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【施耐德白皮书】新型微电网设计如何帮助医院提高弹性、降低成本并改善可持续性.pdf

电网可以包括各种各样的分布式能源。DER的选择

的储存量是有限制的，因此医院可以预期的总发电时间通常不超过48小时。 用柴油发电机会产生碳排放和污染气体，长期来看不利于保护环境以及更好地推进"双碳"目标。 法规要求对备用发电机进行定期测试，但这并不能百分之百保证发电机在公用电网停电的情况下能可 引言中的例子敲响了一记警钟：应采取谨慎措施，提高备用系统的可靠性。

热电联产（CHP）和冷热电联产（CCHP

文些系统将发电与供热或制冷结合在一 建微电网的第一步。 美国能源部在2016年报告称，368家医疗机构已经安装了CHP系统，但这代表医院仅利用了该技术12%左右的 替力。7能源部指出，“医院拥有与CHP能力相匹配的电力负载和热负载，它们可以提高项目的经济性。医院需要持 卖供电，对生活热水、消毒和洗衣有大量需求。此外GB/T 18115.14-2010 稀土金属及其氧化物中稀土杂质化学分析方法 镱中镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镥和钇量的测定，医院在发生自然灾害或紧急情况时被视为关键设施，因此CHF 的后备可靠性非常符合他们的需求。

位于休斯顿的德克萨斯医疗中心凭借其CHP系统，在2017年8月哈维題风期间维持了电力供应。作为世界 上最大的医疗中心，那里完全断电的后果可能是灾难性的。但该医院却能够继续运行美国最大的冷却水区域能 原系统，并满足关键的空调、冷藏、供暖、消毒和洗衣需求。 工业效率联盟

确保安全： 施耐德电气，2017 美国热电联产（CHP）技术潜力” ，美国能源部2016

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CHP系统通常使用往复式发动机或燃气轮机作为原动机，最常使用天然气作为燃料。CHP的最大好处在于效率。系 统在原动机产生热量的同时发电，产生的热量将被捕获并投入使用。与综合效率最多只有50%至58%的传统发电 厂发电和锅炉供热相比，CHP的热效率可达75%至90%，：具体取决于气候。更少的损耗意味着更少的资金浪费和 更低的排放。这也意味着，与备用发电机不同，CHP可以持续地带来效益。 HP系统通常可以连续运行，并且能获得比备用发电机更好的维护，这意味看，它可在停电时立即用于供电。此外 美国能源部表示，“天然气基础设施通常不受恶劣天气的影响。“9在某些情况下，根据能源和燃料价格以及当地法规 攻策，CHP可以大规模部署以作为设施的主要电力来源，而公用事业电力则作为备用。如果系统产生了过剩的能源， 也可以将这些电力回售给电网。当然，CHP系统产生的任何排放也需被考虑在内。

图5：与传统供电供热方案相比，CHP的能效更高。

另一个相关的解决方案是是将制冷、供热和供电结合在一起的冷热电联产（CCHP），也称为"三联产"。CCHP与CHP 类似，只不过它还提供制冷。吸收式制冷机利用原动机产生的废热为制备冷水供能，所生成的冷水将用于制冷。在 定的气候条件下，CCHP可能是比CHP更好的选择，并且可以提供同等水平的效率和可靠性。 针对CHP和CCHP系统，微电网系统需要不断平衡需求和成本。这就包括确定电网电价与天然气价格在任何给定 时间的差额（记住，天然气不收高峰需求费）。同样重要的是，要理解供热、制冷与电力输出之间的平衡，并决定何时 应从公用事业购买额外的电力，何时又该将电力回售给电网。后文将对这些要点做详细介绍。

在美国，医疗保健行业产生全国10%的碳排放，其中，医院产生全行业39%的碳排放。医疗保健行业预计将从2016 年的3.4万亿美元增长至2025年的5.5万亿美元。10可以预计，该行业产生的碳排放除非得到控制，否则也将快速 增长。 正如美国能源部所指出的，可用性和成本，政策和激励措施，以及电价、监管等当地市场因素，决定了可再生能源是 否适用于特定的医院设施。很多可再生能源都是值得考虑的选择

“迅速上升的能源成本和不断收紧的碳排放法规使可再生能源对医院越来越有吸引力。可再生能源曾被视为利 基技术，但在融资改善、激励增多、技术进步的推动下，可再生能源已逐步成为主流能源。 美国能源部

“迅速上升的能源成本和不断收紧的碳排放法规使可再生能源对医院越来越有吸引力。可再生能源曾被视为利 基技术，但在融资改善、激励增多、技术进步的推动下，可再生能源已逐步成为主流能源。 美国能源部

9”为保证弹性，将供热与供电相结合”U.S.DOE.2016 “医疗保健行业能否像大型科技公司一样 100% 采用可再生能源？"，GreenBiz,2018

太阳能发电非常适合大多数医院。医院的屋顶空间往往很充裕。如果屋顶空间不足，可在停车区增设太阳能车棚， 它既能提供可再生能源，也可用来遮荫。此外，医院设施的全天候运作意味着太阳能可以得到最大程度的利用。而且 太阳能的价格在持续下降。据EnergySage称，"10年前，即2009年，太阳能电池板的安装成本是每瓦8.5美元.... 在2019年]太阳能的价格已经下降了60%以上，只有3.05美元/瓦。 太阳能有两种形式：直接将太阳能转化为电能的光伏（PV），以及产生蒸汽驱动涡轮机发电或为医院洗衣淋浴等需求 提供热水的光热。太阳能电池板的可行性和效率在很大程度上取决于安装、定向/追踪、遮阳和天气。在有可能实现 公用事业侧互联的地方，可以实行净计量电价政策，该政策充许将多余的太阳能发电量出售给电网。 风力发电是另一个可能的选择。独立涡轮机的选址需离现有架构足够远，以免产生噪音和安全问题，此外也需将当 地社区的担忧考虑在内。然而，建筑一体化设计（如屋顶安装）也正在成为一种可行的替代方案。2此类方案必须将 重量和振动考虑在内。当然，无论采用何种设计，都必须具备稳定而优良的风力条件。与太阳能类似，风力发电也可 能有机会接入公用电网，并出售多余的电力。 如果有植物、残渣、废物等可用资源，那么生物质能源可能是一个不错的选择。工厂废弃术屑或酿酒厂废粮都是典 型的例子。燃烧生物质通常用于CHP，可以同时产生电力和热量。需考虑的重要因素包括资源成本，以及某些类型 的生物质在燃烧时的颗粒物排放水平。

随看燃料电池技术不断进步，其全球市场份额迁速上升。2016年这个市场的价值为32.1亿美元，并且预计大规模增 长还将持续下去。13从交通运输到现场发电，燃料电池的应用范围正变得越来越广泛。据燃料电池和氢能协会称， 燃料电池可以作为主电源、备用电源或用于热电联产。“14燃料电池并非基于燃烧，而是基于氢氧结合的化学反应来 生电力。燃料电池的副产物仅为水和热量。 氢气不是一种自然存在的燃料，因此需要人工制造。今大，最常见的手段是使用大然气或沼气（甲烷），经由一个被 尔为通过"天然气重整"的过程制氢。15不过，也可以使用水通过"电解的过程制氢，电解可由太阳能、风能等可再生 能源供能。这种情况下产生的氢燃料可视为一种可再生能源。 王美国以下五个州的政策法规中，燃料电池被视为可再生资源（即使涉及天然气改制）：康涅狄格州、纽约州、俄亥 我州、印第安纳州、俄克拉何马州。由于其超低的排放量，燃料电池通常无需获得空气排放许可。 其他竞争方案相比，燃料电池的占地面积小得多，重量也更轻。因此，它们门可以被置于室外、室内或屋顶。这些系统 也可能带来显著的能源节约，具体取决于融资、激励措施、燃料成本。由于这些原因，许多医院已经采用燃料电池为 其设施提供电力、热能和热水（见案例研究：燃料电池）。

“太阳能电池板成本和效率的历时变化”，EnergySage，2019 “医疗保健行业能否像大型科技公司一样100%采用可再生能源 “太阳能电池板成本和效率的历时变化” , Energy Sage , 2019 “燃料电池和医院应用”，FCHEA "制氢：天然气重整”，Energy.gov

“太阳能电池板成本和效率的历时变化” ,EnergySage,2019 “医疗保健行业能否像大型科技公司一样100%采用可再生能源 “太阳能电池板成本和效率的历时变化" , Energy Sage, 2019 “燃料电池和医院应用”，FCHEA "制氢：天然气重整”，Energy.qov

拥有现场储能能力，可以为医院带来广泛的好处。首先，作为不间断电源（UPS）系统的一部分，储能可与备用发电 机、CHP、可再生能源配合使用，从而增强弹性，更好地应对公用事业电网中断。其次，存储下来的多余能量，可在光 伏面板或风力发电设备无法发电时使用，充分发挥可再生能源发电的价值。最后，储存的能源可以被调度，用于高峰 需求管理，在能源成本较高的时段减少对公用电网电力的消耗。尽管需要投入大量资金，但储能是应对尖峰负荷的 一个良好选择，而其他DER（如CHP）更适合用于支持基本负荷。 诸能可以有多种形式，从电池到机械飞轮到热储能。固态电池是医院应用中最常见的选择，目前锂离子技术已超越 酸技术，其使用寿命更长，密度也更大。然而，不断上升的锂成本和回收挑战止促使市场考虑其他新技术。16 用于关键电力应用的专用储能解决方案也在不断涌现。正如NavigantResearch报告所指出的，“使用分布式储能系 统（DESS）针对关键基础设施的高级储能电池（ABCI)解决方案....可以通过提供电网辅助服务和减少电费，帮助减轻 电力服务中断对关键任务设施运营的影响“？。

系统可视为拥有三层架构（见图6）。 第一层包括所有互联互通的产品，包括监测设备、分布式能源资 可以实现本地的边缘控制。微电网控制器与相关软件相结合，可以监控所有资产、做出关键决策并采耳 发电和耗电资产，增强弹性，最大程度地利用可再生能源。

能层在紧密协调的基础上运行，以最大限度地提高弹性、节约成本

质层包括可以进一步增强微电网解决方案的应用程序、 分析工具和辅助服务。微网能源顾问通常托管在云端，有助 于优化生产、消耗和存储能源的时间和方式，从而最大程度地降低成本，提高可持续性。后文将对此做详细介绍。

进一步增强微电网解决方案的应用程序、分析工具和辅助服务。微网能源顾问通常托管在云端，有助 肖耗和存储能源的时间和方式，从而最大程度地降低成本，提高可持续性。后文将对此做详细介绍。

电网可以根据目前的能力水平，适当地响应公用事业供给侧问题。随着DER利用水平的提高，更高的引 见（见表1）的。

表 1:：增多的分布式能源所提供的弹性水平

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成本节约和可持续发展机遇

微电网不仅仪可以帮助医院提高弹性，更好地抵御电网停电或电力不稳定，还有助于优化能源成本，最大程度地利用 可再生能源。施耐德电气智能电网副总裁MarkFeasel表示：“十年前，弹性是你采购微电网的唯一理由，因为能源生 产成本太高了，永远也不可能比电网便宜。如今，在[美国的许多州，利用光伏和天然气CHP发电比买电更便宜。"18 即使在电网能源成本并不总是更高的地区，微电网也提供了许多节省成本的机会。这是因为微电网在公用事业及其 客户之间建立了一种新的互动模式。美国电气和电子工程师协会（IEEE）指出，“非公用事业微电网将集中式单向电力 系统转换为双向系统，并在电网边缘增加了新的供应和负载变量。

EEE提及的供应变量，指的是微电网的分布式能源。通过先进的 全变现。 最先进的微电网解决方室提供整合外部数据的分析智能

·太阳能和风,能的可用性

图8：先进的微电网能源分析整合了内外部数据，以支持决策和自动化控制方案

能源管理分析层最常作为云托管服务提供。微电网分析应用与设施BMS系统的整合，将使资源和负载的协调优化 不 成为可能。通过这种方式，微电网成为智能建筑的一个组成部分，使其能够利用智能BMS的耗电功能，例如供热、制 冷、调节日光和被动太阳能的百叶窗自动化等，来优化设施的能源状况。 分析层对上面列出的所有相关关键绩效指标进行跟踪，并将其可视化。应用程序使用高级建模，根据天气预报和历 史能源使用情况预测设施需求，然后确定生产、使用、存储或出售能源的最佳时间和方式。 分析层与微电网控制层协同工作，使用预定义算法和控制方案来优化可再生能源的使用，同时实现最经济的能源支 出（见表2）。微电网在现场发电、储能和可控负载方面的柔性越大，医院可以利用的优化机会就越多。

表2：带有DER的微电网提供一系列有效的成本节约机会。

如果医院位于电网运营商提供“智能电网"计划（例如需求响应）的地区，参与其 中可以带来显著的经济效益。医院需要同意在电网电力供应紧张时减少部分能 源消耗。减载通常需要在接到电网运营商通知的两小时或更短时间内进行。参 与单位会收到与其可以减少的负载容量相应的预付款。 微电网及柔性DER可用于优化DR计划的参与，通过提供使用本地发电或负载 管理的选项来满足削减要求。这时，储能可以发挥巨大优势。响应削减负载要 求消耗储能，可以有效地减少对电网能源的消耗。在某些情况下，电网运营商 可能要求增加消耗。这时可以使用电网电力为电池充电。 诸能也可用于为电网提供辅助服务，如频率或电压支持。 在可用时，可以通过自耗低碳、低成本能源来减少与能源相关的温室气体排放， 从而提高可持续性。微电网系统控制储能和现场太阳能/风能发电，以最大限度 地利用这些可再生能源。 如果医院与公用事业公司签订了"净计量电价"合同，微电网系统会在最经济的时 候消耗或储存其生产的能源，而不是将这些能源出售给电网。

储能也可用于为电网提供辅助服务，如频率或电压支持。 在可用时，可以通过自耗低碳、低成本能源来减少与能源相关的温室气体排放， 从而提高可持续性。微电网系统控制储能和现场太阳能/风能发电，以最大限度 地利用这些可再生能源。 如果医院与公用事业公司签订了"净计量电价"合同，微电网系统会在最经济的时 候消耗或储存其生产的能源，而不是将这些能源出售给电网

微电网系统为医院提供了一种智能、透明的方式来管理其分布式能源，并提供了一种简单、自动化的方式，使医院可 以作为能源产消者来参与智能电网计划。微电网平台综合考虑企业的能源、环境、经济需求，自动提出不同机会之间 的最优套利方案。

再生能源和电网能源将在最佳时机得到储存

在全球某些地区，电网运营商正在使用"商业运营商"将电力用户有效地组合成更大的需求块，这些需求块被称为"虚 以电厂（VPP）" 随着更多用户开始在现场实施DER，他们与其他DER所有者组合到一起，构成了微电网集群。微电网集群可能带来 规模经济效益，为能源柔性变现提供更多机会。“多个微电网通过复杂的控制器进行通信并交换服务，以提高效率或 介格，或实现其他预定目标。20 微电网系统的高级分析层为电网运营商和聚合商使用的新兴智能电网VPP平台提供了有效的双向门户

考虑采用微电网解决方案的医院管理团队应寻找这样的供应商 在微电网设计和运行方面拥有丰富的经验，其解决方案包括所有形式的分布式能源、强大的微电网控制和先进的 能源管理智能。 提供先进的微电网设计工具，可验证DR资产在世界各地医院的可行性 提供成套的、预先设计好的微电网架构，使解决方案的实施、运行和维护更容易、更经济。 提供多种融资和运营模式选择（例如客户自有，或能源即服务），以及可用的激励措施，使微电网负担得起，同时降 低财务风险，实现回报最大化。

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20“分布式能源的演变”，MicrogridKnowledge，2018

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对于医院米说，微电网每大都在提供价值，而不仅仅是在停电时。微电网充许使用（HP、CCHP、可再生能源、燃料电 也和储能，具备基于柴油的备用电源系统无法比拟的优势。微电网通过先进的能源分析功能帮助优化和平衡电网 与现场能源的使用，助力最大限度地提高弹性、降低成本并确保可持续性。微电网还符合所有适用的国家和地方法 现。现在是医院团队采用微电网解决方案的最佳时机。这项技术已经成熟，相关解决方案比以往任何时候都更加经 济实惠、易于实施。

医疗微电网：医院走向更可靠，更清洁 低成本能源的途径"，MicrogridKnowledge，2017

分布式能源的演变”，MicrogridKnowledge，2018 热电联产（CHP)技术在美国的发展潜力"，美国能源部，2016 太阳能电池板成本和效率的历时变化"，EnergySage，2019 燃料电池和医院应用",FCHEA

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排行榜：能源即服务解决方案提供商”，Guidehouse，2019Q1 能源即服务微电网金融决策者指南"Microgrid Knowledge，2018

排行榜：能源即服务解决方案提供商”NB/T 33005-2013 电动汽车充电站及电池更换站监控系统技术规范，Guidehouse，2019Q1 能源即服务微电网金融决策者指南"，Microgrid Knowledge,2018

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