与风电场匹配的并网型微电网应用模式探讨

2012-10-19李强强

综合智慧能源 2012年4期

李强强

(华电内蒙古开鲁风电有限公司，内蒙古通辽 028000)

0 引言

当前，新能源发电技术发展迅猛，尤以风力发电技术最为成熟。目前，世界范围内的风电场建设正如火如荼，中国的风电场建设更是呈现出井喷式的发展态势。虽然风力发电有其不可替代的发展前景，但也存在先天缺陷，最突出的制约因素就是风能。在风力不足以及无风的情况下，供电的可靠性无法保证，因此，微电网成为一个重要的研究课题。

本文论述的是微电网在风电场内一个微小的应用，可以认为是各种新能源间互补方案的小型化。

1 微电网概况

美国最早提出微电网(Micro Grid)的概念，微电网是相对于大电网而言的，它将一定区域内分散的独立发电系统(如燃气轮机、太阳能、风能、地热能、生物质能、燃料电池等)和储能装置联接起来，采用大量的现代电力技术，向附近的各终端用户直接供应各种能源(热和电等)。微电网网络简图如图1所示。

图1 微电网网络简图

微电网可以独立运行，利用其新型的供电终端系统，使清洁能源能就地利用;也可以通过配电网与主干大电网并联运行，将多余电量通过大电网输送至远方负荷中心。

与传统大电网相比，微电网具有整合分布式发电的优势，可减小分布式发电对主电网的冲击和其他负面影响;它还具有可靠、安全、能源利用效率高、环保效能好、投资和运行成本低、能适应终端用户能源需求变化和可使用储能装置等优点。

随着智能电网概念的引入和推广，微电网技术将会成为智能电网的重要组成部分，成为传统大电网运行的有效补充。尤其在目前风电容量激增的情况下，对缓解风电容量电网饱和、减弱风电对接入电力系统的影响和减轻电网的调峰压力以及提高电网的安全稳定运行水平有着无可替代的作用。

2 微电网可行的应用方案

2.1 方案配置原则

(1)以无污染、环保为理念。

(2)在无风或风电机组全部切出电网且没有投运外来备用电源时，可成为一个独立的供电系统。

(3)技术具有可行性。

2.2 具体方案

2.2.1 以风力发电为主，辅以潮汐发电

潮汐发电主要特点:要涨潮时，为增加水位差需将堤坝内的海水抽出;要退潮时，为增加水位差需向堤坝内抽入海水;抽水蓄能所需的电量大约是其发电量的5%;建造费用昂贵。潮汐发电简单示意图如图2所示。

适用范围:仅适用于沿海、海上且潮汐能丰富区域的风电场。

2.2.2 以风力发电为主，辅以燃料电池

图2 潮汐发电简单示意图

燃料电池主要特点:不受卡诺循环限制，能量转换效率高;为模块结构、积木性强、适用性强;既可以集中供电，也适合分散供电，通用性强;燃料不需要燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40% ～60%;可实现热电联产、联用，没有输电、输热损失，综合能源效率可达80%;建设周期短、成本低、易维护;能解决电网调峰问题。燃料电池的原理如图3所示。

图3 燃料电池的原理图

适用范围:可适用于任何区域的风电场，没有任何因素限制。

2.2.3 以风力发电为主，辅以沼气发电

沼气发电主要特点:具有较高热值;与其他燃气相比，抗爆性能较好;应用范围不够广，利用率也比较低;建造周期长，不易于运行维护;需要进行发酵原料的采购。垃圾填埋处理法沼气发电示意图如图4所示。

适用范围:仅适用于发酵原料丰富区域的风电场。

2.2.4 以风力发电为主，辅以地热发电

图4 垃圾填埋处理法沼气发电示意图

地热发电的主要特点:能量可以梯级利用，实现热电联产;因地制宜的要求高;相关设备需要根据当地的具体情况特别定制。地热发电原理如图5所示。

图5 地热发电原理图

适用范围:仅适用于地热富集区域的风电场。

2.2.5 以风力发电为主，辅以太阳能

太阳能主要特点:无枯竭危险;绝对干净，无公害;获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关;发电形式极为简洁，光伏发电属于固态半导体发电，没有中间过程;获取能源的时间短;太阳能资源刚好与负荷高峰相重叠，可起到电网削峰的作用。太阳能发电原理简图如图6所示。

适用范围:可适用于太阳光能富集区域的风电场。

图6 太阳能发电原理简图

2.3 初步筛选方案

以风力发电为主，辅以潮汐发电、沼气发电、地热发电的发电方式存在着一些缺陷:建设周期长;投资费用很高;发电系统复杂;技术还不是很完善;潮汐发电和地热发电受地域条件严格限制，通用性不强;占地面积大;设备数量较多，增加运行维护量;容量较大，适用于以风力发电为主，辅以潮汐发电、沼气发电、地热发电的互补型混合供电系统。

综合以上原因，考虑经济性和适用性，上述3种发电方式可以首先排除在外。

3 最优方案的确定

通过初步的筛选，可将上述3个方案排除在外，还剩下2个方案可供选择。以下将对其进行比较分析，从而得出最佳方案。

3.1 技术经济论证

(1)燃料电池实际发电效率可达40% ～60%;太阳能光电变换效率仅为10%～15%。

(2)燃料电池设备制造成本需要12418～24836元/kW，目前质子交换膜燃料电池(PEMFC)的国外商业价格为1 500美元/kW，磷酸型燃料电池(PAFC)的价格为3 000美元/kW，国内富原公司公布其PEMFC接受订货的价格为10000元/kW;太阳能造价是13661～17076元/kW。

(3)燃料电池的年运行时间仅受例行维护时间的影响，光伏发电年运行时间最高仅达1500 h。

(4)燃料电池处于热备用状态时，跟随负荷变化的能力非常强，可以在1 s内跟随50%的负荷变化，即电池本体的负荷响应性好，在一定的条件下可平衡风电场内的负荷和电网上的微小份额负荷，电网调峰优于其他发电方式;而太阳能受光照和发电方式的限制没有此方面的功能。

(5)燃料电池占地面积小于1.000m2/kW;太阳能占地面积约9.547 m2/kW。

(6)燃料电池发电中没有燃烧过程，NOx排放量很小，一般为 0.139～0.236 kg/(MW·h)，远低于天然气联合循环的 NOx排放量1.000～3.000 kg/(MW·h)，完全可以忽略不计;利用硅片制造的晶体太阳能电池具有辐射性，目前还没有详细的报告，可以忽略不计。

(7)燃料电池通过与燃料供给装置的组合可以适用的燃料较广泛，可供采取的初始能源种类较多，如:气态化石燃料(天然气、LPG等)、液态化石燃料(柴油、甲醇、DME等)、来自各种生物质能的沼气、垃圾气化气及乙醇等;太阳能只能以太阳光能作为初始能源发电。

(8)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的试验寿命已达13000 h，实际运行也突破了10000 h，而且该数据还在不断刷新;太阳能电池板的寿命一般在20年以上，但与之配套使用的铅酸电池使用寿命是3年左右，即26280 h。

(9)据统计，2010年全世界燃料电池的总装机容量达60.0 GW;2010年全球太阳能光伏市场新增容量达15.8 GW，其中我国新增光伏发电装机500 MW，累计达到900 MW。2011年3月，全国人民代表大会通过的《“十二五”国民经济发展规划纲要》对可再生能源的发展提出了新的要求:到2015年非化石能源的消费比例达到11.4%。据预测，到2015年，我国光伏发电利用规模将达到5～10 GW。

总体而言，风力发电辅以燃料电池的微电网应用模式优于风力发电辅以太阳能的微电网应用模式。