水泥工廠區(qū)域微電網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建

郭彥鵬，袁亞雄，周 靜

（1.中材國(guó)際環(huán)境工程（北京）有限公司，北京 100102；2.廣東雋諾環(huán)保工程技術(shù)有限公司，廣東 廣州 511453；3.北京中清環(huán)循科技有限公司，北京 10083）

0 前言

國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要中提出，建設(shè)現(xiàn)代化能源體系作為“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的重要支撐，微電網(wǎng)的構(gòu)建能促進(jìn)再生能源的廣泛利用，并能夠與大電網(wǎng)友好互動(dòng)，成為現(xiàn)代能源體系的關(guān)鍵部分。

為促進(jìn)并規(guī)范微電網(wǎng)健康發(fā)展，積極推進(jìn)能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，引導(dǎo)分布式電源和可再生能源的就地消納，國(guó)家發(fā)改委、能源局頒發(fā)了《推進(jìn)并網(wǎng)型微電網(wǎng)建設(shè)試行辦法》，旨在建立多元融合、供需互動(dòng)、高效配置的能源生產(chǎn)與消費(fèi)模式，推動(dòng)現(xiàn)代能源體系建設(shè)[1]。

水泥工業(yè)作為用電大戶，本身又擁有水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)，而且水泥工廠區(qū)域內(nèi)擁有居民、小型工商業(yè)等區(qū)域性用電設(shè)施，具備建設(shè)水泥工廠區(qū)域微電網(wǎng)的條件，本文因此探討在水泥工廠區(qū)域構(gòu)建微電網(wǎng)系統(tǒng)的可能性。

1 微電網(wǎng)概述

微電網(wǎng)是指由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、用電負(fù)荷以及監(jiān)控保護(hù)裝置等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。數(shù)量龐大、種類不同的分布式電源并網(wǎng)所帶來的問題，都可以靠微電網(wǎng)得以解決，并使分布式電源的靈活高效應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。

微電網(wǎng)分為并網(wǎng)型和獨(dú)立型，其中并網(wǎng)型微電網(wǎng)通常與外部電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，且具備并離網(wǎng)切換與獨(dú)立運(yùn)行能力，本文重點(diǎn)討論并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)。

并網(wǎng)型微電網(wǎng)需具備以下特征[1]：

（1）微型，系統(tǒng)容量（最大用電負(fù)荷）原則上不大于20MW，電壓等級(jí)不高于35 kV；

（2）清潔，以可再生能源發(fā)電為主，或以天然氣多聯(lián)供等能源綜合利用為目標(biāo)，其中可再生能源裝機(jī)容量占比在50%以上；

（3）自治，內(nèi)部具備保障負(fù)荷用電與電氣設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行的控制系統(tǒng)，獨(dú)立運(yùn)行時(shí)能保障重要負(fù)荷連續(xù)供電（不低于2 h），內(nèi)部電網(wǎng)能供給50%的用電量；

（4）友好，微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)的交換功率和交換時(shí)段具有可控性，可與并入電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)備用、調(diào)峰、需求側(cè)響應(yīng)等雙向服務(wù)。

微電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)主體需滿足國(guó)家節(jié)能減排和環(huán)保要求，符合產(chǎn)業(yè)政策要求，并可注冊(cè)成為市場(chǎng)交易主體。

微電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)是各分布式電源的協(xié)調(diào)控制，由于各分布式電源能源來源方式、運(yùn)行時(shí)間、發(fā)電能力均有差異，如何平衡儲(chǔ)能系統(tǒng)和各電源的負(fù)荷是在構(gòu)建微電網(wǎng)系統(tǒng)過程中需重點(diǎn)關(guān)注的部分[2]。

2 水泥工廠電力運(yùn)行模式

目前水泥工廠采用供電模式為大電網(wǎng)供電+水泥窯余熱發(fā)電供電系統(tǒng)，以中國(guó)建材集團(tuán)天山水泥某水泥廠為例，該廠設(shè)計(jì)熟料生產(chǎn)規(guī)模為5000t/d，年運(yùn)轉(zhuǎn)310天，配備了“復(fù)合型雙進(jìn)風(fēng)雙壓純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)”，其中窯頭配置了“雙進(jìn)風(fēng)再過熱逆向換熱雙壓余熱鍋爐”。

該工廠配置的變電站為10kV，余熱鍋爐為10.5 kV發(fā)電機(jī)由電站10kV母線經(jīng)單回電纜線路與變電站10kV母線連接，從而實(shí)現(xiàn)余熱電站與系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，同期并網(wǎng)操作設(shè)在電站側(cè)，并且在發(fā)電機(jī)出口斷路器、電站側(cè)發(fā)電機(jī)聯(lián)絡(luò)斷路器處設(shè)置同期并網(wǎng)點(diǎn)。電站與電力系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，運(yùn)行方式為并網(wǎng)電量不上網(wǎng)。

該工廠全廠裝機(jī)容量為44125kW，年耗電量為111730MWh（不扣除余熱發(fā)電電量），余熱機(jī)組設(shè)計(jì)工況發(fā)電功率約為7395kW，自身損耗約7%的發(fā)電量，其他電量供給廠內(nèi)設(shè)備使用，余熱機(jī)組年貢獻(xiàn)發(fā)電量約為51170MWh，占總耗電量的45.8%，只需要輔助合適規(guī)模的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，同時(shí)構(gòu)建多節(jié)點(diǎn)分布式電網(wǎng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)，即能達(dá)到并網(wǎng)型微電網(wǎng)的運(yùn)行要求。

3 構(gòu)建水泥工廠區(qū)域微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)想

由于微電網(wǎng)具有自我控制、保護(hù)和管理的功能，能對(duì)功率進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，還可以實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)和保護(hù)，憑借這些關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)水泥工廠的實(shí)際情況，可以圍繞余熱發(fā)電系統(tǒng)為中心構(gòu)建并網(wǎng)型微電網(wǎng)。根據(jù)目前水泥廠分布式電源建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，適合在水泥工廠建設(shè)的分布式電源為光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電以及生活垃圾發(fā)電等。根據(jù)公開資料顯示，山東濟(jì)寧海螺水泥新建了5.58MW分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目以及500t/d生活垃圾發(fā)電設(shè)施，能夠?qū)崿F(xiàn)日發(fā)電量30MWh的發(fā)電能力，山東臨沂中聯(lián)也在規(guī)劃建設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)施，這些項(xiàng)目均為在水泥工廠內(nèi)實(shí)施分布式電源提供了良好的借鑒，水泥廠可以根據(jù)自身地理環(huán)境，選擇性的考慮風(fēng)力、光伏發(fā)電項(xiàng)目以及垃圾發(fā)電項(xiàng)目，這對(duì)于年日照強(qiáng)度大、風(fēng)能豐富以及具備一定區(qū)位優(yōu)勢(shì)的水泥廠來說具備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

3.1 總體思路

以上文中的水泥廠為案例，如果要構(gòu)建微電網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)合微電網(wǎng)系統(tǒng)的要求，需要可再生能源裝機(jī)容量占比在50%以上，至少還需要新增年發(fā)電量不低于4692MWh的分布式電源裝置。由于該水泥廠地處江蘇，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，更適用光伏發(fā)電，且規(guī)劃150t/d廚余垃圾協(xié)同處置，因此可采用光伏發(fā)電+余熱發(fā)電+沼氣發(fā)電作為分布式電源的方案。

用能系統(tǒng)以水泥工廠內(nèi)部所有用能設(shè)施為主，同時(shí)當(dāng)水泥工廠檢修停產(chǎn)時(shí)，除余熱發(fā)電外的其他可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)可以給周邊居民、小型工商業(yè)供電，降低周邊用能成本及提高水泥廠效益。

同時(shí)通過配置合適的控制系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠與大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)友好互動(dòng)，互為補(bǔ)充，打破傳統(tǒng)的單一能源服務(wù)模式，提高水泥工廠的用能效率，同時(shí)惠及周邊。

3.2 建設(shè)內(nèi)容

該微電網(wǎng)系統(tǒng)主要包括區(qū)域性的控制管理中心、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及多個(gè)片區(qū)的光伏發(fā)電分布式電源的建設(shè)，同時(shí)建設(shè)惠及周邊的區(qū)域性電網(wǎng)系統(tǒng)，將周邊納入到微電網(wǎng)的服務(wù)范圍內(nèi)。由控制管理中心統(tǒng)一調(diào)度能源分配，并與大電網(wǎng)友好互動(dòng)。

（1）分布式電源系統(tǒng)。該水泥廠采用光伏發(fā)電+余熱發(fā)電+沼氣發(fā)電作為分布式電源系統(tǒng)。余熱發(fā)電如上文所述。

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、光伏控制器、蓄電池組、逆變器和用電負(fù)荷組成，見圖1。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

該水泥廠地處北緯31.65°，太陽高度角34.92°，太陽年總輻射量4 529.59MJ/m2。光伏發(fā)電上網(wǎng)電量Ep的公式為Ep=HA×PAZ×K。其中HA為傾斜面太陽能總輻照量（kWh/m2），PAZ為系統(tǒng)安裝容量（kW），K為綜合效率系數(shù)。K是考慮了各種因素影響后的修正系數(shù)，K取值在75%～85%，視情況而定。

通過公式得出：

PAZ=Ep/HA/K=4 692 000/（4 529.59/0.28/0.8）40625kW=4.625MW。

1塊250 W組件尺寸為106400mm×9920mm，4.6250MW需要180500塊250W組件。組件總面積=180500×1.64×0.992=300097m2

因此為達(dá)到微電網(wǎng)系統(tǒng)的要求，需要新建4.625 MW分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，可以充分利用水泥廠及周邊的難利用地如山坡等地塊分區(qū)域建設(shè)。

同時(shí)通過建設(shè)1500t/d廚余垃圾協(xié)同處置系統(tǒng)，配備2000kW發(fā)電機(jī)組，也能夠作為分布式能源的有效補(bǔ)充。

（2）儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于可再生能源發(fā)電量不穩(wěn)定，具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，因此通過配置儲(chǔ)能系統(tǒng)能平衡清潔能源發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)的負(fù)荷，以維持用電系統(tǒng)用能穩(wěn)定。

常規(guī)的儲(chǔ)能系統(tǒng)有機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能系統(tǒng)，根據(jù)劉揚(yáng)波[3]的研究，可以采用鉛炭電池+功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）儲(chǔ)能系統(tǒng)。

對(duì)于水泥工廠而言，24 h運(yùn)轉(zhuǎn)，年運(yùn)轉(zhuǎn)310～330天，有約30～50天處于檢修停運(yùn)狀態(tài)，由于光伏發(fā)電的間歇性特點(diǎn)，會(huì)造成夜間供電不足，而停窯時(shí)又供能過剩，因此水泥廠應(yīng)建設(shè)足夠規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠合理匹配分布式電源與用能設(shè)施，并能夠在供能過剩時(shí)提供能源惠及周邊。

（3）控制管理中心。將余熱發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)以微電網(wǎng)的形式接入配電網(wǎng)，微電網(wǎng)作為配電網(wǎng)和分布式電源的紐帶，使配電網(wǎng)不必直接與余熱發(fā)電或光伏發(fā)電進(jìn)行對(duì)接。微電網(wǎng)自身的穩(wěn)定性決定了即使并網(wǎng)終端數(shù)量不斷增加，比如后期增加其他清潔能源發(fā)電，系統(tǒng)的負(fù)荷主要也由微電網(wǎng)承擔(dān)，能夠減少系統(tǒng)的平均停電次數(shù)，保證了系統(tǒng)供電的可靠性和安全性。

控制管理中心是微電網(wǎng)系統(tǒng)的核心，通過對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，結(jié)合分布式電源實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電量及負(fù)荷預(yù)測(cè)，合理分配用能負(fù)荷，并能夠與大電網(wǎng)友好互動(dòng)，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行微電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度調(diào)整[4]。

同時(shí)構(gòu)建可控的內(nèi)外電網(wǎng)交互系統(tǒng)，以保障用能系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)外電網(wǎng)互相補(bǔ)充、調(diào)峰、備用等服務(wù)。

4 結(jié)語

通過在水泥工廠構(gòu)建微電網(wǎng)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)廠區(qū)內(nèi)與周邊能源的互聯(lián)和服務(wù)，提高水泥廠清潔能源的開發(fā)利用，打破傳統(tǒng)的單一能源模式。具體如下：

（1）通過在水泥工廠構(gòu)建微電網(wǎng)系統(tǒng)，能夠有效提升水泥工業(yè)用能效率，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)水泥工廠用電負(fù)荷，通過高低谷用電量的調(diào)整，有效降低用電成本。

（2）能夠降低水泥工廠對(duì)大電網(wǎng)的依賴，提高抗風(fēng)險(xiǎn)能力，降低因大電網(wǎng)故障造成停產(chǎn)的概率。

（3）在水泥廠停產(chǎn)檢修的時(shí)候，富裕的能源還能以較低的價(jià)格供給周邊居民及工商業(yè)機(jī)構(gòu)，惠及周邊。