鄭 義,林瑤瑤,王潔麗

（1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)優(yōu)化研發(fā)中心,北京 100080）

0 引言

中國(guó)“走出去”的有色礦山、冶煉企業(yè)多處于無(wú)電或電網(wǎng)薄弱地區(qū),面臨用電難、用電貴等問(wèn)題,中、小型內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組供電是當(dāng)前解決“用電難”的主要方法。然而該供電方式的運(yùn)維工作量大、發(fā)電成本高、污染重,已經(jīng)越來(lái)越不符合當(dāng)今企業(yè)的需求。

新能源與儲(chǔ)能技術(shù)的迅速發(fā)展和設(shè)備成本的快速下降,為新能源替代常規(guī)能源提供了技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性。然而,有色企業(yè)的工藝流程、生產(chǎn)過(guò)程、負(fù)荷特性、用電規(guī)律等有其行業(yè)的自身特點(diǎn),微電網(wǎng)必須與企業(yè)深度結(jié)合,做定制化的配置方案與調(diào)度控制算法,才可以有效的實(shí)現(xiàn)新能源供電。

研究以“光”代“油”降低企業(yè)的用電成本、“光、儲(chǔ)”結(jié)合解決局部地區(qū)供電問(wèn)題的微電網(wǎng)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)意義與社會(huì)效應(yīng),可有效推動(dòng)中國(guó)海外有色企業(yè)的節(jié)能減排、降本增效、綠色低污染進(jìn)程。

1 微電網(wǎng)概述

微電網(wǎng)是規(guī)模較小的分散式獨(dú)立系統(tǒng),將分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷和監(jiān)控與保護(hù)裝置匯集而成的小型供電系統(tǒng),是能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)[1]。微電網(wǎng)既能作為一個(gè)自治系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,又能作為一個(gè)可控單元并網(wǎng)運(yùn)行,從而將大量分布式電源波動(dòng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)可控微電網(wǎng)入網(wǎng),削弱新能源隨機(jī)性、波動(dòng)性的間歇性電源對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和電能質(zhì)量等方面的不利影響。

微電網(wǎng)按照應(yīng)用場(chǎng)景一般分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型微電網(wǎng)；按照系統(tǒng)架構(gòu)分為共交流母線和共直流母線微電網(wǎng)[2]。

1.1 并網(wǎng)型微電網(wǎng)

并網(wǎng)型微電網(wǎng)是指微電網(wǎng)通過(guò)公共連接點(diǎn)的靜態(tài)開(kāi)關(guān)接入大電網(wǎng)并列運(yùn)行,主要應(yīng)用于分布式可再生能源滲透率較高地區(qū),可有效跟蹤計(jì)劃曲線,改善新能源發(fā)電的預(yù)測(cè)精度,提高可再生能源滲透率；還可以通過(guò)用戶側(cè)的管理系統(tǒng),與大電網(wǎng)靈活互動(dòng),實(shí)現(xiàn)新能源自發(fā)自用及分時(shí)電價(jià)。也可以離網(wǎng)運(yùn)行,在大電網(wǎng)故障時(shí),形成區(qū)域配電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行[3]。

1.2 離網(wǎng)型微電網(wǎng)

離網(wǎng)型微電網(wǎng)是不與大電網(wǎng)互聯(lián)的獨(dú)立運(yùn)行的供電系統(tǒng),依靠后臺(tái)調(diào)度管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)小水電、柴發(fā)、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等分布式電源的并列運(yùn)行；利用分布式電源發(fā)電滿足離網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)荷需求；借助能源管理系統(tǒng),即可實(shí)現(xiàn)燃料節(jié)約,又能實(shí)現(xiàn)供電的動(dòng)態(tài)平衡[4]。

1.3 交流母線微電網(wǎng)

共交流母線微電網(wǎng)的新能源電源與儲(chǔ)能在交流母線側(cè)進(jìn)行能量的交互,其特點(diǎn)是靈活,適合于多種可再生能源接入；供電半徑寬,易于擴(kuò)容,適于長(zhǎng)線傳輸；通過(guò)能力管理系統(tǒng)可以做到實(shí)時(shí)的供需平衡,供電穩(wěn)定性高；適用于大型兆瓦級(jí)的微電網(wǎng)系統(tǒng)[5]。

圖1 并網(wǎng)型微電網(wǎng)示意圖

圖2 離網(wǎng)型微電網(wǎng)示意圖

1.4 直流母線微電網(wǎng)

共直流母線微網(wǎng)新的新能源電源與儲(chǔ)能在直流母線側(cè)進(jìn)行能量的交互,其特點(diǎn)是光伏和儲(chǔ)能解耦設(shè)計(jì),控制簡(jiǎn)單、效率更高；適用于中小型微電網(wǎng)系統(tǒng)。

2 海外有色企業(yè)面臨問(wèn)題簡(jiǎn)析

在供電網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋的地區(qū),工廠企業(yè)的用電主要依靠柴油(重油)等發(fā)電機(jī)組解決。柴油發(fā)電機(jī)組的歷史已經(jīng)有一百多年,主要由柴油機(jī)、傳感器、轉(zhuǎn)速控制器、執(zhí)行器、同步發(fā)電機(jī)、無(wú)功補(bǔ)償裝置和機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)組成。其工作原理是先將柴油機(jī)輸出的動(dòng)力扭矩通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)傳送給同步發(fā)電機(jī),利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生穩(wěn)定的電能。

圖3 共交流母線微電網(wǎng)示意圖

圖4 共直流母線微電網(wǎng)示意圖

柴油機(jī)組供電系統(tǒng)存在諸多問(wèn)題:(1)柴油發(fā)電的成本高、經(jīng)濟(jì)性差。僅考慮柴油發(fā)電的耗油成本,1 L柴油重0.83～0.86 kg,1度電耗油230～240 g,即1 L柴油的發(fā)電量約4度電。某海外現(xiàn)場(chǎng)的柴油價(jià)格為6.06元/L,則柴油發(fā)電成本為1.515元/度。再考慮柴油機(jī)組初始設(shè)備投資與運(yùn)行維護(hù)成本,企業(yè)的用電成本將高達(dá)2元/度左右。(2)柴油發(fā)電的空氣污染嚴(yán)重。柴發(fā)機(jī)組通過(guò)燃燒柴油將熱能轉(zhuǎn)換為電能,在此過(guò)程中不可避免會(huì)對(duì)大氣造成污染,污染問(wèn)題大致分為氧化、酸化、光化學(xué)煙霧、顆粒物、溫室效應(yīng)以及廢氣等。(3)柴油發(fā)電的噪聲污染嚴(yán)重。柴發(fā)機(jī)組運(yùn)行時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生95～125 dB(A)的噪聲,人如果長(zhǎng)期生活在80 dB(A)以上的環(huán)境中,會(huì)引起情緒煩躁、聽(tīng)力下降等問(wèn)題。(4)柴油發(fā)電電能的質(zhì)量差。當(dāng)用電負(fù)載波動(dòng)較大時(shí),由于機(jī)組容量相對(duì)較小,柴發(fā)供電不可避免的出現(xiàn)電壓與頻率的波動(dòng),這將在很大程度上影響設(shè)備的使用壽命,甚至影響正常生產(chǎn)。(5)柴油發(fā)電的運(yùn)維工作量龐大,需專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)；此外柴油的運(yùn)輸與儲(chǔ)存同樣需要耗費(fèi)大量的人力與物力成本。

基于光儲(chǔ)柴微電網(wǎng)的無(wú)電地區(qū)工廠企業(yè)供電系統(tǒng)就是針對(duì)柴油機(jī)組供電系統(tǒng)存在的上述問(wèn)題而產(chǎn)生,微電網(wǎng)可以顯著降低供電系統(tǒng)的發(fā)電成本,降低對(duì)環(huán)境的大氣污染與噪聲污染,為工廠企業(yè)提供可靠、穩(wěn)定、高質(zhì)量的供電電源。

3 基于光儲(chǔ)柴微電網(wǎng)的供電系統(tǒng)

3.1 光儲(chǔ)柴微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

光儲(chǔ)柴微電網(wǎng)是規(guī)模較小的分散獨(dú)立系統(tǒng),將分布式光伏電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型供電系統(tǒng),是能實(shí)現(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng),可在孤網(wǎng)狀態(tài)下獨(dú)立運(yùn)行[6]。

圖5 光儲(chǔ)柴微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光儲(chǔ)柴微電網(wǎng)供電系統(tǒng)采用三級(jí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架搭建而成,分別為設(shè)備層、過(guò)程層、站控層,適用于各種類型的微電網(wǎng)形式與控制要求,方便調(diào)試與運(yùn)行維護(hù),系統(tǒng)的有諸多技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。

3.1.1 設(shè)備層

設(shè)備層是整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的感知與操作層,通過(guò)設(shè)備層可以采集微電網(wǎng)系統(tǒng)各個(gè)部分的信息以及響應(yīng)能量管理系統(tǒng)的各類控制、調(diào)節(jié)指令。設(shè)備層分為一次設(shè)備與二次設(shè)備,太陽(yáng)能光伏板、DC/AC光伏逆變器、液流電池、BMS、DC/AC儲(chǔ)能雙向變流器、鋰電池、超級(jí)電容、智能配電柜、用電負(fù)荷、柴油發(fā)電機(jī)組等屬于一次設(shè)備,通過(guò)通訊手段接入微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)并可以調(diào)節(jié)與控制；二次設(shè)備采用集保護(hù)、測(cè)控、通訊、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、電能表抄表、光纖遠(yuǎn)跳等功能于一體的裝置,獲取微電網(wǎng)的系統(tǒng)狀態(tài)與功率流動(dòng)情況,為能量管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制、優(yōu)化調(diào)度提供有力的支持,并提供可靠的執(zhí)行操作,進(jìn)行電源、負(fù)荷的投切操作。

3.1.2 過(guò)程層

過(guò)程層是微電網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制層,一方面聯(lián)系設(shè)備層來(lái)獲取微電網(wǎng)的全景監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),另一方面聯(lián)系能量管理系統(tǒng),分析并下發(fā)執(zhí)行各類的操作指令,用于達(dá)到能量管理系統(tǒng)的控制目標(biāo)。過(guò)程層的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制裝置包含微電網(wǎng)運(yùn)行控制器與微電網(wǎng)穩(wěn)定控制裝置,其中微電網(wǎng)運(yùn)行控制器用于實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的狀態(tài)切換和協(xié)調(diào)控制,有效解決分布式電源自身的不穩(wěn)定性和間歇性,保證供電的均衡和連續(xù)；微電網(wǎng)穩(wěn)定控制裝置基于交互快速故障處理技術(shù),可實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的低頻、低壓減載等穩(wěn)定控制功能,還可實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略,具有保證微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行功能。

3.1.3 站控層

站控層的微電網(wǎng)后臺(tái)能量管理系統(tǒng)可視為整個(gè)微電網(wǎng)的大腦,實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)數(shù)據(jù)的全景監(jiān)測(cè)分析以及能量管理策略的制定,也是微電網(wǎng)控制的主站層。微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能是監(jiān)控微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù),結(jié)合分布式發(fā)電預(yù)測(cè)、負(fù)荷預(yù)測(cè)等應(yīng)用分析結(jié)果,制定多約束條件下的微電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度與能量管理策略,并將制定后的策略下發(fā)微電網(wǎng)運(yùn)行控制器、微電網(wǎng)穩(wěn)定控制裝置。

3.2 光儲(chǔ)柴微電網(wǎng)系統(tǒng)原理

3.2.1 光伏發(fā)電

太陽(yáng)能光伏板作為新能源供電單元,將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能,通過(guò)DC/AC光伏逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電,并上送至交流母線。太陽(yáng)能光伏板與光伏逆變器的裝機(jī)容量需根據(jù)具體項(xiàng)目的用電負(fù)荷情況確認(rèn)。光伏逆變器可控制與記錄直流太陽(yáng)能光伏輸出側(cè)的電壓、電流、功率以及電池板的重要參數(shù),也可以對(duì)逆變器逆變輸出的交流側(cè)的電壓、電流、頻率,日發(fā)電量以及發(fā)電功率曲線等主要參數(shù)進(jìn)行控制與記錄,并上送至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。

太陽(yáng)能發(fā)電作為新型的清潔能源,雖然是一種無(wú)污染、可循環(huán)的綠色能源,但由于太陽(yáng)的輻照波動(dòng),從而導(dǎo)致太陽(yáng)能發(fā)電的輸出具有很大的隨意性與波動(dòng)性,且僅具備輸出功率向下調(diào)節(jié)能力,不具備過(guò)載能力,因此為了保證當(dāng)太陽(yáng)輻照波動(dòng)與負(fù)載變化時(shí),微電網(wǎng)供電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性與電能質(zhì)量,微電網(wǎng)系統(tǒng)必須配置具有電能存儲(chǔ)與平衡能力的儲(chǔ)能系統(tǒng)[7]。

3.2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)由儲(chǔ)能裝置、BMS、DC/AC儲(chǔ)能雙向變流器組成。根據(jù)用電負(fù)荷的不同工況與儲(chǔ)能裝置的不同性能特點(diǎn),系統(tǒng)選用三類儲(chǔ)能裝置:液流電池、鋰電池、超級(jí)電容[8]。

液流電池屬于化學(xué)儲(chǔ)能電池,壽命長(zhǎng)、循環(huán)次數(shù)久,適用于大規(guī)模的儲(chǔ)能。鋰電池也屬于電化學(xué)儲(chǔ)能,由大量單體電池的串、并聯(lián)組成,因此需要專用的電池管理系統(tǒng)(BMS)對(duì)每節(jié)蓄電池的充、放電進(jìn)行控制與保護(hù)；超級(jí)電容作為一種物理儲(chǔ)能裝置不需要專門(mén)的BMS對(duì)其進(jìn)行充放電管理。

工廠企業(yè)普遍存在大型用電負(fù)荷,大型負(fù)荷啟動(dòng)過(guò)程通常在10 s內(nèi),但啟動(dòng)功率為負(fù)荷功率的3～7倍不等,因此需短時(shí)大功率的電源支撐,鑒于此種需求,本系統(tǒng)根據(jù)大型負(fù)載配置一定容量的具有超大倍率放電能力的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置[9],用于平衡大型負(fù)荷啟動(dòng)時(shí)的短時(shí)大功率缺額,保證微電網(wǎng)系統(tǒng)的供電質(zhì)量與供電可靠性。

工廠企業(yè)中、小型負(fù)荷的啟動(dòng)時(shí)同樣需要相應(yīng)的短時(shí)大功率支撐,但超級(jí)電容的價(jià)格較高,大容量的配置會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性不合理,因此考慮負(fù)荷的啟動(dòng)功率與啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間,以及對(duì)儲(chǔ)能裝置的性能需求,選用鋰電池儲(chǔ)能裝置來(lái)平衡該類負(fù)荷的波動(dòng),既保證微電網(wǎng)供電系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定、高質(zhì)量供電,又保證了整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

太陽(yáng)能發(fā)電隨輻照量的影響而實(shí)時(shí)變動(dòng),導(dǎo)致太陽(yáng)能發(fā)電量有時(shí)高于負(fù)荷用電量,有時(shí)低于負(fù)荷用電量,從而導(dǎo)致需配置一定的儲(chǔ)能裝置將多余的太陽(yáng)能發(fā)電量進(jìn)行存儲(chǔ),在系統(tǒng)需要時(shí)再進(jìn)行釋放,考慮此種工況對(duì)儲(chǔ)能裝置的性能要求,選擇放電倍率相對(duì)較低、但性價(jià)比更優(yōu)的液流電池作為儲(chǔ)能裝置,可在更為經(jīng)濟(jì)的條件下完成對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電的能量存儲(chǔ)與微電網(wǎng)供電系統(tǒng)的能量平衡,保證系統(tǒng)整體性能。

儲(chǔ)能裝置的輸出為直流電,通過(guò)DC/AC儲(chǔ)能雙向變流器將直流電逆變成交流電,上送至交流母線,為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供能量支撐；當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電有多余電量時(shí),同樣可以通過(guò)DC/AC儲(chǔ)能雙向變流器,將母線上的交流電整流成直流電,為儲(chǔ)能蓄裝置充電。

DC/AC儲(chǔ)能雙向變流器具備與電池管理系統(tǒng)BMS的通信接口,能夠?qū)㈦姵剡\(yùn)行信息上送至微電網(wǎng)后臺(tái)系統(tǒng)；同時(shí),變流器具有微電網(wǎng)控制功能、功率調(diào)節(jié)功能、參數(shù)下裝功能等通信接口,滿足微電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)控制要求。變流器可控制與記錄直流蓄電池輸出側(cè)的電壓、電流、功率以及蓄電池的重要參數(shù),也可以對(duì)變流器輸出的交流側(cè)的電壓、電流、功率因數(shù),當(dāng)前輸出(輸入)功率、日輸入電量、日輸出電量以及日功率曲線等主要參數(shù)進(jìn)行控制與記錄,并上送至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2.3 智能配電柜

在光儲(chǔ)柴微電中配置智能配電柜可有效掌握用電負(fù)荷的工作情況,進(jìn)行合理的負(fù)荷預(yù)測(cè),在必要的時(shí)候?yàn)楸ＷC整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定切除故障負(fù)荷或非重要負(fù)荷,并結(jié)合后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的能源合理化利用,降低企業(yè)耗電量等。

3.2.4 柴油發(fā)電機(jī)組

柴油發(fā)電機(jī)組作為后備供電電源,在微電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障、連續(xù)陰雨天氣太陽(yáng)能發(fā)電量不足以及夜晚無(wú)太陽(yáng)能供電時(shí),啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組,為企業(yè)提供電源。

光儲(chǔ)柴微電網(wǎng)供電系統(tǒng)作為一種新型綠色環(huán)?？稍偕墓╇娤到y(tǒng),以太陽(yáng)能作為外部的能源輸入,通過(guò)太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能,再通過(guò)光伏逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電,為整個(gè)系統(tǒng)提供能量供給；當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電量大于負(fù)荷用電量時(shí),通過(guò)儲(chǔ)能雙向變流器將母線上的交流電整流為直流電,并輸送給儲(chǔ)能系統(tǒng),儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電能進(jìn)行存儲(chǔ),在負(fù)載變化、太陽(yáng)能光照波動(dòng)時(shí),儲(chǔ)能進(jìn)行能量的釋放,通過(guò)儲(chǔ)能雙向變流器將儲(chǔ)能釋放的直流電逆變成交流電,上送至交流母線,通過(guò)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制裝置的智能調(diào)度與控制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能量平衡。同時(shí),微電網(wǎng)后臺(tái)能量管理系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先定制好的控制策略,對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化控制,實(shí)現(xiàn)能量的合理化利用,保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)與可靠運(yùn)行[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

“光+儲(chǔ)+柴微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)”解決以“光”代“油”降低有色企業(yè)用電成本的技術(shù)可行性；解決“光”、“儲(chǔ)”結(jié)合為無(wú)電地區(qū)供電的可行性等技術(shù)性問(wèn)題；在保證地區(qū)、企業(yè)供電可靠性的基礎(chǔ)上,可實(shí)現(xiàn)供電的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題,為地區(qū)、企業(yè)提供技術(shù)可靠穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)更優(yōu)的微電網(wǎng)供電解決方案,可助力推動(dòng)海外中國(guó)有色工業(yè)的節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本,為海外的有色企業(yè)的用電提供一種全新的綠色、低成本、高可靠性的供電電源解決方案。