微電網技術在大型火力發電廠廠用電系統的研究與應用

張浙波，彭 昕

(1.浙江浙能嘉華發電有限公司，浙江 平湖 314201；2．國網上海嘉定供電公司，上海 201800)

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微電網技術在大型火力發電廠廠用電系統的研究與應用

張浙波1，彭 昕2

(1.浙江浙能嘉華發電有限公司，浙江 平湖 314201；2．國網上海嘉定供電公司，上海 201800)

在原有廠用電系統結構基礎上研究并設計了一種微網結構，通過對系統運行方式的解剖和分析，提出了一種適用于此系統的控制策略，并用仿真驗證了其有效性和可靠性。通過實際數據計算結果，證明微電網在廠用電廠的應用不僅降低了廠用電率，提升了機組經濟性，而且降低了燃煤電廠的污染物排放量。

微電網；廠用電率；節能減排；控制策略

“十三五”初期，隨著社會經濟發展速度放緩和“新電改”方案的實施，發電企業面臨著發電小時數減少、上網電價下調、環保要求提高等諸多挑戰，發電企業利潤空間不斷被壓縮，以往的經營模式已不再適用于未來的電力發展，只有不斷創新，充分發掘新技術在發電經營中的潛力，努力探索新的利潤增長點，才能提高企業效益，實現綠色清潔發電目標。

由新型能源發電組成的微電網，可有效接入分布式電源(Distributed Generation, 簡稱DG)，能夠提高供電可靠性與電能質量、輔助電網安全運行，有十分廣泛的應用前景。大型火力發電廠一般都處于海邊、郊區等擁有較大儲量的風能和光能的地方，可以充分利用機組屋頂、卸煤碼頭、煤場、冷卻塔等空閑場地資源來安裝分布式電源，可以與柴油發電機、儲能裝置等互聯形成一定規模的微電網系統來輔助廠用電系統的運行。目前，大型燃煤機組的廠用電率通常在4%～5%之間，微網系統的接入能夠有效降低廠用電率，對發電企業增加經濟效益、節能減排等都有著重要的意義。本文將微電網系統應用于廠用電系統，提出了一種微網結構和控制策略，采用建模仿真的方式驗證了其有效性。

微電網是一種將分布式電源、負荷、儲能裝置、變流器以及監控保護裝置有機整合在一起的小型發配電系統，能夠提高供電可靠性與電能質量、輔助電網安全運行，有十分廣泛的應用前景。

1 采用微電網后的廠用電電網結構

以某大型燃煤機組的廠用電系統結構(如圖1所示)來進行研究分析，圖1中主要由2段6 kV母線，2段400 V保安段，柴油發電機以及若干各電壓等級的負荷組成。

在原有廠用電系統結構的基礎上，經過微電網優化改造后，新的廠用電系統結構變為如圖2所示，其中風力發電機組出口電壓為690 V經過變壓器接入6 kV母線，光伏電池和儲能裝置經過逆變接入400 V母線，柴油發電機接入形式不變，從而形成風光柴儲微網系統。本系統在保證保安段重要負荷供電穩定可靠的同時，也可向6 kV母線其它負荷提供電能，但為了保證發電機出口功率的穩定，需在高廠變和啟備變安裝逆功率監視與保護，不得向高壓側倒送電。

圖1 原廠用電網架結構

圖2 改造后的廠用電網架結構

2 采用微電網后的廠用電系統運行控制策略

孤島運行方式和并網運行方式是微網系統的兩種主要運行方式，但由于電廠廠用電系統具有更加繁雜多樣的運行工況，微網系統需要合理分析其運行模式，設計出相適應的運行控制策略，保證其能夠長期穩定運行。

2.1 運行工況分析

在燃煤機組正常運行時，微網系統采用并網運行，通過高廠變與大電網相連，盡管分布式電源容量小于廠用電負荷容量，但是為了保證發電機出口功率的穩定，需要在高廠變加裝逆功率監測與保護裝置，防止功率逆流。當高廠變故障時，微網系統切換至啟備變并網，在切換過程中，系統內的儲能裝置及柴油發電機能夠保證重要負荷的工作穩定。

在燃煤機組停運時，微網系統也采用并網運行，通過啟備變與大電網相連。由于大量機組輔助設備停運，微網系統容量能夠基本滿足廠用電需求，但同樣為了保證220 kV電網的穩定，在啟備變中也要加裝逆功率保護器，防止微網向220 kV電網倒送電。

當廠用電系統6 kV母線故障或停電檢修時，風力發電機組與6 kV母線斷開，微網系統采用孤島運行方式，保安段上重要負荷全部由微網內DG承擔，通過儲能電池與柴油發電機來穩定系統電壓和頻率，實現微網內負荷實時平衡，保證微網孤島運行的穩定。圖3顯示了微網系統的運行狀態及其轉換過程。

圖3 微網系統運行流程

2.2 微網控制系統

由圖3可知，微網控制系統不僅要控制各種工況下微網的正常運行，還要解決工況過渡時微網控制方法的平滑轉換問題，因此本文不再采用DG作為主控制器，而是以一個中心控制器來進行集中計算、全局控制，從而有效降低了各DG之間的通信聯系。

微網并網運行時，各DG都采用PQ控制，儲能電池采用并網模式，柴油機不啟動。中心控制器負責檢測并網處的有功、無功功率及電壓測量信號，一旦檢測到測點數據異常，判斷為電網故障，中心控制器將微網與電網斷開，進入孤島運行模式，但由于微網電壓和頻率必須由儲能電池和柴油發電機來穩定，因此中心控制器立刻啟動柴油發電機，并將儲能電池由并網模式轉換為孤島模式，各DQ依然為PQ控制，以中心控制器的功率指令進行功率輸出，保證功率恒定。

同樣，微網在孤島運行過程中，中心控制器也實時檢測并網處的頻率和電壓，當檢測到電網恢復正常后，接收到后臺的并網指令，判斷合適的并網時刻，中心控制器使儲能電池切換為并網模式，閉合并網開關，停運柴油發電機，微網進入并網運行。圖4為廠用電系統中的微網控制系統圖。

圖4 微電網控制系統

2.3 控制策略

從3.2分析中可以看出(由圖4可以看出)，微電網系統在孤島運行和并網運行時的能量控制大致相同，都是對各DG的輸出功率采用PQ控制，即跟隨負荷的變化而變化，只是在考慮并網處交換功率必須大于0的限制后需要優化各DG的出力限制。因此，采用控制目標與約束條件公式，對分布式電源的輸出功率、儲能電池充電功率和負荷需求功率的能量控制算法進行了必要的討論和研究。

(1)控制目標

(1)

PPCC≥0

(2)

式(1)、(2)中， LoadIm為重要負荷集合， LoadSe為次要負荷集合；Pi為重要負荷所吸收的功率；yi為重要負荷連接線路開閉合判斷。PPcc為并網處交換功率，由于微網不能向電網倒送電，因此其值不能為負，當微網孤島運行時，PPcc=0。

(2)功率平衡約束條件

PPCC+PWTGω+PPV+PBESSb+PDid

(3)

式中PWTG，PPV，PBESS，PDi——風力發電機組、光伏電池、儲能電池和柴油發電機的輸出功率大小；w，p，b，d——相應的DG供電線路開閉合判斷；Ps——次要負荷吸收功率大小；ys——次要負荷連接線路開閉合判斷。

(3)并網運行約束條件

(4)

PDi=0

(5)

由式(4)、式(5)可知，在并網運行時，儲能電池需要吸收系統功率來進行充電，當充滿電后，其保持恒定功率，利用儲能電池的快速響應特性能夠維持微電網的電能質量穩定，柴油機盡管也作為儲能的一種方式，但其在微網并網運行時不啟動，在孤島運行時才啟動以輸出功率來穩定微網系統的功率平衡。

3 仿真分析

針對本文所設計的廠用電微網系統結構進行建模，采用2.3所述微網的能量控制算法，分別對其并網運行和孤島運行方式時突降負荷過程進行仿真分析。

(1)微網系統并網運行負荷下降

圖5為并網運行降負荷仿真結果。

圖5 并網運行降負荷仿真結果

由圖5可知，初始為并網運行方式，系統頻率為50 Hz，母線電壓為690 V，當負荷減少后，微網系統的頻率和電壓均出現了短暫的波動，但在經過0.1 s后，均恢復到了初始狀態，因此在并網狀態下，該控制系統能夠能夠很好地控制微網系統來應對負荷擾動。

(2) 微網系統孤島運行負荷下降

圖6為孤島運行降負荷仿真結果。

圖6 孤島運行降負荷仿真結果

由圖6可知，仿真初始狀態為孤島運行狀態，頻率為49.926 Hz，母線電壓為399.6 V，當出現負荷下降后，微網系統頻率和電壓也出現了短時波動，經過0.2 s后系統趨于穩定，最后頻率為49.921 Hz，最大波動偏差0.018 Hz，電壓穩定在399.6 V，最大波動偏差率為0.5%。由此可見，微電網頻率和電壓波動均在可接受范圍內，因此本文的控制策略是可行的。

4 效益分析

微網系統在接入廠用電系統后，不但能夠提高廠用電系統的穩定性和可靠性，其還能給電廠和社會帶來巨大的經濟效益和社會效益。

4.1 經濟效益

(6)

式中Vtotal——微電網創造的效益總和；Pi——開機期間每天的微電網發電量；Pj——停機期間每天的微電網發電量；Ptotal——微電網一年內的總發電量；t——每度電耗煤量；a——電煤單價；d——上網電價；b——新能源補貼單價。

式(6)中微電網每年創造的效益主要由運行期間節約電煤成本、停機期間節約用電成本和新能源國家補貼組成，其控制目標是效益最大化。

minBPtotal=PPV+PWTG+PBESS+Pelse

(7)

式中BPtotal——微電網改造建設費用；

PPV為光伏電池建設費用；PWTG——風電機組建設費用；

PBESS——蓄能電池建設費用；Pelse——包括人工費、維護費、施工費等各項閑雜費用，本式控制目標是要求微電網建設費用最小化。

本文所建微電網系統以主要滿足重要負荷能量需求為主要考慮目標，因此根據某機組實際的年運行情況，其重要負荷容量約為4 MW，原有柴油發電機組額定容量為2 MW，因此規劃建設微電網系統容量在5 MW，其中4臺1 MW風力發電機組，1 MW光伏電池，儲能系統容量為500 kW·h，再加上其它費用合計總造價約為2 950萬元。

該機組日發電量約為0.17億度，廠用電率約為4.5%，日耗煤6 000 t，每年開機時間為324天，停機時間為41天，機組運行期間微網系統平均每日發電8萬度，停機期間平均每天發電1.8萬度，上網電價為0.4453元/kWh，每度電耗煤量為355 g，5500大卡動力煤單價370元/噸，暫不考慮新能源發電國家補貼，計算得每年微電網創造效益為373.32萬元，同時廠用電率降為3.9%。按照以上計算結果，基本上8年就可以收回成本，同時有效降低了廠用電率，節約了發電企業的發電成本，有效提升了機組的經濟性。若再計算新能源發電所獲得的國家補貼金，本微網系統的成本回收期還將會大大縮短。

4.2 社會效益

在國家“十三五”規劃中，生態文明建設和可持續發展是今后的重要目標之一，綠色經濟將成為今后國家經濟發展的主旋律，在電力生產中，綠色電力也將越來越多的受到國家的關注，本文提出的微網系統接入燃煤機組廠用電系統，能夠通過可再生能源發電來代替廠用電消耗，能夠有效節約電煤，同時也大大減少了污染物的排放。

從4.1的計算中可以看出，在機組運行期間，微電網生產清潔電能8萬度，按照每度電耗煤355 g計算，每天節約煤28.4 t，以標準動力煤為例，其含碳約為70%，含硫約為1.5%，經計算，每天減少CO2排放72.89 t，減少SO2排放0.85 t，減少各類粉塵排放18.8 t，若將此技術推廣使用，每天所減少的排放量是十分驚人的，因此本技術對于生態文明建設和可持續發展有著非常重要的現實意義。

5 結語

本文利用大型火電廠的空閑場地資源，將微電網技術應用到了大型燃煤機組廠用電系統中，分析設計了一種適用于燃煤機組的結合分布式電源的廠用電系統結構，并通過中心控制器進行主從控制的控制策略仿真驗證了本系統的實用性和可靠性，最后通過以實際機組數據的分析，明確了微電網系統與廠用電系統的結合具有十分巨大的經濟效益和社會效益。

盡管本文僅以重要負荷容量為依據來設計微網系統的容量，但是在今后的實際應用和研究中，可以嘗試以整體廠用電系統容量為基礎來進行設計，進而進一步降低廠用電率甚至降至0，更有效地提升機組經濟性，降低污染物排放量。

微電網接入燃煤機組廠用電系統開創了清潔能源與傳統化石能源聯合發電的先河，也是對綠色電力發展和智慧電廠建設的一次有益探索。

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(本文編輯：楊林青)

The Research of Microgird Power System Technology Using in the Auxiliary Power for Large Thermal Power Plants

Zhang Zhe-bo1, Peng Xin2

(1. Zhejiang Jiahua Electric Power Generation CO. Ltd, Pinghu City, Zhejiang Province 314201, China;2. State Grid Shanghai Jiading Electric Power Company, Jiading District, Shanghai 201800, China)

Power generation associating clean energy with traditional fossil energy is a very meaningful exploration. This paper has designed a microgrid structure based on the original auxiliary power system, and put forward a control strategy for this system by analysis of the system operation mode. The simulation results are used to verify the system’s validity and reliability. At the same time, according to the calculation results with the actual data, this paper proves that the microgird technology using in the auxiliary power system has the good economic and social benefits.

Microgrid, Auxiliary power rate, Energy conservation and emissions reduction, control strategy

10.11973/dlyny201605032

張浙波(1987)，男，碩士，工程師，從事配電自動化、發電技術研究。

TM727

A

2095-1256(2016)05-0664-05

2016-07-10