水泥工厂区域微电网系统的构建

郭彦鹏，袁亚雄，周 静

（1.中材国际环境工程（北京）有限公司，北京 100102；2.广东隽诺环保工程技术有限公司，广东 广州 511453；3.北京中清环循科技有限公司，北京 10083）

0 前言

国家“十三五”规划纲要中提出，建设现代化能源体系作为“互联网+”智慧能源的重要支撑，微电网的构建能促进再生能源的广泛利用，并能够与大电网友好互动，成为现代能源体系的关键部分。

为促进并规范微电网健康发展，积极推进能源供给侧结构性改革，引导分布式电源和可再生能源的就地消纳，国家发改委、能源局颁发了《推进并网型微电网建设试行办法》，旨在建立多元融合、供需互动、高效配置的能源生产与消费模式，推动现代能源体系建设[1]。

水泥工业作为用电大户，本身又拥有水泥窑余热发电系统，而且水泥工厂区域内拥有居民、小型工商业等区域性用电设施，具备建设水泥工厂区域微电网的条件，本文因此探讨在水泥工厂区域构建微电网系统的可能性。

1 微电网概述

微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、用电负荷以及监控保护装置等组成的小型发配电系统。数量庞大、种类不同的分布式电源并网所带来的问题，都可以靠微电网得以解决，并使分布式电源的灵活高效应用得以实现。

微电网分为并网型和独立型，其中并网型微电网通常与外部电网联网运行，且具备并离网切换与独立运行能力，本文重点讨论并网型微电网系统。

并网型微电网需具备以下特征[1]：

（1）微型，系统容量（最大用电负荷）原则上不大于20MW，电压等级不高于35 kV；

（2）清洁，以可再生能源发电为主，或以天然气多联供等能源综合利用为目标，其中可再生能源装机容量占比在50%以上；

（3）自治，内部具备保障负荷用电与电气设备独立运行的控制系统，独立运行时能保障重要负荷连续供电（不低于2 h），内部电网能供给50%的用电量；

（4）友好，微电网与外部电网的交换功率和交换时段具有可控性，可与并入电网实现备用、调峰、需求侧响应等双向服务。

微电网的运营主体需满足国家节能减排和环保要求，符合产业政策要求，并可注册成为市场交易主体。

微电网系统的关键点是各分布式电源的协调控制，由于各分布式电源能源来源方式、运行时间、发电能力均有差异，如何平衡储能系统和各电源的负荷是在构建微电网系统过程中需重点关注的部分[2]。

2 水泥工厂电力运行模式

目前水泥工厂采用供电模式为大电网供电+水泥窑余热发电供电系统，以中国建材集团天山水泥某水泥厂为例，该厂设计熟料生产规模为5000t/d，年运转310天，配备了“复合型双进风双压纯低温余热发电系统”，其中窑头配置了“双进风再过热逆向换热双压余热锅炉”。

该工厂配置的变电站为10kV，余热锅炉为10.5 kV发电机由电站10kV母线经单回电缆线路与变电站10kV母线连接，从而实现余热电站与系统并网运行，同期并网操作设在电站侧，并且在发电机出口断路器、电站侧发电机联络断路器处设置同期并网点。电站与电力系统并网运行，运行方式为并网电量不上网。

该工厂全厂装机容量为44125kW，年耗电量为111730MWh（不扣除余热发电电量），余热机组设计工况发电功率约为7395kW，自身损耗约7%的发电量，其他电量供给厂内设备使用，余热机组年贡献发电量约为51170MWh，占总耗电量的45.8%，只需要辅助合适规模的可再生能源发电系统，同时构建多节点分布式电网及储能系统，即能达到并网型微电网的运行要求。

3 构建水泥工厂区域微电网系统的设想

由于微电网具有自我控制、保护和管理的功能，能对功率进行平衡调节，对系统运行进行优化，还可以实现故障检测和保护，凭借这些关键技术，针对水泥工厂的实际情况，可以围绕余热发电系统为中心构建并网型微电网。根据目前水泥厂分布式电源建设的经验，适合在水泥工厂建设的分布式电源为光伏发电和风力发电以及生活垃圾发电等。根据公开资料显示，山东济宁海螺水泥新建了5.58MW分布式光伏发电项目以及500t/d生活垃圾发电设施，能够实现日发电量30MWh的发电能力，山东临沂中联也在规划建设风力发电设施，这些项目均为在水泥工厂内实施分布式电源提供了良好的借鉴，水泥厂可以根据自身地理环境，选择性的考虑风力、光伏发电项目以及垃圾发电项目，这对于年日照强度大、风能丰富以及具备一定区位优势的水泥厂来说具备得天独厚的优势。

3.1 总体思路

以上文中的水泥厂为案例，如果要构建微电网系统，结合微电网系统的要求，需要可再生能源装机容量占比在50%以上，至少还需要新增年发电量不低于4692MWh的分布式电源装置。由于该水泥厂地处江苏，属于亚热带季风气候，更适用光伏发电，且规划150t/d厨余垃圾协同处置，因此可采用光伏发电+余热发电+沼气发电作为分布式电源的方案。

用能系统以水泥工厂内部所有用能设施为主，同时当水泥工厂检修停产时，除余热发电外的其他可再生能源分布式发电系统可以给周边居民、小型工商业供电，降低周边用能成本及提高水泥厂效益。

同时通过配置合适的控制系统与储能系统能够与大电网实现友好互动，互为补充，打破传统的单一能源服务模式，提高水泥工厂的用能效率，同时惠及周边。

3.2 建设内容

该微电网系统主要包括区域性的控制管理中心、储能系统以及多个片区的光伏发电分布式电源的建设，同时建设惠及周边的区域性电网系统，将周边纳入到微电网的服务范围内。由控制管理中心统一调度能源分配，并与大电网友好互动。

（1）分布式电源系统。该水泥厂采用光伏发电+余热发电+沼气发电作为分布式电源系统。余热发电如上文所述。

光伏发电系统主要由光伏组件、光伏控制器、蓄电池组、逆变器和用电负荷组成，见图1。

图1 光伏发电系统

该水泥厂地处北纬31.65°，太阳高度角34.92°，太阳年总辐射量4 529.59MJ/m2。光伏发电上网电量Ep的公式为Ep=HA×PAZ×K。其中HA为倾斜面太阳能总辐照量（kWh/m2），PAZ为系统安装容量（kW），K为综合效率系数。K是考虑了各种因素影响后的修正系数，K取值在75%～85%，视情况而定。

通过公式得出：

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

1块250 W组件尺寸为106400mm×9920mm，4.6250MW需要180500块250W组件。组件总面积=180500×1.64×0.992=300097m2

因此为达到微电网系统的要求，需要新建4.625 MW分布式光伏发电项目，可以充分利用水泥厂及周边的难利用地如山坡等地块分区域建设。

同时通过建设1500t/d厨余垃圾协同处置系统，配备2000kW发电机组，也能够作为分布式能源的有效补充。

（2）储能系统。由于可再生能源发电量不稳定，具有间歇性和波动性的特点，因此通过配置储能系统能平衡清洁能源发电系统与大电网的负荷，以维持用电系统用能稳定。

常规的储能系统有机械储能、电化学储能、电磁储能系统，根据刘扬波[3]的研究，可以采用铅炭电池+功率转换系统（PCS）储能系统。

对于水泥工厂而言，24 h运转，年运转310～330天，有约30～50天处于检修停运状态，由于光伏发电的间歇性特点，会造成夜间供电不足，而停窑时又供能过剩，因此水泥厂应建设足够规模的储能系统，能够合理匹配分布式电源与用能设施，并能够在供能过剩时提供能源惠及周边。

（3）控制管理中心。将余热发电系统和光伏发电系统以微电网的形式接入配电网，微电网作为配电网和分布式电源的纽带，使配电网不必直接与余热发电或光伏发电进行对接。微电网自身的稳定性决定了即使并网终端数量不断增加，比如后期增加其他清洁能源发电，系统的负荷主要也由微电网承担，能够减少系统的平均停电次数，保证了系统供电的可靠性和安全性。

控制管理中心是微电网系统的核心，通过对电网系统的实时运行数据进行采集，结合分布式电源实现对发电量及负荷预测，合理分配用能负荷，并能够与大电网友好互动，能够实时进行微电网运行调度调整[4]。

同时构建可控的内外电网交互系统，以保障用能系统的稳定性，能够实现内外电网互相补充、调峰、备用等服务。

4 结语

通过在水泥工厂构建微电网系统，能实现厂区内与周边能源的互联和服务，提高水泥厂清洁能源的开发利用，打破传统的单一能源模式。具体如下：

（1）通过在水泥工厂构建微电网系统，能够有效提升水泥工业用能效率，通过储能系统调节水泥工厂用电负荷，通过高低谷用电量的调整，有效降低用电成本。

（2）能够降低水泥工厂对大电网的依赖，提高抗风险能力，降低因大电网故障造成停产的概率。

（3）在水泥厂停产检修的时候，富裕的能源还能以较低的价格供给周边居民及工商业机构，惠及周边。