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)海洋強國現(xiàn)已成為我國國家層面的重大戰(zhàn)略。黨的十八大報告提出，我國應(yīng)“提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經(jīng)濟，保護生態(tài)環(huán)境，堅決維護國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強國”。建設(shè)海洋強國需要大力發(fā)展海島經(jīng)濟，而海島經(jīng)濟開發(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，項目完工周期長、耗資大等特點。因此在對包含分布式電源、儲能裝置、保護裝置的海島微電網(wǎng)進行規(guī)劃設(shè)計時，需要綜合考慮分布式電源以及儲能的特點。微電網(wǎng)的電網(wǎng)設(shè)計方案需要將電網(wǎng)的建設(shè)成本和運行維護成本以及電網(wǎng)的運行效率進行綜合多目標規(guī)劃及優(yōu)化。目前，在進行電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計的過程中，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)的運行效率，實現(xiàn)其經(jīng)濟性，還可以減少前期建設(shè)成本，降低運行費用，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)速概率模型和負荷概率模型，對含含分布式電源的孤島微電網(wǎng)進行網(wǎng)架設(shè)計。

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度、系統(tǒng)的運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)，代表光伏在當前環(huán)境下的實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)計容量，kW;IT代表當前環(huán)境的光照強度，kW/m2；αp表示當前溫度的功率修正系數(shù)，%/℃；根據(jù)設(shè)計要求，在無風(fēng)環(huán)境下，光伏板的標準測試條件(standard test conditions，STC)為光照強度1 kW/m2，光伏電池溫度25 ℃；由于光伏板周圍環(huán)境溫度對光伏板的運行效率近似成反比，隨著環(huán)境溫度的升高，光伏陣列的運行效率會隨之下降[7]。光伏電池溫度變化Tcell可以通過下式進行表示。

(2)

式中：Ta表示光伏板運行時的環(huán)境溫度，℃；按照當前設(shè)計需求，設(shè)定光伏陣列的運行條件為標準測試條件的80%，即光照強度為0.8 kW/m2、環(huán)境溫度為20 ℃、環(huán)境風(fēng)速設(shè)定為1m/s(光伏標準運行溫度，normal operating cell temperature，NOCT)；Tcell,NOCT代表在當前設(shè)定的運行條件下光伏板的表層溫度，根據(jù)運行經(jīng)驗該值一般取45～48 ℃；ηmp,STC代表光伏板運行在最大功率時的效率，通常假定光伏陣列始終運行在最大功率，因此使用該點的效率值來代表光伏運行效率；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個參量通常取默認值，默認均為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是長期標準差。

(5)

式中Γ(·)表示gamma函數(shù)[10]。

1.2.2 風(fēng)力發(fā)電機模型

風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率主要和風(fēng)速有關(guān)，與風(fēng)速呈現(xiàn)出對應(yīng)的關(guān)系，這個關(guān)系可以用風(fēng)機功率-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)來進行描述。其中，切入風(fēng)速Vin表示能使風(fēng)機工作的最小風(fēng)速；切出風(fēng)速Vout表示保證風(fēng)機正常工作是所允許的最大風(fēng)速，當實際風(fēng)速高于切出風(fēng)速時，風(fēng)機將會停止工作；額定風(fēng)速Vr表示風(fēng)機額定功率對應(yīng)的風(fēng)速。當風(fēng)速處于[Vin,Vout]時，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；當風(fēng)速處于[Vr,Vout]時，風(fēng)機的出力均為風(fēng)機的額定功率。功率-風(fēng)速曲線的數(shù)學(xué)表達式如式1-6所示：

(6)

1.3 海島負荷概率模型

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

(1)生成的負荷數(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)進行擾動修正后得到負荷數(shù)據(jù)。其中輸入數(shù)據(jù)包含576個數(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個工作日負荷和1個周六日負荷，將其24 h的負荷變化作為輸入。β為擾動修正系數(shù)如下所示：

β=1+δd+δh

(8)

式中：δd為日擾動修正系數(shù)；δh為時擾動修正系數(shù)。其中日擾動修正系數(shù)和時擾動修正修正系數(shù)均服從正態(tài)分布，且其平均值為0，標準差分別對應(yīng)等于輸入的“日噪聲值”和“時噪聲值”。

利用上述方法對輸入的8 760個數(shù)據(jù)進行處理，得到了所需的全年隨機負荷值。

2 含分布式電源的微電網(wǎng)網(wǎng)架設(shè)計

2.1 海島區(qū)塊面積分析

針對不同用地性質(zhì)類型進行負荷密度指標調(diào)研，并選取相應(yīng)的需用系數(shù)，負荷預(yù)測結(jié)果如表1所示。

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

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

發(fā)電機組在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

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線路進行電能的輸送和分配。各區(qū)域各自配1臺1 MW的柴油發(fā)電機作為備用。10 kV配電網(wǎng)地理接線及發(fā)電機組布置圖(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)拓撲圖(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)拓撲圖Fig.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)，平時開環(huán)運行(H4和H5一閉一合)，各區(qū)域內(nèi)發(fā)電機組采用分區(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)拓撲圖(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)拓撲圖Fig.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，紅色實線為10 kV母線。近期10 kV配電網(wǎng)拓撲圖(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)拓撲圖Fig.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線路進行電能的輸送和分配。一般采用開環(huán)運行方式(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，紅色實線為10 kV母線。近期10 kV配電網(wǎng)拓撲圖(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)拓撲圖Fig.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指標”進行投資估算。根據(jù)4個電網(wǎng)規(guī)劃方案進行建設(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)模及投資估算對比如表2所示。

4 結(jié)論

從電網(wǎng)可靠性、運行穩(wěn)定性、電網(wǎng)經(jīng)濟性、可拓展性等方面對比分析本文所提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。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)濟性、可靠性與可拓展性。

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