基于光儲柴微電網的海外有色企業供電系統研究

鄭 義,林瑤瑤,王潔麗

（1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038；2.中國移動通信集團設計院有限公司 網絡規劃與設計優化研發中心,北京 100080）

0 引言

中國“走出去”的有色礦山、冶煉企業多處于無電或電網薄弱地區,面臨用電難、用電貴等問題,中、小型內燃發電機組供電是當前解決“用電難”的主要方法。然而該供電方式的運維工作量大、發電成本高、污染重,已經越來越不符合當今企業的需求。

新能源與儲能技術的迅速發展和設備成本的快速下降,為新能源替代常規能源提供了技術與經濟可行性。然而,有色企業的工藝流程、生產過程、負荷特性、用電規律等有其行業的自身特點,微電網必須與企業深度結合,做定制化的配置方案與調度控制算法,才可以有效的實現新能源供電。

研究以“光”代“油”降低企業的用電成本、“光、儲”結合解決局部地區供電問題的微電網系統具有很強的經濟意義與社會效應,可有效推動中國海外有色企業的節能減排、降本增效、綠色低污染進程。

1 微電網概述

微電網是規模較小的分散式獨立系統,將分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、負荷和監控與保護裝置匯集而成的小型供電系統,是能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統[1]。微電網既能作為一個自治系統獨立運行,又能作為一個可控單元并網運行,從而將大量分布式電源波動問題轉化為一個可控微電網入網,削弱新能源隨機性、波動性的間歇性電源對電網安全穩定運行和電能質量等方面的不利影響。

微電網按照應用場景一般分為并網型和離網型微電網；按照系統架構分為共交流母線和共直流母線微電網[2]。

1.1 并網型微電網

并網型微電網是指微電網通過公共連接點的靜態開關接入大電網并列運行,主要應用于分布式可再生能源滲透率較高地區,可有效跟蹤計劃曲線,改善新能源發電的預測精度,提高可再生能源滲透率；還可以通過用戶側的管理系統,與大電網靈活互動,實現新能源自發自用及分時電價。也可以離網運行,在大電網故障時,形成區域配電網獨立運行[3]。

1.2 離網型微電網

離網型微電網是不與大電網互聯的獨立運行的供電系統,依靠后臺調度管理系統,實現小水電、柴發、風力發電、光伏發電等分布式電源的并列運行；利用分布式電源發電滿足離網系統內的負荷需求；借助能源管理系統,即可實現燃料節約,又能實現供電的動態平衡[4]。

1.3 交流母線微電網

共交流母線微電網的新能源電源與儲能在交流母線側進行能量的交互,其特點是靈活,適合于多種可再生能源接入；供電半徑寬,易于擴容,適于長線傳輸；通過能力管理系統可以做到實時的供需平衡,供電穩定性高；適用于大型兆瓦級的微電網系統[5]。

圖1 并網型微電網示意圖

圖2 離網型微電網示意圖

1.4 直流母線微電網

共直流母線微網新的新能源電源與儲能在直流母線側進行能量的交互,其特點是光伏和儲能解耦設計,控制簡單、效率更高；適用于中小型微電網系統。

2 海外有色企業面臨問題簡析

在供電網絡難以覆蓋的地區,工廠企業的用電主要依靠柴油(重油)等發電機組解決。柴油發電機組的歷史已經有一百多年,主要由柴油機、傳感器、轉速控制器、執行器、同步發電機、無功補償裝置和機組監控系統組成。其工作原理是先將柴油機輸出的動力扭矩通過機械傳動系統傳送給同步發電機,利用轉速調節器對實際轉速進行調節,使發電機產生穩定的電能。

圖3 共交流母線微電網示意圖

圖4 共直流母線微電網示意圖

柴油機組供電系統存在諸多問題:(1)柴油發電的成本高、經濟性差。僅考慮柴油發電的耗油成本,1 L柴油重0.83～0.86 kg,1度電耗油230～240 g,即1 L柴油的發電量約4度電。某海外現場的柴油價格為6.06元/L,則柴油發電成本為1.515元/度。再考慮柴油機組初始設備投資與運行維護成本,企業的用電成本將高達2元/度左右。(2)柴油發電的空氣污染嚴重。柴發機組通過燃燒柴油將熱能轉換為電能,在此過程中不可避免會對大氣造成污染,污染問題大致分為氧化、酸化、光化學煙霧、顆粒物、溫室效應以及廢氣等。(3)柴油發電的噪聲污染嚴重。柴發機組運行時通常會產生95～125 dB(A)的噪聲,人如果長期生活在80 dB(A)以上的環境中,會引起情緒煩躁、聽力下降等問題。(4)柴油發電電能的質量差。當用電負載波動較大時,由于機組容量相對較小,柴發供電不可避免的出現電壓與頻率的波動,這將在很大程度上影響設備的使用壽命,甚至影響正常生產。(5)柴油發電的運維工作量龐大,需專業技術人員進行維護；此外柴油的運輸與儲存同樣需要耗費大量的人力與物力成本。

基于光儲柴微電網的無電地區工廠企業供電系統就是針對柴油機組供電系統存在的上述問題而產生,微電網可以顯著降低供電系統的發電成本,降低對環境的大氣污染與噪聲污染,為工廠企業提供可靠、穩定、高質量的供電電源。

3 基于光儲柴微電網的供電系統

3.1 光儲柴微電網系統架構

光儲柴微電網是規模較小的分散獨立系統,將分布式光伏電源、儲能裝置、能量轉換裝置、負荷和監控、保護裝置匯集而成的小型供電系統,是能實現自我控制、保護和管理的自治系統,可在孤網狀態下獨立運行[6]。

圖5 光儲柴微電網系統結構圖

光儲柴微電網供電系統采用三級網絡構架搭建而成,分別為設備層、過程層、站控層,適用于各種類型的微電網形式與控制要求,方便調試與運行維護,系統的有諸多技術特點與優勢。

3.1.1 設備層

設備層是整個微電網系統的感知與操作層,通過設備層可以采集微電網系統各個部分的信息以及響應能量管理系統的各類控制、調節指令。設備層分為一次設備與二次設備,太陽能光伏板、DC/AC光伏逆變器、液流電池、BMS、DC/AC儲能雙向變流器、鋰電池、超級電容、智能配電柜、用電負荷、柴油發電機組等屬于一次設備,通過通訊手段接入微電網能量管理系統并可以調節與控制；二次設備采用集保護、測控、通訊、電能質量監測、電能表抄表、光纖遠跳等功能于一體的裝置,獲取微電網的系統狀態與功率流動情況,為能量管理系統的協調控制、優化調度提供有力的支持,并提供可靠的執行操作,進行電源、負荷的投切操作。

3.1.2 過程層

過程層是微電網系統的協調控制層,一方面聯系設備層來獲取微電網的全景監測數據,另一方面聯系能量管理系統,分析并下發執行各類的操作指令,用于達到能量管理系統的控制目標。過程層的微電網協調穩定控制裝置包含微電網運行控制器與微電網穩定控制裝置,其中微電網運行控制器用于實現微網的狀態切換和協調控制,有效解決分布式電源自身的不穩定性和間歇性,保證供電的均衡和連續；微電網穩定控制裝置基于交互快速故障處理技術,可實現微網的低頻、低壓減載等穩定控制功能,還可實現微網協調控制策略,具有保證微電網的安全穩定運行功能。

3.1.3 站控層

站控層的微電網后臺能量管理系統可視為整個微電網的大腦,實現對微電網數據的全景監測分析以及能量管理策略的制定,也是微電網控制的主站層。微電網監控系統的基礎功能是監控微電網的實時運行數據。微電網監控系統根據實時運行數據,結合分布式發電預測、負荷預測等應用分析結果,制定多約束條件下的微電網系統優化調度與能量管理策略,并將制定后的策略下發微電網運行控制器、微電網穩定控制裝置。

3.2 光儲柴微電網系統原理

3.2.1 光伏發電

太陽能光伏板作為新能源供電單元,將太陽能轉換為電能,通過DC/AC光伏逆變器將直流電轉換為交流電,并上送至交流母線。太陽能光伏板與光伏逆變器的裝機容量需根據具體項目的用電負荷情況確認。光伏逆變器可控制與記錄直流太陽能光伏輸出側的電壓、電流、功率以及電池板的重要參數,也可以對逆變器逆變輸出的交流側的電壓、電流、頻率,日發電量以及發電功率曲線等主要參數進行控制與記錄,并上送至后臺監控系統。

太陽能發電作為新型的清潔能源,雖然是一種無污染、可循環的綠色能源,但由于太陽的輻照波動,從而導致太陽能發電的輸出具有很大的隨意性與波動性,且僅具備輸出功率向下調節能力,不具備過載能力,因此為了保證當太陽輻照波動與負載變化時,微電網供電系統的供電穩定性與電能質量,微電網系統必須配置具有電能存儲與平衡能力的儲能系統[7]。

3.2.2 儲能系統

儲能系統由儲能裝置、BMS、DC/AC儲能雙向變流器組成。根據用電負荷的不同工況與儲能裝置的不同性能特點,系統選用三類儲能裝置:液流電池、鋰電池、超級電容[8]。

液流電池屬于化學儲能電池,壽命長、循環次數久,適用于大規模的儲能。鋰電池也屬于電化學儲能,由大量單體電池的串、并聯組成,因此需要專用的電池管理系統(BMS)對每節蓄電池的充、放電進行控制與保護；超級電容作為一種物理儲能裝置不需要專門的BMS對其進行充放電管理。

工廠企業普遍存在大型用電負荷,大型負荷啟動過程通常在10 s內,但啟動功率為負荷功率的3～7倍不等,因此需短時大功率的電源支撐,鑒于此種需求,本系統根據大型負載配置一定容量的具有超大倍率放電能力的超級電容儲能裝置[9],用于平衡大型負荷啟動時的短時大功率缺額,保證微電網系統的供電質量與供電可靠性。

工廠企業中、小型負荷的啟動時同樣需要相應的短時大功率支撐,但超級電容的價格較高,大容量的配置會導致系統的經濟性不合理,因此考慮負荷的啟動功率與啟動持續時間,以及對儲能裝置的性能需求,選用鋰電池儲能裝置來平衡該類負荷的波動,既保證微電網供電系統的可靠、穩定、高質量供電,又保證了整個系統的經濟性。

太陽能發電隨輻照量的影響而實時變動,導致太陽能發電量有時高于負荷用電量,有時低于負荷用電量,從而導致需配置一定的儲能裝置將多余的太陽能發電量進行存儲,在系統需要時再進行釋放,考慮此種工況對儲能裝置的性能要求,選擇放電倍率相對較低、但性價比更優的液流電池作為儲能裝置,可在更為經濟的條件下完成對太陽能發電的能量存儲與微電網供電系統的能量平衡,保證系統整體性能。

儲能裝置的輸出為直流電,通過DC/AC儲能雙向變流器將直流電逆變成交流電,上送至交流母線,為微電網系統提供能量支撐；當太陽能發電有多余電量時,同樣可以通過DC/AC儲能雙向變流器,將母線上的交流電整流成直流電,為儲能蓄裝置充電。

DC/AC儲能雙向變流器具備與電池管理系統BMS的通信接口,能夠將電池運行信息上送至微電網后臺系統；同時,變流器具有微電網控制功能、功率調節功能、參數下裝功能等通信接口,滿足微電網運行控制系統控制要求。變流器可控制與記錄直流蓄電池輸出側的電壓、電流、功率以及蓄電池的重要參數,也可以對變流器輸出的交流側的電壓、電流、功率因數,當前輸出(輸入)功率、日輸入電量、日輸出電量以及日功率曲線等主要參數進行控制與記錄,并上送至后臺監控系統。

3.2.3 智能配電柜

在光儲柴微電中配置智能配電柜可有效掌握用電負荷的工作情況,進行合理的負荷預測,在必要的時候為保證整個系統的穩定切除故障負荷或非重要負荷,并結合后臺監控系統實現整個系統的能源合理化利用,降低企業耗電量等。

3.2.4 柴油發電機組

柴油發電機組作為后備供電電源,在微電網系統出現故障、連續陰雨天氣太陽能發電量不足以及夜晚無太陽能供電時,啟動柴油發電機組,為企業提供電源。

光儲柴微電網供電系統作為一種新型綠色環保可再生的供電系統,以太陽能作為外部的能源輸入,通過太陽能電池板將太陽能轉化為電能,再通過光伏逆變器將直流電轉化為交流電,為整個系統提供能量供給；當太陽能發電量大于負荷用電量時,通過儲能雙向變流器將母線上的交流電整流為直流電,并輸送給儲能系統,儲能系統對電能進行存儲,在負載變化、太陽能光照波動時,儲能進行能量的釋放,通過儲能雙向變流器將儲能釋放的直流電逆變成交流電,上送至交流母線,通過微電網協調穩定控制裝置的智能調度與控制實現系統的能量平衡。同時,微電網后臺能量管理系統根據預先定制好的控制策略,對微電網進行優化控制,實現能量的合理化利用,保證系統的經濟與可靠運行[10]。

4 結語

“光+儲+柴微電網發電系統”解決以“光”代“油”降低有色企業用電成本的技術可行性；解決“光”、“儲”結合為無電地區供電的可行性等技術性問題；在保證地區、企業供電可靠性的基礎上,可實現供電的經濟性問題,為地區、企業提供技術可靠穩定、經濟更優的微電網供電解決方案,可助力推動海外中國有色工業的節能減排、降低生產成本,為海外的有色企業的用電提供一種全新的綠色、低成本、高可靠性的供電電源解決方案。