基于微电网的小水电改造设计

陈卫鹏 曹龙 朱宜飞 张鹏

摘 要：针对国内小水电站效益低，设备闲置率高的现状，提出基于微电网平台，进行小水电改造提高效益的设想。分析了小水电站改造的意义，采用交流、直流和交直流混和3种架构的利弊，并针对湖北地区对可再生能源如光伏、风能作为分布式电源的技术可行性与特点，重点介绍适应小水电改造的微电网架构和分布式能源，并提供了一个改造的典型范例。

关键词：微电网 小水电 分布式发电 水面漂浮式光伏电站

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（c）-0030-02

湖北素称“千湖之省”，水力资源丰富。全省共有水电站1839座，总装机容量3690.63万kW，其中小型水电站（含规模以下）1811座，总装机容量340.13万kW。

湖北省兴建小水电始于20世纪50年代，发展历时长，技术水平差异大。经对10余座小水电站的现场调研，有相当部分的电站在不同程度上存在以下问题。

（1）设备老旧，自动化水平低。

（2）电站受季節、气候影响很大，年度调节性能差，峰枯矛盾突出。

（3）上网电价低，人员冗余，盈利能力薄弱。

这些问题在以灌溉为首要目的小2型和规模以下电站中尤为突出，近几年受降雨和上游来水影响，很多电站年利用小时不足1500h，设备和送出通道大量闲置。一些电站虽然经过了增效扩容的现代化改造，但无法从根本上解决“看天吃饭，效益低下”的问题。

因此，单纯依靠小水电自身的技术改造，难以从根本上解决小水电的出路问题。如何结合小水电的实际情况，合理进行资源配置，积极探索以微电网为核心，拓增新的电源点，通过实现多能互补，提高电站电量效益，不只为解决小水站生存发展、实现“精准扶贫”的有益的尝试。

1 微电网对小水电改造的意义

微电网是规模较小的分散的独立系统，它采用了大量的现代电力技术，将风电、光伏发电、燃气轮机、小水电、柴油机、储能设备直接接在用户侧。

基于微电网进行小水电改造，可以方便扩充多种类型分布式电源和用户。诸如光伏、风电等新能源具有间歇性、波动性和随机性的特点，不具备调节能力，日出力的最大变化达100%，对电网的冲击较大。水力资源年际间存在来水量上的丰枯差别，年内水量也有丰水期和枯水期的周期性变化，但日水量变化不大，尤其当水电站有一定的库容调节条件时，可根据库容的大小来进行日、月及年水量的调节。因此可以通过微电网统一调度，根据新能源电源的出力和负荷需求，调节水电出力，平衡峰谷，提高新能源发电的渗透率；新能源电源的引入，有利于水电站保持在高水头运行，提高发电收益；水电站现有的送出通道、部分配电设备、通讯设备及办公生活设施都能得到有效利用，降低建设和运行成本。

以微电网为核心的小水电改造也符合输配分开的电力改革趋势。原则上包括大电网直供区在内，可在县市一级组建多个独立的配电公司，相互竞争。在小水电改造中引入微电网概念，提前布局，一旦政策放开即可快速组建其直供区，转型为区域配电公司，提高效益。

2 微电网架构

根据母线电压的类型，微电网可分为交流、直流和交直流混和3种架构。

（1）交流微电网。光伏、风电、小水电、燃气轮机、储能装置等均通过变流器或变压器连接至交流母线。交流微电网是一种开放式的结构，可根据需求灵活地增减电源和用户，甚至做到即插即用；由于多种分布式电源通过交流母线直连，对电网稳定控制的要求较高。

（2）直流微电网。分布式电源、储能装置、负荷等均连接至直流母线，直流网络再通过电力电子逆变装置连接至外部交流电网。直流微网的电源和用户间需要经过AC/DC、DC/AC两次转换，所需电力电子器件较多，损耗较大；直流微电网的可扩充性不如交流微电网灵活，扩充容量困难。

（3）交直流混合微电网。既含有交流母线又含有直流母线，其结构相对复杂，在实际工程中运用较少，本文不再累述。

考虑到小水电具有现成的外送通道，在大多数工况下均可并网运行；而小水电本身也具备较好的调节能力，易于实现电网的稳定控制。因此，在小水电的改造中优先推荐交流母线方案。

3 电源选择

目前应用较多的分布式电源主要有光伏、小型风电和小型燃气轮机等。

3.1 光伏

湖北省全省年太阳总辐射量为3450～4800MJ/m2，全省年日照小时数1300～1420h，均具备一定的开发价值。

考虑到小水电站毗邻水库和湖泊的地理特点，可充分滩涂和水面等闲置空间，发展管桩和漂浮式光伏电站，具有得天独厚的优势。尤其是最近兴起的漂浮式光伏电站，其不受征地限制，易于扩大规模，而且因为水面的反射和降温作用，发电量高于同等条件下的地面电站，可列为小水电多能互补的首选电源。

目前漂浮式水面光伏的单位千瓦投资在7000元/kW左右，湖北省鄂东北、鄂西北、鄂北岗地、江汉平原等地的年满负荷等效利用小时均超过1000h，投资回收期在7年左右；并且具有容量配置灵活，建设周期短的特点，业主可根据自身条件合理控制初期投资规模，很适合对目前经济效益不好的小水电进行改造。

3.2 风能

湖北省风能资源丰富区主要集中在“三带一区”，即荆门-荆州、枣阳-英山、部分湖岛及沿湖地带、鄂西南和鄂东南部分高山地区。

湖北虽然风资源具备一定的开发价值，但其受微观选址因素的制约，若要成规模开发，必须针对具体工程具体分析，积累一年以上的测风数据。目前主流的1.5MW以上的大型机组，塔筒高度在70m以上，单位千瓦投资在7000元/kW左右，项目选址要求高、施工周期长、难度大，不适合作为小水电站的补充电源。容量50～300kW的小型机组，塔筒高度大多在30m以下，单位千瓦投资在8500元/kW左右，开发难度适中，可根据具体资源条件，作为水电站电源的合理补充。

4 基于微电网的水光互补型改造方案及效益分析

4.1 小水电站现状

以鄂北某小水电站为例，其兴建于20世纪80年代，电站安装了2台ZD661-LH-120型轴流定桨式水轮机，发电机型号为SF160-20/990，额定功率160kW。电站自运行起就不能满负荷发电，后逐步废弃，电站内所有设备均已损坏。2012年该电站进行了增效扩容改造，更换了两台SF200-20/1430型发电机组，额定功率200kW，采用两机一变扩大单元接线，共用1台S11-500/10.5±2×2.5%/0.4 型变压器升压至10kV后送出，导线型号为LGJ-95。改造完成后该小水电站设计年利用小时数为1224h，预计多年平均发电量48.74万kW·h，在实际运行中受近几年干旱少雨的影响，一直未达到设计指标。

4.2 基于微電网的水光互补改造方案

若采用基于微电网的多能互补改造方案，以合理控制投资，提高发电效益的为原则，拟扩建500kWp水面光伏电源，具体方案如下。

选用10kV电压等级作为微网的母线电压，水面光伏电源采用10kV并网，拆除原水电站并网点的10kV柱上开关，新建10kV箱式环网柜一套，本期新建2进1出，1PT共4个间隔，并预留2～4个间隔的空间，以供后期扩充新的分布式电源、用户负荷及PCC快速开关使用。

光伏电站设1个536kWp的光伏发电单元，采用浮筒式布置在水电站附近的水面上，占用水面约22亩。每个光伏发电单元约由1728块310Wp的光伏组件组成，分为96个串列；每个光伏串列由18块光伏电池组件串联而成，每16个光伏串列连接到一个设在水面上的一级汇流箱。共设6个一级汇流箱，汇流后接至位于岸上的升压逆变中心。升压逆变中心采用预装式结构。升压逆变中心设500kW逆变器1台，其交流侧出口电压为315V；设630kVA，10kV/315V双绕组变压器1台，升压至10kV送出，以一回10kV电缆线路接入10kV环网柜。

光伏电源的全部一次设备均采用预装式结构，可在现场直接安装，占地面积小，施工周期短，无需改变现有建筑；送出通道，厂用电源和调度通讯均可利用水电站原有设施，仅需在电子设备间和中控室新增光伏电源部分的计量、保护和控制设备；改造在总体规划中引入微电网的概念，预留扩展空间，未来可依据国家政策和当地经济发展的状况，扩充配网部分和冷热电三联供等新的电源，构建直供电区。

4.3 增容技术改造与基于微电网的综合改造经济性分析

根据该电站增容改造方案，改造后增加装机容量40kW，年增加发电量6.54万kW·h，新增总投资为145.3万元。按照当地小水电上网电价0.34元/kWh进行测算，新增规模部分的收益率为-9.78%。单从投资经济性评估结果来看，该小水电站的增容改造效益是难以达到行业平均收益水平的。

如采用水面光伏电站与水电站形成水光互补改造方案，水电站原有设施基本保持不变，充分利用水电站已有设施和输电线路，增加的水面光伏电站装机容量为500kWp，年增发电量55.45万kW·h，新增投资310.94万元。按照湖北省光伏标杆上网电价0.98元/kW·h以及湖北省“十三五”期间建成的光伏电站并网运行前5年有0.1

元/kW·h的电价补贴进行测算，项目资本金财务内部收益率为31.63%，项目具有很好的盈利能力。

此外，如水电站和光伏电站分别独立运行，在有太阳的时候可充分利用光伏发电，节约水量，以增加水电站单独运行时的水头，提高水电站的发电量。而水光互补后，光伏电站、水电站可有机结合成一个整体，通过优化调度使得电站出力平稳，提高发电量和电能质量。

5 结语

传统的增效扩容难以从根本上解决部分小水电效益低下的问题。通过引入微电网的概念，将小水电作为一个分布式电源，纳入到微电网平台上统筹考虑，可方便接入漂浮式水面光伏、小型燃气机组等多种新型分布式能源，实现联合调度、多能互补。并且可借微电网平台，实现提前布局，待到输配分开的电力改革方案出台后，可快速转型成为地方配电公司，为小水电的可持续发展提供了新的思路。

参考文献

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[2] 国际小水电中心.坚持绿色发展理念推进可持续小水电建设[J].中国水能及电气化，2016（7）：4-5.

[3] 金亚勤.农村水电踏上转型之路[N].中国能源报，2016-08-08.