新能源微電網(wǎng)耦合小型核電源方案設(shè)計及穩(wěn)定性研究

摘" 要：新能源微電網(wǎng)是解決偏遠(yuǎn)地區(qū)電力供給的重要途經(jīng)，但其存在著波動大、受氣候影響顯著等缺點。當(dāng)前關(guān)于新能源微電網(wǎng)穩(wěn)定性研究主要集中在電能質(zhì)量識別、新能源出力和預(yù)測等方面，難以從本質(zhì)上提升電網(wǎng)質(zhì)量。該文創(chuàng)新性地提出將小型核電源耦合進新能源微電網(wǎng)，從而實現(xiàn)穩(wěn)定輸出的目的。該文梳理耦合小型核電源的新能源微電網(wǎng)規(guī)劃方法，并以某3 MW用電場景為例給出微電網(wǎng)配置實例，同時通過建立風(fēng)力、光伏、核電源及儲能等關(guān)鍵模型，開展耦合小型核電源的微電網(wǎng)穩(wěn)定性仿真分析工作。

關(guān)鍵詞：新能源微電網(wǎng)；小型核電源；規(guī)劃；仿真；穩(wěn)定性

中圖分類號：TM715" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0141-05

Abstract： New energy microgrids are an important way to solve the problem of power supply in remote areas， but they have shortcomings such as large fluctuations and significant climate impact. Current research on the stability of new energy microgrids mainly focuses on power quality identification， new energy output and prediction， etc.， making it difficult to essentially improve the quality of the power grid. This paper innovatively proposes to couple a small nuclear power supply into a new energy microgrid to achieve the goal of stable output. This paper combs the planning method of a new energy microgrid coupled with small nuclear power sources， and gives a microgrid configuration example taking a 3 MW power consumption scenario as an example. At the same time， by establishing key models such as wind power， photovoltaic， nuclear power and energy storage， the stability simulation and analysis of a microgrid coupled with small nuclear power sources are carried out.

Keywords： new energy microgrid; small nuclear power supply; planning; simulation; stability

新能源微電網(wǎng)具有建設(shè)成本低、能源清潔、配置靈活的特點，是解決偏遠(yuǎn)地區(qū)、孤立海島等場景下電力供給的重要途經(jīng)，當(dāng)前世界各國都在大力發(fā)展新能源微電網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。新能源微電網(wǎng)同時存在著出力特性不穩(wěn)定、受氣候和環(huán)境影響顯著等缺點，給用電負(fù)荷的安全可靠運行帶來極大挑戰(zhàn)，成為新能源微電網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用急需解決的重要問題之一[1]。本文創(chuàng)新性地提出了將新能源微電網(wǎng)和小型核電源耦合運行方案，通過小型核電源的加入，實現(xiàn)微電網(wǎng)電力穩(wěn)定輸出，充分利用風(fēng)力、光伏、核能等清潔能源，有效解決偏遠(yuǎn)地區(qū)用電可達(dá)性以及一些關(guān)鍵負(fù)荷的用電可靠性問題。本文還通過建立風(fēng)力、光伏、核能及儲能裝置出力模型，仿真模擬了耦合小型核電源的微電網(wǎng)供電穩(wěn)定性和可靠性。

1" 微電網(wǎng)方案研究現(xiàn)狀

基于微電網(wǎng)的能量來源特征，微電網(wǎng)具有輸出不穩(wěn)定、抗擾動能力弱等特征，因此，當(dāng)前各國在微電網(wǎng)方案設(shè)計方面主要集中在微電網(wǎng)規(guī)劃、能源質(zhì)量研究、出力和負(fù)荷功率預(yù)測等方面。

1.1" 微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計

根據(jù)目標(biāo)場景下的特定負(fù)荷需求和日照、風(fēng)速、溫度等氣候環(huán)境條件，結(jié)合用戶特定需求，首先確定規(guī)劃設(shè)計目標(biāo)，并簡化表達(dá)為目標(biāo)函數(shù)形式?；谀繕?biāo)函數(shù)確定的基本規(guī)劃方向開展微電網(wǎng)規(guī)劃配置研究，最終確定微電網(wǎng)架構(gòu)，包括能源配比、容量規(guī)模等。規(guī)劃配置過程中要盡可能考慮各種新能源資源的利用效率、電網(wǎng)穩(wěn)定性、應(yīng)用經(jīng)濟性等因素。微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計工作主要包括：①對目標(biāo)場景需求和能源資源條件開展分析；②開展微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計建模；③基于約束條件和目標(biāo)函數(shù)求解微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計問題[2-4]。

1.2" 能源質(zhì)量研究

光伏、風(fēng)力以及核能等多種能源資源的特性各不相同，隨著大規(guī)模的新能源、負(fù)載和各種元器件接入電網(wǎng)，將會對微電網(wǎng)的電力質(zhì)量產(chǎn)生沖擊，造成電壓、頻率、脈沖和振蕩等各種波動，從而影響整個電力系統(tǒng)的正常運行。目前國內(nèi)外大量研究集中在新能源電網(wǎng)質(zhì)量研究研究和控制方面[5-6]。

1.3" 出力和負(fù)荷功率預(yù)測

光伏發(fā)電出力與日照強度直接相關(guān)，具有極強的間歇性、波動性和隨機性，同時光伏發(fā)電在新能源微電網(wǎng)中相對比例較高，對電網(wǎng)質(zhì)量有顯著影響。因此準(zhǔn)確預(yù)測光伏發(fā)電功率對電網(wǎng)調(diào)節(jié)控制和穩(wěn)定運行具有重要意義。光伏發(fā)電功率預(yù)測主要有2種方法[7]：①直接預(yù)測，即基于日照和氣象信息的周期特性，通過電網(wǎng)內(nèi)的光伏系統(tǒng)歷史輸出功率及既往氣象信息對光伏系統(tǒng)輸出功率直接預(yù)測；②間接預(yù)測，即根據(jù)當(dāng)前當(dāng)?shù)氐膶嶋H日照和氣象條件，結(jié)合光伏系統(tǒng)實際配置和出力模型開展功率預(yù)測。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率的預(yù)估與光伏系統(tǒng)較為類似，其中直接法主要通過當(dāng)?shù)貧夂蚝惋L(fēng)力發(fā)電輸出歷史數(shù)據(jù)，直接預(yù)估當(dāng)前時段下的出力特性，這種方法預(yù)估精度較低，但方法簡便，效率較高。間接法主要通過當(dāng)?shù)氐匦?、氣象信息、氣象站?shù)據(jù)等通過實際模型進行預(yù)估，這種方法精度高，但模型復(fù)雜，效率低。

對于某特定場景下的新能源微電網(wǎng)，其內(nèi)部負(fù)荷類型和功率相對固定，負(fù)荷功率預(yù)測主要分為短期預(yù)測和長期預(yù)測。短期預(yù)測關(guān)注微電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷的周期性變化特性，考慮到不同負(fù)荷在不同時間段、氣候、運行需求等條件下的功率需求，提前預(yù)測負(fù)荷功率，以指導(dǎo)微電網(wǎng)內(nèi)部出力的調(diào)節(jié)控制。長期預(yù)測主要根據(jù)當(dāng)?shù)匕l(fā)展規(guī)劃、氣候特征等因素，預(yù)測負(fù)荷需求的變化情況，以指導(dǎo)電網(wǎng)內(nèi)部各新能源的能源容量配置，確保能夠滿足當(dāng)?shù)亻L期電力需求[8]。

2" 新能源微電網(wǎng)耦合小型核電源總體配置方案

2.1" 規(guī)劃基本方法

風(fēng)-光-核-儲獨立型微電網(wǎng)規(guī)劃配置的基本架構(gòu)如圖1所示，主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、場景需求分析、微電網(wǎng)配置規(guī)劃、方案評價和影響因素分析等階段。

在風(fēng)-光-核-儲獨立型微電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計建模之前，收集和分析與微電網(wǎng)規(guī)劃相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括技術(shù)參數(shù)和經(jīng)濟參數(shù)。技術(shù)參數(shù)主要包括光伏、風(fēng)力、核電源、儲能等裝置的基礎(chǔ)出力特性，當(dāng)?shù)氐臍夂蚣百Y源特性等參數(shù)。經(jīng)濟參數(shù)主要包括各種新能源資源的初始投資成本、長期應(yīng)用成本、運行維護成本等。這些參數(shù)將作為微電網(wǎng)規(guī)劃配置的初始輸入。

完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集后，結(jié)合目標(biāo)應(yīng)用場景，開展用電需求分析工作，包括該場景下最大用電容量、最小用電容量、負(fù)荷功率變化周期特性等，為微電網(wǎng)規(guī)劃配置提供基礎(chǔ)依據(jù)，用于確定微電網(wǎng)的基本功率配置。

確定目標(biāo)場景用電需求和特征后，通過目標(biāo)函數(shù)、決策變量和相關(guān)約束條件等構(gòu)建微電網(wǎng)配置規(guī)劃架構(gòu)，用于確定微電網(wǎng)的能源配比、功率規(guī)模、運行調(diào)節(jié)方案等詳細(xì)配置。規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)于用戶的具體應(yīng)用場景需求，包括經(jīng)濟性目標(biāo)、環(huán)保性目標(biāo)、可靠性目標(biāo)等。決策變量主要反映根據(jù)實際情況需要進行特殊考慮或加以限制的問題，包括新能源資源來源、功率配比等。約束條件主要來源于兩大部分：①與頂層規(guī)劃相關(guān)的主觀約束，包括投資成本、可靠性等因素；②與微電網(wǎng)內(nèi)部各能源資源自身特性相關(guān)的客觀約束，如功率水平約束、調(diào)節(jié)能力約束、響應(yīng)速度約束等。

完成電網(wǎng)配置規(guī)劃后，為確保電網(wǎng)運行可靠，能夠達(dá)到既定需求，需要通過建立仿真模型，開展電網(wǎng)穩(wěn)定性、環(huán)保性、經(jīng)濟性等指標(biāo)評價，并根據(jù)評價結(jié)果針對微電網(wǎng)配置進行適當(dāng)調(diào)整。

影響因素分析主要用于評估規(guī)劃方案關(guān)鍵特性相關(guān)的影響因素，為用戶后期投資、運維等活動提供參考。

2.2" 雙層規(guī)劃模型

風(fēng)-光-核-儲獨立型微電網(wǎng)通常容量較小，總功率在兆瓦級左右，對分布式可再生能源出力和負(fù)荷需求的變化較為敏感，其規(guī)劃設(shè)計和運行調(diào)度高度耦合，需要仔細(xì)評估微電網(wǎng)在不同場景下的運行狀態(tài)。因此，風(fēng)-光-核-儲獨立型微電網(wǎng)的規(guī)劃模型通?？梢悦枋鰹橐粋€雙層優(yōu)化模型[9]，其中上層針對給定的目標(biāo)優(yōu)化系統(tǒng)容量配置，下層優(yōu)化在給定的容量基礎(chǔ)上確定微電網(wǎng)內(nèi)各分布式電源的調(diào)度方案。雙層規(guī)劃模型的結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系如圖2所示。

3" 新能源微電網(wǎng)耦合核電源的特性分析

3.1" 仿真模型

結(jié)合2.3節(jié)規(guī)劃完成的微電網(wǎng)架構(gòu)，基于PSCAD平臺開展微電網(wǎng)特性仿真分析，仿真種采用的模型主要包括光伏模型、風(fēng)機模型、核電源模型和儲能模型[11]。

3.1.1" 光伏發(fā)電模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與光照強度直接相關(guān)，光照越強則光伏發(fā)電功率越強，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性為

3.2" 微電網(wǎng)穩(wěn)定性仿真分析

3.2.1" 負(fù)荷波動影響

在t=15 s時將負(fù)荷進行±30%的波動，即±0.9 MW的負(fù)荷投切。此時，相關(guān)波形如圖3、圖4所示。

結(jié)合圖3、圖4可以看出，當(dāng)系統(tǒng)切除30%的負(fù)荷，系統(tǒng)的各負(fù)荷節(jié)點電壓最大由1.01 pu波動至1.03 pu，頻率最大由49.95 Hz波動至50.46 Hz。而當(dāng)增加30%負(fù)荷時，系統(tǒng)的各負(fù)荷節(jié)點電壓最大由1.01 pu波動至0.98 pu，頻率最大由49.95 Hz波動至49.54 Hz。

3.2.2" 核電源故障退出

當(dāng)核電源出現(xiàn)故障退出，10 kV系統(tǒng)可視作獨立運行的子系統(tǒng)，由區(qū)域內(nèi)的儲能及風(fēng)能、光伏等新能源進行本地負(fù)荷功率的消納。在t=30 s時將核電源切除。此時，相關(guān)波形如圖5所示。

結(jié)合圖5可以看出，當(dāng)核電源遇故障退出時，微電網(wǎng)各負(fù)荷節(jié)點最大電壓波動由1.01 pu跌落至0.91 pu，變化幅度為10%，最大頻率波動由49.92 Hz階躍至50.41 Hz，變化幅度0.49 Hz。同時，儲能的主動支撐的響應(yīng)時間不會大于0.2 s。

4" 結(jié)論

本文分析了當(dāng)前新能源微電網(wǎng)方案設(shè)計現(xiàn)狀，給出了國內(nèi)外研究重點方向。本文梳理了耦合小型核電源的新能源微電網(wǎng)基本規(guī)劃配置方法，基于某3 MW用電場景，結(jié)合以上規(guī)劃設(shè)計方法開展微電網(wǎng)配置方案設(shè)計，給出了光伏、風(fēng)力、核電源和儲能系統(tǒng)的基本配置方案。通過建立光伏、風(fēng)機、核電源和儲能裝置仿真模型，開展耦合小型核電源的微電網(wǎng)穩(wěn)定性仿真分析，分析結(jié)果顯示在±30%的負(fù)荷波動和核電源因故障而退出供電的極端情況下，電壓最大波動幅度為10%，頻率最大波動0.51 Hz。通過耦合核電源的微電網(wǎng)方案設(shè)計和仿真分析表明，新能源微電網(wǎng)耦合小型核電源后整體保持穩(wěn)定，不會因波動而導(dǎo)致供電中斷。

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