基于風電-抽蓄互補系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)研究

任巖　喬若宇　趙訓新

關(guān)鍵詞：風電一抽蓄互補系統(tǒng);農(nóng)業(yè)微電網(wǎng);系統(tǒng)構(gòu)建;特性分析

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是我國國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，灌排工程作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，不僅能極大促進農(nóng)田發(fā)展，而且是保證國民經(jīng)濟和社會持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。幾千年來，我國農(nóng)耕者都是通過土渠將水從水源輸送到田間地頭進行灌溉。這樣不僅浪費了人力物力，且有大量的灌溉用水在輸送過程中被浪費。我國現(xiàn)有灌溉渠道水利用系數(shù)很低，通常為0.3～0.5，造成了水資源的極大浪費。因此，灌溉水輸送過程中的節(jié)水潛力很大。節(jié)水灌溉技術(shù)是比傳統(tǒng)灌溉技術(shù)明顯高效和節(jié)約用水的灌溉方法、措施和制度等的總稱。我國發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)的進程幾乎與我國近代灌溉歷史同步，因為只要灌溉就應(yīng)當首先考慮節(jié)水。近些年，盡管越來越多的新技術(shù)、各種各樣的灌溉設(shè)備運用在農(nóng)田灌溉中，但我國很大一部分地區(qū)仍采用漫灌的方式進行農(nóng)田灌溉，主要原因在于這些偏遠地區(qū)的農(nóng)村農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)村電氣化程度不高，仍有很大提升空間。

一、風力發(fā)電及抽水蓄能特性分析

（一）風力發(fā)電特性分析

近年來，風力發(fā)電裝機比例在全世界范圍內(nèi)正飛速地增長（見圖1）。截至2020年，全世界范圍內(nèi)的風力發(fā)電裝機量達到731.28GW，我國風力發(fā)電裝機量達到281.99GW，較2010年有數(shù)倍提升。風力發(fā)電量一直在穩(wěn)步增長，這直接將風力發(fā)電技術(shù)推向了更具競爭力的領(lǐng)域。風力發(fā)電機由承載機艙的機塔、轉(zhuǎn)子葉片和輪轂組成的轉(zhuǎn)子組成。絕大多數(shù)現(xiàn)代風力發(fā)電機具有三個轉(zhuǎn)子葉片，通常位于塔架和機艙的上風向。機艙外部通常配備風速計和風向儀，以測量風速和風向以及航空燈。機艙包含風力發(fā)電機的關(guān)鍵部件，如齒輪箱、機械制動器、發(fā)電機、控制系統(tǒng)等。風能到機械能的轉(zhuǎn)換是通過空氣動力學完成的，可用功率取決于風速，因此，在較高風速下應(yīng)控制和限制功率以避免損壞風力發(fā)電機。功率限制可以通過失速控制（葉片位置固定，但在較高風速下沿葉片出現(xiàn)風失速）或主動失速（調(diào)整葉片角度，以沿葉片產(chǎn)生失速）或俯仰控制來完成（葉片在更高的風速下轉(zhuǎn)出風）。

風力發(fā)電具有清潔、可再生等優(yōu)點，但由于風資源的隨機性、間歇性，風力發(fā)電的電能質(zhì)量會受到一定影響，因此，應(yīng)該尋求經(jīng)濟有效的方式來儲存電能，減少棄風率。

（二）抽水蓄能特性分析

由于全球變暖和溫室氣體排放過多，可再生能源發(fā)電量的增加是全球趨勢。在時間尺度上，可再生能源發(fā)電容易受到自然變化和一次性能源的季節(jié)性影響，在空間尺度上，可再生能源發(fā)電也受到極大的地域限制。例如，風能取決于風速，海洋能取決于潮位、波浪和洋流的振蕩，太陽能取決于太陽輻射，水能取決于水流的流量等。因此，可再生能源的產(chǎn)生具有隨機性，在某些情況下是間歇性的，并且時常與能源需求不同步，這可能導致電力供需不匹配。從以上分析可知，只有水力發(fā)電可以通過當前的成熟技術(shù)使用水壩和水庫大規(guī)模儲存，從而使電力供應(yīng)適應(yīng)市場需求。水力發(fā)電水庫可用于儲存其他可再生和間歇性能源產(chǎn)生的能量，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

儲能是發(fā)展新型電力系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)，而抽水蓄能是目前最成熟、效率最高的儲能技術(shù)。到2035年我國抽水蓄能裝機規(guī)模將增加到300GW，而截止2021年6月底，我國抽水蓄能電站裝機容量僅為32.14GW，這意味著未來15年我國抽水蓄能裝機將有近10倍增長空間。通過抽水將水儲存在上部水庫中，并在適當?shù)臅r間使用、產(chǎn)生能量的水力發(fā)電廠稱為抽水蓄能電站。抽水蓄能電站主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)以及廠房組成，其中可逆式水泵水輪機作為其核心部件，通過工況轉(zhuǎn)換實現(xiàn)抽水及發(fā)電功能。

電能可以轉(zhuǎn)換成多種形式的能源進行存儲，如水庫的重力勢能、壓縮空氣、電池和流動電池中的電化學能量、燃料電池中的化學能、葉輪中的動能、電感器中的磁場、電容中的電場等。比較其他儲能方式，抽水蓄能電站技術(shù)成熟，具有啟動靈活、爬坡卸荷速度快、調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相等優(yōu)點，可以很好地緩解風電等分布式能源給電力系統(tǒng)帶來的不利影響。

二、風電一抽水蓄能農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)簡介

作為一種清潔和可再生的發(fā)電方式，風力發(fā)電因其環(huán)境效益好、基建周期短、裝機規(guī)模靈活而得到迅速發(fā)展。但風力發(fā)電的波動導致電力系統(tǒng)凈負荷波動加劇，供需不平衡，缺乏靈活性。目前，穩(wěn)定波動的最有效的方法之一是在系統(tǒng)中分配儲能?？紤]到農(nóng)村地區(qū)地理環(huán)境的特殊性和水資源的豐富性，抽水蓄能是解決農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)波動問題的一種新興技術(shù)。與其他儲能技術(shù)相比，抽水蓄能裝置具有啟動快、響應(yīng)快、削峰填谷作用突出的特點，在調(diào)峰、調(diào)頻方面發(fā)揮著重要作用，能夠有效彌補風力發(fā)電難以克服的波動性、間歇性、隨機性等問題，協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)能源的時空分布。

微電網(wǎng)是由負荷和分布式能源發(fā)電組成的具有不同無功控制策略的有功配電網(wǎng)，可并網(wǎng)或單機運行。由于投資和維護成本高，無法為電網(wǎng)擴建和偏遠農(nóng)村地區(qū)供電提供足夠的支持，電力短缺給灌溉系統(tǒng)供電帶來了困難，這對我國主要的創(chuàng)收部門農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了負面影響。而農(nóng)村偏遠地區(qū)風資源豐富，應(yīng)構(gòu)建風電-抽水蓄能農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)模型來進行能源管理。

農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)可以有效地整合多樣化和分散的分布式能源資源，如風力發(fā)電機組、光伏電池和儲能系統(tǒng)，以提高能源利用效率，緩解偏遠地區(qū)的電力短缺問題。同時，在北方缺水地區(qū)，抽水蓄能電站除了調(diào)峰、調(diào)頻外，還可以承擔周邊部分地區(qū)灌溉的任務(wù)。本文提出的一種農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)，使得其中的抽水蓄能裝置、灌溉系統(tǒng)和風力發(fā)電裝置聯(lián)合運行。該微電網(wǎng)是一個連接到上游電網(wǎng)的農(nóng)業(yè)綜合體，該綜合體包含一個農(nóng)場，每天都需要用水灌溉;灌溉系統(tǒng)包含兩個存在高度差的水庫，這些水庫同時被作為抽水蓄能裝置的水庫。微電網(wǎng)包含不同的電力負荷，如灌溉系統(tǒng)、照明和其他小型負荷，并連接到上游電網(wǎng)，用來自上游電網(wǎng)和風力發(fā)電機組的電力供應(yīng)負荷。

三、風電-抽水蓄能農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)模型構(gòu)建

農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)抽水蓄能系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、電力負荷和上、下兩個水庫組成。其中，上層水庫與河流相連，而下層水庫則與灌溉系統(tǒng)相連。在用電低谷時期，從下層水庫抽水，將微電網(wǎng)內(nèi)多余的電量以勢能的形式儲存;在用電高峰時期，儲存在上層水庫的水通過水泵水輪機釋放到下層水庫中，用于發(fā)電供給負荷。農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)中，用電設(shè)備包括電力負荷、水泵水輪機（在低電價時期抽水）和灌溉系統(tǒng)。發(fā)電設(shè)備包括抽水蓄能裝置和風力發(fā)電裝置。此外，當農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)產(chǎn)生的電力不足或過剩時，它可以與上游網(wǎng)絡(luò)交換電力。這樣在保證了棄風量最小的情況下最大限度地利用了能源，一是緩解當前能源緊缺的現(xiàn)狀，在保證農(nóng)場自身灌溉、照明等用電需求的同時，為農(nóng)場帶來更大的經(jīng)濟效益;二是抽水蓄能裝置中的水泵水輪機在水泵工況下可以起到對農(nóng)場提水灌溉的作用。農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)見圖2。

（一）抽水蓄能系統(tǒng)

抽水蓄能系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)中起著至關(guān)重要的作用，接入農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)后，其主要功能是通過水輪機及水泵工況間的切換，實現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻、能量存儲及發(fā)電功能。同時，在農(nóng)場有灌溉任務(wù)時，水泵水輪機切換至水泵工況，可以充當灌溉用泵，無需另外安裝灌溉用泵。在進行抽水蓄能裝置選型時，應(yīng)綜合考慮水庫庫容、灌溉時的揚程需求以及風力發(fā)電裝機容量等，并將其接入農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)，實現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻、發(fā)電、抽水灌溉等功能。

（二）風力發(fā)電系統(tǒng)

風力發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)中是供應(yīng)電力負荷的主力軍，當風資源充足、風力發(fā)電量足夠大時，在足以滿足農(nóng)場內(nèi)所有用電負荷的情況下，利用富余的電能可以通過抽水蓄能系統(tǒng)將水抽至上庫進行儲存，實現(xiàn)風電-抽儲互補。同時，在高電價時段，微電網(wǎng)可以向市場出售剩余電力，以實現(xiàn)最小化成本運行微電網(wǎng)及實現(xiàn)電力交換。風力發(fā)電系統(tǒng)在微電網(wǎng)內(nèi)的主要功能是發(fā)電，以滿足農(nóng)場內(nèi)各種負荷需求。風力發(fā)電裝機容量的選擇，應(yīng)根據(jù)農(nóng)場內(nèi)負荷大小、當?shù)仫L資源情況等因素確定。

（三）灌溉系統(tǒng)

傳統(tǒng)的灌溉方式有地面溝灌、畦灌、自流漫灌，采取這些灌溉方式要平整土地，加大了農(nóng)田水利基本建設(shè)的工作量。而采用噴灌、滴灌等科學節(jié)水灌溉方式后，土地基本不需平整，種地實現(xiàn)了“三無”，即無渠、無溝、無埂，大大減輕了水利建設(shè)的工作量。同時，可以將灌溉系統(tǒng)和抽水蓄能系統(tǒng)相耦合，安裝灌溉用的高壓輸水管道，在有灌溉需求時作為水泵使用，進行引水灌溉。當雨水充沛甚至發(fā)生洪澇災(zāi)害、農(nóng)田內(nèi)的積水無法迅速排出時，可以利用水泵水輪機將多余積水抽出，一方面減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失，另一方面排出的水可以儲存在水庫中減少浪費，有力促進了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向機械化、產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化方向發(fā)展。

結(jié)語

通過對風力發(fā)電系統(tǒng)及抽水蓄能系統(tǒng)的特性分析，結(jié)合當前我國農(nóng)村偏遠地區(qū)現(xiàn)狀，考慮到風力發(fā)電的不確定性以及電力系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)在供應(yīng)電力負荷、用水負荷方面的耦合特性，將分布式能源進行整合，提出了一種一體化農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)調(diào)度模型，以提高能源利用率，緩解偏遠地區(qū)電力短缺問題，促進電力消費和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高農(nóng)村電氣化程度。

作者簡介：任巖（1979-），女，河南南陽人，博士，副教授，研究方向：多能互補、水力機械及系統(tǒng);喬若宇（1998-），男，河南南陽人，碩士在讀，研究方向：多能互補。

（責任編輯 曹雯梅）