基于园区微电网设计案例分析的能源互联网研究_赵晨光.pdf

第 44 卷第 3 期2023 年 6 月电力与能源基于园区微电网设计案例分析的能源互联网研究赵晨光，徐庆华，张中豪，穆永保（国网河北省电力有限公司邯郸供电分公司，河北 邯郸 056035）摘要：微电网源-网-荷一体，是分布式能源互联网在产业园区的重要应用形式，也是未来智能配电网的重要组成部分。微电网的设备选型与优化配置不仅受限于建设所处的地理环境、气候条件，同时也需要考虑当地的电网接入条件和负荷情况，综合考虑可靠性和经济性等因素选择合理的设计方案。以河北省一个园区的工程案例为例，对其自有园区微电网典型设计方案进行了分析。该方案基于项目所处区域的风资源、光照资源，以及现有的发电单元和中长期负荷预测，通过新增光伏发电、微燃机冷热电联供、风电等清洁供能技术，实现对现有园区配电网的改造，所建微电网具有较强的示范性，同时也提升了园区整体供能的经济性，具有较好的推广价值。关键词：产业园区；微电网；能源互联网；典型设计；负荷预测作者简介：赵晨光（1983），男，硕士，高级工程师，主要从事电网建设管理工作。中图分类号：TM73 文献标志码：A 文章编号：2095-1256（2023）03-0271-06Research on Energy Internet Based on Case Study of Industrial Park Microgrid DesignZHAO Chenguang，XU Qinghua，ZHANG Zhonghao，MU Yongbao（State Grid Handan Power Supply Branch，Hebei Electric Power Co.，Ltd.，Handan 056035，Hebei Province，China）Abstract：The integration of source，network and load of microgrid was an important application of distributed energy Internet in industrial parks and an important part of intelligent distribution network in the future.The equipment selection and optimal configuration of the microgrid were not only limited by the geographical environment and climatic conditions of the construction site，but also needed to consider the local power grid access conditions and load conditions，and choosed a reasonable design scheme with comprehensive consideration of reliability，economy and other factors.Based on the case study of an industrial park in Hebei Province，the typical design scheme of microgrid in the park was analyzed.Based on the wind resources and illumination resources of the project area，as well as the existing power generation units and the medium and long-term load prediction，this scheme realized the transformation of the existing distribution network of the park through the addition of clean energy supply technologies such as photovoltaic power generation，micro-gas turbine combined cold and hot power supply，wind power and so on.The micro-grid built had a strong demonstration role，and also improved the overall energy supply economy of the park，showing good promotion value.Key words：industrial park，microgrid，energy internet，typical design，load forecasting随着电力体制改革尤其是售电侧改革的不断深入，产业园区充分发挥其产业聚集效应和技术价格优势，成为改革中各方关注的焦点，为微电网提供了重要的示范应用场景。微电网作为源-网-荷-（储）的统一整体，可有效融合风/光/生物质等可再生能源、冷热电三联供以及多元新兴负荷等，具有组成结构复杂多元、运行方式灵活多样等特点，可根据用户需求开展精细化设计、提供差异化服务，而微电网的技术标准和管理规范仍在逐步完善。因此，通过开展示范项目建设和研究，形成可复制、可推广的典型设计案例，具有重要的现实意义。近几年在微电网的理论研究方面，国内外的学者们从微电网内部构成的优化配置1-3、运行控制4-6、综合评估7-9、建设运营模式10-13等多方面进行了一些研究，在实际的示范工程建设方面，从提升供电可靠性、提高新能源消纳、解决无电地区供电等方面，开展了一系列研究和探索。微电网的设计受当地资源、政策、市场和用户条件影响较大，往往适用于特定场景，设计方案的可DOI：10.11973/dlyny202303015能源技术271赵晨光，等：基于园区微电网设计案例分析的能源互联网研究复制性、可推广性不强。本文结合金风能源互联网产业园区的微电网工程建设实际，基于可再生能源发电和需求侧管理等相关技术，在保证电能质量与供电可靠性的前提下，比较不同分布式电源的建设条件和经济性，优化微电网整体设计方案，以期为产业园区微电网建设提供有效参考。1项目概况河北省内一个科技园区微电网的整体组成结构见图 1，其中虚线框内为二期设计方案，其余为一期已建设完成的部分。园区微电网中清洁能源（主要为风电、光伏发电）供能约占负荷总需求的30%，其主要目的是合理利用当地的风能与光能资源。结合当地负荷情况，通过微燃机、光伏、风机等清洁能源发电系统的改造和提升，可将当地清洁资源的占比在未来几年提高到 70%以上。当前园区负荷年总耗电约为 670 万 kWh，已 有 的 清 洁 能 源 发 电 主 要 有 2.5 MW 风 机 和500 kWp 光 伏，其 中 风 机 的 年 发 电 量 约 为149.7 万 kWh，光伏的年发电量约为 47.4万 kWh，每年上网电量约为 3240万 kWh。为有效实现清洁能源占比提升目标，需充分考虑当地的地理环境、经济条件，以及新能源的扶持政策等因素，通过综合分析和比较，形成微燃机、风机与光伏发电最佳组成方案。为加强对项目综合效益的评估和考核，对微电网的设备和负载全面采用了先进量测技术，有效提升了微电网负荷侧管理水平和示范推广价值。2单一电源供能成本分析项目所采用的清洁能源主要是风能、太阳能与天然气 3种能源。对于各种能源的利用不仅要考虑发电成本与运营成本，还要综合考量当地的地理环境、成本回收时间、长期政策支持等。根据河北科技园二期园区现有的风力资源、光照资源及天然气资源（考虑天然气价格变动），可以对各种资源的发电成本进行估算（见表 1）。由表 1 可以看出，一台 2.0 MW 风机的度电发电成本较低，而未经改造过的 2.5 MW 风机由于存在机组送电通道设备过热、机组运维、试验停机等原因，其满发小时不足，因而度电发电成本较高。分布式光伏系统目前可享受 0.42元/kWh的国家财政补贴以及 0.30 元/kWh 的地方补贴，故在项目中可以优先采用光伏发电形式。微燃机的灵活性与可控性可以填补风机与光伏发电的不足，与安装储能相比其成本较低，且能较好地发挥调节作用。需要说明的是，表1中的度电发电成本包括发电成本和运维成本，但并未考量一些不可控因素，例如天然气价格的波动以及光伏政策的变动等；光伏发电考虑电量逐年衰减，第一年衰减2.5%，此后每年衰减0.8%；微燃机考虑负荷增长，前 3 年利用小时数为 6 480 h，后 17 年为 8 640 h。3资源的优化配置项目资源的优化配置主要可以提高项目资源图 1河北省一个微电网的组成结构272赵晨光，等：基于园区微电网设计案例分析的能源互联网研究利用率，并合理降低预算成本。资源的优化配置主要包括资源利用与设备优化两个方面。资源方面主要是分析资源的分布与资源的可利用性，以期达到各种资源的合理利用；设备方面主要是要通过设备的优化达到对资源优化配置的目的。3.1风能资源关于风能的利用，项目地海拔高度约 26 m，地势较为平坦。根据模拟测算，项目地年平均空气密度为 1.22 kg m3，100 m 高度处年平均风速为5.01 m s1，90 m年高度处平均风速为4.88 m s1，85 m 高度处年平均风速为 4.81 m s1，80 m 高度处年平均风速为 4.74 m s1。风切变系数：根据风资源数据库的提取信息，利用 70 m 和 90 m 高度处的风速推算风切变系数约为 0.245。周围建筑物较多，受地面的影响，风切变较大，选用高轮毂塔架。3.2光照资源园区位于某经济技术开发区南部，现场建筑屋顶及周围地形暂无明显高大障碍物，光照良好；建筑主体朝向佳，太阳能开发利用资源条件较好。园区地处暖温带半湿润地区，属于暖温带半湿润大陆性季风气候。四季分明，春季多风，夏季炎热多雨，秋季晴朗温和，冬季寒冷干燥；其中春季和秋季很短，分别为两个月和一个半月左右；夏季和冬季则很长，分别为三个月和五个多月；年平均气温约为 24.3。最冷月（1 月）平均气温为3.7，最热月（7月）平均气温为 26.2，极端最低气温为27.4 （出现在 1966年 2月 23日），极端最高气温为 43.8 （出现在 1942年 6月 15日）。该地区开发利用太阳能的自然条件比较有利。对太阳能资源的普查表明，该地区属于太阳能资源较丰富区，年累计太阳能辐射量达到4 835.5 MJ （m2 a）1。3.3天然气资源天然气资源的利用主要受政策方面与未来天然气价格的影响。本项目方案部署 600 kW 微燃机冷、热、电联供系统，三联供年利用小时数较高，发电占比较大，天燃气价格的波动对项目收益会产生一定影响。燃气公司等正在等待发电设备或者发电电量补贴等相关政策落地，可预见后期政策的出台时间及细则对项目产生积极的影响。另天然气的价格相比于光伏的政策补贴也是可预期并且趋于稳定的。3.4设备的优化3.4.1快速投切开关的建设及试验快速投切开关用于一主一备供电电源下，其中一回线路发生故障时，另一回线路快速切换，实现负荷的高可靠性供电。切换间隔时间为 30 ms以内，实际可达 20 ms。通过快速投切开关可提高用电可靠性到 99.999%，落地建设和验证分为10 kV和 400 V两个等级进行。（1）10 kV 等级。由于金风二期 8号楼配电室为新建工程，直接在设计中将配电室 10 kV 联络开关和 2 个进线开关更换为快速切换开关，安装3组快切开关柜。在系统发生电压暂降、短时供电中断或倒换运行方式时，可在 10 kV 侧进行快速电源切换，为用户提供不间断供电，提高电能质量和供电可靠性。（2）400 V 等级。在河北省一个 2 号分配电室（即天