火電廠光火儲一體多能供給系統(tǒng)的應(yīng)用分析

＊譚福太 林海 謝方靜

（廣州匯錦能效科技有限公司 廣東 510630）

引言

2021年，在“碳達峰”和“碳中和”的工作目標(biāo)中，明確以綠色能源低碳發(fā)展為關(guān)鍵，加快構(gòu)建清潔安全高效的能源體系[1]。太陽能作為一種易獲取、儲量豐富、清潔可再生的非化石能源，在建設(shè)上述能源體系中的作用不容忽視。

目前，太陽能資源已廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)，有利解決我國結(jié)構(gòu)性資源緊缺及環(huán)境污染等問題，是集中式發(fā)電的有效補充[2]。但是光伏出力受到太陽輻射、氣壓、溫度等因素的影響，其發(fā)電的隨機性和間歇性易導(dǎo)致輸出功率波動，給微電網(wǎng)供電可靠性和電能質(zhì)量帶來不利影響[3]。儲能具有功率控制快速、能量吞吐靈活等優(yōu)點，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中配置儲能設(shè)備可有效解決出力隨機不可控的問題。儲能系統(tǒng)在電力充沛時儲存電能，在負(fù)荷高峰時釋放電能，達到削峰填谷、改善電力系統(tǒng)的日負(fù)荷率，達到提高整體運行效率的作用，因此在光伏并網(wǎng)和消納領(lǐng)域擁有廣闊的前景[4]。

能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）在系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，以經(jīng)濟優(yōu)化運行為目標(biāo)，通過對各類設(shè)備的歷史、實時數(shù)據(jù)進行采集分析，實現(xiàn)對光伏發(fā)電、儲能、配電以及用電的在線監(jiān)控及有效管理，達到減少人力物力、提高經(jīng)濟性的目的[5]，該系統(tǒng)對微電網(wǎng)具有重要作用。目前的大型燃煤電廠的廠用電率在4%～5%之間[6]，微電網(wǎng)的接入能有效降低廠用電率[7]、建設(shè)成本、能源供應(yīng)成本。如何高效地利用EMS，優(yōu)先消納光伏，聯(lián)合廠用電滿足內(nèi)部多元負(fù)荷需求，提高電廠運行效率，保證電能質(zhì)量已成為備受關(guān)注的課題。

2021年國務(wù)院發(fā)布《2030年前碳達峰行動方案》[8]，提出加快智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新升級和特色應(yīng)用，加速推進光伏發(fā)電多元布局。2022年工業(yè)和信息化部、國家能源局等部門共同印發(fā)了《智能光伏產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021—2025年）》[9]，提出了到2025年，光伏產(chǎn)業(yè)智能化水平提升，與新一代信息技術(shù)融合水平逐步深化。依據(jù)上述政策，在“十四五”時期，供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革成為光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的主要內(nèi)容，聚焦新技術(shù)、實行多能互補、提升智能化水平和發(fā)電質(zhì)量，將成為光伏發(fā)電應(yīng)用的新導(dǎo)向。

本文分析了光伏發(fā)電及儲能系統(tǒng)在某電廠行政生活區(qū)空閑屋頂?shù)膽?yīng)用案例，并對火光儲一體多能互補的實施方案、經(jīng)濟性以及運行效果等方面進行分析，為其他電廠開展火光儲一體多能互補的應(yīng)用提供借鑒與參考。

1.光火儲一體智能微電網(wǎng)金項概況

某火力發(fā)電公司以分布式能源形式引入光伏發(fā)電連接到熱電廠內(nèi)部微電網(wǎng)，形成光火儲多能互補系統(tǒng)。該公司位于廣東省中山黃圃鎮(zhèn)，地理位置為東經(jīng)113°32'北緯22°69'66"。市境太陽高度角大，全年境內(nèi)各地均有2次太陽直射，太陽輻射能量豐富。歷年平均日照時數(shù)為1694.4h，占年可照時數(shù)的42%。年最多日照時數(shù)為2392.6h，占年可照時數(shù)的54%；年最少日照時數(shù)為1455.8h，占年可照時數(shù)的33%。該項目充分利用火電廠生活區(qū)閑置屋頂鋪設(shè)光伏發(fā)電，面積約1934.7m2，總裝機容量約為400kWp。搭配電化學(xué)儲能，構(gòu)建EMS提高現(xiàn)有能源消耗中太陽能的滲透率，降低辦公樓能耗，實現(xiàn)節(jié)能減排。該系統(tǒng)主要有3部分組成：光伏發(fā)電子系統(tǒng)、儲能子系統(tǒng)、廠級EMS。光伏發(fā)電子系統(tǒng)滿足電廠非生廠區(qū)內(nèi)部部分的多元負(fù)荷需求，儲能子系統(tǒng)平抑太陽能能源波動，廠級EMS協(xié)調(diào)智能用電設(shè)備參與需求響應(yīng)，其微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 火光儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本項目采用“自發(fā)自用、余電存儲”的設(shè)計方案并實現(xiàn)以下功能：當(dāng)光照充足時，優(yōu)先使用光伏電力系統(tǒng)給廠前區(qū)負(fù)載供電，多余電量向蓄電池充電；而當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)供電不足時，由光伏電力系統(tǒng)和蓄電池同時給廠前區(qū)負(fù)載供電，不足部分由行政變電源補充，減少光伏出力對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，實現(xiàn)削峰填谷。整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)光伏、蓄電池、行政變電源自動切換，同時EMS自動統(tǒng)計各區(qū)域能耗情況，分析設(shè)備能效變化趨勢，幫助維護人員及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，維護電網(wǎng)的穩(wěn)定。

2.光火儲一體智能微電網(wǎng)組成部分

(1)光伏發(fā)電子系統(tǒng)

鋪設(shè)范圍包括辦公樓、圓形會議室、食堂、宿舍樓和運動館的屋頂，建筑面積約5285.48m2。根據(jù)當(dāng)?shù)靥柲苜Y源的特點、場址的地形地貌特征等因素，并按照屋頂有效面積、本項目安裝光伏組件總?cè)萘繛?00kW。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)路徑為：組串式逆變器、光伏并網(wǎng)匯流柜、光伏并網(wǎng)計量柜、廠前區(qū)低壓配電房母線。

當(dāng)出現(xiàn)由電網(wǎng)停電、微電網(wǎng)反向供電、配電網(wǎng)某處斷路等非計劃孤島情況時，逆變器在2s內(nèi)停止向電網(wǎng)供電，同時發(fā)出報警信號。計劃性的孤島和非計劃性孤島運行時的保護，能有效減少分布式光伏電源對電網(wǎng)安全的影響，保證光火儲一體智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。當(dāng)工作環(huán)境變化時，光伏電池的輸出特性也會跟著變化，最大功率點會發(fā)生一定的偏移，因此對光伏電池的輸出狀態(tài)做出調(diào)整是十分必要的。為了避免光伏電池在新的運行環(huán)境下不能在最大功率點工作，而造成不必要的能量損失，所以采取基于擾動觀察法的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術(shù)[11]，提高能量利用率。

(2)儲能子系統(tǒng)

對于儲能部分，基于廠前區(qū)用能設(shè)備負(fù)荷、光伏發(fā)電出力，以供電安全、儲能運行經(jīng)濟性、壽命性為目標(biāo)進行優(yōu)化配置；從能量平衡出發(fā)，保證系統(tǒng)運行的可靠性和避免功率倒送[10]，以經(jīng)濟運行為目標(biāo)，分析不同時間、負(fù)荷條件下的充放電運行策略。從實現(xiàn)“削峰”的角度考慮，配置儲能系統(tǒng)400kWh、充放電功率≥100kW，直接接入交流母線，結(jié)合廠用電進行多電源耦合運行優(yōu)化，與現(xiàn)貨電價聯(lián)系，利用光伏發(fā)電高峰期及電價低谷期進行充電，在高電價期間盡可能減少廠用電消耗，從而進一步提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。儲能系統(tǒng)通過對來自太陽能的電能的儲存和釋放，使廉價的不穩(wěn)定電源變成穩(wěn)定的具有較高價值的產(chǎn)品[12]。

通過分析圖2的負(fù)荷曲線可發(fā)現(xiàn)，利用光伏發(fā)電高峰期（如13～15時期間）及電價低谷期（考慮陰雨天氣時）充電，充放電功率100kW，大于日平均用電功率，可滿足較大時段內(nèi)的供電能力，總儲電量400kWh，可滿足3～5h的用電需求。該儲能系統(tǒng)可有效實現(xiàn)減少可再生能源波動性的影響，協(xié)調(diào)系統(tǒng)電能平衡，提高能源利用效率等，為我們提供了更多的靈活性來管理電網(wǎng)中的電能。

圖2 當(dāng)?shù)厮募矩?fù)荷曲線圖

(3)EMS

本光儲多能互補系統(tǒng)中，以分布式能源形式引入光伏發(fā)電到廠前區(qū)的微網(wǎng)中，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)用電設(shè)備的供電。EMS通過功率預(yù)測技術(shù)、綜合天氣等相關(guān)數(shù)據(jù)，對光伏發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)建模，預(yù)測光伏發(fā)電功率，從而為整個供能系統(tǒng)的能量調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)，提高運行的穩(wěn)定，在用戶側(cè)改善電能質(zhì)量[13]。同時，EMS通過負(fù)荷預(yù)測，從靈活性角度將負(fù)荷分為可根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)運行情況而增大或消減的柔性負(fù)荷，以及為了滿足基本需要而無法削減的固定負(fù)荷。通過建立廠前區(qū)柔性負(fù)荷和固定負(fù)荷的能耗模型和調(diào)控節(jié)能模型，結(jié)合對設(shè)備的節(jié)能診斷，獲得其節(jié)能潛力。

3.火光儲一體實際系統(tǒng)運行效果及效益分析

(1)運行效果

2020年4月到2021年3月期間廠前區(qū)的總年用電量68.45萬kWh，日平均用電量為1880.41kWh。廠前區(qū)典型日4月28日負(fù)荷曲線如圖3所示。其最高日負(fù)荷為170kW，平均日負(fù)荷為79.46kW。

圖3 廠前區(qū)典型日負(fù)荷曲線

光伏發(fā)電與負(fù)載消耗的負(fù)荷曲線如圖4所示，光伏發(fā)電高峰期及電價低谷期進行充電，在高電價期間盡可能減少廠用電消耗。平抑光伏發(fā)電系統(tǒng)的波動，實現(xiàn)光伏發(fā)電的自發(fā)自用、備用電源，并可結(jié)合現(xiàn)貨電價進行適時充放電，以達到系統(tǒng)經(jīng)濟運行的目的[14]。

圖4 光火儲一體多能互補系統(tǒng)負(fù)荷曲線

(2)效益分析

水平面太陽輻射數(shù)據(jù)選取自Meteonorm氣象數(shù)據(jù)庫的20年平均的太陽輻射數(shù)據(jù)。安裝容量總為400kWp，系統(tǒng)總效率為80%，光伏系統(tǒng)的年發(fā)電量如表1所示。本項目光伏系統(tǒng)所發(fā)電量按全部自用考慮，第一年可減少廠用電共36.1萬千瓦時，按標(biāo)桿上網(wǎng)電價0.453元/千瓦時計算，首年的系統(tǒng)總收益16.31萬元。

表1 項目節(jié)能減排效益

采用的晶硅光伏組件，功率每年衰減0.55%，且使用壽命不低于25年。經(jīng)計算，25年內(nèi)可累計節(jié)省年發(fā)電量854.76萬千瓦時，總收益387.21萬元。所獲得的節(jié)能減排效益見表1。平均每年可以節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤109.47t，預(yù)計減排CO2氣體273.68t。

4.結(jié)論

本文對某電廠的光火儲多能互補發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成、經(jīng)濟性及運行效果進行了分析。得出的主要結(jié)論如下：

在火電廠安裝光火儲多能互補發(fā)電系統(tǒng)，削峰填谷，有效地提高了電廠的系統(tǒng)效率、提升了電能質(zhì)量，減少化石燃料的消耗滿足了火電廠自身效益的要求。EMS的安裝，能實時對數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和分析，保證了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效的提高系統(tǒng)效率，降低成本。在社會效益方面，在火電廠應(yīng)用光火儲多能互補系統(tǒng)有效地提升了企業(yè)形象，符合國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，且伴隨著今年全國及廣東省碳排放權(quán)交易試行和不斷推進，在碳交易市場或可進一步獲益。光火儲多能互補發(fā)電系統(tǒng)在火電廠的應(yīng)用，為電廠的節(jié)能降碳工作提供了借鑒。