某电蓄热锅炉改造及微电网项目建设方案

2023-06-08 04:27:02

中国能源发展逐渐由集中式向分散式，单一能源向综合能供应发展，本文提供某项目电蓄热锅炉改造及微电网建设方案（简版，限于篇幅）供同行参考、探讨。

1 工程概况

项目位于北京市延庆县西南部，交通条件便利。项目内目前有锅炉房一座，为满足环保要求，拟将现有锅炉改造为电蓄热锅炉，同时，为满足项目用电及科研需求，拟利用站内空地，建设风力发电系统、光伏发电系统及储能系统，组成微电网。

站内包含传达室、食堂、车库、库房、实验楼、培训楼等建筑物，总建筑面积约64682.83m2；可利用空地约25718m2，实验站内现有变压器一座，容量较小，不能满足未来负荷要求，需对现有变压器进行扩容。

根据实验站内热负荷需求，初步确定试验站内新建功率为120kW电蓄热锅炉8座,电蓄热锅炉布置在现有锅炉房内；微网发电系统751kW，其中，风力发电系统400kW，光伏固定支架系统215.6kW，双轴跟踪系统30.8kW，平单轴跟踪系统80kW，极轴跟踪系统24.6kW。储能系统暂按一套锂电池及一套全钒液流电池，容量均为0.5MW/2MWh。蓄电池组布置在既有建筑内。

2 项目建设目标

1）建设由风力发电系统、光伏发电系统、储能系统及微网控制系统组成的微电网系统。

2）依托微网建设及运行，实现对微网中的关键设备、关键技术进行实验、研究，重点研究如下课题：

（1）双向逆变器技术

逆变器是在要求的电压和频率下，把直流电转换成交流电的装置，逆变器的作用并不局限于并网，还能通过逆变器实现孤岛运行。逆变器的并网功能已经实现商业化。对于并网型微网，当主电网失电转入孤岛运行后，通过逆变器管理储能和发电设备应用功能已逐渐成为标准配置。

智能逆变器除具有并网功能外，还能够向本地负荷供电、向主网送电，对主网提供无功电压支持及故障检测隔离；根据从智能电表获取的电网实时信息作出控制决策等。这种智能微网型逆变器可以实现能量路由器功能，也是未来能源互联网中的关键设备。

（2）智能转换开关技术

智能转换开关在现代微网中扮演着重要角色。在理想情况下，它可使微网在一个工频周期内实现从并网运行模式到孤岛运行模式的转换，且不需要任何手动操作。以前微网与大电网之间通过机械开关手工操作实现，响应速度慢，会对电力设备造成十分严重的损坏。因此，智能开关是微网实现安全孤岛运行的先决条件。使用智能转换开关有助于微网从并网模式到孤岛运行模式的无缝切换，使任何单一馈线回路故障都能在电力不中断情况下被隔离。

（3）储能技术

储能技术是整个微网组成中结构最薄弱环节，本项目主要对储能中的蓄电池进行试验研究。

（4）微网控制技术

通过逆变器和智能开关可以使微网孤岛运行，一旦微网与大电网断开，软件系统必须控制微网所组成部件，要保持电压和频率正常，以支持重要负荷。当微网孤岛模式运行时，微网控制系统主要控制微网储能装置、分布式发电和相应负荷之间的功率平衡。

3 资源分析及微电网运行方案

3.1 风能资源

延庆区属大陆性季风气候，属温带与中温带、半干旱与半湿润带的过渡连带。气候冬冷夏凉，年平均气温8℃。最热月份气温比承德低0.8℃，是著名的避暑胜地。拥有105平方公里的地热带，具有丰富的浅层地热资源。年日照2800小时，是北京市太阳能资源最丰富的地区。延庆官厅风口70米高平均风速7米/秒以上，风力资源占全市的70%。

根据估算，本区域40m高度年均风速为5.5m/s左右、10m高年均风速在4m/s左右，40m高度风功率密度为200W/m2左右、10m高度风功率密度为110W/m2左右，区域内主风能方向为W。

3.2 太阳能资源

本报告采用meteonorm7软件中现有辐射数据推算及评价本项目的太阳能资源。

Meteonorm软件基本原理是，以全球范围内的7700多个观测站数据作为基础数据库，当输入任意一个站点经纬度时，软件自动在以站点为中心1000km范围内搜索观测站，然后通过插值算法将参考气象站数据折算成所需站点数据。

本地区年总辐射量为1363 kWh/m2，属于太阳能III类地区（1050kWh/m2），即太阳能资源“较丰富带”，具备开发利用价值。

3.3 负荷分析

1）热负荷

统计站区建筑总面积约10000m2，设计采暖总热负荷为750kW（75W/m2），根据上述负荷，试验站采用电蓄热锅炉供暖，采暖热媒为90℃/70℃热水。

2）用电负荷

站区现阶段由于工作人员较少，用电负荷较小；根据规划，未来工作人员会陆续增加、实验设备投入使用，日常生活以及工作实验等用电负荷会增加。本报告暂按试验站日常用电负荷300kW考虑，供暖期增加电蓄热锅炉负荷8×120kW。

3.4 微网运行方式分析

试验站内目前有一台变压器，容量较小，根据负荷分析，需对现有变压器进行扩容改造，建议新上一台容量为1250kVA变压器。

本微网系统由风力发电系统（400kW）、光伏发电系统（351kW）及储能系统（2x0.5MW/MWh锂电池及全钒液流电池）组成，微电网运行模式如下：

u 发电量大于负荷时，风机与光伏组件给微电网供电同时向蓄电池充电；

u 发电量小于负荷时，风机与光伏组件与蓄电池共同给微电网提供电量；

u 当夜间/日间，风机/光伏组件不发电时，蓄电池与风机/光伏组件共同向微电网供电；

u 电量富余时，微电网向当地电网售电。

4 项目建设方案

4.1 风力发电系统

根据规划，站区内东北方向建设两台单机容量200kW的小型风力发电机组：其中一台为水平轴、三叶片风机，轮毂高度40m，叶片直径30m；另一台为垂直轴风机，塔架高度20m左右。

4.2 光伏发电系统

1）光伏电池组件

根据目前组件应用情况，项目暂推荐采用高效单晶硅PERC电池

2）逆变器选择

本项目拟选用选用组串式逆变器

3）光伏阵列运行方式选择

为满足实验要求，本项目光伏阵列拟采用如下运行方式：

（1）固定式安装

国内外的光伏组件安装，考虑其可安装性与安全性，目前技术最成熟、成本相对最低、应用最广泛的方式为固定式安装。由于北半球正午时分的太阳高度角在春分、秋分时等于本地的纬度，在冬至为纬度减去太阳赤纬角，在夏至为纬度加上太阳赤纬角，所以北半球最佳的组件固定安装方式为朝南，且倾角接近当地纬度。如果条件允许，可以采用人工调整倾角的安装方式，也就是说在春分-夏至-秋分采用较小的倾角，在秋分-冬至-春分采用较大的倾角。

（2）单轴跟踪

单轴太阳自动跟踪器用于承载传统平板式太阳能电池组件，可将日均发电量提高20-35%。如果单轴的转轴与地面所成角度为0，则为水平单轴跟踪；如果单轴的转轴与地面所成角度为当地纬度，则为极轴单轴跟踪。

对于北纬30~40度的地区，采用水平单轴跟踪可提高发电量20%左右，采用极轴单轴跟踪可提高发电量30%左右。

（3）双轴跟踪

双轴跟踪系统，是方位角和俯仰角两个方向都可以运动的跟踪系统，双轴跟踪系统可以最大限度的提高太阳能设备利用太阳能的效率。双轴跟踪器在世界上不同地方，对于电量的增加是不同的：在非常多云并且有很多雾气的地方，采用双轴跟踪可提高年均发电量20%~25%；在比较晴朗的地方，采用双轴跟踪可提高年均发电量35%~45%。

（4）发电量估算：

根据项目区光资源及阵列的运行方式，初步估算光伏发电系统发电年等效利用小时数为1350小时，年发电量为440384kWh。