張浙波，彭 昕

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

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微電網(wǎng)技術(shù)在大型火力發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

張浙波1，彭 昕2

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

在原有廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上研究并設(shè)計了一種微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過對系統(tǒng)運行方式的解剖和分析，提出了一種適用于此系統(tǒng)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(shù)據(jù)計算結(jié)果，證明微電網(wǎng)在廠用電廠的應(yīng)用不僅降低了廠用電率，提升了機組經(jīng)濟性，而且降低了燃煤電廠的污染物排放量。

微電網(wǎng)；廠用電率；節(jié)能減排；控制策略

“十三五”初期，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展速度放緩和“新電改”方案的實施，發(fā)電企業(yè)面臨著發(fā)電小時數(shù)減少、上網(wǎng)電價下調(diào)、環(huán)保要求提高等諸多挑戰(zhàn)，發(fā)電企業(yè)利潤空間不斷被壓縮，以往的經(jīng)營模式已不再適用于未來的電力發(fā)展，只有不斷創(chuàng)新，充分發(fā)掘新技術(shù)在發(fā)電經(jīng)營中的潛力，努力探索新的利潤增長點，才能提高企業(yè)效益，實現(xiàn)綠色清潔發(fā)電目標(biāo)。

由新型能源發(fā)電組成的微電網(wǎng)，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(zhì)量、輔助電網(wǎng)安全運行，有十分廣泛的應(yīng)用前景。大型火力發(fā)電廠一般都處于海邊、郊區(qū)等擁有較大儲量的風(fēng)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(fā)電機、儲能裝置等互聯(lián)形成一定規(guī)模的微電網(wǎng)系統(tǒng)來輔助廠用電系統(tǒng)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(wǎng)系統(tǒng)的接入能夠有效降低廠用電率，對發(fā)電企業(yè)增加經(jīng)濟效益、節(jié)能減排等都有著重要的意義。本文將微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用于廠用電系統(tǒng)，提出了一種微網(wǎng)結(jié)構(gòu)和控制策略，采用建模仿真的方式驗證了其有效性。

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

1 采用微電網(wǎng)后的廠用電電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

以某大型燃煤機組的廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(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(fā)電機以及若干各電壓等級的負荷組成。

在原有廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過微電網(wǎng)優(yōu)化改造后，新的廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變?yōu)槿鐖D2所示，其中風(fēng)力發(fā)電機組出口電壓為690 V經(jīng)過變壓器接入6 kV母線，光伏電池和儲能裝置經(jīng)過逆變接入400 V母線，柴油發(fā)電機接入形式不變，從而形成風(fēng)光柴儲微網(wǎng)系統(tǒng)。本系統(tǒng)在保證保安段重要負荷供電穩(wěn)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(fā)電機出口功率的穩(wěn)定，需在高廠變和啟備變安裝逆功率監(jiān)視與保護，不得向高壓側(cè)倒送電。

圖1 原廠用電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

圖2 改造后的廠用電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

2 采用微電網(wǎng)后的廠用電系統(tǒng)運行控制策略

孤島運行方式和并網(wǎng)運行方式是微網(wǎng)系統(tǒng)的兩種主要運行方式，但由于電廠廠用電系統(tǒng)具有更加繁雜多樣的運行工況，微網(wǎng)系統(tǒng)需要合理分析其運行模式，設(shè)計出相適應(yīng)的運行控制策略，保證其能夠長期穩(wěn)定運行。

2.1 運行工況分析

在燃煤機組正常運行時，微網(wǎng)系統(tǒng)采用并網(wǎng)運行，通過高廠變與大電網(wǎng)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(fā)電機出口功率的穩(wěn)定，需要在高廠變加裝逆功率監(jiān)測與保護裝置，防止功率逆流。當(dāng)高廠變故障時，微網(wǎng)系統(tǒng)切換至啟備變并網(wǎng)，在切換過程中，系統(tǒng)內(nèi)的儲能裝置及柴油發(fā)電機能夠保證重要負荷的工作穩(wěn)定。

在燃煤機組停運時，微網(wǎng)系統(tǒng)也采用并網(wǎng)運行，通過啟備變與大電網(wǎng)相連。由于大量機組輔助設(shè)備停運，微網(wǎng)系統(tǒng)容量能夠基本滿足廠用電需求，但同樣為了保證220 kV電網(wǎng)的穩(wěn)定，在啟備變中也要加裝逆功率保護器，防止微網(wǎng)向220 kV電網(wǎng)倒送電。

當(dāng)廠用電系統(tǒng)6 kV母線故障或停電檢修時，風(fēng)力發(fā)電機組與6 kV母線斷開，微網(wǎng)系統(tǒng)采用孤島運行方式，保安段上重要負荷全部由微網(wǎng)內(nèi)DG承擔(dān)，通過儲能電池與柴油發(fā)電機來穩(wěn)定系統(tǒng)電壓和頻率，實現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)負荷實時平衡，保證微網(wǎng)孤島運行的穩(wěn)定。圖3顯示了微網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換過程。

圖3 微網(wǎng)系統(tǒng)運行流程

2.2 微網(wǎng)控制系統(tǒng)

由圖3可知，微網(wǎng)控制系統(tǒng)不僅要控制各種工況下微網(wǎng)的正常運行，還要解決工況過渡時微網(wǎng)控制方法的平滑轉(zhuǎn)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(lián)系。

微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，各DG都采用PQ控制，儲能電池采用并網(wǎng)模式，柴油機不啟動。中心控制器負責(zé)檢測并網(wǎng)處的有功、無功功率及電壓測量信號，一旦檢測到測點數(shù)據(jù)異常，判斷為電網(wǎng)故障，中心控制器將微網(wǎng)與電網(wǎng)斷開，進入孤島運行模式，但由于微網(wǎng)電壓和頻率必須由儲能電池和柴油發(fā)電機來穩(wěn)定，因此中心控制器立刻啟動柴油發(fā)電機，并將儲能電池由并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)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(wǎng)在孤島運行過程中，中心控制器也實時檢測并網(wǎng)處的頻率和電壓，當(dāng)檢測到電網(wǎng)恢復(fù)正常后，接收到后臺的并網(wǎng)指令，判斷合適的并網(wǎng)時刻，中心控制器使儲能電池切換為并網(wǎng)模式，閉合并網(wǎng)開關(guān)，停運柴油發(fā)電機，微網(wǎng)進入并網(wǎng)運行。圖4為廠用電系統(tǒng)中的微網(wǎng)控制系統(tǒng)圖。

圖4 微電網(wǎng)控制系統(tǒng)

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(wǎng)系統(tǒng)在孤島運行和并網(wǎng)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(wǎng)處交換功率必須大于0的限制后需要優(yōu)化各DG的出力限制。因此，采用控制目標(biāo)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(biāo)

(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(wǎng)處交換功率，由于微網(wǎng)不能向電網(wǎng)倒送電，因此其值不能為負，當(dāng)微網(wǎng)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(fēng)力發(fā)電機組、光伏電池、儲能電池和柴油發(fā)電機的輸出功率大??；w，p，b，d——相應(yīng)的DG供電線路開閉合判斷；Ps——次要負荷吸收功率大??；ys——次要負荷連接線路開閉合判斷。

(3)并網(wǎng)運行約束條件

(4)

PDi=0

(5)

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

3 仿真分析

針對本文所設(shè)計的廠用電微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行建模，采用2.3所述微網(wǎng)的能量控制算法，分別對其并網(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運行負荷下降

圖5為并網(wǎng)運行降負荷仿真結(jié)果。

圖5 并網(wǎng)運行降負荷仿真結(jié)果

由圖5可知，初始為并網(wǎng)運行方式，系統(tǒng)頻率為50 Hz，母線電壓為690 V，當(dāng)負荷減少后，微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率和電壓均出現(xiàn)了短暫的波動，但在經(jīng)過0.1 s后，均恢復(fù)到了初始狀態(tài)，因此在并網(wǎng)狀態(tài)下，該控制系統(tǒng)能夠能夠很好地控制微網(wǎng)系統(tǒng)來應(yīng)對負荷擾動。

(2) 微網(wǎng)系統(tǒng)孤島運行負荷下降

圖6為孤島運行降負荷仿真結(jié)果。

圖6 孤島運行降負荷仿真結(jié)果

由圖6可知，仿真初始狀態(tài)為孤島運行狀態(tài)，頻率為49.926 Hz，母線電壓為399.6 V，當(dāng)出現(xiàn)負荷下降后，微網(wǎng)系統(tǒng)頻率和電壓也出現(xiàn)了短時波動，經(jīng)過0.2 s后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，最后頻率為49.921 Hz，最大波動偏差0.018 Hz，電壓穩(wěn)定在399.6 V，最大波動偏差率為0.5%。由此可見，微電網(wǎng)頻率和電壓波動均在可接受范圍內(nèi)，因此本文的控制策略是可行的。

4 效益分析

微網(wǎng)系統(tǒng)在接入廠用電系統(tǒng)后，不但能夠提高廠用電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，其還能給電廠和社會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

4.1 經(jīng)濟效益

(6)

式中Vtotal——微電網(wǎng)創(chuàng)造的效益總和；Pi——開機期間每天的微電網(wǎng)發(fā)電量；Pj——停機期間每天的微電網(wǎng)發(fā)電量；Ptotal——微電網(wǎng)一年內(nèi)的總發(fā)電量；t——每度電耗煤量；a——電煤單價；d——上網(wǎng)電價；b——新能源補貼單價。

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

minBPtotal=PPV+PWTG+PBESS+Pelse

(7)

式中BPtotal——微電網(wǎng)改造建設(shè)費用；

PPV為光伏電池建設(shè)費用；PWTG——風(fēng)電機組建設(shè)費用；

PBESS——蓄能電池建設(shè)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(biāo)是要求微電網(wǎng)建設(shè)費用最小化。

本文所建微電網(wǎng)系統(tǒng)以主要滿足重要負荷能量需求為主要考慮目標(biāo)，因此根據(jù)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(fā)電機組額定容量為2 MW，因此規(guī)劃建設(shè)微電網(wǎng)系統(tǒng)容量在5 MW，其中4臺1 MW風(fēng)力發(fā)電機組，1 MW光伏電池，儲能系統(tǒng)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(fā)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(wǎng)系統(tǒng)平均每日發(fā)電8萬度，停機期間平均每天發(fā)電1.8萬度，上網(wǎng)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(fā)電國家補貼，計算得每年微電網(wǎng)創(chuàng)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(jié)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(jié)約了發(fā)電企業(yè)的發(fā)電成本，有效提升了機組的經(jīng)濟性。若再計算新能源發(fā)電所獲得的國家補貼金，本微網(wǎng)系統(tǒng)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(guī)劃中，生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展是今后的重要目標(biāo)之一，綠色經(jīng)濟將成為今后國家經(jīng)濟發(fā)展的主旋律，在電力生產(chǎn)中，綠色電力也將越來越多的受到國家的關(guān)注，本文提出的微網(wǎng)系統(tǒng)接入燃煤機組廠用電系統(tǒng)，能夠通過可再生能源發(fā)電來代替廠用電消耗，能夠有效節(jié)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(wǎng)生產(chǎn)清潔電能8萬度，按照每度電耗煤355 g計算，每天節(jié)約煤28.4 t，以標(biāo)準(zhǔn)動力煤為例，其含碳約為70%，含硫約為1.5%，經(jīng)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(shù)推廣使用，每天所減少的排放量是十分驚人的，因此本技術(shù)對于生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展有著非常重要的現(xiàn)實意義。

5 結(jié)語

本文利用大型火電廠的空閑場地資源，將微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到了大型燃煤機組廠用電系統(tǒng)中，分析設(shè)計了一種適用于燃煤機組的結(jié)合分布式電源的廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(tǒng)的實用性和可靠性，最后通過以實際機組數(shù)據(jù)的分析，明確了微電網(wǎng)系統(tǒng)與廠用電系統(tǒng)的結(jié)合具有十分巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

盡管本文僅以重要負荷容量為依據(jù)來設(shè)計微網(wǎng)系統(tǒng)的容量，但是在今后的實際應(yīng)用和研究中，可以嘗試以整體廠用電系統(tǒng)容量為基礎(chǔ)來進行設(shè)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(jīng)濟性，降低污染物排放量。

微電網(wǎng)接入燃煤機組廠用電系統(tǒng)開創(chuàng)了清潔能源與傳統(tǒng)化石能源聯(lián)合發(fā)電的先河，也是對綠色電力發(fā)展和智慧電廠建設(shè)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(fā)電技術(shù)研究。

TM727

A

2095-1256(2016)05-0664-05

2016-07-10