高寒地区居住区电能替代研究与应用

完成单位：内蒙古电力（集团）有限责任公司锡林郭勒供电分公司变电管理二处

主要完成人：李树鹏、好斯白乙拉、曹宏霞、莘尚军、斯钦毕力格、红地、李宏业、沈文杰、郭精闯、张国庆

一、研发背景

锡林郭勒盟地域辽阔，面积20.3万平方公里，属北部温带大陆性气候，其主要气候特点是风大、干旱、寒冷。年平均气温0-3℃，寒冷期长达7个月，1月气温最低，平均-25℃左右，属华北最冷的地区之一。随着电力技术的不断发展，电力资源作为一种清洁的资源逐渐得到了广泛利用，利用电能替代煤炭、石油、天然气等一次性能源，全面推进电能替代工作，构建绿色能源发展模式，对自治区节能减排、碳中和、建设生态文明有着非常重要的意义。

电能替代，主要是指利用便捷、高效、安全、优质的电能代替煤炭、石油、天然气等一次能源，通过能量转换得到需要的热能、机械能等，以此来减少污染物排放、提高能源使用效率。电能具有受高精度仪器仪表控制特性，且便于调节输出功率。本项目主要研究高寒地区电供热取代传统燃煤供热方式，通过控制系统采集现场的温度、压力、流量、电压、电流、功率等数据，将这些数据统一支配、管理，通过计算机运算对现场的执行机构进行统一、可靠的控制，从而达到控制供热负荷的目的。另一方面是优化新能源汽车充电设施，为新能源汽车在高寒地区的应用提供数据依据，同时研究新能源汽车作为可控的电储能单元与电供热系统协调运转，达到减少能耗的目的。

二、发明团队介绍

本项目发明团队见表1所示。

表1  发明团队成员表

三、成果(专利)简介

基于研究高寒地区供热的电能替代以及新能源汽车的运用，利用清洁电供热系统中各执行机构的调节，提高供热系统的灵活性，降低能耗，提高效率。整个系统中有热储能和电储能两种储能形式，运行方式不同，给系统的协调优化控制带来很大难度。系统运行的约束条件包括电力和热力两方面的约束，需要在上层调度系统中建立包含用户侧储热的负荷预测/预估数学模型和电--热联合运行系统的数学模型，描述其电力和热力特性。系统的运行目标包括提升系统的经济型，提高能源利用效率，促进节能减排等。运行控制中还需要考虑用户侧负荷的不确定性和预测不准确性，实现优化运行。综上，主要创新点如下：

1.精确的电负荷和热负荷预测方法。

2.合理适度的清洁电供热规划。

3.适合用户现场的电供热的可靠性高、成本低、运行维护简单的清洁供热系统及通讯控制终端。 

4.包含用户侧清洁供热负荷的电---热联合系统的协调优化控制。

5.实现电供热系统与新能源汽车优化匹配的广域协调调度方法。 

6.简洁高效共赢的运营模式和市场多边交易机制。

该项目开发的清洁供热监控系统（《高寒地区电能替代监控系统V1.0》），根据环境温度，实时反馈并精确预测热负荷，进而调节电负荷，实现电---热联合系统的协调优化控制与运转，提高能源利用效率，促进节能减排。《集中电供热在电气自动控制中的研究》论文提出以电气自动控制为核心的集中电供热控制系统及方案，旨在为目前和将来集中电供热系统的改造及发展奠定良好基础，提供可靠的参考借鉴。

该项目发表的核心论文《电动汽车充电站电能质量采集与分析研究》，分析了传统电动汽车充电站电能质量采集方法忽略了对充电谐波振幅的计算导致采集结果精度较低的缺点，提出了新的电动汽车充电站电能质量采集方法。根据电动汽车供电电压、频率、三相电压、电压波动、充电站供电时产生的谐波，确定电能质量标准准则，计算充电站为电动汽车充电时产生的谐波振幅，采用泰勒级数提高电能质量采集分析精度，完成电动汽车充电站电能质量采集。为验证所提方法在应用时的有效性，设计一次仿真实验。实验结果表明，在同一电流点，所提方法的电动汽车充电站电能质量采集结果与实际情况相符，说明所提方法具有较优应用性。

四、成果（专利）转化情况介绍

高寒地区电能替代监控系统在二连浩特清洁电供热项目（具体应用在内蒙古师范大学二连浩特国际学院、二连浩特市蒙古族中学，供热面积达到101095㎡）上成功运用，有效解决了燃煤带来的环境污染、热能量转换率不高、成本高等弊端，效果显著；高寒地区电能替代监控系统与新能源汽车的有机结合在锡林郭勒供电分公司运行，系统有效监测新能源汽车在高寒地区的运行数据，为新能源汽车在高寒地区普及奠定基础。该系统在自治区内首次应用。

五、经济效益与社会效益介绍

经济效益：系统运行后观察一个月，取其中10天（2020年10月30日-11月10日）的数据对比系统运行前后得出如下结论：改造前同一时间段用电量为584400kWh，改造后同一时间段用电量为490080kWh，节省电量94320kWh。按照100000㎡的集中电供热面积计算，北方地区供热周期7个月，分时段、分气候管理模式调节，使用该系统后一年能节省电量约为200万kWh，电价0.43元/kWh，一年约节省86万元电费。保证供热效果的基础上有效降低了电量消耗，节省了运行费用，提高了能源利用率。

社会效益：高寒地区电能替代监控系统在二连浩特市清洁电供热项目上的成功应用，有效解决燃煤带来的环境污染、热能量转换率不高、成本高等弊端，效果显著。为自治区高质量推广清洁电能供热项目提供了依据，具有集城市大气污染治理、可再生能源就地消纳、优化区域电网结构、用户清洁高效用暖等良好的社会效益。同时，为新能源汽车在高寒地区普及奠定数据支撑。