火電廠光火儲一體多能供給系統的應用分析

＊譚福太 林海 謝方靜

（廣州匯錦能效科技有限公司 廣東 510630）

引言

2021年，在“碳達峰”和“碳中和”的工作目標中，明確以綠色能源低碳發展為關鍵，加快構建清潔安全高效的能源體系[1]。太陽能作為一種易獲取、儲量豐富、清潔可再生的非化石能源，在建設上述能源體系中的作用不容忽視。

目前，太陽能資源已廣泛應用于光伏發電系統，有利解決我國結構性資源緊缺及環境污染等問題，是集中式發電的有效補充[2]。但是光伏出力受到太陽輻射、氣壓、溫度等因素的影響，其發電的隨機性和間歇性易導致輸出功率波動，給微電網供電可靠性和電能質量帶來不利影響[3]。儲能具有功率控制快速、能量吞吐靈活等優點，在光伏發電系統中配置儲能設備可有效解決出力隨機不可控的問題。儲能系統在電力充沛時儲存電能，在負荷高峰時釋放電能，達到削峰填谷、改善電力系統的日負荷率，達到提高整體運行效率的作用，因此在光伏并網和消納領域擁有廣闊的前景[4]。

能量管理系統（Energy Management System，EMS）在系統安全穩定運行的基礎上，以經濟優化運行為目標，通過對各類設備的歷史、實時數據進行采集分析，實現對光伏發電、儲能、配電以及用電的在線監控及有效管理，達到減少人力物力、提高經濟性的目的[5]，該系統對微電網具有重要作用。目前的大型燃煤電廠的廠用電率在4%～5%之間[6]，微電網的接入能有效降低廠用電率[7]、建設成本、能源供應成本。如何高效地利用EMS，優先消納光伏，聯合廠用電滿足內部多元負荷需求，提高電廠運行效率，保證電能質量已成為備受關注的課題。

2021年國務院發布《2030年前碳達峰行動方案》[8]，提出加快智能光伏產業創新升級和特色應用，加速推進光伏發電多元布局。2022年工業和信息化部、國家能源局等部門共同印發了《智能光伏產業創新發展行動計劃（2021—2025年）》[9]，提出了到2025年，光伏產業智能化水平提升，與新一代信息技術融合水平逐步深化。依據上述政策，在“十四五”時期，供給側結構性改革成為光伏發電產業的主要內容，聚焦新技術、實行多能互補、提升智能化水平和發電質量，將成為光伏發電應用的新導向。

本文分析了光伏發電及儲能系統在某電廠行政生活區空閑屋頂的應用案例，并對火光儲一體多能互補的實施方案、經濟性以及運行效果等方面進行分析，為其他電廠開展火光儲一體多能互補的應用提供借鑒與參考。

1.光火儲一體智能微電網金項概況

某火力發電公司以分布式能源形式引入光伏發電連接到熱電廠內部微電網，形成光火儲多能互補系統。該公司位于廣東省中山黃圃鎮，地理位置為東經113°32'北緯22°69'66"。市境太陽高度角大，全年境內各地均有2次太陽直射，太陽輻射能量豐富。歷年平均日照時數為1694.4h，占年可照時數的42%。年最多日照時數為2392.6h，占年可照時數的54%；年最少日照時數為1455.8h，占年可照時數的33%。該項目充分利用火電廠生活區閑置屋頂鋪設光伏發電，面積約1934.7m2，總裝機容量約為400kWp。搭配電化學儲能，構建EMS提高現有能源消耗中太陽能的滲透率，降低辦公樓能耗，實現節能減排。該系統主要有3部分組成：光伏發電子系統、儲能子系統、廠級EMS。光伏發電子系統滿足電廠非生廠區內部部分的多元負荷需求，儲能子系統平抑太陽能能源波動，廠級EMS協調智能用電設備參與需求響應，其微網結構圖如圖1所示。

圖1 火光儲系統結構示意圖

本項目采用“自發自用、余電存儲”的設計方案并實現以下功能：當光照充足時，優先使用光伏電力系統給廠前區負載供電，多余電量向蓄電池充電；而當光伏發電系統供電不足時，由光伏電力系統和蓄電池同時給廠前區負載供電，不足部分由行政變電源補充，減少光伏出力對電網穩定性的影響，實現削峰填谷。整個系統能夠實現光伏、蓄電池、行政變電源自動切換，同時EMS自動統計各區域能耗情況，分析設備能效變化趨勢，幫助維護人員及時發現設備異常，維護電網的穩定。

2.光火儲一體智能微電網組成部分

(1)光伏發電子系統

鋪設范圍包括辦公樓、圓形會議室、食堂、宿舍樓和運動館的屋頂，建筑面積約5285.48m2。根據當地太陽能資源的特點、場址的地形地貌特征等因素，并按照屋頂有效面積、本項目安裝光伏組件總容量為400kW。光伏系統并網路徑為：組串式逆變器、光伏并網匯流柜、光伏并網計量柜、廠前區低壓配電房母線。

當出現由電網停電、微電網反向供電、配電網某處斷路等非計劃孤島情況時，逆變器在2s內停止向電網供電，同時發出報警信號。計劃性的孤島和非計劃性孤島運行時的保護，能有效減少分布式光伏電源對電網安全的影響，保證光火儲一體智能微電網系統的穩定性[3]。當工作環境變化時，光伏電池的輸出特性也會跟著變化，最大功率點會發生一定的偏移，因此對光伏電池的輸出狀態做出調整是十分必要的。為了避免光伏電池在新的運行環境下不能在最大功率點工作，而造成不必要的能量損失，所以采取基于擾動觀察法的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術[11]，提高能量利用率。

(2)儲能子系統

對于儲能部分，基于廠前區用能設備負荷、光伏發電出力，以供電安全、儲能運行經濟性、壽命性為目標進行優化配置；從能量平衡出發，保證系統運行的可靠性和避免功率倒送[10]，以經濟運行為目標，分析不同時間、負荷條件下的充放電運行策略。從實現“削峰”的角度考慮，配置儲能系統400kWh、充放電功率≥100kW，直接接入交流母線，結合廠用電進行多電源耦合運行優化，與現貨電價聯系，利用光伏發電高峰期及電價低谷期進行充電，在高電價期間盡可能減少廠用電消耗，從而進一步提高系統運行的經濟性。儲能系統通過對來自太陽能的電能的儲存和釋放，使廉價的不穩定電源變成穩定的具有較高價值的產品[12]。

通過分析圖2的負荷曲線可發現，利用光伏發電高峰期（如13～15時期間）及電價低谷期（考慮陰雨天氣時）充電，充放電功率100kW，大于日平均用電功率，可滿足較大時段內的供電能力，總儲電量400kWh，可滿足3～5h的用電需求。該儲能系統可有效實現減少可再生能源波動性的影響，協調系統電能平衡，提高能源利用效率等，為我們提供了更多的靈活性來管理電網中的電能。

圖2 當地四季負荷曲線圖

(3)EMS

本光儲多能互補系統中，以分布式能源形式引入光伏發電到廠前區的微網中，實現對區域內用電設備的供電。EMS通過功率預測技術、綜合天氣等相關數據，對光伏發電系統系統建模，預測光伏發電功率，從而為整個供能系統的能量調度提供科學依據，提高運行的穩定，在用戶側改善電能質量[13]。同時，EMS通過負荷預測，從靈活性角度將負荷分為可根據當前系統運行情況而增大或消減的柔性負荷，以及為了滿足基本需要而無法削減的固定負荷。通過建立廠前區柔性負荷和固定負荷的能耗模型和調控節能模型，結合對設備的節能診斷，獲得其節能潛力。

3.火光儲一體實際系統運行效果及效益分析

(1)運行效果

2020年4月到2021年3月期間廠前區的總年用電量68.45萬kWh，日平均用電量為1880.41kWh。廠前區典型日4月28日負荷曲線如圖3所示。其最高日負荷為170kW，平均日負荷為79.46kW。

圖3 廠前區典型日負荷曲線

光伏發電與負載消耗的負荷曲線如圖4所示，光伏發電高峰期及電價低谷期進行充電，在高電價期間盡可能減少廠用電消耗。平抑光伏發電系統的波動，實現光伏發電的自發自用、備用電源，并可結合現貨電價進行適時充放電，以達到系統經濟運行的目的[14]。

圖4 光火儲一體多能互補系統負荷曲線

(2)效益分析

水平面太陽輻射數據選取自Meteonorm氣象數據庫的20年平均的太陽輻射數據。安裝容量總為400kWp，系統總效率為80%，光伏系統的年發電量如表1所示。本項目光伏系統所發電量按全部自用考慮，第一年可減少廠用電共36.1萬千瓦時，按標桿上網電價0.453元/千瓦時計算，首年的系統總收益16.31萬元。

表1 項目節能減排效益

采用的晶硅光伏組件，功率每年衰減0.55%，且使用壽命不低于25年。經計算，25年內可累計節省年發電量854.76萬千瓦時，總收益387.21萬元。所獲得的節能減排效益見表1。平均每年可以節省標準煤109.47t，預計減排CO2氣體273.68t。

4.結論

本文對某電廠的光火儲多能互補發電系統的構成、經濟性及運行效果進行了分析。得出的主要結論如下：

在火電廠安裝光火儲多能互補發電系統，削峰填谷，有效地提高了電廠的系統效率、提升了電能質量，減少化石燃料的消耗滿足了火電廠自身效益的要求。EMS的安裝，能實時對數據進行監控和分析，保證了電力系統的穩定性，有效的提高系統效率，降低成本。在社會效益方面，在火電廠應用光火儲多能互補系統有效地提升了企業形象，符合國家能源發展戰略，且伴隨著今年全國及廣東省碳排放權交易試行和不斷推進，在碳交易市場或可進一步獲益。光火儲多能互補發電系統在火電廠的應用，為電廠的節能降碳工作提供了借鑒。