基于微電網(wǎng)的小水電改造設(shè)計

陳衛(wèi)鵬 曹龍 朱宜飛 張鵬

摘 要：針對國內(nèi)小水電站效益低，設(shè)備閑置率高的現(xiàn)狀，提出基于微電網(wǎng)平臺，進(jìn)行小水電改造提高效益的設(shè)想。分析了小水電站改造的意義，采用交流、直流和交直流混和3種架構(gòu)的利弊，并針對湖北地區(qū)對可再生能源如光伏、風(fēng)能作為分布式電源的技術(shù)可行性與特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹適應(yīng)小水電改造的微電網(wǎng)架構(gòu)和分布式能源，并提供了一個改造的典型范例。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng) 小水電 分布式發(fā)電 水面漂浮式光伏電站

中圖分類號：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0030-02

湖北素稱“千湖之省”，水力資源豐富。全省共有水電站1839座，總裝機(jī)容量3690.63萬kW，其中小型水電站（含規(guī)模以下）1811座，總裝機(jī)容量340.13萬kW。

湖北省興建小水電始于20世紀(jì)50年代，發(fā)展歷時長，技術(shù)水平差異大。經(jīng)對10余座小水電站的現(xiàn)場調(diào)研，有相當(dāng)部分的電站在不同程度上存在以下問題。

（1）設(shè)備老舊，自動化水平低。

（2）電站受季節(jié)、氣候影響很大，年度調(diào)節(jié)性能差，峰枯矛盾突出。

（3）上網(wǎng)電價低，人員冗余，盈利能力薄弱。

這些問題在以灌溉為首要目的小2型和規(guī)模以下電站中尤為突出，近幾年受降雨和上游來水影響，很多電站年利用小時不足1500h，設(shè)備和送出通道大量閑置。一些電站雖然經(jīng)過了增效擴(kuò)容的現(xiàn)代化改造，但無法從根本上解決“看天吃飯，效益低下”的問題。

因此，單純依靠小水電自身的技術(shù)改造，難以從根本上解決小水電的出路問題。如何結(jié)合小水電的實(shí)際情況，合理進(jìn)行資源配置，積極探索以微電網(wǎng)為核心，拓增新的電源點(diǎn)，通過實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，提高電站電量效益，不只為解決小水站生存發(fā)展、實(shí)現(xiàn)“精準(zhǔn)扶貧”的有益的嘗試。

1 微電網(wǎng)對小水電改造的意義

微電網(wǎng)是規(guī)模較小的分散的獨(dú)立系統(tǒng)，它采用了大量的現(xiàn)代電力技術(shù)，將風(fēng)電、光伏發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)、小水電、柴油機(jī)、儲能設(shè)備直接接在用戶側(cè)。

基于微電網(wǎng)進(jìn)行小水電改造，可以方便擴(kuò)充多種類型分布式電源和用戶。諸如光伏、風(fēng)電等新能源具有間歇性、波動性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，不具備調(diào)節(jié)能力，日出力的最大變化達(dá)100%，對電網(wǎng)的沖擊較大。水力資源年際間存在來水量上的豐枯差別，年內(nèi)水量也有豐水期和枯水期的周期性變化，但日水量變化不大，尤其當(dāng)水電站有一定的庫容調(diào)節(jié)條件時，可根據(jù)庫容的大小來進(jìn)行日、月及年水量的調(diào)節(jié)。因此可以通過微電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度，根據(jù)新能源電源的出力和負(fù)荷需求，調(diào)節(jié)水電出力，平衡峰谷，提高新能源發(fā)電的滲透率；新能源電源的引入，有利于水電站保持在高水頭運(yùn)行，提高發(fā)電收益；水電站現(xiàn)有的送出通道、部分配電設(shè)備、通訊設(shè)備及辦公生活設(shè)施都能得到有效利用，降低建設(shè)和運(yùn)行成本。

以微電網(wǎng)為核心的小水電改造也符合輸配分開的電力改革趨勢。原則上包括大電網(wǎng)直供區(qū)在內(nèi)，可在縣市一級組建多個獨(dú)立的配電公司，相互競爭。在小水電改造中引入微電網(wǎng)概念，提前布局，一旦政策放開即可快速組建其直供區(qū)，轉(zhuǎn)型為區(qū)域配電公司，提高效益。

2 微電網(wǎng)架構(gòu)

根據(jù)母線電壓的類型，微電網(wǎng)可分為交流、直流和交直流混和3種架構(gòu)。

（1）交流微電網(wǎng)。光伏、風(fēng)電、小水電、燃?xì)廨啓C(jī)、儲能裝置等均通過變流器或變壓器連接至交流母線。交流微電網(wǎng)是一種開放式的結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需求靈活地增減電源和用戶，甚至做到即插即用；由于多種分布式電源通過交流母線直連，對電網(wǎng)穩(wěn)定控制的要求較高。

（2）直流微電網(wǎng)。分布式電源、儲能裝置、負(fù)荷等均連接至直流母線，直流網(wǎng)絡(luò)再通過電力電子逆變裝置連接至外部交流電網(wǎng)。直流微網(wǎng)的電源和用戶間需要經(jīng)過AC/DC、DC/AC兩次轉(zhuǎn)換，所需電力電子器件較多，損耗較大；直流微電網(wǎng)的可擴(kuò)充性不如交流微電網(wǎng)靈活，擴(kuò)充容量困難。

（3）交直流混合微電網(wǎng)。既含有交流母線又含有直流母線，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在實(shí)際工程中運(yùn)用較少，本文不再累述。

考慮到小水電具有現(xiàn)成的外送通道，在大多數(shù)工況下均可并網(wǎng)運(yùn)行；而小水電本身也具備較好的調(diào)節(jié)能力，易于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定控制。因此，在小水電的改造中優(yōu)先推薦交流母線方案。

3 電源選擇

目前應(yīng)用較多的分布式電源主要有光伏、小型風(fēng)電和小型燃?xì)廨啓C(jī)等。

3.1 光伏

湖北省全省年太陽總輻射量為3450～4800MJ/m2，全省年日照小時數(shù)1300～1420h，均具備一定的開發(fā)價值。

考慮到小水電站毗鄰水庫和湖泊的地理特點(diǎn)，可充分灘涂和水面等閑置空間，發(fā)展管樁和漂浮式光伏電站，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。尤其是最近興起的漂浮式光伏電站，其不受征地限制，易于擴(kuò)大規(guī)模，而且因?yàn)樗娴姆瓷浜徒禍刈饔?，發(fā)電量高于同等條件下的地面電站，可列為小水電多能互補(bǔ)的首選電源。

目前漂浮式水面光伏的單位千瓦投資在7000元/kW左右，湖北省鄂東北、鄂西北、鄂北崗地、江漢平原等地的年滿負(fù)荷等效利用小時均超過1000h，投資回收期在7年左右；并且具有容量配置靈活，建設(shè)周期短的特點(diǎn)，業(yè)主可根據(jù)自身?xiàng)l件合理控制初期投資規(guī)模，很適合對目前經(jīng)濟(jì)效益不好的小水電進(jìn)行改造。

3.2 風(fēng)能

湖北省風(fēng)能資源豐富區(qū)主要集中在“三帶一區(qū)”，即荊門-荊州、棗陽-英山、部分湖島及沿湖地帶、鄂西南和鄂東南部分高山地區(qū)。

湖北雖然風(fēng)資源具備一定的開發(fā)價值，但其受微觀選址因素的制約，若要成規(guī)模開發(fā)，必須針對具體工程具體分析，積累一年以上的測風(fēng)數(shù)據(jù)。目前主流的1.5MW以上的大型機(jī)組，塔筒高度在70m以上，單位千瓦投資在7000元/kW左右，項(xiàng)目選址要求高、施工周期長、難度大，不適合作為小水電站的補(bǔ)充電源。容量50～300kW的小型機(jī)組，塔筒高度大多在30m以下，單位千瓦投資在8500元/kW左右，開發(fā)難度適中，可根據(jù)具體資源條件，作為水電站電源的合理補(bǔ)充。

4 基于微電網(wǎng)的水光互補(bǔ)型改造方案及效益分析

4.1 小水電站現(xiàn)狀

以鄂北某小水電站為例，其興建于20世紀(jì)80年代，電站安裝了2臺ZD661-LH-120型軸流定槳式水輪機(jī)，發(fā)電機(jī)型號為SF160-20/990，額定功率160kW。電站自運(yùn)行起就不能滿負(fù)荷發(fā)電，后逐步廢棄，電站內(nèi)所有設(shè)備均已損壞。2012年該電站進(jìn)行了增效擴(kuò)容改造，更換了兩臺SF200-20/1430型發(fā)電機(jī)組，額定功率200kW，采用兩機(jī)一變擴(kuò)大單元接線，共用1臺S11-500/10.5±2×2.5%/0.4 型變壓器升壓至10kV后送出，導(dǎo)線型號為LGJ-95。改造完成后該小水電站設(shè)計年利用小時數(shù)為1224h，預(yù)計多年平均發(fā)電量48.74萬kW·h，在實(shí)際運(yùn)行中受近幾年干旱少雨的影響，一直未達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。

4.2 基于微電網(wǎng)的水光互補(bǔ)改造方案

若采用基于微電網(wǎng)的多能互補(bǔ)改造方案，以合理控制投資，提高發(fā)電效益的為原則，擬擴(kuò)建500kWp水面光伏電源，具體方案如下。

選用10kV電壓等級作為微網(wǎng)的母線電壓，水面光伏電源采用10kV并網(wǎng)，拆除原水電站并網(wǎng)點(diǎn)的10kV柱上開關(guān)，新建10kV箱式環(huán)網(wǎng)柜一套，本期新建2進(jìn)1出，1PT共4個間隔，并預(yù)留2～4個間隔的空間，以供后期擴(kuò)充新的分布式電源、用戶負(fù)荷及PCC快速開關(guān)使用。

光伏電站設(shè)1個536kWp的光伏發(fā)電單元，采用浮筒式布置在水電站附近的水面上，占用水面約22畝。每個光伏發(fā)電單元約由1728塊310Wp的光伏組件組成，分為96個串列；每個光伏串列由18塊光伏電池組件串聯(lián)而成，每16個光伏串列連接到一個設(shè)在水面上的一級匯流箱。共設(shè)6個一級匯流箱，匯流后接至位于岸上的升壓逆變中心。升壓逆變中心采用預(yù)裝式結(jié)構(gòu)。升壓逆變中心設(shè)500kW逆變器1臺，其交流側(cè)出口電壓為315V；設(shè)630kVA，10kV/315V雙繞組變壓器1臺，升壓至10kV送出，以一回10kV電纜線路接入10kV環(huán)網(wǎng)柜。

光伏電源的全部一次設(shè)備均采用預(yù)裝式結(jié)構(gòu)，可在現(xiàn)場直接安裝，占地面積小，施工周期短，無需改變現(xiàn)有建筑；送出通道，廠用電源和調(diào)度通訊均可利用水電站原有設(shè)施，僅需在電子設(shè)備間和中控室新增光伏電源部分的計量、保護(hù)和控制設(shè)備；改造在總體規(guī)劃中引入微電網(wǎng)的概念，預(yù)留擴(kuò)展空間，未來可依據(jù)國家政策和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的狀況，擴(kuò)充配網(wǎng)部分和冷熱電三聯(lián)供等新的電源，構(gòu)建直供電區(qū)。

4.3 增容技術(shù)改造與基于微電網(wǎng)的綜合改造經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)該電站增容改造方案，改造后增加裝機(jī)容量40kW，年增加發(fā)電量6.54萬kW·h，新增總投資為145.3萬元。按照當(dāng)?shù)匦∷娚暇W(wǎng)電價0.34元/kWh進(jìn)行測算，新增規(guī)模部分的收益率為-9.78%。單從投資經(jīng)濟(jì)性評估結(jié)果來看，該小水電站的增容改造效益是難以達(dá)到行業(yè)平均收益水平的。

如采用水面光伏電站與水電站形成水光互補(bǔ)改造方案，水電站原有設(shè)施基本保持不變，充分利用水電站已有設(shè)施和輸電線路，增加的水面光伏電站裝機(jī)容量為500kWp，年增發(fā)電量55.45萬kW·h，新增投資310.94萬元。按照湖北省光伏標(biāo)桿上網(wǎng)電價0.98元/kW·h以及湖北省“十三五”期間建成的光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行前5年有0.1

元/kW·h的電價補(bǔ)貼進(jìn)行測算，項(xiàng)目資本金財務(wù)內(nèi)部收益率為31.63%，項(xiàng)目具有很好的盈利能力。

此外，如水電站和光伏電站分別獨(dú)立運(yùn)行，在有太陽的時候可充分利用光伏發(fā)電，節(jié)約水量，以增加水電站單獨(dú)運(yùn)行時的水頭，提高水電站的發(fā)電量。而水光互補(bǔ)后，光伏電站、水電站可有機(jī)結(jié)合成一個整體，通過優(yōu)化調(diào)度使得電站出力平穩(wěn)，提高發(fā)電量和電能質(zhì)量。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的增效擴(kuò)容難以從根本上解決部分小水電效益低下的問題。通過引入微電網(wǎng)的概念，將小水電作為一個分布式電源，納入到微電網(wǎng)平臺上統(tǒng)籌考慮，可方便接入漂浮式水面光伏、小型燃?xì)鈾C(jī)組等多種新型分布式能源，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合調(diào)度、多能互補(bǔ)。并且可借微電網(wǎng)平臺，實(shí)現(xiàn)提前布局，待到輸配分開的電力改革方案出臺后，可快速轉(zhuǎn)型成為地方配電公司，為小水電的可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路。

參考文獻(xiàn)

[1] 湖北省水利廳，湖北省統(tǒng)計局.湖北省第一次水利普查公報[N].湖北日報，2013-08-06（1）.

[2] 國際小水電中心.堅(jiān)持綠色發(fā)展理念推進(jìn)可持續(xù)小水電建設(shè)[J].中國水能及電氣化，2016（7）：4-5.

[3] 金亞勤.農(nóng)村水電踏上轉(zhuǎn)型之路[N].中國能源報，2016-08-08.