多能互補綜合能源系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

宗 倩

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司宜興市供電分公司，江蘇 宜興 214200）

1 發(fā)展多能互補綜合能源系統(tǒng)的必要性

2015年6月9日，我國環(huán)境保護部發(fā)布的《2014年中國環(huán)境狀況公告》指出，目前我國的環(huán)境治理工作已經(jīng)得到了全社會的大力支持和關(guān)注，環(huán)境質(zhì)量正在好轉(zhuǎn)，但環(huán)境質(zhì)量提升的過程中出現(xiàn)了一些問題，例如霧霾天氣、極端天氣等。電力發(fā)展過程中造成的環(huán)境和生態(tài)破壞帶來的壓力日益加重。電力發(fā)展對環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面[1]。

1.1 火力發(fā)電對環(huán)境的影響

我國目前電力行業(yè)的能源消費主要以一次能源為主，一次能源主要包括煤炭、石油、天然氣等化石能源，其中煤炭消耗是我國發(fā)電的主要消耗品，占70%左右，我國電力發(fā)電量中80%來自于火電。電力行業(yè)已經(jīng)形成了以火電為主的電力能源結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致二氧化碳、二氧化硫等排放量居高不下。雖然目前已經(jīng)采取了先進的二氧化硫和煙塵排放控制技術(shù)，但是在世界范圍內(nèi)，我國SO2和CO2排放量位居世界第一位和第二位，形成酸雨的面積已超過國土面積的35%，冬季霧霾天氣和各種有害飛塵在空氣中的含量日漸增多。2012年數(shù)據(jù)顯示，電力行業(yè)排放的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和煙塵分別占據(jù)全國總排放量的48%、57%、50%和65%，環(huán)境污染造成的經(jīng)濟和生態(tài)破壞損失大約相當(dāng)于全年GDP的7%～20%。

1.2 水電開發(fā)對環(huán)境造成的影響

水電作為新興能源一直被大家關(guān)注，許多專家稱水電是純綠色無污染的能源生產(chǎn)方式。根據(jù)最新的全國水能資源普查成果，大陸的水力資源技術(shù)開發(fā)量為5.42×108kW，2010年已開發(fā)2.11×108kW，中國水電發(fā)電量高居世界第一，開發(fā)程度為37%。除西藏外，我國的水電資源基本已開發(fā)完畢。由于長期以來在認(rèn)識上的誤區(qū)，大家都認(rèn)為水電是比火電更清潔、高效的能源，認(rèn)為其是綠色環(huán)保能源，這是一種認(rèn)識上的誤區(qū)，相對于火電在開發(fā)過程中對環(huán)境造成的影響，水電在開發(fā)過程中對環(huán)境造成的影響有時更加嚴(yán)重，不可逆轉(zhuǎn)。

1.3 核電發(fā)展帶來的環(huán)境保護問題

從核電的發(fā)展來看，核電雖是清潔能源，但產(chǎn)生的放射性廢物不清潔，甚至有很大危險。根據(jù)放射性能力的不同，核廢棄物分為高放性廢物和中低放性廢物，其中：反應(yīng)堆用過的剩余核燃料稱為乏燃料，具有很高的放射性；核電站使用過的工作服、手套、廢棄的儀器設(shè)備等屬于中低放廢物。乏燃料中的眾多放射性元素都擁有數(shù)以萬年計的半衰期，長的約為210萬年，短的也有500～600年，這些輻射對人體危害極大。目前，大部分放射性廢棄物質(zhì)都采用集中放置和掩埋處理的方法，但這些方法不是長久之計。

1.4 風(fēng)電發(fā)展對環(huán)境的影響

目前，我國大力發(fā)展風(fēng)電。作為清潔能源，風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢明顯，但也會環(huán)境產(chǎn)生不利影響。風(fēng)電在利用過程中造成的環(huán)境問題主要體現(xiàn)在以下方面。第一，項目建設(shè)過程中會影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，如破壞植物、改變地貌、造成水土流失。第二，對昆蟲和牲畜造成影響。如鳥類、昆蟲大量死亡，風(fēng)電的風(fēng)輪在發(fā)電過程中導(dǎo)致人類和動物無法看到純凈的天空。第三，產(chǎn)生噪聲污染。風(fēng)力機的噪聲主要來源于發(fā)電機、齒輪箱和槳在空氣中運動時所產(chǎn)生的噪聲。第四，影響鳥類棲息和遷移。隨著容量的增加，風(fēng)力機橫截面積和高度隨之增加，當(dāng)風(fēng)力機安裝在鳥類飛行的通道上，勢必會影響鳥類的活動。第五，項目配套工程，如道路、生活區(qū)等影響生態(tài)、水和大氣。建設(shè)風(fēng)電廠需要占用土地，在此基礎(chǔ)上將風(fēng)電輸送到輸電線路。

2 多能互補綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

多能互補綜合能源系統(tǒng)涉及到多種能源的輸入、輸出以及能量轉(zhuǎn)化設(shè)備，并通過信息化手段將供電系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)以及供熱系統(tǒng)形成耦合關(guān)系，如圖1所示。

圖1 多能互補綜合能源系統(tǒng)

3 多能互補綜合能源系統(tǒng)的特點

環(huán)保、可再生是新能源發(fā)電技術(shù)最重要的特征。就目前來講，新能源發(fā)電技術(shù)指利用太陽能、潮汐能、海洋能、地?zé)崮?、風(fēng)能以及生物質(zhì)能等資源進行發(fā)電。新能源發(fā)電具有環(huán)?？稍偕?、分布范圍廣泛、儲備量巨大等優(yōu)勢，但也有一些不足，比如地區(qū)差異較為明顯、能源產(chǎn)量不穩(wěn)定以及密度較低等。目前，新能源發(fā)電中最常見的是風(fēng)力發(fā)電和新能源分布式發(fā)電[2]。

新能源分布式發(fā)電和傳統(tǒng)的發(fā)電形式有很大區(qū)別，其發(fā)電功率通常較小，一般都在幾十千瓦至幾十兆瓦，模塊式分布在配電網(wǎng)或負(fù)荷附近的發(fā)電設(shè)施。常見的分布式發(fā)電可利用多種能源，包括天然氣、氫氣、太陽能和風(fēng)能等環(huán)境友好型能源。新能源分布式發(fā)電應(yīng)用范圍很廣，包括采礦企業(yè)、醫(yī)療單位、體育場館等，可作為緊急備用電源，具有重要意義。從經(jīng)濟效益和環(huán)保效益兩方面討論分布式發(fā)電的必要性，給出具體的環(huán)境影響指標(biāo)，使分布式發(fā)電環(huán)境價值定量化。發(fā)展分布式發(fā)電可以提高能源的利用效率（達70%～90%），具有良好的經(jīng)濟性，有利于環(huán)境保護，能夠增加用電的安全性和可靠性，可以解決偏遠地區(qū)的供電問題，減少遠距離輸電的網(wǎng)損問題，還可作為系統(tǒng)啟動電源。

多能互補綜合能源系統(tǒng)的供電系統(tǒng)主要涉及到以下幾方面。（1）風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，其主要有兩種利用方式，一種是作為獨立電源向偏遠地區(qū)供電，另一種是將多臺風(fēng)力發(fā)電機組并列運行，形成風(fēng)力發(fā)電。（2）新能源電池發(fā)電技術(shù)。太陽能新能源發(fā)電技術(shù)是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。太陽能新能源發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器件是新能源電池。太陽能新能源發(fā)電系統(tǒng)可分為獨立型和并網(wǎng)型兩種基本類型。（3）小水力發(fā)電技術(shù)。小水電是指小的水電站及與其相配套的小電網(wǎng)。從形式上分為引水式、堤壩式、混合式和抽水蓄能式四種基本形式。

4 多能互補能源系統(tǒng)存在的問題

4.1 配電網(wǎng)的安全運行受分布式新能源發(fā)電的影響

配電網(wǎng)接入分布式新能源發(fā)電后，會改變其分布的特性和短路電流的正常流向，使配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)由輻射型向多電源轉(zhuǎn)化[3]。

4.2 影響檢修安全

大多數(shù)的情況下，分布式的新能源發(fā)電都屬于用戶的側(cè)并網(wǎng)，如果出現(xiàn)出力和負(fù)荷的平衡，那么就會出現(xiàn)孤島效應(yīng)問題。相關(guān)工作人員檢修、維護分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備時，如果分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)的保護功能失效，將會給工作人員帶來安全隱患。

4.3 影響計量安全

分布式新能源發(fā)電接入到配電網(wǎng)后，安裝在用戶家庭的新能源發(fā)電計量表中。從資產(chǎn)屬性和電力技術(shù)分析，都可能出現(xiàn)用戶利用新能源發(fā)電計電表偷電的情況，從而影響計量安全的準(zhǔn)確性。

5 多能互補能源系統(tǒng)優(yōu)化措施

5.1 改進保護并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線裝置的方式

配電網(wǎng)中接入的分布式電源通常接到變電站的10 kV或是35 kV母線中，以往運用保護線路配置的方法已無法達保護的基本要求。配電網(wǎng)正常運行時，為提升保護零序電流的靈敏度，其中性點不運行。將分布式的電源接到母線后，當(dāng)工作模式為最大時，零序網(wǎng)絡(luò)就會發(fā)生一定變化，降低保護系統(tǒng)的靈敏度。在這種情況下，通常采用電網(wǎng)允許式代替保護式，其線路的主保護為縱聯(lián)保護，后續(xù)保護應(yīng)用四段、三段式的零序保護。采用這種辦法可提升并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線路中自動裝置的容錯率，保障配電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性。

5.2 并網(wǎng)中采用電抗器串聯(lián)的措施

短路電流由GD技術(shù)生成，為使其受到限制，可以在電路中采用串聯(lián)電抗器的方法。假設(shè)有分布式的電源A與系統(tǒng)電源B，這兩個電源之間的任何一點發(fā)生電路故障時，B點和故障點之間都會存在荷載電流，而系統(tǒng)電源A是小型電源，很難分析、處理、解決故障點的問題。當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生短路時，電抗器能把短路電流控制在安全范圍內(nèi)，串聯(lián)在分布式電網(wǎng)中的電抗器能夠發(fā)揮保護電網(wǎng)繼電的作用[4]。

6 結(jié) 論

綜上所述，發(fā)展多能互補綜合能源系統(tǒng)有助于實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，對我國現(xiàn)代能源體系的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。