基于電動(dòng)車的新型小水電計(jì)劃停電功率平衡方式

李金喜，羅藝華，包文輝，張紫凡 ，王智東，郭琳，溫永森

（1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)翁源供電局, 韶關(guān) 512026； 2.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院電氣工程學(xué)院，廣州 510800）

引言

隨著化石能源逐漸枯竭以及用戶對(duì)供電可靠性要求的提高，以可再生能源發(fā)電為主的分布式電源和微電網(wǎng)以其高效、環(huán)保、節(jié)能的特點(diǎn)被認(rèn)為是未來一種重要電能生產(chǎn)方式[1,2]。隨著分布式發(fā)電集成技術(shù)的不斷完善和單位電能生產(chǎn)成本的不斷降低，其普及和利用率將不斷提高。我國在2030年計(jì)劃將分布式可再生能源發(fā)電達(dá)到發(fā)電裝機(jī)總量的17.3 %。

小水電作為一種方便的分布式能源，得到了廣泛應(yīng)用。我國西南、東南以及華南的山區(qū)有豐富的水力資源，本著“本地取材、就近利用”的原則以及水電簡單、高效、靈活、可靠的優(yōu)勢(shì)，出現(xiàn)了數(shù)量眾多的小水電站并入當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)[3,4]，這些水電站就近接入地區(qū)的10 kV及以上電網(wǎng)[5]。小水電的接入有諸多益處。首先，小水電作為一種可再生的清潔能源，對(duì)其充分利用可減少碳排放。其次，相對(duì)城市配電網(wǎng)山區(qū)配電網(wǎng)電力負(fù)荷較小且分散，配網(wǎng)線路較長、用戶遠(yuǎn)離主電源兩個(gè)因素導(dǎo)致線路末端電壓常存在過低的現(xiàn)象[6]，小水電接入電網(wǎng)可改善沿線電壓分布。最后，在富含水利資源的山區(qū)及農(nóng)村地區(qū)開展水電微網(wǎng)的建設(shè)項(xiàng)目，采用合理的技術(shù)用可再生的清潔能源提高用戶的供電可靠性，有利于美化鄉(xiāng)村環(huán)境并提升用電滿意度。

農(nóng)網(wǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與裝備水平與城網(wǎng)存在較大差距。農(nóng)網(wǎng)網(wǎng)架長期處于一種無序的“自然”發(fā)展?fàn)顟B(tài)，缺乏目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)劃，存在農(nóng)網(wǎng)線路過長、多級(jí)分支線路、線路和變電站聯(lián)絡(luò)率低等問題[7,>8]。多種原因?qū)е罗r(nóng)網(wǎng)地區(qū)故障率高、檢修時(shí)間長，最終造成農(nóng)網(wǎng)用戶停電次數(shù)多，停電時(shí)間長的問題。針對(duì)這一問題，可通過對(duì)小水電的充分利用提高供電可靠性。利用小水電與水電附近的本地負(fù)荷組成小水電微網(wǎng)，當(dāng)小水電上級(jí)聯(lián)絡(luò)線路因檢修等原因需要計(jì)劃停電時(shí)，小水電微網(wǎng)可運(yùn)行于孤網(wǎng)狀態(tài)并為本地負(fù)荷提供電能。

小水電的改造項(xiàng)目對(duì)投資花費(fèi)非常敏感，而經(jīng)典微電網(wǎng)必備的儲(chǔ)能設(shè)備的價(jià)格相對(duì)昂貴。實(shí)際運(yùn)行的小水電微電網(wǎng)，經(jīng)濟(jì)上不具備大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備的可能。

針對(duì)電動(dòng)汽車日益普遍的使用，本文提出電動(dòng)汽車應(yīng)用于小水電計(jì)劃停電的儲(chǔ)能的方案。在小水電計(jì)劃停電中，將電動(dòng)汽車接入小水電側(cè)的電網(wǎng)中，在小水電離網(wǎng)過程中，由電動(dòng)汽車充當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備[9,10]。這一方案在不增加儲(chǔ)能設(shè)備投資的前提下，充分提高了水電的環(huán)境效益。

1 當(dāng)前運(yùn)行現(xiàn)場方案

為了能夠?qū)崿F(xiàn)水電微網(wǎng)保持穩(wěn)定的孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，保持小水電微網(wǎng)內(nèi)能量平衡，當(dāng)前常見做法是接入阻值大小可調(diào)的平衡電阻，利用電阻來消耗小水電在滿足本地負(fù)荷用電需求后的剩余有功功率。小水電微網(wǎng)的并網(wǎng)接線圖如圖1所示。小水電微網(wǎng)通過10 kV母線接入配電網(wǎng)，當(dāng)接入位置的配網(wǎng)上游線路計(jì)劃檢修時(shí)，小水電微網(wǎng)可孤網(wǎng)運(yùn)行，持續(xù)為本地負(fù)荷供電。負(fù)荷用電具有一定的隨機(jī)性，為保證在小水電孤網(wǎng)運(yùn)行期間的頻率及電壓穩(wěn)定，在小水電微網(wǎng)中配備儲(chǔ)能或者平衡負(fù)載來實(shí)現(xiàn)小水電微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行期間的有功功率平衡。

本文根據(jù)圖1所示的典型小水電微網(wǎng)并網(wǎng)接線圖建立仿真模型，觀察小水電微網(wǎng)在并網(wǎng)以及孤網(wǎng)運(yùn)行期間的有功功率的發(fā)出、消耗的情況。

小水電微網(wǎng)通常采用的方案為：孤網(wǎng)運(yùn)行的水電微網(wǎng)在規(guī)劃階段，保留一定的水電發(fā)電容量裕度，使小水電出力Phydro小于負(fù)載消耗Pload，同時(shí)為確保小水電微網(wǎng)的有功平衡投入可調(diào)劑的平衡電阻消耗一部分有功Pr，即Phydro=Pload+Pr。當(dāng)前方案雖具有經(jīng)濟(jì)性，但是仍犧牲了一定的環(huán)境效益，平衡電阻消耗的有功功率Pr并沒有被充分利用。

2 電動(dòng)汽車方案

根據(jù)上文分析，小水電微網(wǎng)可在配網(wǎng)線路計(jì)劃檢修時(shí)孤網(wǎng)運(yùn)行為水電本地負(fù)荷提供電能。但作為調(diào)節(jié)微網(wǎng)有功及頻率的設(shè)備是平衡電阻，環(huán)境效益還有可提升空間。電動(dòng)汽車的應(yīng)用普及度以及電動(dòng)汽車具有充電及放電的雙重作用，在功能上具備替代平衡電阻來調(diào)節(jié)微網(wǎng)有功功率平衡的能力。

圖2 電動(dòng)汽車用于調(diào)節(jié)小水電微網(wǎng)調(diào)節(jié)設(shè)備的方案思路圖

2.1 方案思路

電動(dòng)汽車替代平衡電阻調(diào)節(jié)微網(wǎng)有功及電壓的方案思路如圖2所示。水電在正常狀態(tài)時(shí)由并網(wǎng)開關(guān)接入當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)，為本地負(fù)荷以及當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)提供電能。當(dāng)小水電接入點(diǎn)的上游配網(wǎng)需要線路計(jì)劃檢修時(shí)，可根據(jù)檢修計(jì)劃，將足夠數(shù)量的電動(dòng)汽車作為儲(chǔ)能設(shè)備納入微網(wǎng)，以起到穩(wěn)定微網(wǎng)運(yùn)行的功能。

2.2 方案流程

電動(dòng)汽車作為小水電微網(wǎng)的調(diào)節(jié)設(shè)備的具體方案流程圖如圖3所示。

在小水電微網(wǎng)控制系統(tǒng)收到上游線路檢修計(jì)劃后，首先需要判斷微網(wǎng)內(nèi)小水電的發(fā)電容量是否能夠滿足本地負(fù)荷的用電需求。若發(fā)電容量不能滿足本地負(fù)荷，則不需要增加電動(dòng)汽車以及平衡電阻。若發(fā)電容量能夠滿足本地負(fù)荷，并有留有一定的裕度，則表明小水電微網(wǎng)在孤網(wǎng)運(yùn)行后，有剩余功率可為電動(dòng)汽車充電。則計(jì)算剩余發(fā)電可供的電動(dòng)汽車充電容量，并統(tǒng)計(jì)可調(diào)用的電動(dòng)汽車臺(tái)數(shù)。若具備足夠的電動(dòng)汽車臺(tái)數(shù)及容量，則調(diào)動(dòng)電動(dòng)汽車到計(jì)劃孤網(wǎng)運(yùn)行的小水電微網(wǎng)區(qū)域。并在滿足離網(wǎng)條件后，斷開小水電微網(wǎng)的并網(wǎng)斷路器。若不具備足夠的電動(dòng)汽車，則投入備用電阻來輔助電動(dòng)汽車調(diào)節(jié)微網(wǎng)運(yùn)行。

在小水電接入配網(wǎng)的上游線路檢修結(jié)束并成功復(fù)電后，小水電微網(wǎng)并網(wǎng)斷路器同期合閘，恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖3 電動(dòng)汽車接入計(jì)劃離網(wǎng)的微電網(wǎng)流程

3 仿真

本文通過建立小水電并網(wǎng)模型進(jìn)行說明當(dāng)前小水電微網(wǎng)運(yùn)行情況，模型設(shè)置為小水電微網(wǎng)通過10 kV母線接入配電網(wǎng)，當(dāng)接入位置的配網(wǎng)上游線路計(jì)劃檢修時(shí)或線路故障時(shí)，小水電微網(wǎng)可孤網(wǎng)運(yùn)行，持續(xù)為本地負(fù)荷供電。仿真模型中包含小水電機(jī)組額定容量為2.5 MW，本地負(fù)荷在2 MW左右小幅隨機(jī)波動(dòng)，設(shè)置仿真時(shí)長為20 s。小水電微網(wǎng)在并網(wǎng)以及孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下有功功率波形如圖4所示。圖中，小水電有功出力記為Phydro、送往配網(wǎng)的有功為Pchange、平衡電阻有功消耗為Pba，小水電本地負(fù)荷有功消耗為Pload。小水電微網(wǎng)在0～6 s時(shí)間段為并網(wǎng)運(yùn)行階段，在并網(wǎng)運(yùn)行階段，水電機(jī)組保持額定發(fā)電容量，在滿足本地負(fù)荷用電需求后，將剩余0.5 MW左右的功率送入配電網(wǎng)。6 s時(shí)由于線路故障等原因，小水電微網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)狀態(tài)，6～20 s之間是孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，小水電機(jī)組仍保持額定容量發(fā)電。在滿足本地負(fù)荷需求后，剩余功率無法送入電網(wǎng)，被平衡電阻消耗掉。

根據(jù)《2018年全國電力可靠性指標(biāo)報(bào)告》及《2019年上半年全國電力可靠性指標(biāo)報(bào)告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，配電網(wǎng)線路平均檢修時(shí)間一般為5 h左右，在水電資源豐富的西南地區(qū)檢修時(shí)間一般為5～7 h。一年檢修次數(shù)約為4次，一年因計(jì)劃檢修的時(shí)間約為20 h，即小水電因線路計(jì)劃停電造成的孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)在一年的時(shí)間內(nèi)大約持續(xù)20 h。

以本文的仿真模型數(shù)據(jù)為例，小水電微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，平衡負(fù)載消耗的有功功率按0.5 MW計(jì)算，那么平衡負(fù)載每年消耗的電能為10 000 kW·h以上。這部分能量均轉(zhuǎn)化為無用的熱量散失掉，造成了較大的電能浪費(fèi)。

圖4 小水電微網(wǎng)在并網(wǎng)以及孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下有功功率波形圖

一般在24～60 KWh之間[11-13]。采用本文方法所提電動(dòng)汽車用于計(jì)劃停電的小水電消納后，10 000 kW·h可以提供高達(dá)200～600臺(tái)電動(dòng)汽車充滿電能。

4 結(jié)論

本文提出電動(dòng)汽車應(yīng)用于小水電計(jì)劃停電的儲(chǔ)能的方案。在小水電計(jì)劃停電中，將電動(dòng)汽車接入小水電側(cè)的電網(wǎng)中，在小水電離網(wǎng)過程中，由電動(dòng)汽車充當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備。這一方案在不增加儲(chǔ)能設(shè)備投資的前提下，充分提高了水電的環(huán)境效益。