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全面解析微电网结构与发展趋势(附五大案例与经济效益分析)

日期:2018-01-30 14:20
随着用电规模的不断扩大,我国大电网正面临着越来越严重的安全性和可靠性问题。天然气分布式系统作为微电网的一种,能帮助缓解电网压力,打造能源生产与消费的新模式。本文通过5大案例的方案介绍、系统结构图、投资分析和效益分析等方面,详细讲解了天然气分布式项目在园区微电网中的应用实践,得出了一套微电网项目的投资估算标准。未来,分布式能源发展将呈现分布式新能源发电和天然气分布式能源并举的趋势。
天然气分布式能源及微电网介绍
1、天然气分布式能源介绍
天然气分布式能源的设备主要是由燃气轮机或者内燃机、余热锅炉、吸收式溴化锂机组等设备组成,主要给园区提供热、冷、电等服务。
2、微电网介绍
微电网是指由分布式电源、用电负荷、配电设施、监控和保护装置等组成的小型发配用电系统。概括性地提出微型、自治、清洁、友好四大特征。对打造能源生产与消费新模式、新业态,建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系意义重大。
微型:电压等级一般在35千伏及以下,规模在20兆瓦及以下。
自治:具备电力供需自我平衡运行和黑启动能力,与外部电网的年交换电量一般不超过年用电量的50%。
清洁:可再生能源装机容量占比在50%以上,或天然气多联供系统综合利用率在70%以上。
友好:参与备用、调峰、需求侧响应等双向服务,满足用户用电质量要求,实现电网友好互动和用户友好用能。
3、微电网典型构造
微电网的典型构造主要包括:
就地控制层:对各个小系统进行集中控制
集中控制层
配电网调度层
4、微电网的特征
(1)可再生能源是其能量产生的主要来源。
(2)分布式发电、分布式储能是其能量产生和储存的主要形式。
(3) 分布式的各类能量节点互联起来实现能量的交换与共享。
(4)具有扁平开发的结构,支持各种能量设备的”即插即用”。
(5)智能化融入能量产生、储存、使用等各环节。
5、电网、分布式电源与微电网的关系
电网:是随着电力工业发展的需要逐步发展起来的,作为大机组、大电源高效开发利用的解决方案,以及实现大范围资源优化配置的平台,是目前世界各国电网的主要形态。
分布式电源:作为大电网的有益补充,随着热电冷多联供技术和风电、太阳能等新能源发电技术的进步,以及实现能源安全、清洁、高效利用的需要,在一些国家得到发展和应用。
微电网:作为分布式发电应用的拓展,是高渗透率风电、太阳能等间歇性新能源并网的解决方案,是分布式发电技术的高级应用。
6、国外微电网研究现状
美国微电网概念提出主要是为了解决供电可靠性问题。上世纪八九十年代发生的几次大停电事故,引起美国对电力系统可靠性的高度关注。鉴于建设输电网受到投资、征地、环保等诸多因素的制约,美国电力可靠性解决方案协会(CERTS)1999年提出了 “微电网”概念。美国微电网定位于以合理的成本提高供电可靠性。
能源安全微电网方案设计:
由美国能源部和国防部共同资助,圣地亚国家实验室与美国军事基地联合开展
旨在通过重点研究微电网建设方案,提高军事基地能源供给可靠性
可再生能源和分布式系统集成:
在智能电网资助框架下,由美国能源部资助,包含多个微电网项目或相关技术研究
项目的主要目标是通过分布式电源降低配电网馈线或变电站至少15%的峰值负荷
7、我国微电网研究与实践
我国微电网技术的研究起步相对较晚,已经初步建立了关键技术研究体系,也有一些示范工程,但在研究力量和研究成果上仍与国外存在较大差距。
多个高校和研究机构在国家973、863计划等的支持下开展了相关研究工作。
2009年以来,国网公司、南网公司等企业和清华大学、天津大学、华北电力大学、东南大学、华中科技大学等高校广泛合作,开展多项专题研究和试点示范。
国家已启动微电网相关研究,但尚未形成成熟的商业模式和市场机制,微电网规划、投资、建设、运营、监管的管理机制和并网、运行的技术标准体系也有待健全完善。
2015年7月,国家能源局发布《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》,鼓励新能源微电网建设,推动形成分布式能源系统创新管理模式和先进技术体系。
2017年5月,《关于新能源微电网示范项目名单的通知》发布,首批28个项目获批。
2017年7月,《推进并网型微电网建设试行办法》正式发布,促进并规范微电网健康发展。
目前我国微电网研究侧重于微电网的控制和优化技术,探索可行的商业运营模式。
8、我国微电网发展存在的问题
(1)经济性仍是制约微电网发展的主要因素
分布式电源和配套设备成本较高仍是制约其发展的主要因素。如过去五年分布式光伏发电成本降幅超过70%,但成本仍是常规能源发电成本的两倍左右,对政策补贴依赖度高。天然气分布式能源的燃气轮机或者内燃机主要依靠进口,成本相对较高,后期的维护成本也比较高,所以在我国发展微电网的初投资成本和后期的运维成本都比较高。
此外,缺少专门针对微电网设计的补贴机制,储能、监控保护和能量管理系统的成本难以覆盖。缺乏有效反映微电网供电可靠性、运行灵活性价值的市场体系,这些都成为制约微电网商业化、规模化发展的重要因素。
(2)与微电网相适应的管理体系有待完善
现有的分布式电源备案、补贴等管理与分布式电源类型有关,不同分布式电源在备案流程、补贴标准等方面存在较大差异,给微电网项目的统筹建设和建设运营带来困难。例如光伏方面,国家补贴为4毛2,浙江省补贴的是1毛,各地市县等也有相应的补贴,但是天然气分布式能源的补贴不一样,目前来说,像北京、上海、青岛、长沙、天津等有相应的补贴,天津补贴2000元/kw,上海补贴3500元/kw。
此外,一些分布式电源涉及国土、农业、林业等多个行业部门,政府尚未建立与微电网分布式电源相适应的项目管理和补贴发放机制,无法充分发挥微电网的优势,影响了微电网项目开发的积极性。
微电网的发展前景与趋势
1、全球发展前景与趋势
2030年前,分布式能源发展将呈现分布式新能源发电和天然气分布式能源并举的趋势,燃料电池和分布式储能快速起步。目前,分布式光伏仍占主导地位,在中东部的广大地区前景广阔。以燃气轮机、内燃机和燃料电池等动力技术为核心的天然气分布式能源,将首先在发达的东部沿海、中部地区的大中城市、大企业中推广应用。
根据Navigant Research的研究,全球分布式电源容量2023年将达到16550万千瓦。其中,北美、西欧和亚太地区将是领头军,尤其是亚太地区,占比达到32%(5230万千瓦)。
未来微电网将向综合能源网发展,将电力、燃气、水务、热力、储能等资源捆绑为整体资源,实现电网络、热网络与冷网络三个彼此耦合,统一解决有关能源的有效利用和调峰问题。相较热网络和冷网络,电网络具有易互联、损耗小、传输快等特点,将成为来综合能源网的核心,也给电网发展带来机遇。
目前的微电网系统由分布式发电、冷热电三联供、储能、多能互补等技术组成,后续将向由互联网、大数据、云储能、物联网和储热技术组成的微能网方向发展。
2、我国发展前景与趋势
我国分布式能源发展不断提速,已从启动阶段转入快速发展阶段;发展模式也从单一模式向综合模式过渡,试点示范也更突出多能互补、多元融合和供需互动;随着能源行业市场化改革深入,分布式能源有望获更充分市场化地位。
我国智能电网技术具备国际先进水平,多种技术的利用将使分布式能源开发利用更加智能化。
通过高比例可再生能源的就地消纳,可实现可再生能源消纳比例的提升
实现能源利用效率的提升,包括能源传输效率的提升以及用户终端能源综合利用效率的提升
实现能源系统与互联网概念的深度融合,并基于此推动还原能源商品属性
典型案例分析
1、鹿西岛项目
方案介绍:
鹿西岛并网型微网示范工程位于洞头县鹿西岛,通过接入35千伏鹿西变10千伏母线实现与大电网的相连,是一个可实现并网与离网运行模式灵活切换的兆瓦级微网示范工程。工程占地面积约16亩,工程在岛上主要建设:
风力发电系统:包括2台780千瓦异步风力发电机组;
光伏发电系统:300千瓦多晶硅;
储能系统:包括4套500千瓦*2小时铅酸电池组和1套500千瓦*15秒超级电容;
单户模式微网系统:20套,包括10套户用光伏系统(10*2kW)、5套户用小风机(每套2*1kW)、5套分布式供能系统(每套1*1kW风机+2kW光伏+19.2kWh铅碳电池;
监控及能量管理系统:提供数据分析、能量预测、负荷管理、优化运行和经济调度等功能的微网能量管理系统。
该工程的投运充分开发和利用了岛上丰富的风、光能等绿色资源,可靠的微型智能供电网络,有效解决海岛电力供应问题;也是对分布式电源、储能和负荷构成的新型电网运营模式的有益探索,对推动新技术在海岛电网应用具有积极意义,为浙江乃至全国海岛供电提供了范本。
运行存在的问题:
一是本工程缺少备用电源,如适当容量的柴油发电机组。考虑到海岛地域的特殊性,受风、光能源间歇性特点的影响,可再生能源有可能不足甚至为零,而鹿西微网储能配置不足,2MW*2h,孤网运行模式下的供电时效仅3-4小时。
二是本工程设计于2013年9月。由于规划设计时间较早,且采用了当时较为先进的智能微网设计,微网相关各种装备还不成熟,即使对一般的分布式电源,也存在控制装置规格杂乱、标准欠缺等问题。个别装置由于接口上的不统一,还需要进行规约转换等处理。
总投资分析:
除风力发电系统和光伏系统外,本工程初期投资建设成本动态投资金额总计4631万元。
风力发电系统由华仪公司投资,约1248万元;光伏发电系统由正泰公司投资,约300万元。因此,鹿西微网初期建设总体投资金额6179万元。
经济效益分析:
不考虑资金时间成本和负荷增量等因素,考虑静态模型,以2016年统计数据估算:
由上表可知,鹿西微网年分摊成本653.06万元,年上网电量740.463万千瓦时,年收益为670.51万元。
2、南麂岛微网示范工程
方案介绍:
南麂微网示范工程建设规模为风力发电11×100千瓦、光伏发电500千瓦、海洋能发电30千瓦、柴油机发电1100千瓦,储能系统与电动汽车充换电站配合,采用电动汽车标准电池,储能电池可以利用存储的电能向电网供电,减少柴油发电机运行时间,也可以作为电动汽车的动力电池,使多余可再生能源得到充分利用。
该工程项目总投资1.5亿元,属于新型的离网分布式电源,具有多样化、可靠性要求高、系统复杂的特征。
3、高邮市项目
方案介绍:
工程建设规模及技术方案:
分布式能源站工程:建设规模为40MW级“2+2+1”型燃气-蒸汽联合循环供热机组,对外供应电力、工业蒸汽、空调冷水和生活热水,全厂平均热效率90.33%。
农业惠民地面光伏发电工程:建设容量为50MWp地面光伏电站和7MWh铅酸蓄电池储能,光伏电站采用多晶硅组件,组件支架采用固定倾角方式。
屋顶分布式光伏发电工程:建设容量为10MWp的屋顶光伏,采用多晶硅组件,组件支架采用固定倾角方式。
光储一体化公交车充电站工程:建设22台120kW的快速充电桩和3000kWh铅酸蓄电池储能,公交车雨棚规划容量为100kWp的光伏发电。
智慧绿色照明工程:将8条街道共843盏250W钠灯更换为120W的LED光源灯具,同时配置供电光伏板及附加多功能应用。
楼宇智能负荷终端工程:建设楼宇能效管理系统。
城南新区能源运行监测中心工程:对整个新区中各分布式电源、负荷、电力电子装置等系统运行状态进行监测。
本项目采用一体化能量管理技术,实现了能源生产、流通网络、用户服务三类技术的模块化,在具体的区域多能互补工程中,完全可根据区域能源的需求、供给,选择具体的模块,通过一体化能量管理实现多种能源的协同优化管控。
系统功能关系图:
上图是高邮市项目的系统功能关系图。能源的外部输入是天然气,主要是提供热能蒸汽和电能;通过分布式光伏主要为园区提供了电能,储能是分布式能源的配套设备。
能量管理系统结构图:
上图是能源管理的系统结构图,系统将电动汽车充电站、楼宇能源综合管控、燃气轮机组、分布式光伏发电、用电量采集等数据上传到高邮新区的能源管理中心,然后通过能量管理中心和主电网进行协调控制。
总投资分析:
本工程规划投资10.98亿元,其中全部工程设备及安装费约8.24亿元,建筑费约1.43亿元,其他费约0.77亿元,预备费约0.55亿元。
分布式能源站工程:3.03亿元
农业惠民地面光伏发电工程:6.16亿元
屋顶分布式光伏发电工程:0.95亿元
线路工程:0.19亿元
光储一体化公交车充电站工程:0.2253亿元
智慧绿色照明工程:0.056亿元
楼宇智能负荷终端工程0.0275亿元
能源运行监测中心工程0.39亿元。
经济效益分析:
本工程项目投资税后,项目资本金内部收益率为6.75%(税后),投资回收期为12.64年(税后)。
4、南宁高新区项目
方案介绍:
总装机容量为126.4MW
建设总容量120MW燃气-蒸汽联合循环分布式能源机组
分布式光伏发电容量5.8MW
蓄电池600kWh,同时配备直流充电桩50台
地源热泵系统一套
综合能源管理系统一套
运行方式:
本项目一体化集成供能系统共4种运行工况,能源利用效率设计最高值超过90%、节能率达到25%。系统设计4种不同的运行方式,可以随时根据用能负荷灵活调节能源供能方式。
总投资分析:
总建筑工程费用为14954万元,设备及材料费用为 55191万元,安装工程费用为9979万元,其他费用为10783万元,基本预备费为3542万元,总概算为94449万元。
经济效益分析:
本项目投产后,光伏发电系统20年年平均发电量为568.2万kWh,燃气分布式能源站年平均发电量为57600万kWh。系统总全年发电量为58168.2万kWh。
光伏系统以全额上网的模式运行,综合含税电价为0.98元/kWh;天然气分布式能源系统综合含税电价为0.7元/kWh。本系统年平均电费收入为40151.08万元。
全年供热总量为113.2万 GJ,供热价格为 88元 /GJ,全年供热收入9961.6万元 。本系统全年总收入为50112.68万元。
项目投资回收期(税后)为11.01年,本项目的资本金净利润率为10.68%。
5、江西新干项目
江西新干盐化工业城是江西盐化工产业基地,该项目预计打造清洁能源动力互联互通的模式。
热电厂:4x130t/h超高温超高CFB+3x18MW背压机
依托热电厂锅炉:处理污泥(含水率55% )600吨/天
依托热电厂建设水厂:从赣江取水
空压站:依托热电厂提供0.8MPa压缩空气
处理污水厂:45000吨/天
固废处理中心:规划中
电动汽车充电站:规划中
能源管理中心:结合各种类型园区的产业特点、能源资源情况、用能需求及园区能源运营方案,综合利用多种类型能源(电、蒸汽、水、空气)系统等,利用智能微网技术,打造园区型能源互联网。
6、投资估算
针对以上各案例,个人总结了一个微电网项目的投资估算标准,仅供参考。
 

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