热量满足企业的热水需要，实现削峰填谷和降低运行费用的目的。对于用气设备主要为熔煅炉这类设备的企业而言，电能替代的主要内容是用感应加热设备替代传统的燃气加热设备。感应加热技术具有快速、清洁、节能、易于实现自动化、在线生产以及生产效率高等特点，是绿色环保型的加热工艺。使用感应加热设备，不仅可以帮助企业节能减耗，还可以提升产品质量。若在企业未建成阶段便规划使用，则不会增加企业成本。

2.2.3 其他服务方案配置

除上述符合该特征企业进行的综合能源服务方案以外。企业还可以根据自身特点和需求选择适合的其他综合能源服务方案。

3 典型企业案例分析

为验证本文方法的正确性，以中部某省工业园内的企业为例，配置了综合能源服务方案，并分析了企业的投资收益。

3.1 企业一：多屋顶、轻负荷典型企业

3.1.1 企业特征

该企业厂区占地面积大，厂房屋顶面积也较大，约为1.8×104m2。企业主要的工作班制为一班制或两班制，具有明显的峰谷时段用电量差距，峰时电费占比较高，电费单价高。厂区内变压器容量为1 750 kVA。部分变压器老化，生产于1995年和2002年的变压器依然在运行。配电设备较多，且后期建设分布式电源等系统时，现有电工人数和技术水平都难以达到要求。结合企业特征，可判断该企业属于多屋顶、轻负荷型企业。

3.1.2 光伏发电系统方案配置

利用本文方法配置光伏发电系统。在建设面积为1.8×104m2的屋顶光伏系统中，选用光伏电池的功率为235 W、长为1.65 m、宽为0.998 m。系统总计安装光伏电池数量为1.05万块，装机容量约为2 460 kW，系统年发电量为2.5008×106kW·h，投资成本为1 107万元。投资成本适中，且企业有可能消纳光伏系统发电量，故系统选择“自行投资，自发自用，余电上网”模式。

计算可得企业在系统建成10年的收益情况。光伏发电建成10年期间，光伏发电系统可为企业供电总计1.4486×107kW·h，向电网销售余电1.0594×107kW·h，创造收益1448.63万元。在系统建设后的第9年，企业即可收回成本。按照企业用电增长，在光伏系统建成后第17年，企业就可以消纳所有光伏发电量，不再需要向电网销售余电，此时每年光伏发电创造的收益达到最大，为162.66万元。同时，光伏发电系统每年节约标准煤307.6 t，减少二氧化碳排放830.5 t。按照光伏发电系统使用寿命为25年计算。假设25年电价等因素没有变化，那么25年间光伏发电可以为企业累计创造收益3 850万余元。除去建设成本，创造利润2 743万余元，节约标准煤7 690 t，减少二氧化碳排放20 763 t。

3.1.3 储能系统方案配置

利用本文方法选择储能装置容量与功率，最终选定厂区储能系统容量配置为1 800 kW·h，充电功率选择为500 kW。该容量难以从现有成品型号中选取，所以选择从厂家定制。系统成本合计950万元。建成以后，储能设备每次充放电最多可为企业提供电能1 620 kW·h，全年最多可为企业提供电能48.6万 kW·h，每年充电费用为17.69万元，节约峰电电费为51.01万元，即每年可节约电费33.32万元。储能系统还可以通过参与需求侧相应和作为后备电源等方式为企业创造收益，这些方式每年可为企业创造收益约10万元。因此，储能系统每年可为企业创造收益合计约43.32万元，经过约22年企业可收回投资。储能系统全寿命可为企业创造利润约349.6万元。

3.1.4 其他综合能源服务方案

（1）高损耗配电设备损耗治理

高损耗配电设备损耗治理即更换厂内现有的高损耗变压器，需投入成本7.2万元。治理完成后，企业每年可节约用电1.19×104kW·h，节约电费7 410元，经过大约9.7年即可收回成本。

（2）设备代维代修

设备代维代修服务意在解决企业电工数量与技术短板。服务开展后，可帮助企业减少最少4名电工，每年可为企业节约人工成本24万元。

3.2 企业二：高能耗、低能效典型企业

3.2.1 企业特征

该企业用气量巨大。铝材生产过程中，需要对铝进行熔铸，因此需要大量热量。现在有方案采用天然气加热，可开展电能替代服务。此外，企业有大量屋顶，面积约为4.4×104m2，屋顶无遮挡物。企业内建筑较多，厂房、办公楼以及宿舍内均需要安装照明设施，厂内全年两班制工作，夜晚照明需求大，所以厂区照明用电量较大。结合企业特征，可判断该企业属于高损耗、低能耗型企业。

3.2.2 电能替代方案

企业用气量巨大，主要原因是由于铝材生产过程中，需要对铝进行熔铸。现在最常用方案是采用天然气加热。但天然气加热具有热量利用效率低和温度控制精度低等缺点，因此建议使用电磁感应加热处理设备。

3.2.3 其他综合能源服务方案

结合厂区特征，还可在企业建设光伏发电系统，并开展绿色智慧照明服务。

4 结 论

针对现阶段缺少合适的综合能源服务方案配置方法的现状，本文研究了工业园区企业的特征，得出了如下两点结论。一是根据工业园区企业特征，可将工业园区企业划分为多屋顶、轻负荷型企业，高耗能、低能效型企业，重质量、问题多型企业以及多冷热、未利用型企业4类。二是结合多屋顶、轻负荷型企业和高耗能、低能效型企业的企业特征，提出了适用于工程实践的综合能源服务方案配置方法，并结合企业做出实例分析。此外，从本文配置方法可以看出，综合能源服务方案中往往包含各种分布式电源，这是综合能源系统能够提升新能源消纳能力的原因。