多能互補綜合能源系統設計及優化

宗 倩

（國網江蘇省電力有限公司宜興市供電分公司，江蘇 宜興 214200）

1 發展多能互補綜合能源系統的必要性

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

1.1 火力發電對環境的影響

我國目前電力行業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電的主要消耗品，占70%左右，我國電力發電量中80%來自于火電。電力行業已經形成了以火電為主的電力能源結構，這導致二氧化碳、二氧化硫等排放量居高不下。雖然目前已經采取了先進的二氧化硫和煙塵排放控制技術，但是在世界范圍內，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年數據顯示，電力行業排放的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和煙塵分別占據全國總排放量的48%、57%、50%和65%，環境污染造成的經濟和生態破壞損失大約相當于全年GDP的7%～20%。

1.2 水電開發對環境造成的影響

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

1.3 核電發展帶來的環境保護問題

從核電的發展來看，核電雖是清潔能源，但產生的放射性廢物不清潔，甚至有很大危險。根據放射性能力的不同，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 風電發展對環境的影響

目前，我國大力發展風電。作為清潔能源，風力發電的優勢明顯，但也會環境產生不利影響。風電在利用過程中造成的環境問題主要體現在以下方面。第一，項目建設過程中會影響當地的生態環境，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，風電的風輪在發電過程中導致人類和動物無法看到純凈的天空。第三，產生噪聲污染。風力機的噪聲主要來源于發電機、齒輪箱和槳在空氣中運動時所產生的噪聲。第四，影響鳥類棲息和遷移。隨著容量的增加，風力機橫截面積和高度隨之增加，當風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、生活區等影響生態、水和大氣。建設風電廠需要占用土地，在此基礎上將風電輸送到輸電線路。

2 多能互補綜合能源系統結構設計

多能互補綜合能源系統涉及到多種能源的輸入、輸出以及能量轉化設備，并通過信息化手段將供電系統、供氣系統以及供熱系統形成耦合關系，如圖1所示。

圖1 多能互補綜合能源系統

3 多能互補綜合能源系統的特點

環保、可再生是新能源發電技術最重要的特征。就目前來講，新能源發電技術指利用太陽能、潮汐能、海洋能、地熱能、風能以及生物質能等資源進行發電。新能源發電具有環保可再生、分布范圍廣泛、儲備量巨大等優勢，但也有一些不足，比如地區差異較為明顯、能源產量不穩定以及密度較低等。目前，新能源發電中最常見的是風力發電和新能源分布式發電[2]。

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

多能互補綜合能源系統的供電系統主要涉及到以下幾方面。（1）風力發電技術。風力發電技術是將風能轉化為電能的發電技術，其主要有兩種利用方式，一種是作為獨立電源向偏遠地區供電，另一種是將多臺風力發電機組并列運行，形成風力發電。（2）新能源電池發電技術。太陽能新能源發電技術是利用半導體材料的光電效應，直接將太陽能轉換為電能。太陽能新能源發電的能量轉換器件是新能源電池。太陽能新能源發電系統可分為獨立型和并網型兩種基本類型。（3）小水力發電技術。小水電是指小的水電站及與其相配套的小電網。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 多能互補能源系統存在的問題

4.1 配電網的安全運行受分布式新能源發電的影響

配電網接入分布式新能源發電后，會改變其分布的特性和短路電流的正常流向，使配電網的結構由輻射型向多電源轉化[3]。

4.2 影響檢修安全

大多數的情況下，分布式的新能源發電都屬于用戶的側并網，如果出現出力和負荷的平衡，那么就會出現孤島效應問題。相關工作人員檢修、維護分布式新能源發電系統設備時，如果分布式新能源發電系統的保護功能失效，將會給工作人員帶來安全隱患。

4.3 影響計量安全

分布式新能源發電接入到配電網后，安裝在用戶家庭的新能源發電計量表中。從資產屬性和電力技術分析，都可能出現用戶利用新能源發電計電表偷電的情況，從而影響計量安全的準確性。

5 多能互補能源系統優化措施

5.1 改進保護并網聯絡線裝置的方式

配電網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，當工作模式為最大時，零序網絡就會發生一定變化，降低保護系統的靈敏度。在這種情況下，通常采用電網允許式代替保護式，其線路的主保護為縱聯保護，后續保護應用四段、三段式的零序保護。采用這種辦法可提升并網聯絡線路中自動裝置的容錯率，保障配電網系統的安全性。

5.2 并網中采用電抗器串聯的措施

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

6 結 論

綜上所述，發展多能互補綜合能源系統有助于實現節能環保，對我國現代能源體系的可持續發展具有重要意義。