任巖　喬若宇　趙訓(xùn)新

關(guān)鍵詞：風(fēng)電一抽蓄互補(bǔ)系統(tǒng);農(nóng)業(yè)微電網(wǎng);系統(tǒng)構(gòu)建;特性分析

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，灌排工程作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，不僅能極大促進(jìn)農(nóng)田發(fā)展，而且是保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。幾千年來(lái)，我國(guó)農(nóng)耕者都是通過(guò)土渠將水從水源輸送到田間地頭進(jìn)行灌溉。這樣不僅浪費(fèi)了人力物力，且有大量的灌溉用水在輸送過(guò)程中被浪費(fèi)。我國(guó)現(xiàn)有灌溉渠道水利用系數(shù)很低，通常為0.3～0.5，造成了水資源的極大浪費(fèi)。因此，灌溉水輸送過(guò)程中的節(jié)水潛力很大。節(jié)水灌溉技術(shù)是比傳統(tǒng)灌溉技術(shù)明顯高效和節(jié)約用水的灌溉方法、措施和制度等的總稱。我國(guó)發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)的進(jìn)程幾乎與我國(guó)近代灌溉歷史同步，因?yàn)橹灰喔染蛻?yīng)當(dāng)首先考慮節(jié)水。近些年，盡管越來(lái)越多的新技術(shù)、各種各樣的灌溉設(shè)備運(yùn)用在農(nóng)田灌溉中，但我國(guó)很大一部分地區(qū)仍采用漫灌的方式進(jìn)行農(nóng)田灌溉，主要原因在于這些偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)村農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)村電氣化程度不高，仍有很大提升空間。

一、風(fēng)力發(fā)電及抽水蓄能特性分析

（一）風(fēng)力發(fā)電特性分析

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)比例在全世界范圍內(nèi)正飛速地增長(zhǎng)（見(jiàn)圖1）。截至2020年，全世界范圍內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)量達(dá)到731.28GW，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)量達(dá)到281.99GW，較2010年有數(shù)倍提升。風(fēng)力發(fā)電量一直在穩(wěn)步增長(zhǎng)，這直接將風(fēng)力發(fā)電技術(shù)推向了更具競(jìng)爭(zhēng)力的領(lǐng)域。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由承載機(jī)艙的機(jī)塔、轉(zhuǎn)子葉片和輪轂組成的轉(zhuǎn)子組成。絕大多數(shù)現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有三個(gè)轉(zhuǎn)子葉片，通常位于塔架和機(jī)艙的上風(fēng)向。機(jī)艙外部通常配備風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向儀，以測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向以及航空燈。機(jī)艙包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，如齒輪箱、機(jī)械制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)等。風(fēng)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換是通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)完成的，可用功率取決于風(fēng)速，因此，在較高風(fēng)速下應(yīng)控制和限制功率以避免損壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)。功率限制可以通過(guò)失速控制（葉片位置固定，但在較高風(fēng)速下沿葉片出現(xiàn)風(fēng)失速）或主動(dòng)失速（調(diào)整葉片角度，以沿葉片產(chǎn)生失速）或俯仰控制來(lái)完成（葉片在更高的風(fēng)速下轉(zhuǎn)出風(fēng)）。

風(fēng)力發(fā)電具有清潔、可再生等優(yōu)點(diǎn)，但由于風(fēng)資源的隨機(jī)性、間歇性，風(fēng)力發(fā)電的電能質(zhì)量會(huì)受到一定影響，因此，應(yīng)該尋求經(jīng)濟(jì)有效的方式來(lái)儲(chǔ)存電能，減少棄風(fēng)率。

（二）抽水蓄能特性分析

由于全球變暖和溫室氣體排放過(guò)多，可再生能源發(fā)電量的增加是全球趨勢(shì)。在時(shí)間尺度上，可再生能源發(fā)電容易受到自然變化和一次性能源的季節(jié)性影響，在空間尺度上，可再生能源發(fā)電也受到極大的地域限制。例如，風(fēng)能取決于風(fēng)速，海洋能取決于潮位、波浪和洋流的振蕩，太陽(yáng)能取決于太陽(yáng)輻射，水能取決于水流的流量等。因此，可再生能源的產(chǎn)生具有隨機(jī)性，在某些情況下是間歇性的，并且時(shí)常與能源需求不同步，這可能導(dǎo)致電力供需不匹配。從以上分析可知，只有水力發(fā)電可以通過(guò)當(dāng)前的成熟技術(shù)使用水壩和水庫(kù)大規(guī)模儲(chǔ)存，從而使電力供應(yīng)適應(yīng)市場(chǎng)需求。水力發(fā)電水庫(kù)可用于儲(chǔ)存其他可再生和間歇性能源產(chǎn)生的能量，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

儲(chǔ)能是發(fā)展新型電力系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)，而抽水蓄能是目前最成熟、效率最高的儲(chǔ)能技術(shù)。到2035年我國(guó)抽水蓄能裝機(jī)規(guī)模將增加到300GW，而截止2021年6月底，我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)容量?jī)H為32.14GW，這意味著未來(lái)15年我國(guó)抽水蓄能裝機(jī)將有近10倍增長(zhǎng)空間。通過(guò)抽水將水儲(chǔ)存在上部水庫(kù)中，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間使用、產(chǎn)生能量的水力發(fā)電廠稱為抽水蓄能電站。抽水蓄能電站主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)以及廠房組成，其中可逆式水泵水輪機(jī)作為其核心部件，通過(guò)工況轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)抽水及發(fā)電功能。

電能可以轉(zhuǎn)換成多種形式的能源進(jìn)行存儲(chǔ)，如水庫(kù)的重力勢(shì)能、壓縮空氣、電池和流動(dòng)電池中的電化學(xué)能量、燃料電池中的化學(xué)能、葉輪中的動(dòng)能、電感器中的磁場(chǎng)、電容中的電場(chǎng)等。比較其他儲(chǔ)能方式，抽水蓄能電站技術(shù)成熟，具有啟動(dòng)靈活、爬坡卸荷速度快、調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相等優(yōu)點(diǎn)，可以很好地緩解風(fēng)電等分布式能源給電力系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響。

二、風(fēng)電一抽水蓄能農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)簡(jiǎn)介

作為一種清潔和可再生的發(fā)電方式，風(fēng)力發(fā)電因其環(huán)境效益好、基建周期短、裝機(jī)規(guī)模靈活而得到迅速發(fā)展。但風(fēng)力發(fā)電的波動(dòng)導(dǎo)致電力系統(tǒng)凈負(fù)荷波動(dòng)加劇，供需不平衡，缺乏靈活性。目前，穩(wěn)定波動(dòng)的最有效的方法之一是在系統(tǒng)中分配儲(chǔ)能。考慮到農(nóng)村地區(qū)地理環(huán)境的特殊性和水資源的豐富性，抽水蓄能是解決農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)波動(dòng)問(wèn)題的一種新興技術(shù)。與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，抽水蓄能裝置具有啟動(dòng)快、響應(yīng)快、削峰填谷作用突出的特點(diǎn)，在調(diào)峰、調(diào)頻方面發(fā)揮著重要作用，能夠有效彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電難以克服的波動(dòng)性、間歇性、隨機(jī)性等問(wèn)題，協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)能源的時(shí)空分布。

微電網(wǎng)是由負(fù)荷和分布式能源發(fā)電組成的具有不同無(wú)功控制策略的有功配電網(wǎng)，可并網(wǎng)或單機(jī)運(yùn)行。由于投資和維護(hù)成本高，無(wú)法為電網(wǎng)擴(kuò)建和偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)供電提供足夠的支持，電力短缺給灌溉系統(tǒng)供電帶來(lái)了困難，這對(duì)我國(guó)主要的創(chuàng)收部門(mén)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了負(fù)面影響。而農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)風(fēng)資源豐富，應(yīng)構(gòu)建風(fēng)電-抽水蓄能農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)模型來(lái)進(jìn)行能源管理。

農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)可以有效地整合多樣化和分散的分布式能源資源，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池和儲(chǔ)能系統(tǒng)，以提高能源利用效率，緩解偏遠(yuǎn)地區(qū)的電力短缺問(wèn)題。同時(shí)，在北方缺水地區(qū)，抽水蓄能電站除了調(diào)峰、調(diào)頻外，還可以承擔(dān)周邊部分地區(qū)灌溉的任務(wù)。本文提出的一種農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)，使得其中的抽水蓄能裝置、灌溉系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電裝置聯(lián)合運(yùn)行。該微電網(wǎng)是一個(gè)連接到上游電網(wǎng)的農(nóng)業(yè)綜合體，該綜合體包含一個(gè)農(nóng)場(chǎng)，每天都需要用水灌溉;灌溉系統(tǒng)包含兩個(gè)存在高度差的水庫(kù)，這些水庫(kù)同時(shí)被作為抽水蓄能裝置的水庫(kù)。微電網(wǎng)包含不同的電力負(fù)荷，如灌溉系統(tǒng)、照明和其他小型負(fù)荷，并連接到上游電網(wǎng)，用來(lái)自上游電網(wǎng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電力供應(yīng)負(fù)荷。

三、風(fēng)電-抽水蓄能農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)模型構(gòu)建

農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)抽水蓄能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、電力負(fù)荷和上、下兩個(gè)水庫(kù)組成。其中，上層水庫(kù)與河流相連，而下層水庫(kù)則與灌溉系統(tǒng)相連。在用電低谷時(shí)期，從下層水庫(kù)抽水，將微電網(wǎng)內(nèi)多余的電量以勢(shì)能的形式儲(chǔ)存;在用電高峰時(shí)期，儲(chǔ)存在上層水庫(kù)的水通過(guò)水泵水輪機(jī)釋放到下層水庫(kù)中，用于發(fā)電供給負(fù)荷。農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)中，用電設(shè)備包括電力負(fù)荷、水泵水輪機(jī)（在低電價(jià)時(shí)期抽水）和灌溉系統(tǒng)。發(fā)電設(shè)備包括抽水蓄能裝置和風(fēng)力發(fā)電裝置。此外，當(dāng)農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)產(chǎn)生的電力不足或過(guò)剩時(shí)，它可以與上游網(wǎng)絡(luò)交換電力。這樣在保證了棄風(fēng)量最小的情況下最大限度地利用了能源，一是緩解當(dāng)前能源緊缺的現(xiàn)狀，在保證農(nóng)場(chǎng)自身灌溉、照明等用電需求的同時(shí)，為農(nóng)場(chǎng)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益;二是抽水蓄能裝置中的水泵水輪機(jī)在水泵工況下可以起到對(duì)農(nóng)場(chǎng)提水灌溉的作用。農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

（一）抽水蓄能系統(tǒng)

抽水蓄能系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)中起著至關(guān)重要的作用，接入農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)后，其主要功能是通過(guò)水輪機(jī)及水泵工況間的切換，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻、能量存儲(chǔ)及發(fā)電功能。同時(shí)，在農(nóng)場(chǎng)有灌溉任務(wù)時(shí)，水泵水輪機(jī)切換至水泵工況，可以充當(dāng)灌溉用泵，無(wú)需另外安裝灌溉用泵。在進(jìn)行抽水蓄能裝置選型時(shí)，應(yīng)綜合考慮水庫(kù)庫(kù)容、灌溉時(shí)的揚(yáng)程需求以及風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量等，并將其接入農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰調(diào)頻、發(fā)電、抽水灌溉等功能。

（二）風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)中是供應(yīng)電力負(fù)荷的主力軍，當(dāng)風(fēng)資源充足、風(fēng)力發(fā)電量足夠大時(shí)，在足以滿足農(nóng)場(chǎng)內(nèi)所有用電負(fù)荷的情況下，利用富余的電能可以通過(guò)抽水蓄能系統(tǒng)將水抽至上庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電-抽儲(chǔ)互補(bǔ)。同時(shí)，在高電價(jià)時(shí)段，微電網(wǎng)可以向市場(chǎng)出售剩余電力，以實(shí)現(xiàn)最小化成本運(yùn)行微電網(wǎng)及實(shí)現(xiàn)電力交換。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在微電網(wǎng)內(nèi)的主要功能是發(fā)電，以滿足農(nóng)場(chǎng)內(nèi)各種負(fù)荷需求。風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的選擇，應(yīng)根據(jù)農(nóng)場(chǎng)內(nèi)負(fù)荷大小、當(dāng)?shù)仫L(fēng)資源情況等因素確定。

（三）灌溉系統(tǒng)

傳統(tǒng)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(nóng)田水利基本建設(shè)的工作量。而采用噴灌、滴灌等科學(xué)節(jié)水灌溉方式后，土地基本不需平整，種地實(shí)現(xiàn)了“三無(wú)”，即無(wú)渠、無(wú)溝、無(wú)埂，大大減輕了水利建設(shè)的工作量。同時(shí)，可以將灌溉系統(tǒng)和抽水蓄能系統(tǒng)相耦合，安裝灌溉用的高壓輸水管道，在有灌溉需求時(shí)作為水泵使用，進(jìn)行引水灌溉。當(dāng)雨水充沛甚至發(fā)生洪澇災(zāi)害、農(nóng)田內(nèi)的積水無(wú)法迅速排出時(shí)，可以利用水泵水輪機(jī)將多余積水抽出，一方面減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失，另一方面排出的水可以儲(chǔ)存在水庫(kù)中減少浪費(fèi)，有力促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向機(jī)械化、產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化方向發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及抽水蓄能系統(tǒng)的特性分析，結(jié)合當(dāng)前我國(guó)農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)現(xiàn)狀，考慮到風(fēng)力發(fā)電的不確定性以及電力系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)在供應(yīng)電力負(fù)荷、用水負(fù)荷方面的耦合特性，將分布式能源進(jìn)行整合，提出了一種一體化農(nóng)業(yè)微電網(wǎng)調(diào)度模型，以提高能源利用率，緩解偏遠(yuǎn)地區(qū)電力短缺問(wèn)題，促進(jìn)電力消費(fèi)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高農(nóng)村電氣化程度。

作者簡(jiǎn)介：任巖（1979-），女，河南南陽(yáng)人，博士，副教授，研究方向：多能互補(bǔ)、水力機(jī)械及系統(tǒng);喬若宇（1998-），男，河南南陽(yáng)人，碩士在讀，研究方向：多能互補(bǔ)。

（責(zé)任編輯 曹雯梅）