張 杰，余銀輝，張琯樂，黎 亞，劉雙全

(中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

建設(shè)海洋強(qiáng)國現(xiàn)已成為我國國家層面的重大戰(zhàn)略。黨的十八大報(bào)告提出，我國應(yīng)“提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)決維護(hù)國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國”。建設(shè)海洋強(qiáng)國需要大力發(fā)展海島經(jīng)濟(jì)，而海島經(jīng)濟(jì)開發(fā)的首要問題之一是能源供給與保障。

海島孤立微電網(wǎng)的建設(shè)具有工程量較大，項(xiàng)目完工周期長、耗資大等特點(diǎn)。因此在對(duì)包含分布式電源、儲(chǔ)能裝置、保護(hù)裝置的海島微電網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮分布式電源以及儲(chǔ)能的特點(diǎn)。微電網(wǎng)的電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案需要將電網(wǎng)的建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本以及電網(wǎng)的運(yùn)行效率進(jìn)行綜合多目標(biāo)規(guī)劃及優(yōu)化。目前，在進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)的過程中，將數(shù)學(xué)概率模型應(yīng)用到電網(wǎng)規(guī)劃中，不僅能提高海島微電網(wǎng)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性，還可以減少前期建設(shè)成本，降低運(yùn)行費(fèi)用，減輕電能損耗，使離網(wǎng)微電網(wǎng)的發(fā)展更加適應(yīng)目前的新形勢[1-5]。

1 資源和設(shè)備準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)建模

本文以某島為依托，建立光伏系統(tǒng)模型、風(fēng)速概率模型和負(fù)荷概率模型，對(duì)含含分布式電源的孤島微電網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)架設(shè)計(jì)。

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

光伏的出力主要是由照射到光伏表面的光照強(qiáng)度、系統(tǒng)的運(yùn)行工況和光伏物理參數(shù)等綜合決定的。通常情況下采用式(1)計(jì)算光伏陣列的輸出功率[6]。

(1)

式中：fpv為光伏陣列降額因數(shù)，代表光伏在當(dāng)前環(huán)境下的實(shí)際功率與給定條件下輸出的比值，造成損耗的原因主要是光伏板自身老化、雨雪天氣以及環(huán)境造成的遮蓋以及污漬，通常取值0.9；PV,cap代表光伏陣列設(shè)計(jì)容量，kW;IT代表當(dāng)前環(huán)境的光照強(qiáng)度，kW/m2；αp表示當(dāng)前溫度的功率修正系數(shù)，%/℃；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在無風(fēng)環(huán)境下，光伏板的標(biāo)準(zhǔn)測試條件(standard test conditions，STC)為光照強(qiáng)度1 kW/m2，光伏電池溫度25 ℃；由于光伏板周圍環(huán)境溫度對(duì)光伏板的運(yùn)行效率近似成反比，隨著環(huán)境溫度的升高，光伏陣列的運(yùn)行效率會(huì)隨之下降[7]。光伏電池溫度變化Tcell可以通過下式進(jìn)行表示。

(2)

式中：Ta表示光伏板運(yùn)行時(shí)的環(huán)境溫度，℃；按照當(dāng)前設(shè)計(jì)需求，設(shè)定光伏陣列的運(yùn)行條件為標(biāo)準(zhǔn)測試條件的80%，即光照強(qiáng)度為0.8 kW/m2、環(huán)境溫度為20 ℃、環(huán)境風(fēng)速設(shè)定為1m/s(光伏標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行溫度，normal operating cell temperature，NOCT)；Tcell,NOCT代表在當(dāng)前設(shè)定的運(yùn)行條件下光伏板的表層溫度，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)該值一般取45～48 ℃；ηmp,STC代表光伏板運(yùn)行在最大功率時(shí)的效率，通常假定光伏陣列始終運(yùn)行在最大功率，因此使用該點(diǎn)的效率值來代表光伏運(yùn)行效率；τ代表光伏陣列上遮蓋物的太陽能通過率;α代表光伏陣列的太陽能吸收率，指光伏陣列表面可以吸收太陽能的比例，這2個(gè)參量通常取默認(rèn)值，默認(rèn)均為90%[8-9]。

1.2 風(fēng)力發(fā)電建模

1.2.1 風(fēng)速概率模型

風(fēng)速數(shù)據(jù)可以用韋布爾概率密度分布函數(shù)進(jìn)行描述：

(3)

式中：c是尺度系數(shù)；k是形狀系數(shù)。

(4)

式中σ是長期標(biāo)準(zhǔn)差。

(5)

式中Γ(·)表示gamma函數(shù)[10]。

1.2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率主要和風(fēng)速有關(guān)，與風(fēng)速呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這個(gè)關(guān)系可以用風(fēng)機(jī)功率-風(fēng)速曲線來描述。這一曲線通過切入風(fēng)速Vin、切出風(fēng)速Vout、額定風(fēng)速Vr等參數(shù)來進(jìn)行描述。其中，切入風(fēng)速Vin表示能使風(fēng)機(jī)工作的最小風(fēng)速；切出風(fēng)速Vout表示保證風(fēng)機(jī)正常工作是所允許的最大風(fēng)速，當(dāng)實(shí)際風(fēng)速高于切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)將會(huì)停止工作；額定風(fēng)速Vr表示風(fēng)機(jī)額定功率對(duì)應(yīng)的風(fēng)速。當(dāng)風(fēng)速處于[Vin,Vout]時(shí)，功率-風(fēng)速曲線往往呈現(xiàn)出非線性的關(guān)系，可以通過插值法來擬合；當(dāng)風(fēng)速處于[Vr,Vout]時(shí)，風(fēng)機(jī)的出力均為風(fēng)機(jī)的額定功率。功率-風(fēng)速曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式1-6所示：

(6)

1.3 海島負(fù)荷概率模型

依據(jù)數(shù)據(jù)輸入類型的不同，有以下2種方法可以生成負(fù)荷數(shù)據(jù)[11-14]。

(1)生成的負(fù)荷數(shù)據(jù)能夠用瑞利分布來描述，概率分布函數(shù)最小值由輸入數(shù)據(jù)決定，形狀與韋布爾分布較為相似。

(7)

(2)利用給出的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行擾動(dòng)修正后得到負(fù)荷數(shù)據(jù)。其中輸入數(shù)據(jù)包含576個(gè)數(shù)據(jù)值，數(shù)據(jù)由24天的數(shù)據(jù)構(gòu)成，選取每月的1個(gè)工作日負(fù)荷和1個(gè)周六日負(fù)荷，將其24 h的負(fù)荷變化作為輸入。β為擾動(dòng)修正系數(shù)如下所示：

β=1+δd+δh

(8)

式中：δd為日擾動(dòng)修正系數(shù)；δh為時(shí)擾動(dòng)修正系數(shù)。其中日擾動(dòng)修正系數(shù)和時(shí)擾動(dòng)修正修正系數(shù)均服從正態(tài)分布，且其平均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差分別對(duì)應(yīng)等于輸入的“日噪聲值”和“時(shí)噪聲值”。

利用上述方法對(duì)輸入的8 760個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了所需的全年隨機(jī)負(fù)荷值。

2 含分布式電源的微電網(wǎng)網(wǎng)架設(shè)計(jì)

2.1 海島區(qū)塊面積分析

針對(duì)不同用地性質(zhì)類型進(jìn)行負(fù)荷密度指標(biāo)調(diào)研，并選取相應(yīng)的需用系數(shù)，負(fù)荷預(yù)測結(jié)果如表1所示。

表1 近期開發(fā)負(fù)荷需求預(yù)測Table 1 Recent load demand forecast

海島近期開發(fā)區(qū)域?yàn)門1、T2、T3，總負(fù)荷為5.9 MW，備用發(fā)電機(jī)組容量根據(jù)電源的接法來確定。電源接法分為發(fā)電機(jī)組在T1、T2、T3區(qū)域分區(qū)塊集中發(fā)電上網(wǎng)和所有發(fā)電機(jī)組全部在T1區(qū)塊集中發(fā)電上網(wǎng)。

發(fā)電機(jī)組在T1、T2、T3區(qū)域分區(qū)塊集中發(fā)電上網(wǎng)如方案一(多分段的供電結(jié)構(gòu))、方案二(多分段且環(huán)網(wǎng)的供電結(jié)構(gòu))所述；所有發(fā)電機(jī)組全部在T1區(qū)塊集中發(fā)電上網(wǎng)如方案三(單輻射型供電結(jié)構(gòu))、方案四(單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu))所述。

2.2 微電網(wǎng)網(wǎng)架方案設(shè)計(jì)

2.2.1 分區(qū)塊集中發(fā)電上網(wǎng)

(1) 方案一：多分段的供電結(jié)構(gòu)。在區(qū)域T1、T2、T3內(nèi)建設(shè)10 kV線路，形成多分段的供電結(jié)構(gòu)，各區(qū)域內(nèi)發(fā)電機(jī)組采用分區(qū)塊集中發(fā)電上網(wǎng)模式，將電能升壓并傳送至10 kV線路，再由10 kV線路進(jìn)行電能的輸送和分配。各區(qū)域各自配1臺(tái)1 MW的柴油發(fā)電機(jī)作為備用。10 kV配電網(wǎng)地理接線及發(fā)電機(jī)組布置圖(方案一)如圖1所示，其中紅色虛線為10 kV線路。近期10 kV配電網(wǎng)拓?fù)鋱D(方案一)如圖2所示。

圖1 10 kV配電網(wǎng)地理接線及發(fā)電機(jī)組布置圖(方案一)Fig.1 10 kV distribution network geographical wiring and generator set layout (scheme one)

圖2 方案一配電網(wǎng)拓?fù)鋱DFig.2 Distribution network topology of scheme one

(2) 方案二：多分段且環(huán)網(wǎng)的供電結(jié)構(gòu)。近期在區(qū)域T1、T2、T3內(nèi)建設(shè)10 kV線路，形成多分段且環(huán)網(wǎng)的供電結(jié)構(gòu)，平時(shí)開環(huán)運(yùn)行(H4和H5一閉一合)，各區(qū)域內(nèi)發(fā)電機(jī)組采用分區(qū)塊集中發(fā)電上網(wǎng)模式，將電能升壓并傳送至10 kV線路，再由10 kV線路進(jìn)行電能的輸送和分配。近期10 kV配電網(wǎng)地理接線及發(fā)電機(jī)組布置圖(方案二)如圖3所示，其中紅色虛線為10 kV線路。近期10 kV配電網(wǎng)拓?fù)鋱D(方案二)如圖4所示。

圖3 近期10 kV配電網(wǎng)地理接線及發(fā)電機(jī)組布置圖(方案二)Fig.3 10 kV distribution network geographical wiring and generator set layout(scheme two)

圖4 方案二配電網(wǎng)拓?fù)鋱DFig.4 Distribution network topology of scheme two

2.2.2 集中發(fā)電上網(wǎng)

(1) 方案三：單輻射型供電結(jié)構(gòu)。近期在區(qū)域T1、T2、T3內(nèi)建設(shè)10 kV線路，形成單輻射型供電結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)組采用在T1區(qū)塊集中發(fā)電上網(wǎng)模式，將電能升壓并傳送至10 kV線路，再由10 kV線路進(jìn)行電能的輸送和分配。近期10 kV配電網(wǎng)地理接線及發(fā)電機(jī)組布置圖(方案三)如圖5所示，其中紅色虛線為10 kV線路，紅色實(shí)線為10 kV母線。近期10 kV配電網(wǎng)拓?fù)鋱D(方案三)如圖6所示。

圖5 近期10 kV配電網(wǎng)地理接線及發(fā)電機(jī)組布置圖(方案三)Fig.5 10 kV distribution network geographical wiring and generator set layout (scheme three)

圖6 方案三配電網(wǎng)拓?fù)鋱DFig.6 Distribution network topology of scheme three

(2) 方案四：單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。近期在區(qū)域T1、T2、T3內(nèi)建設(shè)10 kV線路，形成“2-1”單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)組采用在T1區(qū)塊集中發(fā)電上網(wǎng)模式，將電能升壓并傳送至10 kV線路，再由10 kV線路進(jìn)行電能的輸送和分配。一般采用開環(huán)運(yùn)行方式(即一般情況下H3、H4是一閉一合的)。近期10 kV配電網(wǎng)地理接線及發(fā)電機(jī)組布置圖(方案四)如圖7所示，其中紅色虛線為10 kV線路，紅色實(shí)線為10 kV母線。近期10 kV配電網(wǎng)拓?fù)鋱D(方案四)如圖8所示。

圖7 近期10 kV配電網(wǎng)地理接線及發(fā)電機(jī)組布置圖(方案四)Fig.7 10 kV distribution network geographical wiring and generator set layout (scheme four)

圖8 方案四配電網(wǎng)拓?fù)鋱DFig.8 Distribution network topology of scheme four

3 各方案電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模及投資估算

本次電網(wǎng)建設(shè)投資估算參照“海南電網(wǎng)公司‘十三五’配電網(wǎng)規(guī)劃投資估算單位造價(jià)指標(biāo)”進(jìn)行投資估算。根據(jù)4個(gè)電網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行建設(shè)規(guī)劃測算，其中10 kV線路長度在各方案地理接線圖測量長度的基礎(chǔ)上均考慮20%裕度；每臺(tái)配變規(guī)劃出低壓線4回，每回低壓線長度不超過400 m。各方案建設(shè)規(guī)模及投資估算對(duì)比如表2所示。

4 結(jié)論

從電網(wǎng)可靠性、運(yùn)行穩(wěn)定性、電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性、可拓展性等方面對(duì)比分析本文所提4種方案。方案一與方案三能夠?qū)崿F(xiàn)電源的“N-1”； 無法滿足10 kV線路的“N-1”，但能夠隔離10 kV線路故障段，縮小停電范圍。單回分段式電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，供電可靠性較低。方案二與方案四能夠?qū)崿F(xiàn)電源的“N-1”，與此同時(shí)10 kV網(wǎng)架可以滿足線路“N-1”。分段且環(huán)網(wǎng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，供電可靠性較高。

從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，方案一和方案三投資較少，方案二和方案四由于增加了分段和聯(lián)絡(luò)設(shè)備，投資金額較大，同時(shí)較大程度地提高了海島用戶的供電連續(xù)性和穩(wěn)定性。

方案一與方案三網(wǎng)架簡易，可拓展空間大，但容易造成電網(wǎng)重復(fù)建設(shè)，投資浪費(fèi)。而方案二與方案四采用的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)與未來整體電網(wǎng)建設(shè)契合度高，網(wǎng)架規(guī)劃一步到位，避免重復(fù)建設(shè)。

受島上地形限制，不能很好滿足大容量光伏電源、風(fēng)電以及其他新能源集中配置的要求，因此本項(xiàng)目近期網(wǎng)架建設(shè)采用分區(qū)塊集中發(fā)電的多分段環(huán)網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)，能夠較好滿足經(jīng)濟(jì)性、可靠性與可拓展性。

表2 各方案建設(shè)規(guī)模及投資對(duì)比Table 2 Construction scale and investment comparison of each program