pdf文档 基于“光储直柔”技术的零碳工厂设计与应用 VIP文档

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2024 年 12 月 机 电 工 程 技 术 Dec 2024 第 53 卷 第 12 期 MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY Vol. 53 No. 12 基金项目: 北京市科委未来电化学储能系统集成技术创新中心项目 (20230469186-7A); 中国电力 C类科技项目 (ZGDL-KJ-2023-C050) 收稿日期: 2024-05-24 DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2024. 12. 047 江宇萌, 刘骁, 单栋梁, 等.基于 “光储直柔” 技术的零碳工厂设计与应用 [J].机电工程技术, 2024, 53 (12): 236-239. 基于 “光储直柔” 技术的零碳工厂设计与应用* 江宇萌, 刘 骁, 单栋梁, 靳文涛, 戚江兵 (新源智储能源发展 (北京) 有限公司 (北京市未来电化学储能系统集成技术创新中心), 北京 100027) 摘要: 为了探索零碳工厂实现源网荷储一体化的应用效果, 以某新型储能示范产业园区智慧工厂项目的设计建设为实例, 在智能化 工厂的改造上融入 “光储直柔” 技术, 结合储能系统集成等方面先进技术的优势, 形成园区工厂的零碳未来试点。 在光储直柔的 设计方案中分析其主要拓扑和核心技术, 着重对彩色建筑光伏、 新型储能系统和移动智慧车充进行设计说明, 并对项目整体方案的 社会经济效益进行分析。 对于工业制造型园区, 低碳减排是企业智能制造新模式的探索, 可减少园区高峰负荷用电, 节省园区用电 成本。 项目的设计应用成果具有通用性和普适性, 适用于工业园区的节能改造, 可作为工业园区绿色升级改造的典型案例加以推 广, 助力新型电力系统的建设发展。 关键词: 光储直柔; 零碳工厂; 彩色建筑光伏; 新型储能系统; 移动智慧车充 中图分类号: TM72 文献标志码: A 文章编号: 1009-9492 (2024) 12-0236-04 Design and Application of Zero Carbon Factory Based on PEDF Jiang Yumeng, Liu Xiao, Shan Dongliang, Jin Wentao, Qi Jiangbing (XYZ Storage Technology Co.,Ltd.,(Beijing Future Electrochemical BESS Integration Technology Innovation Center),Beijing 100027,China) Abstract:In order to explore the application effect of zero-carbon factory to realize the integration of source,network,charge and storage,taking the design and construction of a smart factory project as an example,the transformation of intelligent factory is integrated into the PEDF(photo- voltaic,energy storage,direct current and flexibility) technology,combined with the advantages of advanced technologies such as energy storage system integration,to form a zero- carbon future pilot of the park factory. The main topology and core technology are analyzed in the design scheme of PEDF,and the design description is focused on color building photovoltaic,new energy storage system and mobile smart charging car, and the social and economic benefits of the overall project are analyzed. For industrial manufacturing parks,low-carbon emission reduction is the exploration of a new model of enterprise intelligent manufacturing,which can reduce the peak load power consumption of the park and save the cost of power consumption in the park. The design and application results of the project are universal and applicable to the energy-saving transformation of industrial parks,which can be used as a typical case to promote green upgrading in industrial parks,and help the construction and development of new power systems. Key words:PEDF;zero-carbon factory;color building photovoltaic;new energy storage system;mobile smart charging car 0 引言 随着建筑光伏一体化、 新型储能系统、 V2G 智慧车 充等技术融入智慧园区, 园区中的零碳工厂将不再是传 统意义上的用电负载, 而将兼具发电、 储能、 调节、 用 电等功能。 园区级 “源网荷储” 低碳智慧园区已在全国 范围广泛铺开建设, 基于现有的园区数字化基础, 贯彻 碳中和理念、 整合零碳应用已成为零碳智慧园区建设的 主流方向。 “光储直柔” 作为源网荷储一体化的平衡单 元, 在平抑分布式新能源波动性方面有着明显的优势, 助力区域电力系统由传统的 “源随荷动” 的运行模式向 “源荷互动”, 实现园区内部能源的碳排放与吸收自我平 衡, 率先实现工商业园区的低碳化 (零碳化), 构建生 产、 生态深度融合的新型产业园区[1]。 “光储直柔” 已 列为国务院 《 2030 年前碳达峰行动方案》、 九部委 《科技支撑碳达峰碳中和实施方案 (2022 - 2030 年)》 中城乡建设领域实现 “双碳” 目标的重要支撑技术。 对于区域落实 “双碳” 战略, 实现高质量发展具有重 要的意义[2]。 本文在智慧园区中零碳工厂的方案设计上应用最新 的 “光储直柔” 技术, 从园区规模、 定位、 要素资源出 发, 依托智能制造零碳工厂为载体, 以零碳排放为目标, 以保障园区能源供应安全稳定为基本原则, 合理规划设 计园区综合零碳能源系统, 实现园区内部能源的碳排放 与吸收自我平衡, 构建生产、 生态深度融合的新型产业 园区。 1 “光储直柔” 技术分析 “光储直柔” 是应用在建筑领域光伏发电、 储能、 直流配电和柔性用电 4 项技术的简称[3]。 “光储直柔” 的系统整体架构示意图如图 1 所示。 “光” 指的是屋顶的分布式光伏与建筑光伏一体化相 2· 36· 图 1 “光储直柔” 系统整体架构示意图 结合, 作为源端提供可再生能源发电。 其中, 分布式光 伏技术已发展成熟, 光伏组件造价持续下降, 度电成本 相应降低。 BIPV技术发展已有数年, 新型材料在效率与 成本上有较大突破, 已实现快速的迭代与进步, 将光伏 材料融入到建筑幕墙、 玻璃等材料中, 实现建筑美学与 新型技术的融合[4]。 “储” 采用电池储能与双向充电桩结合, 具备 V2G 技术, 灵活运用电动汽车电池, 配合实现柔性调节能 力[5]。 新型储能系统的发展日新月异, 从广泛应用的磷 酸铁锂电池到新型钠离子固态电池的示范推广, 储能技 术路线百花齐放, 在储能电池的系统安全性、 充放电效 率和使用寿命上均有较大提升。 “直” 指的建筑直流配电系统, 搭建直流微电网, 通过直流母线与外电网连接, 空调、 照明、 充电桩、 电 器等负荷采用直流配电, 在用电上更具安全性与高效 性[6]。 可进一步提高建筑的能源利用率、 实现能源系统 的智能控制、 提高供电可靠性、 增加与电力系统的交互、 提升用户使用安全性和便捷性。 “柔” 指的柔性用电, 通过电力电子技术柔性调节 削峰填谷, 实现度电成本最低, 平抑城市电网尖峰用电, 使用建筑电网取电具备需求响应能力, 消纳绿色电力对 电网冲击, 使建筑对外界能源的需求量具有弹性, 以应 对大量可再生能源供给带来的不确定性[7]。 2 可行性分析及整体方案设计 目前地方已出台大量光储直柔支持政策, 国家层面 亦鼓励开展园区源网荷储一体化绿色供电园区建设, 提 高系统平衡能力, 增强用能系统协同效率, 助力园区低 碳化发展进程[8]。 本项目旨在利用光储直柔技术, 依托 智能工厂, 探索园区节能减碳策略。 项目建设光伏、 电 池储能系统、 充电桩以及移动智慧车充, 将园区可调负 荷进行升级改造, 并接入 “源网荷储” 综合智慧能源平 台, 通过园区 “源网荷储” 协调控制策略, 实现电源侧 的多能互补、 负荷侧的灵活互动, 探索分散式储能、 电 动汽车、 光伏等的聚合应用商业价值。 本项目光储直柔系统容量配置设计考虑厂区光伏发 电功率、 厂区电网交互功率、 储能充放电功率和厂区用 电负荷功率四者的动态能量平衡关系[9]。 容量配置设计 如下: Epv,ij + Eg,ij = El,ij + Eb,ij (1) 式中: Epv,ij,Eg,ij,El,ij,Eb,ij分别为厂区光伏发电功率、 厂区 电网交互功率、 储能充放电功率、 厂区用电负荷。 方案设计考虑厂区原有电气接线情况及新增设备, 包含光伏系统 1 467 kW 与储能系统 610 kW/ 1 220 kWh, 厂区平均负荷在 1. 5 MW 左右, 共直流母线装置将源、 储、 荷通过 AC/ DC和 DC/ DC变流器并入统一直流母线, 再通过 DC/ AC与电网进行交互, 系统整体可实现园区智 能工厂零碳化 (低碳化) 运行。 方案中屋顶分布式光伏装机容量为 1 150 kW, 厂房 南侧面安装总容量为 279 kW的彩色立面光伏, 厂房东侧 面安装容量 20 kW 的彩色光伏, 新建 1 个 18 kW 光伏 车棚。 储能系统涵盖多种类型技术产品, 包括 500 kW/ 1 000 kWh集装箱式储能系统, 100 kW/ 200 kWh 工商业 储能系统, 10 kW/ 20 kWh户用储能系统。 同时, 在园区 布置多台额定电量 193 kWh小型绿电可移动智慧充电车, 新建交流充电桩与直流充电桩, 安装直流空调, 接入开 放型储能大数据智算中心, 构建 “光储直柔” 实证平台 系统, 平台系统通过 DC/ AC 变换器接入市电 380 V 侧。 “光储直柔” 系统一次示意图如图 2 所示。 图 2 “光储直柔” 系统一次示意图 37· 2· 江宇萌, 刘骁, 单栋梁, 等: 基于 “光储直柔” 技术的零碳工厂设计与应用 3 关键技术 3. 1 彩色建筑光伏 项目在厂区立面安装彩色光伏系统, 在满足厂区用 电的情况下, 以现代、 简洁为主, 使用的全彩光伏组件, 实现厂区外形规整, 风格色彩明快, 与周围环境协调统 一, 从而使整个厂区极具现代感, 既满足了综合智慧零 碳电厂的规划要求, 又达到了美化环境的要求, 形成了 现代化的工业样板厂房。 项目考虑厂区外墙可利用面积, 在厂区南侧、 东侧 分别安装彩色光伏组件, 其中南侧立面彩色光伏容量为 279 kW, 东侧立面彩色光伏容量为 20 kW。 项目采用全 彩光伏微图层制作技术 ( CMT), 该技术在光伏组件表 面制作的全彩微图层层, 达到高透光、 高彩色附着度、 不产生热斑效应的全彩效果, 使光伏板在安全、 绿能、 可再生基础上增加循环利用价值, 并达成与环境融为一 体的视觉效果。 本项目采用 282 W轻质柔性彩色光伏组 件, 相关参数如表 1 所示。 表 1 282 W轻质柔性彩色光伏组件技术参数表 序号 指标 规格 序号 指标 规格 1 峰值功率/ Wp 282 5 组件功率温度系数 /(%·℃ -1) -0. 39 2 串联电阻/ Ω 0. 5 6 组件电压温度系数 /(%·℃ -1) -0. 25 3 填充因数/ % 60 7 组件电流温度系数 /(%·℃ -1) 0. 046 4 工作温度/ ℃ -40~85 8 安装方式 无支架胶贴 光伏系统通过电力电子双向变换器接入 DC 750V 母 线与 AC 380V电网侧, 并通过充电桩供园区电动车就地 消纳光伏资源, 实现新能源自发自用, 提高本地可再生 能源利用率。 彩色光伏系统、 光伏车棚、 交直流充电桩 的建设效果图与实际安装图如图 3~4 所示。 图 3 彩色光伏系统效果 图 4 彩色光伏系统实际安装 3. 2 新型储能系统 本项目新型储能系统选用多种技术路线的自研产品, 采用市场成熟的磷酸铁锂电池, 涵盖集装箱式储能一体 舱、 工商业户外储能一体柜、 户用模块化储能等产品。 磷酸铁锂电池在安全性问题上有着极大优势, 更适用于 用户侧电力储能场合[10]。 在常温下, 电池充放电效率高 达 95%, 交流侧循环效率 ( RTE) 可维持在 85% 左 右[11]。 在放电深度 ( DOD) 80%下, 循环次数可达到 6 000 次, 具备长寿命、 高可靠性等特点, 在新型储能系 统建设中得到广泛的应用[12]。 集装箱式储能一体舱就近布置于厂区空地中, 拟由 3套标准储能单元构成, 每套储能单元额定功率 186 kW, 额定容量为 372. 73 kWh, 项目实际配置容量 500 MW / 1 118 kWh。 每套储能单元支持积木式并联应用, 单个户 外柜单元为单支路交流输出, 通过控制汇流柜连接至箱 变系统。 控制汇流柜还集成有储能集中控制器和配电系 统, 可以完成储能分系统下各户外柜单元的控制保护、 计量, 实现能量流的双向连接和管理。 工商业储能系统的额定充放电功率为 100 kW, 额定 储能容量为 200 kWh, 储能变流器为 DC/ DC型, 输出侧 接入直流 750 V 母线。 采用户外柜一体化设计, 将储能 电池、 储能变流器、 控制系统等设备安装在户外柜体内, 拥有独立的自供电系统、 温度控制系统、 火灾报警系统、 门控照明、 应急系统、 消防系统等。 3. 3 移动智慧车充 园区拟布置多台小型绿电智慧移动充电车, 移动智 慧充电车集 “储能” 和 “充电” 于一体的双重应用模 型, 具有使用便捷、 快速部署高效运营、 实现能源的自 由调度与管理等特点。 同时接入 “源网荷储” 一体化综 合智慧零碳电厂平台, 实现线上与线下服务的协同联动, 可配合实现移动充电和削峰填谷、 动态增容等功能。 在 移动充电车有冗余时间时可通过 V2G提供辅助服务, 提 升园区能源利用率。 移动智慧车充技术参数如表 2 所示。 表 2 移动智慧车充技术参数 序号 指标 规格 序号 指标 规格 1 设备电量/ kWh 193 5 充电功率/ kW 60 2 额定电量/ kWh 184. 32 kWh 6 额定输出直流电压/ V 200~750 3 额定电压/ V 614. 4 7 最大输出直流电流/ A 150 4 额定容量/ Ah 300 8 最高速度/(km·h -1) 4 4 应用效果分析 4. 1 商业模式 依托园区智能制造工厂, 依靠 “光储直柔” 技术, 充分利用本地可再生能源发电并就地消纳, 同时建设储 能系统进行峰谷价差套利, 实现柔性用电, 多种能源交 互[13]。 源网荷储一体化的运营模式, 从低碳节能、 电力 市场交易等角度考虑, 可进一步提高用户侧储能项目收 益。 通过 “光储直柔” 协调控制策略, 实现电源侧的多 能互补、 负荷侧的灵活互动, 探索分散式储能、 电动汽 车、 光伏等的聚合应用商业价值[14]。 通过峰谷价差低充 38· 2· 2024 年 12 月 机 电 工 程 技 术 第 53 卷 第 12 期 高放减少购电费用并实现峰谷套利, 随着地区需求响应 及辅助服务市场对用户侧储能的开放, 盈利模式将会更 为多样化。 4. 2 社会经济效益 项目利用 “光储直柔” 技术的收益可分为 3 大部 分: 从 “光” 源端带来的新能源发电收益, 同时减少电 费的支出; 从 “储” 中工商业储能削峰填谷峰谷价差 套利的带来的储能收益; 从 “柔” 移动智慧车充 V2G 技术电力商业化交易带来的运营收益。 经测算, 光伏 系统首年发电量约为 181 万 kWh, 在 15 年运营期内约 为 2 659 万 kWh, 通过加权电价测算平均每年预计可达 到 196 万元收益。 储能系统在现行工商业电价机制下, 按照年有效利用天数 300 d 计算, 通过峰谷与峰平价差 加权测算, 运营期内平均每年可实现 31 万元收益。 移动 智慧车充在当前运营策略与市场需求情况下, 按照一天 服务两辆车, 峰谷循环次数一天一次, 单车日充电量 165. 015 kWh, 平均每台车每年可实现 6. 6 万元收益。 但 受到电价机制波动以及政策补贴的影响, 经济成本依旧 存在较大不确定性, 初始投资较高, 后期收益未十分明 显, 不过随着市场产品的成熟、 新型材料技术的迭代、 政策机制的完善, 有望进一步拓展市场规模[15]。 目前国内大量工业制造型园区亟待绿色低碳升级改 造, 低碳减排是企业智能制造新模式的探索, 可减少厂 区高峰负荷用电, 节支厂区用电成本。 项目研究成果具 有通用性和普适性, 可应用于智能制造工厂, 助力低碳 化的发展, 提供全方位的绿色智能管理, 助力产业绿色 转型升级。 同时, 厂区碳排放将大幅下降, 社会整体的 碳排放强度也将得到一定改善。 5 结束语 本文介绍了零碳工厂的 “光储直柔” 绿色低碳改造 升级, 并在设计方案中应用市场上多种新型光伏、 储能 产品, 进一步探索新型商业模式, 在实际应用中寻求良 好的社会经济效益。 国内 “光储直柔” 技术的应用现阶 段仍处于多点示范阶段, 正在多维度、 多场景下积极进 行探索。 但受电价机制、 政策补贴等不确定因素的影响, 市场应用推广依旧存在一定阻碍。 随着国家政策激励措 施的完善, 市场主观能动性的提高, 行业标准的规范化, 产品的技术难点逐步突破, 必将实现 “光储直柔” 技术 的商业价值, 提升双碳背景下企业的市场竞争力, 打造 区域绿色低
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