多能源互補(bǔ)微網(wǎng)對(duì)高原無電地區(qū)的應(yīng)用研究

周友富

摘 要：按照建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村的要求，需電力先行，消滅無電村。當(dāng)前，我省地處高原的阿壩、甘孜兩州尚有無電村約1000余個(gè)，無電戶10多萬戶，大多數(shù)無電村、無電戶分布在廣袤的草原或高山大嶺，且分布分散，若采用電網(wǎng)集中供電方式不但成本高，而且難以實(shí)現(xiàn)。隨著太陽能、風(fēng)電等可再生能源和高效清潔的化石燃料在內(nèi)的新型發(fā)電技術(shù)提供了良好的發(fā)展空間。采用大量的電力電子技術(shù)，將燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)電、光伏發(fā)電，燃料電池，儲(chǔ)能設(shè)備等分布式電源直接與用戶側(cè)相連，建設(shè)微型多能源互補(bǔ)電網(wǎng)為其提供電能，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)無電現(xiàn)狀提供了方向。

關(guān)鍵字：多能源；微電網(wǎng)；無電地區(qū)

1 微電網(wǎng)的技術(shù)現(xiàn)狀

微電網(wǎng)是采用大量的電力電子技術(shù)，將燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)電、光伏發(fā)電，燃料電池，儲(chǔ)能設(shè)備等分布式電源直接與用戶側(cè)相連，為其提供電能。

微網(wǎng)從系統(tǒng)觀點(diǎn)來看，其具有雙重角色。一方面，對(duì)于公用電力企業(yè)而言，微網(wǎng)可視作為電力系統(tǒng)的一個(gè)可控細(xì)胞，該可控細(xì)胞可以被作為一個(gè)簡單的可調(diào)度負(fù)荷，可以在數(shù)秒內(nèi)作出響應(yīng)以滿足傳統(tǒng)系統(tǒng)的需要；另一方面，對(duì)于用戶而言，微網(wǎng)可以被作為一個(gè)可定制的電源，以滿足用戶多樣化的需求，如增強(qiáng)局部供電可靠性，降低饋電損耗，支持當(dāng)?shù)仉妷?，通過利用廢熱提高效率，提供電壓下陷的校正，或作為不間斷電源等效用。此外，緊緊圍繞全系統(tǒng)能量需求的設(shè)計(jì)理念和向用戶提供多樣化電能質(zhì)量的供電理念是微網(wǎng)的兩個(gè)重要特征。

微電網(wǎng)的設(shè)計(jì)對(duì)于其運(yùn)行的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要，需要對(duì)DG的類型、容量、位置進(jìn)行合理的配置和選擇。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，則要根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)安置處的可利用能源和負(fù)荷的情況，考慮設(shè)備的響應(yīng)特性、效率、安裝費(fèi)用以及控制方法等因素。其次，DG的單元配置不同于常規(guī)發(fā)電單元，在微電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中單元配置的優(yōu)化策略對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)效益最大化有重要的影響。根據(jù)微電網(wǎng)中的負(fù)荷需求量，以年運(yùn)行費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo)，在考慮6種不同天氣的情況下，確定了微電網(wǎng)中各DG單元的數(shù)量和容量、與主網(wǎng)間的能量交換量以及該系統(tǒng)的年運(yùn)行計(jì)劃。此外，有學(xué)者提出將現(xiàn)含有DG的配電網(wǎng)改造成可獨(dú)立運(yùn)行的微網(wǎng)方案。各國電力系統(tǒng)中存在數(shù)量及規(guī)模不等的DG，該方案為將含有高比例DG的電網(wǎng)改造成能夠獨(dú)立運(yùn)行的微網(wǎng)提供了一條新途徑。

2 高原地區(qū)微網(wǎng)構(gòu)建的外部環(huán)境

2.1 地區(qū)能源環(huán)境

目前，部分發(fā)達(dá)國家為促進(jìn)可再生能源的發(fā)展，已強(qiáng)制電力供應(yīng)商在一定時(shí)期內(nèi)，需用可再生能源（包括太陽能）提供規(guī)定比例的電力。不久的將來，我國也會(huì)作此強(qiáng)制要求，并允許可再生能源發(fā)電指標(biāo)在各電力企業(yè)間有償轉(zhuǎn)讓。

我省高原地區(qū)的大多數(shù)無電村、無電戶分布在廣袤的草原或高山大嶺，且分布分散，一個(gè)幾十千瓦的供電網(wǎng)絡(luò)就能滿足一個(gè)村落的用電需求，若采用電網(wǎng)集中供電方式不但成本高，而且難以實(shí)現(xiàn)，由于這些村落和住戶所處高度大多在海拔3000米左右，日照時(shí)間長，光熱資源相當(dāng)豐富，風(fēng)能密度相對(duì)較大，這為構(gòu)建、推廣應(yīng)用風(fēng)能、太陽能互補(bǔ)發(fā)電打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

2.2 風(fēng)能與太陽能發(fā)電技術(shù)的互補(bǔ)

從光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的出力特性來看，隨地域和季節(jié)的不同，存在不可預(yù)估的變動(dòng)性，彼此之間的互補(bǔ)效益并不明顯，日出力互補(bǔ)性也不強(qiáng)兩者發(fā)電利用小時(shí)數(shù)都不高，單獨(dú)并網(wǎng)時(shí)，輸電線路空閑概率都比較大，若兩者打捆并網(wǎng)，存在錯(cuò)時(shí)共用輸電設(shè)備的可能性。在風(fēng)電基地可以建設(shè)一定規(guī)模的光伏電，按不同比例的風(fēng)光伏電打捆并網(wǎng)，在輸送風(fēng)電電量的同時(shí)，可以一并輸送光伏電電量。光伏電規(guī)模與風(fēng)電規(guī)?；蜉斔鸵?guī)模的比例越低，光伏電電量并網(wǎng)利用率越高，在風(fēng)電基地附近適當(dāng)發(fā)展一定規(guī)模的光伏電，與風(fēng)電打捆并網(wǎng)，可以共用輸電線路設(shè)備，風(fēng)光、伏電利用率都比較高，既節(jié)省投資，又能提高輸電設(shè)備利用率 同理，在光伏電基地配備適當(dāng)規(guī)模的風(fēng)電，也有類似效益。

在我省高原地區(qū)太陽能和風(fēng)能具有天然互補(bǔ)性，即無風(fēng)時(shí)太陽能充足，無太陽時(shí)風(fēng)能豐富（特別是下午），適合采用風(fēng)能—太陽能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。由于太陽能與風(fēng)能的互補(bǔ)性強(qiáng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上彌補(bǔ)了風(fēng)電和光電獨(dú)立系統(tǒng)在資源上的缺陷。同時(shí)，風(fēng)電和光電系統(tǒng)在蓄電池組和逆變環(huán)節(jié)是可以通用的，所以風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)可以降低，系統(tǒng)成本趨于合理。

3 高原無電地區(qū)村級(jí)微網(wǎng)的構(gòu)建

高原地區(qū)村級(jí)微網(wǎng)通常運(yùn)行在孤島狀態(tài)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為簡單的串并聯(lián)形式。如圖3.1所示，分布式電源與負(fù)荷組成微型供用電系統(tǒng)，再并聯(lián)接入饋線。鄉(xiāng)村級(jí)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)要預(yù)留足夠多的 DG接口，一方面應(yīng)對(duì)微網(wǎng)負(fù)荷增長；其次分布式電源不僅提供微網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)所需的電能，而且要有充足的備用容量應(yīng)對(duì)微網(wǎng)故障，具備自愈能力。高原地區(qū)村級(jí)微網(wǎng)由于缺少電網(wǎng)的支撐容易受到分布式電源隨機(jī)性和波動(dòng)性影響，因此一般需要接入旋轉(zhuǎn)設(shè)備，為微網(wǎng)提供電壓、頻率支撐的同時(shí)也作為熱后備容量。村級(jí)微網(wǎng)負(fù)荷通常為不重要負(fù)荷，簡單的串并聯(lián)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)保證了微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性與故障易恢復(fù)性。

高原地區(qū)村級(jí)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、投資較小，適用于偏遠(yuǎn)山區(qū)、主網(wǎng)難以顧忌且風(fēng)能、光能相對(duì)豐富等地區(qū)供電。由于缺少外電網(wǎng)的支撐，微網(wǎng)電能質(zhì)量不高，在不具備一定容量旋轉(zhuǎn)電源的地區(qū)，不宜接入對(duì)電能質(zhì)量要求高的負(fù)荷。

4 系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

4.1 顯著的環(huán)保效益

多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)采用清潔燃料天然氣作為一次能源，為清潔產(chǎn)能系統(tǒng)，其系統(tǒng)排放指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)熱電分供方式相比，由于節(jié)省了大量火力發(fā)電所消耗的標(biāo)煤，CO2 減排效果明顯，具有顯著的環(huán)保效益。

4.2 較好的經(jīng)濟(jì)性

多能互補(bǔ)供能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)啬茉吹木偷剞D(zhuǎn)化為電能，其能源產(chǎn)品的多樣性和較高的能源利用效率，使得供能系統(tǒng)對(duì)于燃?xì)?、電力價(jià)格的波動(dòng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，相對(duì)于傳統(tǒng)供能系統(tǒng)可節(jié)省一定的年能源消耗費(fèi)用。

5 結(jié)論

分布式能源的利用，已經(jīng)成為解決當(dāng)前能源危機(jī)及能源可持續(xù)利用的有效途徑。由于分布式電源具有較強(qiáng)的間歇性和波動(dòng)性，大規(guī)模的分布式電源的接入，易對(duì)大電網(wǎng)帶來不穩(wěn)定的因素，在保證大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，在很大程度上限制了分布式能源的發(fā)展。微電網(wǎng)的提出和利用，能夠有效地將分布式電源與用戶負(fù)荷融合在一起，形成一個(gè)完整的能耗系統(tǒng)。對(duì)解決四川高原地區(qū)無電問題提供新的思路，目前大電網(wǎng)無法延伸供電的情況下，微電網(wǎng)可以孤網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，在必要的時(shí)候，相對(duì)于大電網(wǎng)而言，也可形成一個(gè)可控的細(xì)胞單元，通過公共連接點(diǎn)，與大電網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行在為分布式能源提供發(fā)展平臺(tái)的同時(shí)，有效的提高了系統(tǒng)的供電可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁友偉， 胡志堅(jiān)， 陳允平. 分布式發(fā)電及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2003， 27（12）： 71-75.

[2] 黃偉， 孫昶輝， 吳子平， 等. 含分布式發(fā)電系統(tǒng)的微網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2009， 33（9）： 14-18

[3] 梁惠施， 程琳， 蘇劍. 微網(wǎng)成本效益分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2011， 31：38-44.

[4] 曹培， 王媚， 郭創(chuàng)新， 等. 智能微網(wǎng)運(yùn)行的低碳綜合效益分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2011， 36（6）： 15-20.

[5] 沈瑤. 多能互補(bǔ)微網(wǎng)綜合建模及運(yùn)行特性分析[D]. 湖南大學(xué)， 2012.

[6] 馬藝瑋，楊蘋，郭紅霞，等. 風(fēng)-光-沼可再生能源分布式發(fā)電系統(tǒng)電源規(guī)劃[J]. 電網(wǎng)技術(shù). 2012（9）： 9-14.

[7] 熊焰，王海峰，崔琳，等. 大管島多能互補(bǔ)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量設(shè)計(jì)[J]. 海洋技術(shù). 2009（1）： 101-103.

[8]劉小平， 丁明， 張穎媛， 等. 微網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2011， 31（31）： 77-84.

[9]王銳， 顧偉， 吳志. 含可再生能源的熱電聯(lián)供型微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2011， 35（8）： 22-27