多能互補(bǔ)的區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

牛哲薈，龐凱歌，劉曉芳，王旭榮，李奉翠，崔秋娜，程文帥，陳燁韻

(1.河南城建學(xué)院 能源與建筑環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.河南城建學(xué)院 電氣與控制工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

提高可再生能源的利用率，減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，不僅能夠滿足擁有多種可再生能源地區(qū)的用電，還可以將清潔的可再生能源通過(guò)電網(wǎng)輸送到用電負(fù)荷較高的地區(qū)，有效降低石化能源的消耗并緩解用電負(fù)荷較高地區(qū)的負(fù)荷壓力。但風(fēng)力、光伏等可再生能源自身固有的間歇性、不穩(wěn)定性等特點(diǎn)使其很難被有效利用。儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)光發(fā)電出力大、系統(tǒng)負(fù)荷需求小的時(shí)候進(jìn)行充電，在風(fēng)光發(fā)電出力小、系統(tǒng)負(fù)荷需求大的情況下進(jìn)行放電，最終，儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平滑輸出功率，但是風(fēng)光儲(chǔ)能互補(bǔ)的系統(tǒng)有功和無(wú)功功率輸出的變化對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成了威脅，把儲(chǔ)能系統(tǒng)配置在系統(tǒng)的輸出端可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1-2]。將儲(chǔ)能系統(tǒng)加入包含風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源的區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)能夠平抑電網(wǎng)波動(dòng)，提高電能質(zhì)量，從而有效解決新能源有效利用的問(wèn)題。

1 負(fù)荷密度估算

負(fù)荷密度估算法[3]是設(shè)計(jì)區(qū)域電網(wǎng)用電負(fù)荷行之有效的方法[4]。

(1)

式中：Pc為計(jì)算負(fù)荷，kW；ρ為負(fù)荷密度，W/m2；A為建筑面積，m2。

根據(jù)某地區(qū)的負(fù)荷需求狀況，參照城市規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范和各類負(fù)荷的密度指標(biāo)要求，該地區(qū)負(fù)荷估算如表1～表3所示，該地區(qū)所需的總負(fù)荷約為49.9 MW。

表1 居民區(qū)負(fù)荷估算

表2 公共服務(wù)區(qū)負(fù)荷估算

表3 工業(yè)區(qū)負(fù)荷估算

該地區(qū)日最大負(fù)荷約為49.9 MW，負(fù)荷會(huì)有高峰時(shí)段和低峰時(shí)段，根據(jù)文獻(xiàn)[4]統(tǒng)計(jì)的日用電負(fù)荷曲線，閑時(shí)按照高峰時(shí)段的30%計(jì)算為14.97 MW，低峰時(shí)段按高峰時(shí)段的55%計(jì)算為27.4 MW。

綜上所述，設(shè)立200 MW發(fā)電機(jī)組?？捎娠L(fēng)電作為主出力源、光伏作為輔助，低峰時(shí)段及閑時(shí)風(fēng)電和光伏為儲(chǔ)能充電。故組建50 MW風(fēng)力發(fā)電，5 MW光伏發(fā)電，20 MW儲(chǔ)能。

2 風(fēng)光儲(chǔ)能互補(bǔ)的微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 區(qū)域電網(wǎng)總體設(shè)計(jì)

區(qū)域電網(wǎng)系統(tǒng)[5]中光伏電站、風(fēng)電場(chǎng)相互連接后構(gòu)成發(fā)電端之一，并接入發(fā)電機(jī)構(gòu)成發(fā)電端二。設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)對(duì)光照強(qiáng)度波動(dòng)及風(fēng)速波動(dòng)帶來(lái)的光伏發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電負(fù)荷波動(dòng)，區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)[6]

據(jù)統(tǒng)計(jì)該地區(qū)全年最低風(fēng)速6 m/s，平均風(fēng)速9 m/s，因此選用切入風(fēng)速為3 m/s，額定風(fēng)速為9 m/s，選用額定功率為1.5 MW的風(fēng)機(jī)，50 MW風(fēng)電場(chǎng)需34臺(tái)該型風(fēng)機(jī)。為維持風(fēng)電場(chǎng)的日常運(yùn)維，設(shè)計(jì)0.4 kV的場(chǎng)用電。通常多個(gè)風(fēng)力發(fā)電單元并聯(lián)構(gòu)成一組，通過(guò)匯流輸出送至風(fēng)電場(chǎng)高壓變配電室[7]。

2.3 光伏電站設(shè)計(jì)

光伏陣列設(shè)計(jì)應(yīng)確保前排陣列的影子不會(huì)遮擋后排陣列，因此選取該地的冬至日設(shè)計(jì)，公式如下[8]：

D=Lcosβ

(2)

(3)

(4)

α=arcsin(sinφsinδ+cosφcosω)

(5)

式中：D為光伏陣列前后排的最小間距；L為太陽(yáng)照射在地面上的投影長(zhǎng)；Lpv為單個(gè)光伏陣列的斜面長(zhǎng)；H為前排陣列的最高點(diǎn)與后排陣列最可能被遮擋邊的高度差；β為太陽(yáng)方位角；α為太陽(yáng)高度角；φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋臑槌嗑暯?；ω為時(shí)角；θ為方陣傾斜角。

φ取36°62′，θ取25°，太陽(yáng)赤緯角δ取-23°45′，9時(shí)的時(shí)角ω為45°。由式(5)得最小間距，考慮預(yù)留足夠的檢修通道，設(shè)計(jì)間距取1.8 m。

2.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能系統(tǒng)[9]可以平抑電網(wǎng)波動(dòng)、提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，設(shè)計(jì)20 MW儲(chǔ)能。采用模塊化的預(yù)制倉(cāng)式結(jié)構(gòu)。單體電池采用100 Ah的磷酸鐵鋰，電池模塊由48只電池單體組成，成組方式為4并12串，電池模塊額定電壓38.4 V，額定容量15.4 kWh?？紤]設(shè)計(jì)冗余，每12個(gè)電池模組組成一簇，每簇額定容量184.8 kWh，設(shè)計(jì)6簇組成一個(gè)電池預(yù)制倉(cāng)，每個(gè)電池預(yù)制倉(cāng)額定容量1.108 MW。故需配置20臺(tái)模塊化的預(yù)制倉(cāng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)。

3 風(fēng)光儲(chǔ)能互補(bǔ)的微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真

3.1 區(qū)域電網(wǎng)仿真設(shè)計(jì)

區(qū)域電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)內(nèi)包括1臺(tái)200 MW的發(fā)電機(jī)組，5 MW光伏、50 MW風(fēng)電、20 MW儲(chǔ)能以及多種類型用電負(fù)荷的區(qū)域電網(wǎng)模型，并分別經(jīng)過(guò)25 km線路匯集到230 kV母線上。

圖2 微電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型

3.2 區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行

當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)觀測(cè)母線上的電壓、頻率，結(jié)果如圖3所示。

圖3 電壓/頻率波形

3.3 負(fù)荷投入

如圖4所示，通過(guò)投切400 MW負(fù)載引起區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)頻率的波動(dòng)，然后儲(chǔ)能系統(tǒng)迅速啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行一次調(diào)頻，隨后電網(wǎng)、發(fā)電機(jī)緊接著對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行二次調(diào)頻。當(dāng)瞬間投入大負(fù)荷時(shí)會(huì)引起區(qū)域電網(wǎng)頻率波動(dòng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以迅速判斷微電網(wǎng)母線頻率波動(dòng)，維持頻率穩(wěn)定。

圖4 400 MW負(fù)荷投切引起電網(wǎng)頻率波動(dòng)及調(diào)頻過(guò)程

4 結(jié)論

(1)使用負(fù)荷估算法能夠有效設(shè)計(jì)某一區(qū)域的用電負(fù)荷，從而有效設(shè)計(jì)電網(wǎng)容量。

(2)儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效作用于高海拔地區(qū)含風(fēng)力、光伏等新能源接入?yún)^(qū)域微電網(wǎng)系統(tǒng)的一次調(diào)頻。當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)瞬間投入大負(fù)荷時(shí)會(huì)引起電網(wǎng)頻率波動(dòng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入可以迅速動(dòng)作，改善該微電網(wǎng)母線上的頻率，改善電能質(zhì)量。