基于微电网技术的污水处理厂*

马牧乐,梁细恒,楚梦杰,张新帅,谢印忠

临沂大学 自动化与电气工程学院 山东临沂 276000

1 设计背景

随着电网规模的扩大,电力系统越来越难以满足供电受端可靠性和多样性的需求,加之减少使用化石能源,减轻环境保护压力的要求,电力专家提出了微电网概念,通过分布式电源并网或孤立运行,减小分布式负荷对配电网的间歇性影响[1-2]。笔者基于微电网技术,设计了由分布式并网发电的污水处理厂。这一污水处理厂的分布式电源设备采用小型水轮机、光伏发电组件和汽轮机,可以对城市、乡镇和工业中心的废水进行处理,以绿色能源支撑环保工业,满足时代的发展要求。

2 微电网组成

污水处理厂的微电网由分布式发电机组、负荷、储能装置与控制装置四部分组成[3-4]。

根据污水处理厂的运行方式及每种电源特点[5-6],充分考虑节能和环保要求,分布式电源选用水轮机发电、光伏发电和汽轮机发电,按需求进行互补。

污水进入处理厂后首先要进行过滤和沉降,将污水中的不溶物体和漂浮物拦截在沉降池外。沉降之后污泥留在沉降池底,得到滤水。利用滤水流动产生的势能推动水轮机旋转发电,用于污泥的烘干或进行储存[7]。由于产生的污泥和进水量近似成离散一次函数关系,因此电量与污泥量成正比。沉降池中的污泥干燥后,作为燃料供汽轮机发电使用。汽轮机的发电量用于对滤水再净化过程中所需要的加热、搅拌、电离等环节进行供电。污泥处理过程中的电量分配如图1所示。

将污泥用于汽轮机发电,采用焚烧是一种较为彻底的处理方式,可以使重金属离子发生化学反应,并且将污泥中残余的有机能量用做发电的能量源,避免有机能量浪费。

图1 污泥处理过程电量分配

通过上述分析可见,污水处理厂可以完成可再生能源发电,避免资源浪费,达到环保、节约的目的。

整个污水处理厂的供电以分布式光伏发电为主。由于光伏发电的非规律性和工厂污水处理作业高峰、低谷的波动性都比较大,因此污水处理厂的发电系统设计为分布式并网发电,并且设计储能系统。储能系统中储存的电量是光伏发电量除去负荷后的余量,起削峰填谷的作用。在微电网因外部或内部故障停运而进入全黑状态后,储能系统可以实现黑启动,确保系统正常运行。

在设计污水处理厂的规模和总用电容量Σ之后,可以通过计算确定光伏发电组件面积和蓄电池容量[8]。

光伏发电组件面积S为:

(1)

式中:φ为当地年辐射总量;η为电池组件转换效率;K为修正因数。

修正因数K一般为电池组件衰减因数、环境因素造成的功率下降修正因数、线路损耗修正因数、逆变器效率、光伏方向朝向和倾斜角修正因数五者的乘积。电池组件衰减因数、环境因素造成的功率下降修正因数一般取0.9,线路损耗修正因数一般取0.95。

蓄电池容量C为:

(2)

式中:W为负荷日耗电量;T为连续阴雨天数;Ud为系统直流电压;ω为蓄电池放电深度。

控制装置用于实现分布式发电控制、储能控制、微电网实时监控、微电网能量管理及污水处理装置运行监测等,污水处理厂控制线路如图2所示。

图2 污水处理厂控制线路

3 作业过程

污水种类多样,组成成分复杂,处理方式一般为将水和污泥分离,污泥用于焚烧,后期需经化工无害化处理。污水处理用于分布式发电的具体过程如图3所示。

图3 污水处理用于分布式发电具体过程

污水经过缓冲池进行初步过滤,进入沉降区。从沉降池中分离出的污泥送至干燥室或发酵池,滤水用于水轮机发电。水轮机发电量用于干燥装置对污泥进行干燥,干燥之后的污泥送入汽轮机用于燃烧发电。汽轮机发电量供净化过程中用电设备使用。对发酵池中产生的沼气进行储存,可以用于污水处理厂三级负荷,如食堂或工人住宿区的生活用电等。

光伏发电除用于厂级负荷外,还可以通过调度中心对污水作业进行补偿电量。污水作业有很多直流负荷,汽轮机发出的交流电主要用于净化过程中的交流负荷,如异步电机和涡流加热等,这样可以减少换流装置,减小整个供电过程中的谐波含量,同时降低设备成本。

4 供电控制与监测

为支持配电系统、分布式电源和微电网系统协调优化运行,需要综合性的智能电力管理系统[9-10]。微电网中的分布式电源和储能设备按照并网方式采用逆变型电源,通过协调控制满足微电网孤立运行和并网运行两种模式的不同需求。

微电网采用三层控制结构,如图4所示。

图4 微电网控制结构

第一层为策略控制,微电网并网运行时以电网电压和频率为参考,采用恒功率控制,当电网电压幅值和频率降低时,由微电网支撑起电压和频率[11]。微电网孤立运行时,采用主从控制,通过分布式电源中的光伏发电为微电网提供电压和频率参考,水轮机和汽轮机采用恒功率控制。

第二层控制实现微电网并网运行与孤立运行模式的无缝切换。微电网并网运行时,主要控制网内分布式电源与负荷波动对主网的影响,由微电网中心控制器在负荷可控及各储能设备合理运行状态范围内,对分布式电源发出功率指令,同时抑制分布式电源输出电力的高、低频分量。微电网孤立运行时,用于恢复和维持微电网的电压与频率[12],合理分配各分布式电源的功率,保证负荷可靠运行。

第三层为微电网电能管理系统。微电网并网运行时,采样微电网与大电网间联络线的输出功率值,优化计算后作为第二层控制的目标参考值。微电网孤立运行时,根据参考值和设定信息,按照主从控制模式分配比例因子,调整各分布式电源的输出功率,保证微电网正常、经济运行。

5 结束语

能源紧张促使人们对新能源进行开发利用,环境保护要求生产中充分利用可再生能源。微电网作为一种新的电网技术,通过分布式电源充分利用各种可再生绿色能源,作为主电网的补充和辅助,具有较大的发展前景和应用空间。基于微电网技术设计分布式并网发电的污水处理厂,在项目规划、设计、实施过程中,预估和统计污水处理厂单日处理的废水量,计算工厂总负荷,同时考虑环境因素的影响,以及电力电子器件的匹配损耗和效率,分配光伏发电组件、汽轮机、水轮机的容量。所设计的微电网通过三层控制结构,保证污水处理厂正常工作。