水泥工廠區域微電網系統的構建

郭彥鵬，袁亞雄，周 靜

（1.中材國際環境工程（北京）有限公司，北京 100102；2.廣東雋諾環保工程技術有限公司，廣東 廣州 511453；3.北京中清環循科技有限公司，北京 10083）

0 前言

國家“十三五”規劃綱要中提出，建設現代化能源體系作為“互聯網+”智慧能源的重要支撐，微電網的構建能促進再生能源的廣泛利用，并能夠與大電網友好互動，成為現代能源體系的關鍵部分。

為促進并規范微電網健康發展，積極推進能源供給側結構性改革，引導分布式電源和可再生能源的就地消納，國家發改委、能源局頒發了《推進并網型微電網建設試行辦法》，旨在建立多元融合、供需互動、高效配置的能源生產與消費模式，推動現代能源體系建設[1]。

水泥工業作為用電大戶，本身又擁有水泥窯余熱發電系統，而且水泥工廠區域內擁有居民、小型工商業等區域性用電設施，具備建設水泥工廠區域微電網的條件，本文因此探討在水泥工廠區域構建微電網系統的可能性。

1 微電網概述

微電網是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、用電負荷以及監控保護裝置等組成的小型發配電系統。數量龐大、種類不同的分布式電源并網所帶來的問題，都可以靠微電網得以解決，并使分布式電源的靈活高效應用得以實現。

微電網分為并網型和獨立型，其中并網型微電網通常與外部電網聯網運行，且具備并離網切換與獨立運行能力，本文重點討論并網型微電網系統。

并網型微電網需具備以下特征[1]：

（1）微型，系統容量（最大用電負荷）原則上不大于20MW，電壓等級不高于35 kV；

（2）清潔，以可再生能源發電為主，或以天然氣多聯供等能源綜合利用為目標，其中可再生能源裝機容量占比在50%以上；

（3）自治，內部具備保障負荷用電與電氣設備獨立運行的控制系統，獨立運行時能保障重要負荷連續供電（不低于2 h），內部電網能供給50%的用電量；

（4）友好，微電網與外部電網的交換功率和交換時段具有可控性，可與并入電網實現備用、調峰、需求側響應等雙向服務。

微電網的運營主體需滿足國家節能減排和環保要求，符合產業政策要求，并可注冊成為市場交易主體。

微電網系統的關鍵點是各分布式電源的協調控制，由于各分布式電源能源來源方式、運行時間、發電能力均有差異，如何平衡儲能系統和各電源的負荷是在構建微電網系統過程中需重點關注的部分[2]。

2 水泥工廠電力運行模式

目前水泥工廠采用供電模式為大電網供電+水泥窯余熱發電供電系統，以中國建材集團天山水泥某水泥廠為例，該廠設計熟料生產規模為5000t/d，年運轉310天，配備了“復合型雙進風雙壓純低溫余熱發電系統”，其中窯頭配置了“雙進風再過熱逆向換熱雙壓余熱鍋爐”。

該工廠配置的變電站為10kV，余熱鍋爐為10.5 kV發電機由電站10kV母線經單回電纜線路與變電站10kV母線連接，從而實現余熱電站與系統并網運行，同期并網操作設在電站側，并且在發電機出口斷路器、電站側發電機聯絡斷路器處設置同期并網點。電站與電力系統并網運行，運行方式為并網電量不上網。

該工廠全廠裝機容量為44125kW，年耗電量為111730MWh（不扣除余熱發電電量），余熱機組設計工況發電功率約為7395kW，自身損耗約7%的發電量，其他電量供給廠內設備使用，余熱機組年貢獻發電量約為51170MWh，占總耗電量的45.8%，只需要輔助合適規模的可再生能源發電系統，同時構建多節點分布式電網及儲能系統，即能達到并網型微電網的運行要求。

3 構建水泥工廠區域微電網系統的設想

由于微電網具有自我控制、保護和管理的功能，能對功率進行平衡調節，對系統運行進行優化，還可以實現故障檢測和保護，憑借這些關鍵技術，針對水泥工廠的實際情況，可以圍繞余熱發電系統為中心構建并網型微電網。根據目前水泥廠分布式電源建設的經驗，適合在水泥工廠建設的分布式電源為光伏發電和風力發電以及生活垃圾發電等。根據公開資料顯示，山東濟寧海螺水泥新建了5.58MW分布式光伏發電項目以及500t/d生活垃圾發電設施，能夠實現日發電量30MWh的發電能力，山東臨沂中聯也在規劃建設風力發電設施，這些項目均為在水泥工廠內實施分布式電源提供了良好的借鑒，水泥廠可以根據自身地理環境，選擇性的考慮風力、光伏發電項目以及垃圾發電項目，這對于年日照強度大、風能豐富以及具備一定區位優勢的水泥廠來說具備得天獨厚的優勢。

3.1 總體思路

以上文中的水泥廠為案例，如果要構建微電網系統，結合微電網系統的要求，需要可再生能源裝機容量占比在50%以上，至少還需要新增年發電量不低于4692MWh的分布式電源裝置。由于該水泥廠地處江蘇，屬于亞熱帶季風氣候，更適用光伏發電，且規劃150t/d廚余垃圾協同處置，因此可采用光伏發電+余熱發電+沼氣發電作為分布式電源的方案。

用能系統以水泥工廠內部所有用能設施為主，同時當水泥工廠檢修停產時，除余熱發電外的其他可再生能源分布式發電系統可以給周邊居民、小型工商業供電，降低周邊用能成本及提高水泥廠效益。

同時通過配置合適的控制系統與儲能系統能夠與大電網實現友好互動，互為補充，打破傳統的單一能源服務模式，提高水泥工廠的用能效率，同時惠及周邊。

3.2 建設內容

該微電網系統主要包括區域性的控制管理中心、儲能系統以及多個片區的光伏發電分布式電源的建設，同時建設惠及周邊的區域性電網系統，將周邊納入到微電網的服務范圍內。由控制管理中心統一調度能源分配，并與大電網友好互動。

（1）分布式電源系統。該水泥廠采用光伏發電+余熱發電+沼氣發電作為分布式電源系統。余熱發電如上文所述。

光伏發電系統主要由光伏組件、光伏控制器、蓄電池組、逆變器和用電負荷組成，見圖1。

圖1 光伏發電系統

該水泥廠地處北緯31.65°，太陽高度角34.92°，太陽年總輻射量4 529.59MJ/m2。光伏發電上網電量Ep的公式為Ep=HA×PAZ×K。其中HA為傾斜面太陽能總輻照量（kWh/m2），PAZ為系統安裝容量（kW），K為綜合效率系數。K是考慮了各種因素影響后的修正系數，K取值在75%～85%，視情況而定。

通過公式得出：

PAZ=Ep/HA/K=4 692 000/（4 529.59/0.28/0.8）40625kW=4.625MW。

1塊250 W組件尺寸為106400mm×9920mm，4.6250MW需要180500塊250W組件。組件總面積=180500×1.64×0.992=300097m2

因此為達到微電網系統的要求，需要新建4.625 MW分布式光伏發電項目，可以充分利用水泥廠及周邊的難利用地如山坡等地塊分區域建設。

同時通過建設1500t/d廚余垃圾協同處置系統，配備2000kW發電機組，也能夠作為分布式能源的有效補充。

（2）儲能系統。由于可再生能源發電量不穩定，具有間歇性和波動性的特點，因此通過配置儲能系統能平衡清潔能源發電系統與大電網的負荷，以維持用電系統用能穩定。

常規的儲能系統有機械儲能、電化學儲能、電磁儲能系統，根據劉揚波[3]的研究，可以采用鉛炭電池+功率轉換系統（PCS）儲能系統。

對于水泥工廠而言，24 h運轉，年運轉310～330天，有約30～50天處于檢修停運狀態，由于光伏發電的間歇性特點，會造成夜間供電不足，而停窯時又供能過剩，因此水泥廠應建設足夠規模的儲能系統，能夠合理匹配分布式電源與用能設施，并能夠在供能過剩時提供能源惠及周邊。

（3）控制管理中心。將余熱發電系統和光伏發電系統以微電網的形式接入配電網，微電網作為配電網和分布式電源的紐帶，使配電網不必直接與余熱發電或光伏發電進行對接。微電網自身的穩定性決定了即使并網終端數量不斷增加，比如后期增加其他清潔能源發電，系統的負荷主要也由微電網承擔，能夠減少系統的平均停電次數，保證了系統供電的可靠性和安全性。

控制管理中心是微電網系統的核心，通過對電網系統的實時運行數據進行采集，結合分布式電源實現對發電量及負荷預測，合理分配用能負荷，并能夠與大電網友好互動，能夠實時進行微電網運行調度調整[4]。

同時構建可控的內外電網交互系統，以保障用能系統的穩定性，能夠實現內外電網互相補充、調峰、備用等服務。

4 結語

通過在水泥工廠構建微電網系統，能實現廠區內與周邊能源的互聯和服務，提高水泥廠清潔能源的開發利用，打破傳統的單一能源模式。具體如下：

（1）通過在水泥工廠構建微電網系統，能夠有效提升水泥工業用能效率，通過儲能系統調節水泥工廠用電負荷，通過高低谷用電量的調整，有效降低用電成本。

（2）能夠降低水泥工廠對大電網的依賴，提高抗風險能力，降低因大電網故障造成停產的概率。

（3）在水泥廠停產檢修的時候，富裕的能源還能以較低的價格供給周邊居民及工商業機構，惠及周邊。