基于鄉(xiāng)村振興的并網(wǎng)型光儲微電網(wǎng)示范研究

吳焰龍，全英靈

國網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750411

0 引言

為了貫徹落實國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，實現(xiàn)鞏固拓展脫貧攻堅成果同鄉(xiāng)村振興有效銜接，黨的十九大以來，大力推進生態(tài)文明建設(shè)。水源地保護區(qū)、生態(tài)紅線內(nèi)建設(shè)項目的前期手續(xù)辦理難度較高，電網(wǎng)建設(shè)環(huán)境日益嚴(yán)峻。如何開拓解決農(nóng)村地區(qū)供電半徑過長、末端電壓較低等問題，成為電網(wǎng)企業(yè)面臨的新問題[1-3]。文章研究通過建設(shè)光儲微電網(wǎng)一體化供能系統(tǒng)，提高農(nóng)村地區(qū)供電質(zhì)量，打造清潔、低碳、品質(zhì)用電示范工程。

1 示范區(qū)概況

目前該區(qū)域由兩條10 kV線路供電，線路一、線路二供電半徑分別為30.4 km、21.53 km。灌溉取水全部采用大功率機井抽水，在每年5—10月用電高峰期時，線路末端10 kV電壓在6～9 kV波動，380 V動力電在220～250 V，導(dǎo)致大部分農(nóng)灌機井無法提灌，制磚電機無法啟動。

原規(guī)劃在該地區(qū)新建一座35 kV變電站，但受自然保護區(qū)影響，35 kV新增布點無法落地實施，導(dǎo)致該地區(qū)低電壓問題一直未能得到有效解決。鑒于此，計劃在該地區(qū)建設(shè)并網(wǎng)型光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)，采用光伏和儲能裝置組合系統(tǒng)來改善供電半徑過長、末端低電壓等問題。

2 建設(shè)目標(biāo)與原則

2.1 建設(shè)目標(biāo)

建設(shè)適應(yīng)和服務(wù)于地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和新農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃的光儲微電網(wǎng)工程，滿足地區(qū)未來負(fù)荷增長需求，縮短供電半徑，改善電網(wǎng)末端用戶的電能質(zhì)量，徹底解決該地區(qū)線路末端低電壓問題，保證在灌溉時期負(fù)荷高峰時，用戶電機能夠正常運行。由此，建成解決農(nóng)村配電網(wǎng)低電壓問題的典范工程，打造適于全域推廣的樣板工程。

2.2 建設(shè)原則

（1）先進性。根據(jù)當(dāng)?shù)厝照諚l件、電源設(shè)施及用電負(fù)載的特性，選擇利用太陽能資源建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，具有先進性的電源建設(shè)方案。

（2）智能化?？刂破骺梢愿鶕?jù)太陽能電池組件和蓄電池的容量情況控制負(fù)載端的輸出，所有功能都由微處理器自動控制主要部件的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并上傳至控制中心。

（3）可擴展性。要求光儲微電網(wǎng)能適應(yīng)系統(tǒng)的擴充和升級，在系統(tǒng)需擴充時可以直接并聯(lián)加裝電池板模塊，使光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)具有良好的可擴展性。

3 建設(shè)方案

3.1 太陽能稟賦分析

該地區(qū)的年平均日照小時數(shù)達到3 300 h，可利用光照時間較長。同時，年均總輻射量達到1 600 （kW·h）/m3，能源密度較好，利于控制建設(shè)規(guī)模。

（1）整體上，光伏出力水平較高。由于氣候比較穩(wěn)定，全年云雨天氣較少，光伏出力波動相對較小。

（2）當(dāng)?shù)氐墓夥隽Τ尸F(xiàn)明顯的季節(jié)分布趨勢，每年6—11月為光伏出力高峰月份，整體出力水平超出其他月份出力約40%。

（3）從日內(nèi)出力曲線可以看出，光伏的出力呈現(xiàn)明顯的日內(nèi)趨勢特征，在下午1點左右光伏出力達到峰值，沿著日出和日落時間出力逐漸減少。

3.2 負(fù)荷特征分析

（1）年負(fù)荷特性分析。該地區(qū)負(fù)荷整體上呈現(xiàn)出季節(jié)性變化趨勢，每年5—10月為排灌季節(jié)，11月至次年4月為非高峰季節(jié)。

第一，年用電量。10 kV線路一的非高峰季節(jié)用電量為5 GW·h，高峰季節(jié)用電量為15.4 GW·h，全年用電量合計20.4 GW·h；10 kV線路二的非高峰季節(jié)用電量為7 GW·h，高峰季節(jié)用電量為20.9 GW·h，全年用電量合計27.9 GW·h。

第二，年最大負(fù)荷利用小時數(shù)。年最大負(fù)荷利用小時數(shù)是反映電網(wǎng)負(fù)荷特性的重要綜合指標(biāo)，反映了用電總量和負(fù)荷時序集中程度。經(jīng)計算，10 kV線路一的年最大負(fù)荷利用小時數(shù)約為5 160 h，10 kV線路二的年最大負(fù)荷利用小時數(shù)約為5 130 h。

（2）日負(fù)荷特性分析。通過查詢歷史數(shù)據(jù)，在生產(chǎn)旺季，日間、夜間用電負(fù)荷分別達到1 MW、2 MW以上，呈現(xiàn)持續(xù)用電的特征，需要電網(wǎng)全天的持續(xù)供電。同時，日間最高負(fù)荷大約是夜間負(fù)荷的一倍，又呈現(xiàn)出較為明顯的日夜負(fù)荷差異。每天7—9點和夜間18—20點有負(fù)荷快速增長的過程。

3.3 微電網(wǎng)配置方案

（1）光儲系統(tǒng)模型約束條件。光儲系統(tǒng)規(guī)劃的目標(biāo)為系統(tǒng)總體成本最低，而總體成本包括微電網(wǎng)內(nèi)部光伏組件、逆變器、鋰電儲能和控制系統(tǒng)的子項成本的凈現(xiàn)值。光儲系統(tǒng)的主要約束如下。

第一，容量約束。在規(guī)劃微電網(wǎng)電源之前，結(jié)合微電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷功率及自然資源儲藏量，確定規(guī)劃微電網(wǎng)電源的總?cè)萘?。分布式電源裝機容量受到微電網(wǎng)內(nèi)部自然資源分布及儲藏情況的限制[4-5]。

第二，可再生能源消納利用率約束。應(yīng)保證可再生能源的優(yōu)化利用，盡量避免棄光現(xiàn)象，滿足國家對于新能源消納棄風(fēng)棄光率的要求。

第三，電能質(zhì)量約束。保證線路末端電壓穩(wěn)定運行在一定范圍內(nèi)。

（2）光儲系統(tǒng)規(guī)劃方案。根據(jù)上述模型，采用日負(fù)荷曲線，配置3 MWp光伏，1 MW/4 MWh儲能，2 Mvar SVG，可達到10 kV線路二末端電壓達到國家關(guān)于配電網(wǎng)電壓偏差（7%）的要求。采用分布式光伏方案，10 kV并網(wǎng)，組件選用多晶275 Wp約11 000塊，經(jīng)逆變器、匯流箱、3 000 kVA變壓器升壓并入10 kV，同時配置SVG保證電能質(zhì)量。采用儲能裝置，對分布式發(fā)電系統(tǒng)的電能進行補償，是保證分布式發(fā)電系統(tǒng)供電連續(xù)性，提高分布式發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要手段。采用預(yù)制艙儲能方案，24個164.8 kW·h電池柜可分為兩組，分別匯流后接至2臺500 kW的儲能變流器并入低壓交流母線，再經(jīng)1 250 kVA變壓器匯入10 kV電網(wǎng)。為了保證微電網(wǎng)系統(tǒng)運行年限，建議采用鋰電池儲能。

3.4 微電網(wǎng)效果分析

（1）接入微電網(wǎng)后電壓狀況。在10 kV 522線路二的線路末端負(fù)荷中心處分別選擇二個節(jié)點接入微電網(wǎng)，對兩種接入方案進行計算分析。

方案一：接入容量為3 MWp光伏、接入22號節(jié)點?？紤]負(fù)荷同時率較大極端情況，最大負(fù)荷按5.4 MW計算，功率因數(shù)為0.75。同時，考慮到光伏發(fā)電功率難以達到理論最大裝機容量為3 MWp，實際光伏出力為2 MW，若光照條件不允許，則通過運管系統(tǒng)控制儲能放電補足，實現(xiàn)注入線路功率2 MW，由于在光伏并網(wǎng)處配置SVG，通過調(diào)節(jié)SVG發(fā)出無功3 Mvar。接入位置在供電線路末端，22號節(jié)點附近。

經(jīng)計算分析，各節(jié)點接入電壓均達到9.44 kV以上，含SVG的光儲微電網(wǎng)在線路二末端節(jié)點的接入，明顯解決了線路二的低電壓問題?？傮w網(wǎng)損為15.21%。

方案二：接入容量為3 MWp光伏、接入16號節(jié)點。與方案一相比，考慮不同接入位置對系統(tǒng)潮流和電壓調(diào)節(jié)作用，改變接入位置到16號節(jié)點附近。

經(jīng)計算分析，各節(jié)點接入電壓均達到9.6 kV以上，含SVG的光儲微電網(wǎng)在線路二16節(jié)點的接入，解決了線路二的低電壓問題?？傮w網(wǎng)損為6.62%。

對比上述兩種接入方案，電壓提升效果均比較明顯，方案二的全網(wǎng)最低電壓為9.6 kV，網(wǎng)損可以降低到6.62%，為最優(yōu)規(guī)劃方案。

4 結(jié)束語

文章通過研究基于鄉(xiāng)村振興的并網(wǎng)型光儲微電網(wǎng)，提出相關(guān)方案，取得了如下成效：

（1）徹底解決示范地區(qū)線路末端低電壓問題。光儲微電網(wǎng)通過在線路中引入分布式電源，在線路末端增加有功和無功注入，減小線路壓降，有效提升線路末端電壓水平。

（2）滿足持續(xù)增長的新增負(fù)荷需求。通過引入分布式電源，提升當(dāng)?shù)仉娏┙o水平，有效避免因負(fù)荷增長帶來的長線路配電網(wǎng)的擴容和改建問題。

（3）有效降低網(wǎng)損，經(jīng)濟性大幅提升。通過微電網(wǎng)建設(shè)，縮短網(wǎng)供負(fù)荷的傳輸距離，可實現(xiàn)配電網(wǎng)網(wǎng)損降低50%，實現(xiàn)削峰填谷，為配電網(wǎng)提供輔助調(diào)峰服務(wù)。