摘 要：在我国发展低碳经济的背景下，将多个新能源与储能技术相结合，将为我国新一代能源体系的优化改造提 供新思路。本文以一个工业园区为例，在对其资源状况进行了详细的分析后，对三种太阳能-蓄电集成的“零碳” 能源体系进行了初步探讨。在此基础上，建立基于“太阳能+熔盐蓄热+电解储能”的多维储能组合模型，并对该 组合的多维储能组合进行仿真研究，以期为该组合的多维储能组合设计和应用奠定理论基础。
关键词：“零碳”;光伏发电；熔盐储能；能源系统规划0 引 言
能源是人们赖以生存与发展的根本，也是人们赖以生存与发展的生命线。“碳达峰”“碳中和”新目标为我国的经济社会发展提供了新思路，为我国的经济社会发展指明了方向。在此基础上，为中国的发展提供了一个崭新的思路，为中国的发展注入了新的活 力。中国要达到“碳达峰”、“碳中和”的要求，就需要对其经济结构进行适当的调整，并对其发展方式进行转型与升级。能源体系的变革和发展对推动我国实现“碳达峰”具有重要意义。1 工业园区能源现状分析 工业园区是集成了生产、管理和服务等多重功能的综合性经济体，是现代工业发展的主要载体。随着经济的发展，工业园区对能源的需求也在逐渐增加，其中主要包括电力、燃气和蒸汽等。1.1 工业园区能源结构 目前，我国工业园区能源结构依然以传统化石能源为主，而新能源的应用仍然较为有限。据统计，目前中国工业园区的能源消耗量约占全社会能源消耗量的三分之一以上，其中70%左右是以煤炭、油品和天然气等化石能源为主要供能方式。此外，由于工业园区用电负荷较大，需要大量的高压电力供应，因此传统火力发电和水力发电也是工业园区的重要能源来源.1 . 2环境污染问题 工业园区对环境的影响不容忽视，其中能源的使用是造成其环境污染的重要原因之一。化石能源的燃烧排放出大量的 CO2 等有害气体，这些气体不仅对大气环境造成污染，还会对生态系统和人类健康产生许 多危害。此外，在工业生产过程中，排放的废水、废气和固体废物等也会对环境造成破坏。1.3能源不可持续性问题 传统能源的不可持续性也是工业园区能源结构的另一个重要问题。化石能源被广泛使用已如今已有百年之久，其储量的枯竭和价格的波动已经成为制约工业园区可持续发展的重要因素。而传统的火力发电和水力发电等方式在能源消耗和环境影响方面也存在不 少难题，无法满足工业园区对清洁、高效、可靠能源的需求。因此，理性规划工业园区的能源结构，优化能源供应方式，不仅可以降低工业园区对传统化石能源的依赖程度，减少环境污染的危害，还可以促进新能源的应用和可持续能源的发展，实现工业园区的可持续发展和社会经济的良性循环。2光伏和储能技术概述2.1 光伏技术原理 光伏技术是指通过太阳能电池将太阳能转化为电能的一种技术。其主要原理是利用半导体材料吸收光子能量释放出电子，形成电流，从而达到将太阳能直接转化为电能的目的。在工业园区中，光伏技术可以利用太阳能光伏组件将阳光转换为电力供应给生产设备等用电设施。2.2储能技术原理 储能技术是指将能量储存起来，等到需要的时候再释放出来供应给用电设施的一种技术。在工业园区中，储能技术可以通过电池、超级电容、氢燃料电池和压缩空气等方式进行实现。其中电池储能技术是最 常见和成熟的一种，其原理是通过将电能充入电池中 储存起来，等到需要使用时再通过逆向反应使储存的 能量释放出来供电。2.3技术在工业园区中的应用前景 光伏和储能技术结合可形成太阳能发电+储能系 统，在工业园区中的应用前景非常广阔。首先，在光 伏发电方面，随着优化设计、降低成本、提高光电转 换效率等技术不断推进，其经济性和可靠性得到了很 大提升，已经成为替代传统化石能源的主流能源之一。 而在储能方面，随着技术的不断创新和进步，储能设 备的使用寿命和安全性得到极大提升，也为工业园区 实现可持续能源供应打下了坚实基础。3 工业园区光伏储能一体化的“零碳”能源 系统规划案例分析3.1 园区资源概况 以长三角地区一个综合园区为例，厂区总面积 63285平方米，其中工艺大楼和集中控制大楼各占785 平方米，厂房面积2158平方米，该工厂占地62500平 方米，其中能完全符合太阳能电池板安装的设计需要 的建筑屋面面积60000平方米。在该区域内，工业用 地所占的比重不得超过40%,生活用地、公用用地所占 比重不得超过20%。园区内的建筑以工厂和居住为主， 论文中重点考虑了每年五百万 kW.h 的用电量，还有 供暖的需要。在此基础上，还能大幅降低CO2的含量， 从而达到“排放零碳”的目的。3.2 园区综合能源系统设计 开发区所处的区域整体上是一个快速发展的区域， 大量的工业企业集中在一起，对用电的要求也越来越 高。同时，电力消费比重较大，消费高峰和低谷差异 较大。为了创建一个将生产过程与生态建设、资源利 用与绿色发展有机融合的低碳工业园区，利用新能源 供电及利用新型储能技术对园区能量系统进行规划是 非常关键的。根据对园区所处区域的资源状况进行了 调查，并与 Meteonorm 软件相结合，得出结论：4-9 月份，该地区月平均太阳总辐射量比较充足，无论是 夏天还是秋天，其辐射量都超过了1350 MJ/m², 因此 非常适宜将屋顶分布式光伏发电设置成新能源发电。利用电极锅炉、双熔盐罐和光热存储系统，为园区的居民提供热水，同时利用太阳能电池将剩余的电能存 储起来，用于“削峰填谷”。为了在整个寿命周期内， 达到“排放零碳”的目标，将新能源和蓄能技术相结 合，对整个城市的供能体系进行了规划。太阳能是实 现“排放零碳”目标的重要支撑，在此背景下，项目 拟在六万平方米的屋面上，采用太阳能蓄热技术，利 用太阳能蓄热技术，构建一种集“太阳能+蓄热+电化 学蓄电”于一体的“零碳”能量利用体系。如图1所 示，整个体系被划分成3种方案。 表1 “零碳”能源系统方案设计
3.2.1“光伏+熔盐储热+电化学储电”系统 将各种新能源发电与存储技术相结合，为园区提 供多样化的用能解决方案，从而达到“零碳”的目的。 图1太阳能电池-熔盐-聚光储热-电化学储能复合供能 体系的流程图，该体系中太阳能电池厂以太阳能电池 为主体，承担着整个园区的基础电力供应，太阳能光 生载流子的富余能量或谷能量存储于电化学槽中。3.2.2双罐熔盐储热一换热系统装置 由于使用了两个水箱的蓄热式，使热盐水箱与冷 盐水箱分别运行，从而降低了危险，提高了安全；并 以较高的传热效率，在图1中显示了一种熔盐型储热- 换热系统设备的设备。
该设备有热盐熔化槽、冷盐熔化槽、电盐熔化槽、 熔盐熔化炉、蒸发器、蒸汽过热器、水槽等等。采用 分散式光伏发电系统，将太阳辐射到聚光器上，以熔 盐为传热蓄热媒质，在较低温度下，通过对聚光器的 吸热，将太阳辐射转化为内能。将热量储存在一个温 度较高的贮热槽中，无需一个换热器，从而增加了兰 金循环的效率。然后，通过高温熔盐的循环系统，进 入熔盐-蒸汽换热器，然后驱动蒸汽涡轮，产生动力。 与此同时，水槽中的水通过给水泵，进入水预热器， 将其加热到预定温度的饱和水蒸气，并与热熔盐展开 换热，之后，水蒸气又会进入到熔盐再热器中，对熔 盐进行预热，而在预热换热后，水蒸气又会通过减温 减压器被排放出去。
3 . 3算例分析3.3.1算例说明 以此为基础，以开发区为例，对3个“零碳”能 源体系的规划方案进行了实证分析。以园区所在地的 气候变化特征为依据，将一年中的一年分成了四个季 节：春季、夏季、秋季和冬季，并对每一个季节的气 候数据、园区内的电负荷及热负荷数据进行了平均天 的推算，分别取了春分、夏至、秋分。其中，冬至是 四季中最具代表性的一天，每一天都有24个周期。4 个代表性天数的电力负荷、热电负荷预测结果见图2、3,试验时间为0时，照明强度由中国天气数据中心获 得，按建筑面积、蒸气压力温度、照明面积计算得到， 通过对绿地率等基本参数的计算，得到了电力系统的负荷。
从图3可以看出，该园区4个代表性天数的电力、 热力两项指标在整体上呈现出相似的变化规律，尤其 是在春分、秋分两项指标之间，更是十分相近，这与 该园区地处长江三角洲地区，春秋两季的气象特点相 近有关。4个代表性天数中，白天电力负载比较大，可 达1100kW, 夜间电力只够保证园区的正常运转。通过 对4个代表性天数的日耗水量进行分析，得出了不同 时段的冬季耗水量比其它3个时段都要大，其中槽式 光热蓄能方式的耗水量最小，只有电热熔盐蓄能+发电 方式的1/2,在冬至当天耗水量只有74.89吨。
3.3.2 配置结果分析
“零碳”能源系统计划中，重点是光伏发电系统， 电化学储能系统，电解水锅炉系统，熔盐的电热蓄热 和沟槽的光热蓄能，该体系的具体投资费用和施工范 围见下表2。表2各系统投资成本及建设规模
3个方案都遵循了太阳能电池应装的尽量装的原 则，太阳能电池一旦装上，其运营费用极低，且可持 续发电。通过对光伏发电成本、当地用水价格、熔盐 储能及槽式光热储能的运营成本进行分析，得出方案2 的运营成本是最小的，而方案3的运营成本是最大的， 为1.55万元/d, 是方案2的1.28倍。结果证明，采 用熔盐蓄能技术，既能保证生产所需，又能降低生产 设备的投入和运行费用，又能提高生产效率，促进“零 碳”生产，提高生产效率。3.3.3结果分析 经过分析，这个园区“零碳”能源体系的最佳设 计是： “太阳能电池+熔盐蓄热+电解蓄电”,在这个 园区里，太阳能电池装机容量为6MW,发电功率为530 万 kW.h, 可以满足这个园区每年500万 kW.h 的 电 力需求。
本项目拟采用600 kW的电化学储能电池，配备两 个储热-换热槽，每年可为园区提供10000吨的水蒸气， 热电联产效率大于90%,其中两个储盐槽可容纳280 吨的熔盐，可容纳100 GJ 的热量，可通过太阳能发电， 也可通过消纳电网发电，实现年消纳谷电量974.4万 kW 的目的。
从以上研究可以看出，相对于传统的蓄能方式，两个储槽的熔盐蓄能具有更为显著的节能效果。在将 “光伏+熔盐储热+电化学学储电”系统进行配置时，各季度单一典型日的整体电负载平衡结果见图4～图7。
从图4～图7中可以看到，通常在正午时分，太阳 能电池的功率会出现最大值，这时的功率会比园区的用电负载更大，剩下的电能，可以被存储在储能设备中，也可以被用在网络上。 在夏天，整个园区的总电负载是最大的，最高可 达1000.79 kW, 因为在夏天，太阳能电池板能够进行 完全的发电，所以一天中的大多数时段，太阳能电池 板的发电量要远远高于当时的园区电负载，并可对化 学蓄电装置进行蓄电，14点时，光伏发电在满足园区 用电和储电装置耗电的同时，将有1541.08 kW的余电 出售给电网，为工业园区带来收入。如果夜间不能产 生电能，则通过储存电能的方式，保证园区的电力供 应，只有在午夜1点到3时，以及午夜22时之后，才 会购买一些低谷电能，来平衡园区的电力供应，这是 出于成本的考量。该方案对储能设备的储能总量进行 了适当的调节，使谷电价格保持在低位，对整个园区 的电力价格无任何影响。在春天和秋天，公园的电力 负载与太阳能电池的生产状况是相同的，太阳能电池 的生产得到的电力能够满足75%的时间周期内的电力 需求。在冬天，因为缺乏足够的阳光，太阳能发电受到了很大的限制，这时就必须向电力系统采购低谷电 力来调整电力系统的用电负荷，最多790KW 的山谷电 力。
4 安科瑞新能源配套软硬件一体化方案
安科瑞为新能源工程包括分布式光伏、储能、充电站提供软硬件一体化解决方案，图2为一个包含分布式光伏、储能、汽车充电站和传统用电负荷组成的新型10kV配电网，由10kV开闭所、10kV并网分布式光伏系统、10kV并网储能系统、电动汽车充电站以及其它负荷组成。安科瑞提供的解决方案包括：
10kV分布式光伏和储能系统防孤岛保护、电能质量监测、防逆流控制以及新能源并网的数据安全和调度对接；交直流充电桩以及有序充电解决方案；10kV配电网继电保护、箱变测控、故障诊断以及电气监控；通过“云-边-端”协同为新能源站点提供新能源消纳、防逆流控制等多种能源使用策略；提供1+N运维管理方案：1套云平台，N个新能源场站运维管理。
图8 包含分布式光伏、储能、充电桩的10kV配电系统
4.1 分布式光伏解决方案
10kV线路接入的光伏电站容量范围通常在400kW~6MW，安科瑞Acrel-1000DP分布式光伏发电监控系统，可兼容国产麒麟操作系统，采集现场逆变器、箱变测控装置、防孤岛保护、防逆流控制装置、计量仪表、电能质量在线监测装置、直流屏等设备数据，本地实时显示和报警，提供远程遥控操作和调节，并具备光功率预测、有功/无功功率控制、频率电压紧急控制等功能，此外，系统配置网络安全监测、横向隔离、纵向加密认证装置以满足电网数据安全要求，数据上传调度系统以满足并网要求，为用户提供分布式光伏监控和并网方案，保障光伏电站运行稳定可靠性。
图9 分布式光伏电站综合自动化系统结构
光伏监控系统需要使用相关保护、测控、稳控、分析及数据安全和通讯设备，典型的分布式光伏电站并网系统需要用到的二次设备如下表所示。
4.2 储能系统解决方案
根据GB/T 36547《电化学储能系统接入电网技术规定》要求，10kV并网的储能系统容量在500kW~5MW范围内，储能系统的微机保护配置要求：储能电站并网点配置AM5-IS防孤岛保护，非计划孤岛时应在2s动作，将储能电站与电网断开。
储能系统应具备直流绝缘监测功能，如果BMS或者PCS不具备绝缘监测功能需单独配置直流绝缘监测装置。
通过10kV接入公用电网的储能系统电能质量宜满足GB/T19862要求的电能质量监测装置，并网点配置A类电能质量在线监测装置。
Acrel-2000MG微电网能量管理系统具有完善的电池管理功能和丰富的外部通信接口，可实现对储能系统、充电系统、光伏系统等智能设备的运行信息实时监控，包括对储能系统内电压、电流、温度、压力、流量等信息采集、实时监视、优化管理、智能维护及信息查询功能。具备新能源消纳、峰谷套利、防逆流、需量控制、柔性扩容、限电模式等多种控制策略，保障储能系统安全稳定、智能高效运行。
4.3 有序充电解决方案
安科瑞APSMS充电运营管理平台是基于物联网和大数据技术的有序充电管理系统，可以实现对企业变压器负荷率、负荷需求结合充电桩的监控、调度和管理，通过能源策略控制和峰谷价格引导机制实现有序充电，提高充电桩的利用率和充电效率。
5 AcrelEMS3.0智慧能源管理平台
AcrelEMS3.0智慧能源管理平台采用B/S架构，满足分布式电源、储能装置以及电动汽车充换电设施等接入和协调控制需求。平台采用“1+N”设计，可以接入数量众多的新能源场站数据，将分布式电源、储能系统、可控负荷、电动汽车充电桩聚合在一起，结合发电预测、负荷预测、电价波动、电网调度指令等情况，灵活调整微电网控制策略并下发给储能、可调负荷等系统，采用“云-边-端”协同策略控制，保障配电网稳定、高效运行。
图10 AcrelEMS3.0智慧能源管理平台云边端策略协同
终端设备控制策略是现场设备在并网、离网状态下的运行策略，包括有功功率/无功功率控制、电压/频率控制、最大功率追踪、虚拟同步发电机惯量控制等多种策略，由储能变流器、光伏逆变器、充电桩等设备提供；
边端协调控制策略是本地ACCU-100协调控制器或Acrel-2000MG能量管理系统执行的能源策略，包括新能源消纳、防逆流控制、峰谷套利、柔性扩容、需量控制、限电模式等等，这些策略可以在本地执行；
云端优化控制策略是AcrelEMS3.0平台基于发电预测、负荷预测、电价波动以及虚拟电厂平台的调度指令而做出的策略优化，这些策略下发给本地协调控制器或能量管理系统来执行。
AcrelEMS3.0智慧能源管理平台主要包含以下功能：
图11 AcrelEMS3.0智慧能源管理平台功能界面
综合监控：实现配电网配电室、光伏系统、储能系统、负荷、充电桩、环境数据的采集、监测、可视化展示、异常告警、事件查询、报表统计等功能；智能控制：协同光伏、储能、负载等多种能源主体，动态规划智能策略，实现储能、光伏协调控制，比如计划曲线、削峰填谷、防逆流、新能源消纳、需量控制等；能源分析：具备微电网能耗及效益分析、微电网经济运行分析、多维度电量分析，并进行日、月、年能源报表统计；功率预测：以历史光伏输出功率和历史数值天气数据为基础，结合数值天气预报数据和光伏发电单元的地理位置，采用深度学习算法建立预测模型库，实现光伏发电的短时和超短时功率预测，并经进行误差分析；同时对微电网内所有负荷，基于历史负荷数据，通过大数据分析算法，预测负荷功率曲线。优化调度：根据分布式能源发电预测、负荷预测结果，并结合分时电价、电网交互功率及储能约束条件等因素，以用电成本最低或碳排放最低为目标，建立优化模型，采用深度学习算法解析微电网运行功率计划，系统通过将功率计划进行分解，实现对光伏、储能、充电桩的优化控制。
6.结语 在对一个园区的资源状况进行分析的基础上，我 们对这个园区的能量体系进行了“零碳” 的设计，并 给出了三个“零碳”能量体系的方案，然后对这三个方案进行了最优分配，从用电负荷、投资成本、碳排 放等方面来看，在这三个方案中，选择了“太阳能+熔 盐储热+电化学储电”,这三个方案都是最经济和实用 的。这对目前构建以新能源为主体的新型电力系统， 提高电力系统的灵活调节能力和安全保障能力，促进 工业园的低碳转型，都有着十分重要的作用。