基于微電網的小水電改造設計

陳衛鵬 曹龍 朱宜飛 張鵬

摘 要：針對國內小水電站效益低，設備閑置率高的現狀，提出基于微電網平臺，進行小水電改造提高效益的設想。分析了小水電站改造的意義，采用交流、直流和交直流混和3種架構的利弊，并針對湖北地區對可再生能源如光伏、風能作為分布式電源的技術可行性與特點，重點介紹適應小水電改造的微電網架構和分布式能源，并提供了一個改造的典型范例。

關鍵詞：微電網 小水電 分布式發電 水面漂浮式光伏電站

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0030-02

湖北素稱“千湖之省”，水力資源豐富。全省共有水電站1839座，總裝機容量3690.63萬kW，其中小型水電站（含規模以下）1811座，總裝機容量340.13萬kW。

湖北省興建小水電始于20世紀50年代，發展歷時長，技術水平差異大。經對10余座小水電站的現場調研，有相當部分的電站在不同程度上存在以下問題。

（1）設備老舊，自動化水平低。

（2）電站受季節、氣候影響很大，年度調節性能差，峰枯矛盾突出。

（3）上網電價低，人員冗余，盈利能力薄弱。

這些問題在以灌溉為首要目的小2型和規模以下電站中尤為突出，近幾年受降雨和上游來水影響，很多電站年利用小時不足1500h，設備和送出通道大量閑置。一些電站雖然經過了增效擴容的現代化改造，但無法從根本上解決“看天吃飯，效益低下”的問題。

因此，單純依靠小水電自身的技術改造，難以從根本上解決小水電的出路問題。如何結合小水電的實際情況，合理進行資源配置，積極探索以微電網為核心，拓增新的電源點，通過實現多能互補，提高電站電量效益，不只為解決小水站生存發展、實現“精準扶貧”的有益的嘗試。

1 微電網對小水電改造的意義

微電網是規模較小的分散的獨立系統，它采用了大量的現代電力技術，將風電、光伏發電、燃氣輪機、小水電、柴油機、儲能設備直接接在用戶側。

基于微電網進行小水電改造，可以方便擴充多種類型分布式電源和用戶。諸如光伏、風電等新能源具有間歇性、波動性和隨機性的特點，不具備調節能力，日出力的最大變化達100%，對電網的沖擊較大。水力資源年際間存在來水量上的豐枯差別，年內水量也有豐水期和枯水期的周期性變化，但日水量變化不大，尤其當水電站有一定的庫容調節條件時，可根據庫容的大小來進行日、月及年水量的調節。因此可以通過微電網統一調度，根據新能源電源的出力和負荷需求，調節水電出力，平衡峰谷，提高新能源發電的滲透率；新能源電源的引入，有利于水電站保持在高水頭運行，提高發電收益；水電站現有的送出通道、部分配電設備、通訊設備及辦公生活設施都能得到有效利用，降低建設和運行成本。

以微電網為核心的小水電改造也符合輸配分開的電力改革趨勢。原則上包括大電網直供區在內，可在縣市一級組建多個獨立的配電公司，相互競爭。在小水電改造中引入微電網概念，提前布局，一旦政策放開即可快速組建其直供區，轉型為區域配電公司，提高效益。

2 微電網架構

根據母線電壓的類型，微電網可分為交流、直流和交直流混和3種架構。

（1）交流微電網。光伏、風電、小水電、燃氣輪機、儲能裝置等均通過變流器或變壓器連接至交流母線。交流微電網是一種開放式的結構，可根據需求靈活地增減電源和用戶，甚至做到即插即用；由于多種分布式電源通過交流母線直連，對電網穩定控制的要求較高。

（2）直流微電網。分布式電源、儲能裝置、負荷等均連接至直流母線，直流網絡再通過電力電子逆變裝置連接至外部交流電網。直流微網的電源和用戶間需要經過AC/DC、DC/AC兩次轉換，所需電力電子器件較多，損耗較大；直流微電網的可擴充性不如交流微電網靈活，擴充容量困難。

（3）交直流混合微電網。既含有交流母線又含有直流母線，其結構相對復雜，在實際工程中運用較少，本文不再累述。

考慮到小水電具有現成的外送通道，在大多數工況下均可并網運行；而小水電本身也具備較好的調節能力，易于實現電網的穩定控制。因此，在小水電的改造中優先推薦交流母線方案。

3 電源選擇

目前應用較多的分布式電源主要有光伏、小型風電和小型燃氣輪機等。

3.1 光伏

湖北省全省年太陽總輻射量為3450～4800MJ/m2，全省年日照小時數1300～1420h，均具備一定的開發價值。

考慮到小水電站毗鄰水庫和湖泊的地理特點，可充分灘涂和水面等閑置空間，發展管樁和漂浮式光伏電站，具有得天獨厚的優勢。尤其是最近興起的漂浮式光伏電站，其不受征地限制，易于擴大規模，而且因為水面的反射和降溫作用，發電量高于同等條件下的地面電站，可列為小水電多能互補的首選電源。

目前漂浮式水面光伏的單位千瓦投資在7000元/kW左右，湖北省鄂東北、鄂西北、鄂北崗地、江漢平原等地的年滿負荷等效利用小時均超過1000h，投資回收期在7年左右；并且具有容量配置靈活，建設周期短的特點，業主可根據自身條件合理控制初期投資規模，很適合對目前經濟效益不好的小水電進行改造。

3.2 風能

湖北省風能資源豐富區主要集中在“三帶一區”，即荊門-荊州、棗陽-英山、部分湖島及沿湖地帶、鄂西南和鄂東南部分高山地區。

湖北雖然風資源具備一定的開發價值，但其受微觀選址因素的制約，若要成規模開發，必須針對具體工程具體分析，積累一年以上的測風數據。目前主流的1.5MW以上的大型機組，塔筒高度在70m以上，單位千瓦投資在7000元/kW左右，項目選址要求高、施工周期長、難度大，不適合作為小水電站的補充電源。容量50～300kW的小型機組，塔筒高度大多在30m以下，單位千瓦投資在8500元/kW左右，開發難度適中，可根據具體資源條件，作為水電站電源的合理補充。

4 基于微電網的水光互補型改造方案及效益分析

4.1 小水電站現狀

以鄂北某小水電站為例，其興建于20世紀80年代，電站安裝了2臺ZD661-LH-120型軸流定槳式水輪機，發電機型號為SF160-20/990，額定功率160kW。電站自運行起就不能滿負荷發電，后逐步廢棄，電站內所有設備均已損壞。2012年該電站進行了增效擴容改造，更換了兩臺SF200-20/1430型發電機組，額定功率200kW，采用兩機一變擴大單元接線，共用1臺S11-500/10.5±2×2.5%/0.4 型變壓器升壓至10kV后送出，導線型號為LGJ-95。改造完成后該小水電站設計年利用小時數為1224h，預計多年平均發電量48.74萬kW·h，在實際運行中受近幾年干旱少雨的影響，一直未達到設計指標。

4.2 基于微電網的水光互補改造方案

若采用基于微電網的多能互補改造方案，以合理控制投資，提高發電效益的為原則，擬擴建500kWp水面光伏電源，具體方案如下。

選用10kV電壓等級作為微網的母線電壓，水面光伏電源采用10kV并網，拆除原水電站并網點的10kV柱上開關，新建10kV箱式環網柜一套，本期新建2進1出，1PT共4個間隔，并預留2～4個間隔的空間，以供后期擴充新的分布式電源、用戶負荷及PCC快速開關使用。

光伏電站設1個536kWp的光伏發電單元，采用浮筒式布置在水電站附近的水面上，占用水面約22畝。每個光伏發電單元約由1728塊310Wp的光伏組件組成，分為96個串列；每個光伏串列由18塊光伏電池組件串聯而成，每16個光伏串列連接到一個設在水面上的一級匯流箱。共設6個一級匯流箱，匯流后接至位于岸上的升壓逆變中心。升壓逆變中心采用預裝式結構。升壓逆變中心設500kW逆變器1臺，其交流側出口電壓為315V；設630kVA，10kV/315V雙繞組變壓器1臺，升壓至10kV送出，以一回10kV電纜線路接入10kV環網柜。

光伏電源的全部一次設備均采用預裝式結構，可在現場直接安裝，占地面積小，施工周期短，無需改變現有建筑；送出通道，廠用電源和調度通訊均可利用水電站原有設施，僅需在電子設備間和中控室新增光伏電源部分的計量、保護和控制設備；改造在總體規劃中引入微電網的概念，預留擴展空間，未來可依據國家政策和當地經濟發展的狀況，擴充配網部分和冷熱電三聯供等新的電源，構建直供電區。

4.3 增容技術改造與基于微電網的綜合改造經濟性分析

根據該電站增容改造方案，改造后增加裝機容量40kW，年增加發電量6.54萬kW·h，新增總投資為145.3萬元。按照當地小水電上網電價0.34元/kWh進行測算，新增規模部分的收益率為-9.78%。單從投資經濟性評估結果來看，該小水電站的增容改造效益是難以達到行業平均收益水平的。

如采用水面光伏電站與水電站形成水光互補改造方案，水電站原有設施基本保持不變，充分利用水電站已有設施和輸電線路，增加的水面光伏電站裝機容量為500kWp，年增發電量55.45萬kW·h，新增投資310.94萬元。按照湖北省光伏標桿上網電價0.98元/kW·h以及湖北省“十三五”期間建成的光伏電站并網運行前5年有0.1

元/kW·h的電價補貼進行測算，項目資本金財務內部收益率為31.63%，項目具有很好的盈利能力。

此外，如水電站和光伏電站分別獨立運行，在有太陽的時候可充分利用光伏發電，節約水量，以增加水電站單獨運行時的水頭，提高水電站的發電量。而水光互補后，光伏電站、水電站可有機結合成一個整體，通過優化調度使得電站出力平穩，提高發電量和電能質量。

5 結語

傳統的增效擴容難以從根本上解決部分小水電效益低下的問題。通過引入微電網的概念，將小水電作為一個分布式電源，納入到微電網平臺上統籌考慮，可方便接入漂浮式水面光伏、小型燃氣機組等多種新型分布式能源，實現聯合調度、多能互補。并且可借微電網平臺，實現提前布局，待到輸配分開的電力改革方案出臺后，可快速轉型成為地方配電公司，為小水電的可持續發展提供了新的思路。

參考文獻

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