嚴(yán)宇航

（國網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏靈武 750411）

引言

為貫徹落實國家“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略，高效支撐綠色發(fā)展，緊密服務(wù)農(nóng)村更加美麗宜居，農(nóng)民生活更加富裕的發(fā)展目標(biāo)，近幾年，寧夏各地政府大力支持荒地開墾種植經(jīng)濟作物及農(nóng)牧業(yè)發(fā)展。農(nóng)村地區(qū)土地資源廣，返鄉(xiāng)務(wù)農(nóng)人員逐年增加，荒地開墾面積逐年擴大，農(nóng)牧業(yè)發(fā)展較為迅速，機械化作業(yè)程度不斷提升，對電能質(zhì)量要求逐步提高。

寧夏各地國家級自然保護區(qū)、水源地保護區(qū)以及文物保護區(qū)分布較廣，黨的十八大以來，國家大力推進生態(tài)文明建設(shè)，生態(tài)保護紅線內(nèi)建設(shè)項目的相關(guān)手續(xù)很難辦理，電網(wǎng)建設(shè)環(huán)境日益嚴(yán)峻，保護區(qū)內(nèi)電網(wǎng)存在線路老化、供電半徑過長、末端電壓較低、電能質(zhì)量較差，不能滿足人民群眾的生產(chǎn)和生活用電需求等問題，新建變電站及線路因需穿越保護區(qū)而無法有效落地實施解決以上問題。因此，開拓解決農(nóng)村地區(qū)電能質(zhì)量問題的新思路是電網(wǎng)企業(yè)面臨的新問題。通過建設(shè)光儲微電網(wǎng)一體化供能系統(tǒng)，能有效避免線路跨越保護區(qū)問題，助力打造清潔、低碳、高效的用電示范工程[1]，實現(xiàn)保護區(qū)內(nèi)人與自然的和諧發(fā)展。

1 資源稟賦分析

1.1 太陽能資源

從能源總量來看，該地區(qū)的年平均日照小時數(shù)達到3300 h/y，可利用光照時間較多。年均總輻射量達到1600 kWh/m2，能源密度較高，利于控制建設(shè)規(guī)模。整體上來看，該地區(qū)太陽能資源比較豐富。

1.2 該區(qū)域光伏發(fā)電數(shù)據(jù)分析

通過調(diào)研，獲得該地區(qū)附近某光伏電站的年出力數(shù)據(jù)，由于此光伏電站與該地區(qū)位置非常接近，分析可得該地區(qū)光伏發(fā)電特征如下：

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。

2 負(fù)荷特征分析

2.1 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)，是負(fù)荷高峰期，11月到次年4月為非高峰季節(jié)。

該地區(qū)負(fù)荷中心由某35 kV變電站10 kVⅠ線和10 kVⅡ線供電，通過調(diào)研這兩條線的負(fù)荷，可以看出每年5～10月份排灌高峰期用電負(fù)荷最大，11～4月份非排灌高峰期用電負(fù)荷較小。具體負(fù)荷情況見表1。

表1 該地區(qū)重點線路年用電量

2.2 日負(fù)荷特性分析

10 kVⅠ線和10 kVⅡ線典型日負(fù)荷曲線分別如圖1，2所示。由圖可知，在生產(chǎn)旺季，日間和夜間用電負(fù)荷分別達到1 MW和2 MW以上，呈現(xiàn)持續(xù)用電的特征，需要電網(wǎng)全天地持續(xù)供電。同時，日間最高負(fù)荷大約是夜間負(fù)荷的兩倍，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)荷快速增長的趨勢。

圖1 典型日10 kVⅠ線時序負(fù)荷

圖2 典型日10 kVⅡ線線時序負(fù)荷

3 低電壓原因分析

3.1 三相不平衡

根據(jù)調(diào)研反饋，10 kVⅠ線和10 kVⅡ線在負(fù)荷高峰期通過負(fù)荷調(diào)整，基本實現(xiàn)負(fù)荷在三相間的均衡，尚不存在影響電壓跌落的情況。

3.2 線路過長，供電半徑過大

根據(jù)調(diào)研，10 kVⅠ線全長119.93 km，其中主干線長5.71 km，各分支線長114.22 km，最遠(yuǎn)供電線路供電半徑為21.53 km；10 kVⅡ線全長70 km，其中主干線長5.66 km，各分支線長69.78 km，最遠(yuǎn)供電線路供電半徑為30.4 km。兩條線路均存在10 kV主線過長，支線供電半徑過長的問題。由此可見供電半徑過長是線路末端低電壓的主要原因。

3.3 灌溉季節(jié)異步電機較多，缺乏無功補償

在電力系統(tǒng)中，無功功率為電力網(wǎng)絡(luò)及各種電力設(shè)備提供勵磁，主要為變壓器和感應(yīng)電動機提供勵磁電流。無功功率來源主要有發(fā)電機、高壓輸電線路、大型同步電動機和補償裝置。該地區(qū)10 kVⅠ線和10 kVⅡ線兩條線路的主要負(fù)荷包括灌溉電機等動力設(shè)備，需要無功功率。每年夏秋灌溉季節(jié)，系統(tǒng)中動力設(shè)備同時率較高，需要大量無功功率，如未能得到補償，則會造成線路整體電壓下降，加重末端電壓過低的問題。從調(diào)研了解到的情況來看，當(dāng)?shù)氐钠骄β室驍?shù)在0.8左右，有時會降到0.7以下，線路末端無功補償缺乏是造成線路末端低電壓問題的主要原因之一。

綜上所述，造成線路末端低電壓的原因有兩個：一是線路過長、供電半徑過大，是造成電壓損失的主要原因；二是線路負(fù)荷主要包括異步電機水泵等，排灌季節(jié)同時率較高，導(dǎo)致功率因數(shù)降低，無功需求增加，線路功率傳輸過大。

4 微電網(wǎng)配置方案

4.1 光儲系統(tǒng)主要約束

4.1.1 容量約束[1,2]

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。

4.1.2 可再生能源裝機比例約束

受到環(huán)保政策的限制，微電網(wǎng)新能源發(fā)電的裝機容量需達到一定比例值[2]。結(jié)合微電網(wǎng)的地理位置考慮各類分布式電源的占地面積以及可再生自然資源儲藏量等多種因素，需要對分布式電源裝機容量的上限加以限制。

4.1.3 供電可靠性約束

光伏系統(tǒng)應(yīng)保證示范區(qū)域內(nèi)負(fù)荷供給的可靠性，保證末端負(fù)荷的有效支撐。

4.1.4 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。

4.1.5 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)。

4.1.6 儲能電池充放電約束

儲能電池是微電網(wǎng)中的核心裝置，配置成本一般較高[3]，儲能電池自身的充放電特性在規(guī)劃時應(yīng)予以考慮，避免頻繁充放電對儲能電池本身的損害。

4.2 光儲系統(tǒng)規(guī)劃方案

通過統(tǒng)計2019年灌溉期（5到10月）10 kVⅠ線和10 kVⅡ線最大負(fù)荷出現(xiàn)的頻率、電壓日曲線、日負(fù)荷曲線等可看出用電高峰集中在兩個時段，一個是白天7點到9點，另一個是傍晚18點到晚20點，結(jié)合線路末端目標(biāo)電壓值，經(jīng)過計算，基本確定儲能與光伏的建設(shè)容量為3 MW。因此，光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)配置3 MWp光伏，1 MW/4 MWh儲能，2 MvarSVG，可達到10 kVⅠ線和10 kVⅡ線末端電壓符合國家關(guān)于配電網(wǎng)電壓偏差（7%）的要求。

通過分析可知，當(dāng)光伏發(fā)電曲線與負(fù)荷曲線在同一坐標(biāo)系時，白天光伏給儲能充電電量約為2.34 MWh，早高峰時儲能放電約1.822 MWh，晚高峰放電約2.333 MWh，總計放電約4 MWh，能夠滿足要求。低谷充電功率為0.2 MW，能夠滿足變壓器的運行條件。

4.3 光儲系統(tǒng)接入方案

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研及負(fù)荷分析，初步確定微電網(wǎng)可接入位置為10 kVⅠ線線路末端負(fù)荷中心處，采用分布式光伏進行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、3000 kVA變壓器升壓并入10 kV，同時配置SVG保證電能質(zhì)量。

儲能方案采用預(yù)制艙，24個164.8 kWh電池柜分為兩組，分別匯流后接至兩臺500 kW的儲能變流器并接入低壓交流母線，再經(jīng)1250 kVA變壓器匯入10 kV電網(wǎng)。

4.4 微電網(wǎng)運行策略

通過分析可知，該區(qū)域內(nèi)負(fù)荷的年度變化特征明顯，每年5～10月負(fù)荷較重，其他月份負(fù)荷明顯變小，因此微電網(wǎng)年際運行策略如下[4‐6]：

（1）由于光伏發(fā)電量與負(fù)荷年際變化呈正相關(guān)趨勢，微電網(wǎng)在每年負(fù)荷旺季（5～10月）重點運行，此時光伏發(fā)電功率較大，可以滿足負(fù)荷需求；

（2）微電網(wǎng)在每年負(fù)荷淡季（11～4月）可以退出運行，依靠現(xiàn)有10 kV線路滿足負(fù)荷需求；

（3）運行期間，需要通過監(jiān)控系統(tǒng)對運行狀態(tài)監(jiān)測，同時需運檢人員進行系統(tǒng)維護。

根據(jù)該區(qū)域負(fù)荷的日間特性，應(yīng)重點滿足用電高峰集中的兩個時段，一個是白天7點到9點，另一個是傍晚18點到晚20點。微電網(wǎng)系統(tǒng)日間充放電策略為：

充電場景：

（1）光伏的發(fā)電高峰出現(xiàn)在12點附近，若此時負(fù)荷水平不高，光伏剩余電量存至儲能，儲能應(yīng)以滿足傍晚18～20點削峰需求量為宜；

（2）該區(qū)域夜間負(fù)荷約為日間負(fù)荷的60%，儲能可以利用夜間系統(tǒng)負(fù)荷小的時段充電，儲能應(yīng)盡量充滿，以備兩個高峰負(fù)荷需求。

放電場景：

（1）白天7到9點光伏發(fā)電功率較低，儲能需放電，放電主要來源于前日夜間低谷充電，放電深度以削峰為主要目標(biāo)，并適當(dāng)留有余量；

（2）在晚18到20點負(fù)荷高峰放電，放電主要來源于夜間低谷充電和日間光伏儲能，可加大放電深度，運行至較低SOC水平。

5 結(jié)束語

近年來，我國儲能技術(shù)應(yīng)用快速發(fā)展，已在電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)得到示范應(yīng)用，本研究的光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)旨在解決新建線路因跨越自然保護區(qū)等無法解決農(nóng)網(wǎng)線路供電半徑過長、末端電壓低、電能質(zhì)量差等相關(guān)問題，為解決農(nóng)村地區(qū)電能質(zhì)量問題提供了新思路和新方案。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，可以改善線路潮流，降低網(wǎng)供負(fù)荷量，減小線路壓降，提升線路末端電壓水平，并且可以有效解決當(dāng)?shù)刎?fù)荷需求，提高供電質(zhì)量，服務(wù)“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略，高效支撐綠色發(fā)展，助力農(nóng)村更加美麗宜居，農(nóng)民生活更加富裕的發(fā)展目標(biāo)。