基于電動車的新型小水電計劃停電功率平衡方式

李金喜，羅藝華，包文輝，張紫凡 ，王智東，郭琳，溫永森

（1. 廣東電網有限責任公司韶關翁源供電局, 韶關 512026； 2.華南理工大學廣州學院電氣工程學院，廣州 510800）

引言

隨著化石能源逐漸枯竭以及用戶對供電可靠性要求的提高，以可再生能源發電為主的分布式電源和微電網以其高效、環保、節能的特點被認為是未來一種重要電能生產方式[1,2]。隨著分布式發電集成技術的不斷完善和單位電能生產成本的不斷降低，其普及和利用率將不斷提高。我國在2030年計劃將分布式可再生能源發電達到發電裝機總量的17.3 %。

小水電作為一種方便的分布式能源，得到了廣泛應用。我國西南、東南以及華南的山區有豐富的水力資源，本著“本地取材、就近利用”的原則以及水電簡單、高效、靈活、可靠的優勢，出現了數量眾多的小水電站并入當地配電網[3,4]，這些水電站就近接入地區的10 kV及以上電網[5]。小水電的接入有諸多益處。首先，小水電作為一種可再生的清潔能源，對其充分利用可減少碳排放。其次，相對城市配電網山區配電網電力負荷較小且分散，配網線路較長、用戶遠離主電源兩個因素導致線路末端電壓常存在過低的現象[6]，小水電接入電網可改善沿線電壓分布。最后，在富含水利資源的山區及農村地區開展水電微網的建設項目，采用合理的技術用可再生的清潔能源提高用戶的供電可靠性，有利于美化鄉村環境并提升用電滿意度。

農網建設標準與裝備水平與城網存在較大差距。農網網架長期處于一種無序的“自然”發展狀態，缺乏目標網架規劃，存在農網線路過長、多級分支線路、線路和變電站聯絡率低等問題[7,>8]。多種原因導致農網地區故障率高、檢修時間長，最終造成農網用戶停電次數多，停電時間長的問題。針對這一問題，可通過對小水電的充分利用提高供電可靠性。利用小水電與水電附近的本地負荷組成小水電微網，當小水電上級聯絡線路因檢修等原因需要計劃停電時，小水電微網可運行于孤網狀態并為本地負荷提供電能。

小水電的改造項目對投資花費非常敏感，而經典微電網必備的儲能設備的價格相對昂貴。實際運行的小水電微電網，經濟上不具備大規模儲能設備的可能。

針對電動汽車日益普遍的使用，本文提出電動汽車應用于小水電計劃停電的儲能的方案。在小水電計劃停電中，將電動汽車接入小水電側的電網中，在小水電離網過程中，由電動汽車充當儲能設備[9,10]。這一方案在不增加儲能設備投資的前提下，充分提高了水電的環境效益。

1 當前運行現場方案

為了能夠實現水電微網保持穩定的孤網運行狀態，保持小水電微網內能量平衡，當前常見做法是接入阻值大小可調的平衡電阻，利用電阻來消耗小水電在滿足本地負荷用電需求后的剩余有功功率。小水電微網的并網接線圖如圖1所示。小水電微網通過10 kV母線接入配電網，當接入位置的配網上游線路計劃檢修時，小水電微網可孤網運行，持續為本地負荷供電。負荷用電具有一定的隨機性，為保證在小水電孤網運行期間的頻率及電壓穩定，在小水電微網中配備儲能或者平衡負載來實現小水電微網孤網運行期間的有功功率平衡。

本文根據圖1所示的典型小水電微網并網接線圖建立仿真模型，觀察小水電微網在并網以及孤網運行期間的有功功率的發出、消耗的情況。

小水電微網通常采用的方案為：孤網運行的水電微網在規劃階段，保留一定的水電發電容量裕度，使小水電出力Phydro小于負載消耗Pload，同時為確保小水電微網的有功平衡投入可調劑的平衡電阻消耗一部分有功Pr，即Phydro=Pload+Pr。當前方案雖具有經濟性，但是仍犧牲了一定的環境效益，平衡電阻消耗的有功功率Pr并沒有被充分利用。

2 電動汽車方案

根據上文分析，小水電微網可在配網線路計劃檢修時孤網運行為水電本地負荷提供電能。但作為調節微網有功及頻率的設備是平衡電阻，環境效益還有可提升空間。電動汽車的應用普及度以及電動汽車具有充電及放電的雙重作用，在功能上具備替代平衡電阻來調節微網有功功率平衡的能力。

圖2 電動汽車用于調節小水電微網調節設備的方案思路圖

2.1 方案思路

電動汽車替代平衡電阻調節微網有功及電壓的方案思路如圖2所示。水電在正常狀態時由并網開關接入當地配電網，為本地負荷以及當地配電網提供電能。當小水電接入點的上游配網需要線路計劃檢修時，可根據檢修計劃，將足夠數量的電動汽車作為儲能設備納入微網，以起到穩定微網運行的功能。

2.2 方案流程

電動汽車作為小水電微網的調節設備的具體方案流程圖如圖3所示。

在小水電微網控制系統收到上游線路檢修計劃后，首先需要判斷微網內小水電的發電容量是否能夠滿足本地負荷的用電需求。若發電容量不能滿足本地負荷，則不需要增加電動汽車以及平衡電阻。若發電容量能夠滿足本地負荷，并有留有一定的裕度，則表明小水電微網在孤網運行后，有剩余功率可為電動汽車充電。則計算剩余發電可供的電動汽車充電容量，并統計可調用的電動汽車臺數。若具備足夠的電動汽車臺數及容量，則調動電動汽車到計劃孤網運行的小水電微網區域。并在滿足離網條件后，斷開小水電微網的并網斷路器。若不具備足夠的電動汽車，則投入備用電阻來輔助電動汽車調節微網運行。

在小水電接入配網的上游線路檢修結束并成功復電后，小水電微網并網斷路器同期合閘，恢復正常運行。

圖3 電動汽車接入計劃離網的微電網流程

3 仿真

本文通過建立小水電并網模型進行說明當前小水電微網運行情況，模型設置為小水電微網通過10 kV母線接入配電網，當接入位置的配網上游線路計劃檢修時或線路故障時，小水電微網可孤網運行，持續為本地負荷供電。仿真模型中包含小水電機組額定容量為2.5 MW，本地負荷在2 MW左右小幅隨機波動，設置仿真時長為20 s。小水電微網在并網以及孤網運行狀態下有功功率波形如圖4所示。圖中，小水電有功出力記為Phydro、送往配網的有功為Pchange、平衡電阻有功消耗為Pba，小水電本地負荷有功消耗為Pload。小水電微網在0～6 s時間段為并網運行階段，在并網運行階段，水電機組保持額定發電容量，在滿足本地負荷用電需求后，將剩余0.5 MW左右的功率送入配電網。6 s時由于線路故障等原因，小水電微網進入孤網狀態，6～20 s之間是孤網運行狀態，小水電機組仍保持額定容量發電。在滿足本地負荷需求后，剩余功率無法送入電網，被平衡電阻消耗掉。

根據《2018年全國電力可靠性指標報告》及《2019年上半年全國電力可靠性指標報告》統計數據顯示，配電網線路平均檢修時間一般為5 h左右，在水電資源豐富的西南地區檢修時間一般為5～7 h。一年檢修次數約為4次，一年因計劃檢修的時間約為20 h，即小水電因線路計劃停電造成的孤網運行狀態在一年的時間內大約持續20 h。

以本文的仿真模型數據為例，小水電微網孤網運行時，平衡負載消耗的有功功率按0.5 MW計算，那么平衡負載每年消耗的電能為10 000 kW·h以上。這部分能量均轉化為無用的熱量散失掉，造成了較大的電能浪費。

圖4 小水電微網在并網以及孤網運行狀態下有功功率波形圖

一般在24～60 KWh之間[11-13]。采用本文方法所提電動汽車用于計劃停電的小水電消納后，10 000 kW·h可以提供高達200～600臺電動汽車充滿電能。

4 結論

本文提出電動汽車應用于小水電計劃停電的儲能的方案。在小水電計劃停電中，將電動汽車接入小水電側的電網中，在小水電離網過程中，由電動汽車充當儲能設備。這一方案在不增加儲能設備投資的前提下，充分提高了水電的環境效益。