基于風電-抽蓄互補系統的農業微電網研究

任巖　喬若宇　趙訓新

關鍵詞：風電一抽蓄互補系統;農業微電網;系統構建;特性分析

我國是農業大國，農業是我國國民經濟的基礎，灌排工程作為農業生產最重要的基礎設施，不僅能極大促進農田發展，而且是保證國民經濟和社會持續發展的重要組成部分。幾千年來，我國農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。我國現有灌溉渠道水利用系數很低，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水潛力很大。節水灌溉技術是比傳統灌溉技術明顯高效和節約用水的灌溉方法、措施和制度等的總稱。我國發展節水灌溉技術的進程幾乎與我國近代灌溉歷史同步，因為只要灌溉就應當首先考慮節水。近些年，盡管越來越多的新技術、各種各樣的灌溉設備運用在農田灌溉中，但我國很大一部分地區仍采用漫灌的方式進行農田灌溉，主要原因在于這些偏遠地區的農村農業現代化、農村電氣化程度不高，仍有很大提升空間。

一、風力發電及抽水蓄能特性分析

（一）風力發電特性分析

近年來，風力發電裝機比例在全世界范圍內正飛速地增長（見圖1）。截至2020年，全世界范圍內的風力發電裝機量達到731.28GW，我國風力發電裝機量達到281.99GW，較2010年有數倍提升。風力發電量一直在穩步增長，這直接將風力發電技術推向了更具競爭力的領域。風力發電機由承載機艙的機塔、轉子葉片和輪轂組成的轉子組成。絕大多數現代風力發電機具有三個轉子葉片，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。機艙包含風力發電機的關鍵部件，如齒輪箱、機械制動器、發電機、控制系統等。風能到機械能的轉換是通過空氣動力學完成的，可用功率取決于風速，因此，在較高風速下應控制和限制功率以避免損壞風力發電機。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風失速）或主動失速（調整葉片角度，以沿葉片產生失速）或俯仰控制來完成（葉片在更高的風速下轉出風）。

風力發電具有清潔、可再生等優點，但由于風資源的隨機性、間歇性，風力發電的電能質量會受到一定影響，因此，應該尋求經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，可再生能源發電量的增加是全球趨勢。在時間尺度上，可再生能源發電容易受到自然變化和一次性能源的季節性影響，在空間尺度上，可再生能源發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，只有水力發電可以通過當前的成熟技術使用水壩和水庫大規模儲存，從而使電力供應適應市場需求。水力發電水庫可用于儲存其他可再生和間歇性能源產生的能量，從而提高電力系統的穩定性。

儲能是發展新型電力系統必不可少的環節，而抽水蓄能是目前最成熟、效率最高的儲能技術。到2035年我國抽水蓄能裝機規模將增加到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，并在適當的時間使用、產生能量的水力發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，通過工況轉換實現抽水及發電功能。

電能可以轉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，抽水蓄能電站技術成熟，具有啟動靈活、爬坡卸荷速度快、調峰填谷、調頻調相等優點，可以很好地緩解風電等分布式能源給電力系統帶來的不利影響。

二、風電一抽水蓄能農業微電網簡介

作為一種清潔和可再生的發電方式，風力發電因其環境效益好、基建周期短、裝機規模靈活而得到迅速發展。但風力發電的波動導致電力系統凈負荷波動加劇，供需不平衡，缺乏靈活性。目前，穩定波動的最有效的方法之一是在系統中分配儲能。考慮到農村地區地理環境的特殊性和水資源的豐富性，抽水蓄能是解決農業微電網波動問題的一種新興技術。與其他儲能技術相比，抽水蓄能裝置具有啟動快、響應快、削峰填谷作用突出的特點，在調峰、調頻方面發揮著重要作用，能夠有效彌補風力發電難以克服的波動性、間歇性、隨機性等問題，協調農業微電網能源的時空分布。

微電網是由負荷和分布式能源發電組成的具有不同無功控制策略的有功配電網，可并網或單機運行。由于投資和維護成本高，無法為電網擴建和偏遠農村地區供電提供足夠的支持，電力短缺給灌溉系統供電帶來了困難，這對我國主要的創收部門農業產生了負面影響。而農村偏遠地區風資源豐富，應構建風電-抽水蓄能農業微電網模型來進行能源管理。

農業微電網可以有效地整合多樣化和分散的分布式能源資源，如風力發電機組、光伏電池和儲能系統，以提高能源利用效率，緩解偏遠地區的電力短缺問題。同時，在北方缺水地區，抽水蓄能電站除了調峰、調頻外，還可以承擔周邊部分地區灌溉的任務。本文提出的一種農業微電網，使得其中的抽水蓄能裝置、灌溉系統和風力發電裝置聯合運行。該微電網是一個連接到上游電網的農業綜合體，該綜合體包含一個農場，每天都需要用水灌溉;灌溉系統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。微電網包含不同的電力負荷，如灌溉系統、照明和其他小型負荷，并連接到上游電網，用來自上游電網和風力發電機組的電力供應負荷。

三、風電-抽水蓄能農業微電網模型構建

農業微電網抽水蓄能系統、風力發電系統、灌溉系統、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相連。在用電低谷時期，從下層水庫抽水，將微電網內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，用于發電供給負荷。農業微電網中，用電設備包括電力負荷、水泵水輪機（在低電價時期抽水）和灌溉系統。發電設備包括抽水蓄能裝置和風力發電裝置。此外，當農業微電網產生的電力不足或過剩時，它可以與上游網絡交換電力。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狀，在保證農場自身灌溉、照明等用電需求的同時，為農場帶來更大的經濟效益;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場提水灌溉的作用。農業微電網模型結構見圖2。

（一）抽水蓄能系統

抽水蓄能系統在農業微電網中起著至關重要的作用，接入農業微電網后，其主要功能是通過水輪機及水泵工況間的切換，實現調峰調頻、能量存儲及發電功能。同時，在農場有灌溉任務時，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，應綜合考慮水庫庫容、灌溉時的揚程需求以及風力發電裝機容量等，并將其接入農業微電網，實現調峰調頻、發電、抽水灌溉等功能。

（二）風力發電系統

風力發電系統在農業微電網中是供應電力負荷的主力軍，當風資源充足、風力發電量足夠大時，在足以滿足農場內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將水抽至上庫進行儲存，實現風電-抽儲互補。同時，在高電價時段，微電網可以向市場出售剩余電力，以實現最小化成本運行微電網及實現電力交換。風力發電系統在微電網內的主要功能是發電，以滿足農場內各種負荷需求。風力發電裝機容量的選擇，應根據農場內負荷大小、當地風資源情況等因素確定。

（三）灌溉系統

傳統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，加大了農田水利基本建設的工作量。而采用噴灌、滴灌等科學節水灌溉方式后，土地基本不需平整，種地實現了“三無”，即無渠、無溝、無埂，大大減輕了水利建設的工作量。同時，可以將灌溉系統和抽水蓄能系統相耦合，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。當雨水充沛甚至發生洪澇災害、農田內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，一方面減少農業生產損失，另一方面排出的水可以儲存在水庫中減少浪費，有力促進了農業生產向機械化、產業化、現代化方向發展。

結語

通過對風力發電系統及抽水蓄能系統的特性分析，結合當前我國農村偏遠地區現狀，考慮到風力發電的不確定性以及電力系統和灌溉系統在供應電力負荷、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業微電網調度模型，以提高能源利用率，緩解偏遠地區電力短缺問題，促進電力消費和農業生產，提高農村電氣化程度。

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;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）