馬牧樂,梁細(xì)恒,楚夢(mèng)杰,張新帥,謝印忠

臨沂大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 山東臨沂 276000

1 設(shè)計(jì)背景

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大,電力系統(tǒng)越來越難以滿足供電受端可靠性和多樣性的需求,加之減少使用化石能源,減輕環(huán)境保護(hù)壓力的要求,電力專家提出了微電網(wǎng)概念,通過分布式電源并網(wǎng)或孤立運(yùn)行,減小分布式負(fù)荷對(duì)配電網(wǎng)的間歇性影響[1-2]。筆者基于微電網(wǎng)技術(shù),設(shè)計(jì)了由分布式并網(wǎng)發(fā)電的污水處理廠。這一污水處理廠的分布式電源設(shè)備采用小型水輪機(jī)、光伏發(fā)電組件和汽輪機(jī),可以對(duì)城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和工業(yè)中心的廢水進(jìn)行處理,以綠色能源支撐環(huán)保工業(yè),滿足時(shí)代的發(fā)展要求。

2 微電網(wǎng)組成

污水處理廠的微電網(wǎng)由分布式發(fā)電機(jī)組、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置與控制裝置四部分組成[3-4]。

根據(jù)污水處理廠的運(yùn)行方式及每種電源特點(diǎn)[5-6],充分考慮節(jié)能和環(huán)保要求,分布式電源選用水輪機(jī)發(fā)電、光伏發(fā)電和汽輪機(jī)發(fā)電,按需求進(jìn)行互補(bǔ)。

污水進(jìn)入處理廠后首先要進(jìn)行過濾和沉降,將污水中的不溶物體和漂浮物攔截在沉降池外。沉降之后污泥留在沉降池底,得到濾水。利用濾水流動(dòng)產(chǎn)生的勢(shì)能推動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電,用于污泥的烘干或進(jìn)行儲(chǔ)存[7]。由于產(chǎn)生的污泥和進(jìn)水量近似成離散一次函數(shù)關(guān)系,因此電量與污泥量成正比。沉降池中的污泥干燥后,作為燃料供汽輪機(jī)發(fā)電使用。汽輪機(jī)的發(fā)電量用于對(duì)濾水再凈化過程中所需要的加熱、攪拌、電離等環(huán)節(jié)進(jìn)行供電。污泥處理過程中的電量分配如圖1所示。

將污泥用于汽輪機(jī)發(fā)電,采用焚燒是一種較為徹底的處理方式,可以使重金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并且將污泥中殘余的有機(jī)能量用做發(fā)電的能量源,避免有機(jī)能量浪費(fèi)。

圖1 污泥處理過程電量分配

通過上述分析可見,污水處理廠可以完成可再生能源發(fā)電,避免資源浪費(fèi),達(dá)到環(huán)保、節(jié)約的目的。

整個(gè)污水處理廠的供電以分布式光伏發(fā)電為主。由于光伏發(fā)電的非規(guī)律性和工廠污水處理作業(yè)高峰、低谷的波動(dòng)性都比較大,因此污水處理廠的發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分布式并網(wǎng)發(fā)電,并且設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)存的電量是光伏發(fā)電量除去負(fù)荷后的余量,起削峰填谷的作用。在微電網(wǎng)因外部或內(nèi)部故障停運(yùn)而進(jìn)入全黑狀態(tài)后,儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng),確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

在設(shè)計(jì)污水處理廠的規(guī)模和總用電容量Σ之后,可以通過計(jì)算確定光伏發(fā)電組件面積和蓄電池容量[8]。

光伏發(fā)電組件面積S為:

(1)

式中:φ為當(dāng)?shù)啬贻椛淇偭?η為電池組件轉(zhuǎn)換效率;K為修正因數(shù)。

修正因數(shù)K一般為電池組件衰減因數(shù)、環(huán)境因素造成的功率下降修正因數(shù)、線路損耗修正因數(shù)、逆變器效率、光伏方向朝向和傾斜角修正因數(shù)五者的乘積。電池組件衰減因數(shù)、環(huán)境因素造成的功率下降修正因數(shù)一般取0.9,線路損耗修正因數(shù)一般取0.95。

蓄電池容量C為:

(2)

式中:W為負(fù)荷日耗電量;T為連續(xù)陰雨天數(shù);Ud為系統(tǒng)直流電壓;ω為蓄電池放電深度。

控制裝置用于實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電控制、儲(chǔ)能控制、微電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、微電網(wǎng)能量管理及污水處理裝置運(yùn)行監(jiān)測(cè)等,污水處理廠控制線路如圖2所示。

圖2 污水處理廠控制線路

3 作業(yè)過程

污水種類多樣,組成成分復(fù)雜,處理方式一般為將水和污泥分離,污泥用于焚燒,后期需經(jīng)化工無害化處理。污水處理用于分布式發(fā)電的具體過程如圖3所示。

圖3 污水處理用于分布式發(fā)電具體過程

污水經(jīng)過緩沖池進(jìn)行初步過濾,進(jìn)入沉降區(qū)。從沉降池中分離出的污泥送至干燥室或發(fā)酵池,濾水用于水輪機(jī)發(fā)電。水輪機(jī)發(fā)電量用于干燥裝置對(duì)污泥進(jìn)行干燥,干燥之后的污泥送入汽輪機(jī)用于燃燒發(fā)電。汽輪機(jī)發(fā)電量供凈化過程中用電設(shè)備使用。對(duì)發(fā)酵池中產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行儲(chǔ)存,可以用于污水處理廠三級(jí)負(fù)荷,如食堂或工人住宿區(qū)的生活用電等。

光伏發(fā)電除用于廠級(jí)負(fù)荷外,還可以通過調(diào)度中心對(duì)污水作業(yè)進(jìn)行補(bǔ)償電量。污水作業(yè)有很多直流負(fù)荷,汽輪機(jī)發(fā)出的交流電主要用于凈化過程中的交流負(fù)荷,如異步電機(jī)和渦流加熱等,這樣可以減少換流裝置,減小整個(gè)供電過程中的諧波含量,同時(shí)降低設(shè)備成本。

4 供電控制與監(jiān)測(cè)

為支持配電系統(tǒng)、分布式電源和微電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行,需要綜合性的智能電力管理系統(tǒng)[9-10]。微電網(wǎng)中的分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備按照并網(wǎng)方式采用逆變型電源,通過協(xié)調(diào)控制滿足微電網(wǎng)孤立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種模式的不同需求。

微電網(wǎng)采用三層控制結(jié)構(gòu),如圖4所示。

圖4 微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

第一層為策略控制,微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)以電網(wǎng)電壓和頻率為參考,采用恒功率控制,當(dāng)電網(wǎng)電壓幅值和頻率降低時(shí),由微電網(wǎng)支撐起電壓和頻率[11]。微電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí),采用主從控制,通過分布式電源中的光伏發(fā)電為微電網(wǎng)提供電壓和頻率參考,水輪機(jī)和汽輪機(jī)采用恒功率控制。

第二層控制實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行與孤立運(yùn)行模式的無縫切換。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),主要控制網(wǎng)內(nèi)分布式電源與負(fù)荷波動(dòng)對(duì)主網(wǎng)的影響,由微電網(wǎng)中心控制器在負(fù)荷可控及各儲(chǔ)能設(shè)備合理運(yùn)行狀態(tài)范圍內(nèi),對(duì)分布式電源發(fā)出功率指令,同時(shí)抑制分布式電源輸出電力的高、低頻分量。微電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí),用于恢復(fù)和維持微電網(wǎng)的電壓與頻率[12],合理分配各分布式電源的功率,保證負(fù)荷可靠運(yùn)行。

第三層為微電網(wǎng)電能管理系統(tǒng)。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),采樣微電網(wǎng)與大電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線的輸出功率值,優(yōu)化計(jì)算后作為第二層控制的目標(biāo)參考值。微電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí),根據(jù)參考值和設(shè)定信息,按照主從控制模式分配比例因子,調(diào)整各分布式電源的輸出功率,保證微電網(wǎng)正常、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5 結(jié)束語

能源緊張促使人們對(duì)新能源進(jìn)行開發(fā)利用,環(huán)境保護(hù)要求生產(chǎn)中充分利用可再生能源。微電網(wǎng)作為一種新的電網(wǎng)技術(shù),通過分布式電源充分利用各種可再生綠色能源,作為主電網(wǎng)的補(bǔ)充和輔助,具有較大的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。基于微電網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)分布式并網(wǎng)發(fā)電的污水處理廠,在項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施過程中,預(yù)估和統(tǒng)計(jì)污水處理廠單日處理的廢水量,計(jì)算工廠總負(fù)荷,同時(shí)考慮環(huán)境因素的影響,以及電力電子器件的匹配損耗和效率,分配光伏發(fā)電組件、汽輪機(jī)、水輪機(jī)的容量。所設(shè)計(jì)的微電網(wǎng)通過三層控制結(jié)構(gòu),保證污水處理廠正常工作。