與風電場匹配的并網型微電網應用模式探討

李強強

(華電內蒙古開魯風電有限公司，內蒙古 通遼 028000)

0 引言

當前，新能源發(fā)電技術發(fā)展迅猛，尤以風力發(fā)電技術最為成熟。目前，世界范圍內的風電場建設正如火如荼，中國的風電場建設更是呈現(xiàn)出井噴式的發(fā)展態(tài)勢。雖然風力發(fā)電有其不可替代的發(fā)展前景，但也存在先天缺陷，最突出的制約因素就是風能。在風力不足以及無風的情況下，供電的可靠性無法保證，因此，微電網成為一個重要的研究課題。

本文論述的是微電網在風電場內一個微小的應用，可以認為是各種新能源間互補方案的小型化。

1 微電網概況

美國最早提出微電網(Micro Grid)的概念，微電網是相對于大電網而言的，它將一定區(qū)域內分散的獨立發(fā)電系統(tǒng)(如燃氣輪機、太陽能、風能、地熱能、生物質能、燃料電池等)和儲能裝置聯(lián)接起來，采用大量的現(xiàn)代電力技術，向附近的各終端用戶直接供應各種能源(熱和電等)。微電網網絡簡圖如圖1所示。

圖1 微電網網絡簡圖

微電網可以獨立運行，利用其新型的供電終端系統(tǒng)，使清潔能源能就地利用;也可以通過配電網與主干大電網并聯(lián)運行，將多余電量通過大電網輸送至遠方負荷中心。

與傳統(tǒng)大電網相比，微電網具有整合分布式發(fā)電的優(yōu)勢，可減小分布式發(fā)電對主電網的沖擊和其他負面影響;它還具有可靠、安全、能源利用效率高、環(huán)保效能好、投資和運行成本低、能適應終端用戶能源需求變化和可使用儲能裝置等優(yōu)點。

隨著智能電網概念的引入和推廣，微電網技術將會成為智能電網的重要組成部分，成為傳統(tǒng)大電網運行的有效補充。尤其在目前風電容量激增的情況下，對緩解風電容量電網飽和、減弱風電對接入電力系統(tǒng)的影響和減輕電網的調峰壓力以及提高電網的安全穩(wěn)定運行水平有著無可替代的作用。

2 微電網可行的應用方案

2.1 方案配置原則

(1)以無污染、環(huán)保為理念。

(2)在無風或風電機組全部切出電網且沒有投運外來備用電源時，可成為一個獨立的供電系統(tǒng)。

(3)技術具有可行性。

2.2 具體方案

2.2.1 以風力發(fā)電為主，輔以潮汐發(fā)電

潮汐發(fā)電主要特點:要漲潮時，為增加水位差需將堤壩內的海水抽出;要退潮時，為增加水位差需向堤壩內抽入海水;抽水蓄能所需的電量大約是其發(fā)電量的5%;建造費用昂貴。潮汐發(fā)電簡單示意圖如圖2所示。

適用范圍:僅適用于沿海、海上且潮汐能豐富區(qū)域的風電場。

2.2.2 以風力發(fā)電為主，輔以燃料電池

圖2 潮汐發(fā)電簡單示意圖

燃料電池主要特點:不受卡諾循環(huán)限制，能量轉換效率高;為模塊結構、積木性強、適用性強;既可以集中供電，也適合分散供電，通用性強;燃料不需要燃燒，沒有轉動部件，理論上能量轉換率為100%，裝置無論大小實際發(fā)電效率可達40% ～60%;可實現(xiàn)熱電聯(lián)產、聯(lián)用，沒有輸電、輸熱損失，綜合能源效率可達80%;建設周期短、成本低、易維護;能解決電網調峰問題。燃料電池的原理如圖3所示。

圖3 燃料電池的原理圖

適用范圍:可適用于任何區(qū)域的風電場，沒有任何因素限制。

2.2.3 以風力發(fā)電為主，輔以沼氣發(fā)電

沼氣發(fā)電主要特點:具有較高熱值;與其他燃氣相比，抗爆性能較好;應用范圍不夠廣，利用率也比較低;建造周期長，不易于運行維護;需要進行發(fā)酵原料的采購。垃圾填埋處理法沼氣發(fā)電示意圖如圖4所示。

適用范圍:僅適用于發(fā)酵原料豐富區(qū)域的風電場。

2.2.4 以風力發(fā)電為主，輔以地熱發(fā)電

圖4 垃圾填埋處理法沼氣發(fā)電示意圖

地熱發(fā)電的主要特點:能量可以梯級利用，實現(xiàn)熱電聯(lián)產;因地制宜的要求高;相關設備需要根據(jù)當?shù)氐木唧w情況特別定制。地熱發(fā)電原理如圖5所示。

圖5 地熱發(fā)電原理圖

適用范圍:僅適用于地熱富集區(qū)域的風電場。

2.2.5 以風力發(fā)電為主，輔以太陽能

太陽能主要特點:無枯竭危險;絕對干凈，無公害;獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關;發(fā)電形式極為簡潔，光伏發(fā)電屬于固態(tài)半導體發(fā)電，沒有中間過程;獲取能源的時間短;太陽能資源剛好與負荷高峰相重疊，可起到電網削峰的作用。太陽能發(fā)電原理簡圖如圖6所示。

適用范圍:可適用于太陽光能富集區(qū)域的風電場。

圖6 太陽能發(fā)電原理簡圖

2.3 初步篩選方案

以風力發(fā)電為主，輔以潮汐發(fā)電、沼氣發(fā)電、地熱發(fā)電的發(fā)電方式存在著一些缺陷:建設周期長;投資費用很高;發(fā)電系統(tǒng)復雜;技術還不是很完善;潮汐發(fā)電和地熱發(fā)電受地域條件嚴格限制，通用性不強;占地面積大;設備數(shù)量較多，增加運行維護量;容量較大，適用于以風力發(fā)電為主，輔以潮汐發(fā)電、沼氣發(fā)電、地熱發(fā)電的互補型混合供電系統(tǒng)。

綜合以上原因，考慮經濟性和適用性，上述3種發(fā)電方式可以首先排除在外。

3 最優(yōu)方案的確定

通過初步的篩選，可將上述3個方案排除在外，還剩下2個方案可供選擇。以下將對其進行比較分析，從而得出最佳方案。

3.1 技術經濟論證

(1)燃料電池實際發(fā)電效率可達40% ～60%;太陽能光電變換效率僅為10%～15%。

(2)燃料電池設備制造成本需要12418～24836元/kW，目前質子交換膜燃料電池(PEMFC)的國外商業(yè)價格為1 500美元/kW，磷酸型燃料電池(PAFC)的價格為3 000美元/kW，國內富原公司公布其PEMFC接受訂貨的價格為10000元/kW;太陽能造價是13661～17076元/kW。

(3)燃料電池的年運行時間僅受例行維護時間的影響，光伏發(fā)電年運行時間最高僅達1500 h。

(4)燃料電池處于熱備用狀態(tài)時，跟隨負荷變化的能力非常強，可以在1 s內跟隨50%的負荷變化，即電池本體的負荷響應性好，在一定的條件下可平衡風電場內的負荷和電網上的微小份額負荷，電網調峰優(yōu)于其他發(fā)電方式;而太陽能受光照和發(fā)電方式的限制沒有此方面的功能。

(5)燃料電池占地面積小于1.000m2/kW;太陽能占地面積約9.547 m2/kW。

(6)燃料電池發(fā)電中沒有燃燒過程，NOx排放量很小，一般為 0.139～0.236 kg/(MW·h)，遠低于天然氣聯(lián)合循環(huán)的 NOx排放量1.000～3.000 kg/(MW·h)，完全可以忽略不計;利用硅片制造的晶體太陽能電池具有輻射性，目前還沒有詳細的報告，可以忽略不計。

(7)燃料電池通過與燃料供給裝置的組合可以適用的燃料較廣泛，可供采取的初始能源種類較多，如:氣態(tài)化石燃料(天然氣、LPG等)、液態(tài)化石燃料(柴油、甲醇、DME等)、來自各種生物質能的沼氣、垃圾氣化氣及乙醇等;太陽能只能以太陽光能作為初始能源發(fā)電。

(8)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)的試驗壽命已達13000 h，實際運行也突破了10000 h，而且該數(shù)據(jù)還在不斷刷新;太陽能電池板的壽命一般在20年以上，但與之配套使用的鉛酸電池使用壽命是3年左右，即26280 h。

(9)據(jù)統(tǒng)計，2010年全世界燃料電池的總裝機容量達60.0 GW;2010年全球太陽能光伏市場新增容量達15.8 GW，其中我國新增光伏發(fā)電裝機500 MW，累計達到900 MW。2011年3月，全國人民代表大會通過的《“十二五”國民經濟發(fā)展規(guī)劃綱要》對可再生能源的發(fā)展提出了新的要求:到2015年非化石能源的消費比例達到11.4%。據(jù)預測，到2015年，我國光伏發(fā)電利用規(guī)模將達到5～10 GW。

總體而言，風力發(fā)電輔以燃料電池的微電網應用模式優(yōu)于風力發(fā)電輔以太陽能的微電網應用模式。

3.2 最優(yōu)模式

3.2.1 最優(yōu)模式的確定

經過以上相關技術、經濟方面的論證，可見風力發(fā)電輔以燃料電池的微電網應用模式是最優(yōu)模式。

(1)燃料電池作為風力發(fā)電的補充發(fā)電方式，彌補了風力發(fā)電的自身資源利用缺陷(隨機性、波動性和間歇性)，二者具有其他互補方式所不能及的優(yōu)越性。

(2)全部采用清潔能源，符合環(huán)保理念。

(3)風力發(fā)電和燃料電池可以成為獨立的供電電源。

(4)當電網因故障或維修而停電時，燃料電池可繼續(xù)向場用電線路供電，連同站內所有負載構成一個自給供電的孤島，不依靠外來電源，解決了備用電源問題，有效降低了風電場的場用電率，保障了場用電供電的可靠性和穩(wěn)定性。

(5)風力發(fā)電輔以燃料電池可進行熱電聯(lián)產，利用余熱提高能量的利用效率，對能源實現(xiàn)合理的梯級利用，經濟性較好。

(6)風力發(fā)電輔以燃料電池能夠借助微電網通過控制原動機平衡負載的波動和風－燃料電池的輸出功率來達到電網的能量平衡，從大電網角度來說，風－燃料電池組合的供電系統(tǒng)是一個可控、可調的恒定負荷。

3.2.2 未來技術展望

隨著科技的日新月異，具有代表性的風－燃料電池應用技術應運而生。日本東海大學發(fā)明了1套可將風能和太陽能利用納米儲氫合金以氫氣的形式儲存起來并給燃料電池充氫氣的系統(tǒng);此外，也可利用電能將水電解制氫，燃料電池再將氫和氧發(fā)生化學反應生成水時產生的化學能轉化為電能。

采用氫氣為燃料的燃料電池相比于采用其他燃料的燃料電池突出優(yōu)點在于:操作簡單，產品純度高，燃料(氫)可現(xiàn)場制備，不需采購、運輸和儲存。

4 結束語

風力發(fā)電輔以燃料電池的微電網應用模式，對于裝機容量超過300 MW的特大型風電場來說有著無可比擬的優(yōu)越性，具有現(xiàn)實意義。

微電網模式是近年來電網發(fā)展的新思路。微電網的概念提出后即受到歐美等發(fā)達國家的相關部門和研究機構的重視，開始廣泛地研究和建立微電網試驗平臺和試點工程并已取得突破性的進展。毫無疑問，微電網運行將成為未來大型電網的有力補充和有效支撐，是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢之一。

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