趙晨光，徐慶華，張中豪，穆永保

（國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司邯鄲供電分公司，河北 邯鄲 056035）

隨著電力體制改革尤其是售電側(cè)改革的不斷深入，產(chǎn)業(yè)園區(qū)充分發(fā)揮其產(chǎn)業(yè)聚集效應(yīng)和技術(shù)價(jià)格優(yōu)勢(shì)，成為改革中各方關(guān)注的焦點(diǎn)，為微電網(wǎng)提供了重要的示范應(yīng)用場(chǎng)景。微電網(wǎng)作為源-網(wǎng)-荷-（儲(chǔ)）的統(tǒng)一整體，可有效融合風(fēng)/光/生物質(zhì)等可再生能源、冷熱電三聯(lián)供以及多元新興負(fù)荷等，具有組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜多元、運(yùn)行方式靈活多樣等特點(diǎn)，可根據(jù)用戶需求開展精細(xì)化設(shè)計(jì)、提供差異化服務(wù)，而微電網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范仍在逐步完善。因此，通過(guò)開展示范項(xiàng)目建設(shè)和研究，形成可復(fù)制、可推廣的典型設(shè)計(jì)案例，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近幾年在微電網(wǎng)的理論研究方面，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們從微電網(wǎng)內(nèi)部構(gòu)成的優(yōu)化配置［1-3］、運(yùn)行控制［4-6］、綜合評(píng)估［7-9］、建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式［10-13］等多方面進(jìn)行了一些研究，在實(shí)際的示范工程建設(shè)方面，從提升供電可靠性、提高新能源消納、解決無(wú)電地區(qū)供電等方面，開展了一系列研究和探索。微電網(wǎng)的設(shè)計(jì)受當(dāng)?shù)刭Y源、政策、市場(chǎng)和用戶條件影響較大，往往適用于特定場(chǎng)景，設(shè)計(jì)方案的可復(fù)制性、可推廣性不強(qiáng)。

本文結(jié)合金風(fēng)能源互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的微電網(wǎng)工程建設(shè)實(shí)際，基于可再生能源發(fā)電和需求側(cè)管理等相關(guān)技術(shù)，在保證電能質(zhì)量與供電可靠性的前提下，比較不同分布式電源的建設(shè)條件和經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化微電網(wǎng)整體設(shè)計(jì)方案，以期為產(chǎn)業(yè)園區(qū)微電網(wǎng)建設(shè)提供有效參考。

1 項(xiàng)目概況

河北省內(nèi)一個(gè)科技園區(qū)微電網(wǎng)的整體組成結(jié)構(gòu)見圖1，其中虛線框內(nèi)為二期設(shè)計(jì)方案，其余為一期已建設(shè)完成的部分。園區(qū)微電網(wǎng)中清潔能源（主要為風(fēng)電、光伏發(fā)電）供能約占負(fù)荷總需求的30%，其主要目的是合理利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能與光能資源。結(jié)合當(dāng)?shù)刎?fù)荷情況，通過(guò)微燃機(jī)、光伏、風(fēng)機(jī)等清潔能源發(fā)電系統(tǒng)的改造和提升，可將當(dāng)?shù)厍鍧嵸Y源的占比在未來(lái)幾年提高到70%以上。

圖1 河北省一個(gè)微電網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)

當(dāng)前園區(qū)負(fù)荷年總耗電約為670 萬(wàn)kWh，已有的清潔能源發(fā)電主要有2.5 MW 風(fēng)機(jī)和500 kWp 光伏，其中風(fēng)機(jī)的年發(fā)電量約為149.7 萬(wàn)kWh，光伏的年發(fā)電量約為47.4 萬(wàn)kWh，每年上網(wǎng)電量約為32～40 萬(wàn)kWh。

為有效實(shí)現(xiàn)清潔能源占比提升目標(biāo)，需充分考慮當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境、經(jīng)濟(jì)條件，以及新能源的扶持政策等因素，通過(guò)綜合分析和比較，形成微燃機(jī)、風(fēng)機(jī)與光伏發(fā)電最佳組成方案。為加強(qiáng)對(duì)項(xiàng)目綜合效益的評(píng)估和考核，對(duì)微電網(wǎng)的設(shè)備和負(fù)載全面采用了先進(jìn)量測(cè)技術(shù)，有效提升了微電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)管理水平和示范推廣價(jià)值。

2 單一電源供能成本分析

項(xiàng)目所采用的清潔能源主要是風(fēng)能、太陽(yáng)能與天然氣3 種能源。對(duì)于各種能源的利用不僅要考慮發(fā)電成本與運(yùn)營(yíng)成本，還要綜合考量當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境、成本回收時(shí)間、長(zhǎng)期政策支持等。根據(jù)河北科技園二期園區(qū)現(xiàn)有的風(fēng)力資源、光照資源及天然氣資源（考慮天然氣價(jià)格變動(dòng)），可以對(duì)各種資源的發(fā)電成本進(jìn)行估算（見表1）。由表1 可以看出，一臺(tái)2.0 MW 風(fēng)機(jī)的度電發(fā)電成本較低，而未經(jīng)改造過(guò)的2.5 MW 風(fēng)機(jī)由于存在機(jī)組送電通道設(shè)備過(guò)熱、機(jī)組運(yùn)維、試驗(yàn)停機(jī)等原因，其滿發(fā)小時(shí)不足，因而度電發(fā)電成本較高。分布式光伏系統(tǒng)目前可享受0.42 元/kWh 的國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼以及0.30 元/kWh 的地方補(bǔ)貼，故在項(xiàng)目中可以優(yōu)先采用光伏發(fā)電形式。微燃機(jī)的靈活性與可控性可以填補(bǔ)風(fēng)機(jī)與光伏發(fā)電的不足，與安裝儲(chǔ)能相比其成本較低，且能較好地發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。

表1 各種能源發(fā)電成本

需要說(shuō)明的是，表1 中的度電發(fā)電成本包括發(fā)電成本和運(yùn)維成本，但并未考量一些不可控因素，例如天然氣價(jià)格的波動(dòng)以及光伏政策的變動(dòng)等；光伏發(fā)電考慮電量逐年衰減，第一年衰減2.5%，此后每年衰減0.8%；微燃機(jī)考慮負(fù)荷增長(zhǎng)，前3 年利用小時(shí)數(shù)為6 480 h，后17 年為8 640 h。

3 資源的優(yōu)化配置

項(xiàng)目資源的優(yōu)化配置主要可以提高項(xiàng)目資源利用率，并合理降低預(yù)算成本。資源的優(yōu)化配置主要包括資源利用與設(shè)備優(yōu)化兩個(gè)方面。資源方面主要是分析資源的分布與資源的可利用性，以期達(dá)到各種資源的合理利用；設(shè)備方面主要是要通過(guò)設(shè)備的優(yōu)化達(dá)到對(duì)資源優(yōu)化配置的目的。

3.1 風(fēng)能資源

關(guān)于風(fēng)能的利用，項(xiàng)目地海拔高度約26 m，地勢(shì)較為平坦。根據(jù)模擬測(cè)算，項(xiàng)目地年平均空氣密度為1.22 kg·m-3，100 m 高度處年平均風(fēng)速為5.01 m·s-1，90 m年高度處平均風(fēng)速為4.88 m·s-1，85 m 高度處年平均風(fēng)速為4.81 m·s-1，80 m 高度處年平均風(fēng)速為4.74 m·s-1。

風(fēng)切變系數(shù)：根據(jù)風(fēng)資源數(shù)據(jù)庫(kù)的提取信息，利用70 m 和90 m 高度處的風(fēng)速推算風(fēng)切變系數(shù)約為0.245。周圍建筑物較多，受地面的影響，風(fēng)切變較大，選用高輪轂塔架。

3.2 光照資源

園區(qū)位于某經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)南部，現(xiàn)場(chǎng)建筑屋頂及周圍地形暫無(wú)明顯高大障礙物，光照良好；建筑主體朝向佳，太陽(yáng)能開發(fā)利用資源條件較好。

園區(qū)地處暖溫帶半濕潤(rùn)地區(qū)，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。四季分明，春季多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季晴朗溫和，冬季寒冷干燥；其中春季和秋季很短，分別為兩個(gè)月和一個(gè)半月左右；夏季和冬季則很長(zhǎng)，分別為三個(gè)月和五個(gè)多月；年平均氣溫約為24.3 ℃。最冷月（1 月）平均氣溫為-3.7 ℃，最熱月（7 月）平均氣溫為26.2 ℃，極端最低氣溫為-27.4 ℃（出現(xiàn)在1966 年2 月23 日），極端最高氣溫為43.8 ℃（出現(xiàn)在1942 年6 月15 日）。

該地區(qū)開發(fā)利用太陽(yáng)能的自然條件比較有利。對(duì)太陽(yáng)能資源的普查表明，該地區(qū)屬于太陽(yáng)能資源較豐富區(qū)，年累計(jì)太陽(yáng)能輻射量達(dá)到4 835.5 MJ·（m2·a）-1。

3.3 天然氣資源

天然氣資源的利用主要受政策方面與未來(lái)天然氣價(jià)格的影響。本項(xiàng)目方案部署600 kW 微燃機(jī)冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)，三聯(lián)供年利用小時(shí)數(shù)較高，發(fā)電占比較大，天燃?xì)鈨r(jià)格的波動(dòng)對(duì)項(xiàng)目收益會(huì)產(chǎn)生一定影響。燃?xì)夤镜日诘却l(fā)電設(shè)備或者發(fā)電電量補(bǔ)貼等相關(guān)政策落地，可預(yù)見后期政策的出臺(tái)時(shí)間及細(xì)則對(duì)項(xiàng)目產(chǎn)生積極的影響。另天然氣的價(jià)格相比于光伏的政策補(bǔ)貼也是可預(yù)期并且趨于穩(wěn)定的。

3.4 設(shè)備的優(yōu)化

3.4.1 快速投切開關(guān)的建設(shè)及試驗(yàn)

快速投切開關(guān)用于一主一備供電電源下，其中一回線路發(fā)生故障時(shí)，另一回線路快速切換，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的高可靠性供電。切換間隔時(shí)間為30 ms以內(nèi)， 實(shí)際可達(dá)20 ms。通過(guò)快速投切開關(guān)可提高用電可靠性到99.999%，落地建設(shè)和驗(yàn)證分為10 kV 和400 V 兩個(gè)等級(jí)進(jìn)行。

（1）10 kV 等級(jí)。由于金風(fēng)二期8 號(hào)樓配電室為新建工程，直接在設(shè)計(jì)中將配電室10 kV 聯(lián)絡(luò)開關(guān)和2 個(gè)進(jìn)線開關(guān)更換為快速切換開關(guān)，安裝3 組快切開關(guān)柜。在系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降、短時(shí)供電中斷或倒換運(yùn)行方式時(shí)，可在10 kV 側(cè)進(jìn)行快速電源切換，為用戶提供不間斷供電，提高電能質(zhì)量和供電可靠性。

（2）400 V 等級(jí)。在河北省一個(gè)2 號(hào)分配電室（即天誠(chéng)3 樓配電室）4 號(hào)、3 號(hào)變壓器所帶的380 V Ⅲ段和Ⅳ段母線進(jìn)線及聯(lián)絡(luò)開關(guān)處安裝快速切換裝置，以分布式電源作為短時(shí)電壓支撐，示范有源快速切換控制技術(shù)。

3.4.2 以金風(fēng)園區(qū)為中心的河西工業(yè)博興供電區(qū)多源協(xié)同控制

根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度命令，河西工業(yè)博興供電區(qū)控制站可同時(shí)對(duì)金風(fēng)內(nèi)多種分布式電源的發(fā)電功率、金風(fēng)地源熱泵的用電功率、河西工業(yè)區(qū)的分布式電源的發(fā)電功率進(jìn)行控制。目前已經(jīng)確認(rèn)二期園區(qū)具備敷設(shè)調(diào)度專用光纖通道的物理?xiàng)l件。

3.4.3 利用接口數(shù)據(jù)單元對(duì)負(fù)荷進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)和管理

在分布式電源上安裝接口數(shù)據(jù)單元（IDU），可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)負(fù)荷進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)和管理。負(fù)荷分類監(jiān)控與管理如圖2 所示。

圖2 負(fù)荷分類監(jiān)控與管理

通過(guò)負(fù)荷的分類及精細(xì)化管控，為需求側(cè)管理服務(wù)（節(jié)能增效、負(fù)荷預(yù)測(cè)及策略調(diào)節(jié)）提供基本技術(shù)支撐。

總體根據(jù)上文分析并結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況提出以下兩個(gè)方案。

方案一：對(duì)原有2 500 kW 風(fēng)機(jī)送電通道進(jìn)行改造+1 臺(tái)2 000 kW 風(fēng)機(jī)+204 kWp 光伏+600 kW 微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)。

方案二：2 臺(tái)2 000 kW 風(fēng)機(jī)（其中1 臺(tái)是將原來(lái)2 500 kW 機(jī)組改造為2 000 kW 風(fēng)機(jī)）+ 204 kWp光伏+600 kW 微燃機(jī)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)。

這兩個(gè)方案的光伏發(fā)電量、微燃機(jī)選取的型號(hào)及其發(fā)電量沒有明顯差別，但是對(duì)風(fēng)機(jī)的利用卻有所不同。方案一采用2 500 kW 風(fēng)機(jī)，并對(duì)其送電通道進(jìn)行改造；而方案二對(duì)2 500 kW 風(fēng)機(jī)進(jìn)行了改造，使其功率變成了2 000 kW。雖然發(fā)電功率有所降低但是滿發(fā)小時(shí)有所提升，故總發(fā)電量有所提升且發(fā)電成本有所降低。這兩個(gè)方案擬定的情況下，就需要對(duì)風(fēng)機(jī)、光伏、微燃機(jī)的成本進(jìn)行考慮了。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)項(xiàng)目地風(fēng)資源10 min 密度的分布特點(diǎn)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)及出力曲線，分別推算2.5，2.0 MW風(fēng)機(jī)每個(gè)月在電價(jià)不同時(shí)段的電量占比情況。2.5 MW 風(fēng)機(jī)的電網(wǎng)時(shí)段電量占比如表2 所示。

表2 2.5 MW 風(fēng)機(jī)的電網(wǎng)時(shí)段電量占比%

兩個(gè)方案的供電量與發(fā)電負(fù)荷對(duì)比如表3 所示，兩個(gè)方案的投資收益對(duì)比如表4 所示。

表3 兩個(gè)方案的供電量與發(fā)電負(fù)荷比對(duì)比

表4 兩個(gè)方案的投資收益對(duì)比

對(duì)這兩種配置方案進(jìn)行綜合比較，在供電量方面：第一階段，方案一和方案二清潔能源在園區(qū)的供電比例分別為98%，103.9%；第二階段，方案一和方案二清潔能源在園區(qū)的供電比例分別為63.2%，66.1%。在成本效益方面，方案一的收益率為7.11%，方案二的收益率為9.0%。經(jīng)濟(jì)評(píng)估中考慮了運(yùn)營(yíng)期內(nèi)負(fù)荷在不同階段的變化情況，但未考慮燃?xì)鈨r(jià)格、政策性補(bǔ)貼等可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。此外，考慮到項(xiàng)目所在園區(qū)的價(jià)格優(yōu)惠政策，電網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格僅為0.64 元/kWh，低于當(dāng)?shù)毓I(yè)電價(jià)，因此在不同園區(qū)應(yīng)用的情況可能存在一定差異。

5 項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)與價(jià)值分析

項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面。

（1）風(fēng)機(jī)機(jī)位點(diǎn)確定。金風(fēng)二期的可裝機(jī)光伏容量已經(jīng)接近極限容量，為提升清潔能源占比在本項(xiàng)目中考慮增加2.0 MW 風(fēng)機(jī)的臺(tái)數(shù)，但協(xié)調(diào)風(fēng)機(jī)機(jī)位點(diǎn)較為困難。協(xié)調(diào)進(jìn)度及最終可以利用的地塊區(qū)域?qū)⒊蔀楸卷?xiàng)目的主要風(fēng)險(xiǎn)。

（2）燃?xì)鈨r(jià)格波動(dòng)及相關(guān)政策出臺(tái)。本項(xiàng)目?jī)蓚€(gè)方案均部署600 kW 微燃機(jī)冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)，三聯(lián)供年利用小時(shí)數(shù)較高，發(fā)電占比較大，燃?xì)鈨r(jià)格的波動(dòng)對(duì)項(xiàng)目收益會(huì)產(chǎn)生一定的影響。燃?xì)夤镜日谕苿?dòng)發(fā)電設(shè)備或者電量補(bǔ)貼相關(guān)政策落地，后期政策的出臺(tái)時(shí)間及細(xì)則會(huì)對(duì)項(xiàng)目產(chǎn)生積極的影響。

（3）準(zhǔn)確對(duì)園區(qū)中長(zhǎng)期負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。微網(wǎng)設(shè)計(jì)主要基于對(duì)金風(fēng)二期近遠(yuǎn)期負(fù)荷的預(yù)測(cè)，負(fù)荷實(shí)際大小對(duì)項(xiàng)目產(chǎn)生主要影響，直接影響項(xiàng)目收益及最終的清潔能源占比。項(xiàng)目啟動(dòng)后，項(xiàng)目組會(huì)密切跟蹤大數(shù)據(jù)中心規(guī)劃情況，降低由于負(fù)荷預(yù)測(cè)精度問題帶來(lái)的項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。

項(xiàng)目的價(jià)值主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）清潔低碳、安全高效的微電網(wǎng)示范價(jià)值。本項(xiàng)目以可再生能源發(fā)電為主，結(jié)合天然氣聯(lián)供技術(shù)，形成高可靠性供能的微電網(wǎng)，具有綠色低碳、安全高效等現(xiàn)代能源系統(tǒng)典型特征，是國(guó)家重點(diǎn)支持和鼓勵(lì)發(fā)展的對(duì)象，具有先進(jìn)示范作用。隨著并網(wǎng)型微電網(wǎng)在各地的試點(diǎn)推廣和政策落地，未來(lái)可能爭(zhēng)取到更多的地方扶持政策，進(jìn)一步提升項(xiàng)目效益和推廣價(jià)值。

（2）電力體制改革的受益者和助推者。目前國(guó)內(nèi)正處在電力體制改革階段，而電價(jià)改革是本輪改革的核心內(nèi)容，金風(fēng)二期從電網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格執(zhí)行兩部制工業(yè)電價(jià)，但并網(wǎng)型微電網(wǎng)相關(guān)政策已提出新型備用容量機(jī)制的概念，未來(lái)電價(jià)核定方式及定價(jià)可能發(fā)生變化，并可能出現(xiàn)新的電量交易模式和電力輔助服務(wù)模式，這些都將提升項(xiàng)目整體收益率水平。與此同時(shí)，微電網(wǎng)也將成為園區(qū)開展增量配售電業(yè)務(wù)的有效途徑，成為助推電力體制改革的先行者。

（3）碳交易市場(chǎng)的參與者。目前國(guó)內(nèi)碳交易市場(chǎng)方興未艾，北京碳交易、廣州碳交易等已經(jīng)在2013 年前后開展了試點(diǎn)工作，碳交易價(jià)格一般為35～42 元/t。以可再生能源發(fā)電和清潔供能方式為主的微電網(wǎng)將成為碳交易市場(chǎng)的積極參與者，同時(shí)，碳交易模式、價(jià)格變化及發(fā)展情況對(duì)此類項(xiàng)目的收益會(huì)產(chǎn)生積極的影響。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)分析可知，建議項(xiàng)目采用方案一，項(xiàng)目總投資相對(duì)較少，項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)較小，并且在負(fù)荷發(fā)展的第一階段完全滿足清潔能源高供電占比的需求。待負(fù)荷發(fā)展到第二階段，負(fù)荷發(fā)生較大變化、對(duì)供電占比有較大影響時(shí)，則可以考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化提升，減少對(duì)自有資金的占用，降低項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

（2）項(xiàng)目執(zhí)行周期內(nèi)需加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)控制，提升建設(shè)和運(yùn)營(yíng)水平，建設(shè)一個(gè)具有清潔能源高供電占比的示范項(xiàng)目，為后續(xù)園區(qū)微電網(wǎng)的推廣應(yīng)用提供借鑒，為能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供支撐。