多能互补综合能源系统设计及优化

2019-03-23宗倩

通信电源技术 2019年2期

宗倩

（国网江苏省电力有限公司宜兴市供电分公司，江苏宜兴 214200）

1 发展多能互补综合能源系统的必要性

2015年6月9日，我国环境保护部发布的《2014年中国环境状况公告》指出，目前我国的环境治理工作已经得到了全社会的大力支持和关注，环境质量正在好转，但环境质量提升的过程中出现了一些问题，例如雾霾天气、极端天气等。电力发展过程中造成的环境和生态破坏带来的压力日益加重。电力发展对环境的影响主要表现在以下几方面[1]。

1.1 火力发电对环境的影响

我国目前电力行业的能源消费主要以一次能源为主，一次能源主要包括煤炭、石油、天然气等化石能源，其中煤炭消耗是我国发电的主要消耗品，占70%左右，我国电力发电量中80%来自于火电。电力行业已经形成了以火电为主的电力能源结构，这导致二氧化碳、二氧化硫等排放量居高不下。虽然目前已经采取了先进的二氧化硫和烟尘排放控制技术，但是在世界范围内，我国SO2和CO2排放量位居世界第一位和第二位，形成酸雨的面积已超过国土面积的35%，冬季雾霾天气和各种有害飞尘在空气中的含量日渐增多。2012年数据显示，电力行业排放的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和烟尘分别占据全国总排放量的48%、57%、50%和65%，环境污染造成的经济和生态破坏损失大约相当于全年GDP的7%～20%。

1.2 水电开发对环境造成的影响

水电作为新兴能源一直被大家关注，许多专家称水电是纯绿色无污染的能源生产方式。根据最新的全国水能资源普查成果，大陆的水力资源技术开发量为5.42×108kW，2010年已开发2.11×108kW，中国水电发电量高居世界第一，开发程度为37%。除西藏外，我国的水电资源基本已开发完毕。由于长期以来在认识上的误区，大家都认为水电是比火电更清洁、高效的能源，认为其是绿色环保能源，这是一种认识上的误区，相对于火电在开发过程中对环境造成的影响，水电在开发过程中对环境造成的影响有时更加严重，不可逆转。

1.3 核电发展带来的环境保护问题

从核电的发展来看，核电虽是清洁能源，但产生的放射性废物不清洁，甚至有很大危险。根据放射性能力的不同，核废弃物分为高放性废物和中低放性废物，其中：反应堆用过的剩余核燃料称为乏燃料，具有很高的放射性；核电站使用过的工作服、手套、废弃的仪器设备等属于中低放废物。乏燃料中的众多放射性元素都拥有数以万年计的半衰期，长的约为210万年，短的也有500～600年，这些辐射对人体危害极大。目前，大部分放射性废弃物质都采用集中放置和掩埋处理的方法，但这些方法不是长久之计。

1.4 风电发展对环境的影响

目前，我国大力发展风电。作为清洁能源，风力发电的优势明显，但也会环境产生不利影响。风电在利用过程中造成的环境问题主要体现在以下方面。第一，项目建设过程中会影响当地的生态环境，如破坏植物、改变地貌、造成水土流失。第二，对昆虫和牲畜造成影响。如鸟类、昆虫大量死亡，风电的风轮在发电过程中导致人类和动物无法看到纯净的天空。第三，产生噪声污染。风力机的噪声主要来源于发电机、齿轮箱和桨在空气中运动时所产生的噪声。第四，影响鸟类栖息和迁移。随着容量的增加，风力机横截面积和高度随之增加，当风力机安装在鸟类飞行的通道上，势必会影响鸟类的活动。第五，项目配套工程，如道路、生活区等影响生态、水和大气。建设风电厂需要占用土地，在此基础上将风电输送到输电线路。

2 多能互补综合能源系统结构设计

多能互补综合能源系统涉及到多种能源的输入、输出以及能量转化设备，并通过信息化手段将供电系统、供气系统以及供热系统形成耦合关系，如图1所示。

图1 多能互补综合能源系统

3 多能互补综合能源系统的特点

环保、可再生是新能源发电技术最重要的特征。就目前来讲，新能源发电技术指利用太阳能、潮汐能、海洋能、地热能、风能以及生物质能等资源进行发电。新能源发电具有环保可再生、分布范围广泛、储备量巨大等优势，但也有一些不足，比如地区差异较为明显、能源产量不稳定以及密度较低等。目前，新能源发电中最常见的是风力发电和新能源分布式发电[2]。

新能源分布式发电和传统的发电形式有很大区别，其发电功率通常较小，一般都在几十千瓦至几十兆瓦，模块式分布在配电网或负荷附近的发电设施。常见的分布式发电可利用多种能源，包括天然气、氢气、太阳能和风能等环境友好型能源。新能源分布式发电应用范围很广，包括采矿企业、医疗单位、体育场馆等，可作为紧急备用电源，具有重要意义。从经济效益和环保效益两方面讨论分布式发电的必要性，给出具体的环境影响指标，使分布式发电环境价值定量化。发展分布式发电可以提高能源的利用效率（达70%～90%），具有良好的经济性，有利于环境保护，能够增加用电的安全性和可靠性，可以解决偏远地区的供电问题，减少远距离输电的网损问题，还可作为系统启动电源。

多能互补综合能源系统的供电系统主要涉及到以下几方面。（1）风力发电技术。风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，其主要有两种利用方式，一种是作为独立电源向偏远地区供电，另一种是将多台风力发电机组并列运行，形成风力发电。（2）新能源电池发电技术。太阳能新能源发电技术是利用半导体材料的光电效应，直接将太阳能转换为电能。太阳能新能源发电的能量转换器件是新能源电池。太阳能新能源发电系统可分为独立型和并网型两种基本类型。（3）小水力发电技术。小水电是指小的水电站及与其相配套的小电网。从形式上分为引水式、堤坝式、混合式和抽水蓄能式四种基本形式。

4 多能互补能源系统存在的问题

4.1 配电网的安全运行受分布式新能源发电的影响

配电网接入分布式新能源发电后，会改变其分布的特性和短路电流的正常流向，使配电网的结构由辐射型向多电源转化[3]。

4.2 影响检修安全

大多数的情况下，分布式的新能源发电都属于用户的侧并网，如果出现出力和负荷的平衡，那么就会出现孤岛效应问题。相关工作人员检修、维护分布式新能源发电系统设备时，如果分布式新能源发电系统的保护功能失效，将会给工作人员带来安全隐患。

4.3 影响计量安全

分布式新能源发电接入到配电网后，安装在用户家庭的新能源发电计量表中。从资产属性和电力技术分析，都可能出现用户利用新能源发电计电表偷电的情况，从而影响计量安全的准确性。

5 多能互补能源系统优化措施

5.1 改进保护并网联络线装置的方式

配电网中接入的分布式电源通常接到变电站的10 kV或是35 kV母线中，以往运用保护线路配置的方法已无法达保护的基本要求。配电网正常运行时，为提升保护零序电流的灵敏度，其中性点不运行。将分布式的电源接到母线后，当工作模式为最大时，零序网络就会发生一定变化，降低保护系统的灵敏度。在这种情况下，通常采用电网允许式代替保护式，其线路的主保护为纵联保护，后续保护应用四段、三段式的零序保护。采用这种办法可提升并网联络线路中自动装置的容错率，保障配电网系统的安全性。

5.2 并网中采用电抗器串联的措施

短路电流由GD技术生成，为使其受到限制，可以在电路中采用串联电抗器的方法。假设有分布式的电源A与系统电源B，这两个电源之间的任何一点发生电路故障时，B点和故障点之间都会存在荷载电流，而系统电源A是小型电源，很难分析、处理、解决故障点的问题。当电网系统发生短路时，电抗器能把短路电流控制在安全范围内，串联在分布式电网中的电抗器能够发挥保护电网继电的作用[4]。