大学校园的智能电网

自1992年热内亚大学与萨沃纳机构促进会(SPES)签订的协议生效以来,萨沃纳校区就成了一个接纳1,700名学生、开设工业工程(学制三年)、管理工程和环境与能源工程(英语授课)等研究课程的现代化校园。这个校区是意大利可持续能源创新中心的总部,聚集了可再生能源发电及输配电智能管理领域的几个研究中心和四十家大中小企业。自去年二月以来,该校园就由新颖智能多联产微网(SPM)供电;这是意大利现有的第一例小规模智能电网,体现出了真正的智能电网所具备的主要的设计和技术特点。

一种公开的创新

萨沃纳的智能多联产微网(SPM)诞生于尝试设计、建设和运行高效可靠的基本配电设施的愿望。即便其规模小,热能产量也小,并期待这种基本设施能够连接采用高效化石能源和可再生能源的发配电设施、蓄电设施及主动用户和被动用户,实现信息交换,以便平衡能源需求和供应,从而更好地利用现有资源。

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这个项目的目标是降低大学校园的能源供应成本,减小对环境的影响,试验应用创新的信息通信技术 ICT,拓展生产单位的控制管理策略,按研究目的试验蓄电和用电,以求将项目进一步推广到较大规模的设施。

这项创意得到了热内亚大学的“能源2020”项目的推动,可能获得意大利教育、大学与研究部安排的240万欧元的融资。该项目又得到了意大利环境、领土和海洋部的财政支持,这座建设中的生态可持续性新大楼,得到了利古里亚地区基金会所实施的校园现有建筑的能源认证中,实现了后继的发展。

SPM 的管理工作委托给了萨沃纳校区的服务中心。现在,该校区大约50%的能源消费由新颖的 SPM 提供,此外,SPM 在自产能源和减少外部能源供应方面有着明显的经济优势。

总体背景

智能电网以智能方式整合了相互连接的所有用户(发电机,消费者和发电机/消费者(即产消者))的性能和活动,从环境和经济的角度讲,能够高效、安全和可持续地保证电力供应。

根据电网条件和用电预测,智能电网实际上实时优化了发电机组的运行,通过在发电机组与智能电网控制系统之间连续双向交换信息,使最终用户成为了整个系统的积极主体。

项目启动资料就存在于校园的实际结构中:约60,000平方米的面积分布在用途不同的建筑物内(教室和教育场所,研究实验室、办公室、图书馆、食堂、学生公寓),因此,根据相应的能耗情况,总用电负荷在250~400kW之间,而供热负荷约为1,000kW,几乎全年恒定不变,其分配依靠一个远程供热的小型内部管网实施。

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电网为低压电网(400V),与一个变压器柜连接,柜中安装2台变压器(中压/低压)和一组保护接地连续性的电器,一台变压器用于 SPM,另一台用于校内其它用户。从专用变压器上引出两条分支,一条连接负荷,另一条通过连接线组而连接发电机组。后者的选择和安装遵照了与可获得融资相应的经济可持续性准则及由技术考量决定的典型先进水平,并可以使用化石能源和可再生能源组成的混合能源。

就与外部主体的关系而言,应当说明在规定 SPM 与电网的连接模式方面,与当地的电力公司进行了紧密的合作。在意大利,不曾为这类设施制定过专门的协议,因此,特别作了研究,还规定了有可能相对于配电网络而独立管理 SPM,并有可能试验向辅助服务设施供电,以求在城市电网的基础上提高服务质量。

电网结构

SPM 的配电网呈环形辐射状:除了主配电柜之外,还配别了四个配电屏,它们首要的功能是连接用户电网并与通信系统实行互联,以便实现远程控制。

从物理观点讲,SPM 的通信系统是由一个光纤环路构成,由此与控制室内两个开关连接,并连接两个服务器(其中一个作为备份),藉此运行软件 DEMS(分布式能源管理系统)和 SICAM 及分布在校园内的四个配电屏。除了这些配电屏之外,还有:

-  保障运行安全的开关保安电器;

-  收集主要电气参数的电工测量仪表和电度表;

- 远程终端单元,它通过光纤通信环路,在校园内各单元和控制室之间传输和交换命令。

简言之,这些配电屏包含了:

- Q01:太阳能集热的热力系统和吸收式冷冻机;

- Q02:电化学蓄电装置和光伏装置;

- Q03:由外部电力生产商供给 SPM 电力和信号,即由 TPG 集团实验室(系热内亚大学能源系的研究实验室)的一些发电设备构成的所谓 “能源中心”;

- Q04:微透平联产发电机;

在微网模式下,能源中心能够加入由 DEMS 管理的内部电力热能市场。通过与能源中心连接,可以对与内部配电网交换的电力实施测量和计费。一个由热量表管理的类似系统也能用于将热能引入远程供热管网。

热力发电装置

在预制结构的特殊发电间内,在已有的一台微透平机(27kWe;54kWt)旁,再安装两台新的微透平机(每台112kWe和65kWt),这是为冷热电三联产系统设计的。这些热电联产机组将天然气(产自植物沼气气化厂合成气)的化学能转化为电力(效率29%)和热能,并回收排气余热(废气排出流量:0.49kg/s;回热式换热器的排气温度:309°C)。

生产出来的电力送入内部配电网,同时利用传热流体整合两台燃气锅炉(每台500kW),用于冬季为校区供暖,并在夏季供给吸收式冷冻机,用于供冷。必要时,作为远程控制运行的替代方案,也可以实施就地控制。

还有3台热力式太阳能集热器,用于生产电力和热能(每台1kWe 和3kWt)。这些都带有太阳跟踪装置,并配抛物线型碟状镜面(直径3.75m,每个镜面的捕光面积约10m2),嵌在具有高反射能力的铝合金板中,可将太阳光线聚焦在中央焦点上。

一次传热流体是氦气。氦气一旦过热,便会驱动装在接收器内的一台斯特林发动机。这是一种外燃式发动机,利用汽缸一端收集太阳光线所产生的温差,引入循环脉冲使活塞转化成机械运动。这种发动机效率极高,运行简单,运动部件少,且因无内燃效应。特别安静;维护需求极小,最大限度降低了润滑油的消耗。

实施氦气冷却 以实现与水换热(效率41,4%),然后送向校园的远程供热管网。 同时为了生产电力,将发动机与永磁式同步发电机耦合(效率13.8%)。

如果气象条件不利于装置运行或会给装置带来潜在风险,自动控制系统会将聚光镜和接收器转移在安全位置(呈撑伞姿态而使焦点朝下)。

在夏季,由配备330L蓄热水箱的间接供能的吸收式溴化锂冷冻机(70kW/105kWt,采用微透平排气余热回收加热的热水供给能源)为大学图书馆实施空调。

微网的结构按照一个模块化的柔性开放系统配置,并为未来进一步的改造做好了准备,包括对已安装设施的技术升级及新设施的安装(三联产、光伏、微型风力涡轮机等)。

蓄电装置

在庭院小楼“Delfino”的屋顶上也设置了控制室,安装了光伏设施(约80kWp),由300多块多晶硅模块构成,每年发电超过100,000kWh,避免了55吨多的二氧化碳排放。

光伏设备结合热电联产机组(CHP)和聚光发电机组(CSP)的发电方式的目的,既为了校园内部用电,也为了与外部电网交换,并通过电化学蓄电装置(SAE)响应以下双重目的而达到平衡:

- 补偿可再生能源发电有些不连续的特点,吸收 SPM 用户的负荷;

- 可以就储能技术开展科学研究活动。

实际上,蓄电装置基于六个钠氯化镍电池(SoNick),该项技术如今主要适用于大中型设备,蓄电能力很强(3,000次循环,放电深度80%)。这是一种安全可靠的柔性储能装置,采用可回收材料制作,化学性能安全,不会释放有害气体。

这种蓄电池的内部工作温度较高(270°C),不需要冷却装置,性能有保障,使用寿命与环境温度无关,还能确保高能量密度,管理成本较低,外形尺寸比传统蓄电池小。

SAE(公称容量141kWh;功率 65kW)实际上与交直流转换器及开关装置一起装在一个金属箱体内,箱内有分隔和保护。由专用的电池管理系统控制并监测电池模块的状态,可以现场调节有功功率和无功功率的转换,还能远程互联。

整个SPM 的控制中心位于 Delfino 小楼内,中心内还装有服务器,藉此操作电网(PAS/WinNC)和热力管网(DESIGO)的监控系统,可以检查电网和管网中的所有装置,还在支持常规维护和应急维护的过程中起着关键作用。

信息管理

信息系统是 SPM 的大脑,构成了最先进的技术层面。SPM 的控制管理系统基于应用软件 DEMS 和 SCADA(数据采集与监视控制),这些软件安装在 WinCC 平台上,是专为大型工业及基础设施的远程应用开发的。

能源流的管理依靠 DEMS,藉此对校园内的设施(发电、储能和负荷控制)及与外部电网的能源交换,实施用能预测、计划和实时控制。

DEMS 能够以本地方式调节和优化电力和热能的生产,计划时限可延长至7日,计划功能的瞬间解析能力可限定在15–30–60分钟内。

在实际中,DEMS 自动获取天气预报数据,对可再生能源发电、电力负荷和热负荷作预测计算,计划 SPM 的每天运行情况,优化微网的经济管理。

整个 DEMS 系统除了通过发送设定点和 ON/OFF 命令而自动运行之外,还实时监控设备的运行及与公用电网的能量交换,在发电、储能和负荷之间,相对于计划,按照最低边际成本准则,周期性地分配每一个变动。

在开发阶段,此系统在实验室内,在大学研究人员的参与下作了恰当的模拟,目的是在将 SPM 用于研究和教育之外,获得正确管理和用户化所需要的能力。DEMS 与局部的 SCADA 互联,并在生产商的实验室内的模拟环境中验收,以测试运行逻辑,优化该领域内的活动。

SCADA 负责对电网的各个过程实施监测、监视和控制:在用户和现场之间绘出 SICAM SCC 图形接口(HMI型),允许使用不同的架构。在 SPM 场合,现场不同装置之间借助 IEC 61850 和/或 IEC 104直接通信,没有专用网关。

事件/报警可在数秒钟内的瞬间解析,随即连同包括指示状态改变的原因(自发的/与命令相关的)和事件源/报警源(附近/就地/远程)一起存档。利用适用于信息显示、储存和发送的标准功能模块,组织了特别适合 SPM 运行的工作环境。存档数据应可以列表形式或图表形式随时取出供分析。

现场管理借助于外围设备 SICAM 实施;这是一个开放的系统,配即插即用型自动化模块单元构成的标准接口,能与大多数通信协议兼容,并结合了自动化和远程控制功能,可以获得闪存卡中的参数化数据。这种方案避免了采用个人计算机进行升级、再参数化和维护,故能就地利用与设备有关的数据。

电动汽车

尽管目前电动汽车或混合动力汽车尚未深入汽车市场,但是,这项技术已经成为了正在不断扩展的领域,尤其对意大利本国的汽车行业和运输行业来讲。

实际上,利用如今蓄电池的能力是适合城际运输企业和郊区短程运输企业的理想解决方案。事实上,从减少大气污染和噪声污染的观点来看,毫无疑问对环境有利,而且还对提高电动车的效率、抑制供电成本和降低管理成本都能获得最大的好处。

展望未来,电动车用蓄电池将在支持微网的推广方面,起着决定性的作用。在目前电力需求处于巅峰时刻,车辆充电网技术(V2G)有可能用于对停驶车辆充电,保证了电网管理达到最大的柔性。

因此,将电动车整合入 SPM,体现了一种最大的创新,是极有潜力的战略性考量。实际上,在校园内,建有一个车棚,内装一个充电装置(CU),可以同时对两辆配锂电池的电动车充电。

后者(CU)采用了经过验证的高性能蓄电技术,电池的效率高且寿命长(充放电循环次数多),与其它蓄电装置相比,不含对环境有害的材料。CU 充电桩上配备了 SCAME 和 Mennekes 型的插座,能对充电量计费,并可借助于 GSM 和 DEMS 技术,利用 CU 的诊断功能和地理定位功能,与 SPM 和基本研究设施(西门子电动汽车运营中心的平台)通信。

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