含分布式电源的海岛孤立微电网网架设计

张 杰，余银辉，张琯乐，黎 亚，刘双全

(中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

建设海洋强国现已成为我国国家层面的重大战略。党的十八大报告提出，我国应“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”。建设海洋强国需要大力发展海岛经济，而海岛经济开发的首要问题之一是能源供给与保障。

海岛孤立微电网的建设具有工程量较大，项目完工周期长、耗资大等特点。因此在对包含分布式电源、储能装置、保护装置的海岛微电网进行规划设计时，需要综合考虑分布式电源以及储能的特点。微电网的电网设计方案需要将电网的建设成本和运行维护成本以及电网的运行效率进行综合多目标规划及优化。目前，在进行电网规划和设计的过程中，将数学概率模型应用到电网规划中，不仅能提高海岛微电网的运行效率，实现其经济性，还可以减少前期建设成本，降低运行费用，减轻电能损耗，使离网微电网的发展更加适应目前的新形势[1-5]。

1 资源和设备准稳态建模

本文以某岛为依托，建立光伏系统模型、风速概率模型和负荷概率模型，对含含分布式电源的孤岛微电网进行网架设计。

1.1 光伏发电系统建模

光伏的出力主要是由照射到光伏表面的光照强度、系统的运行工况和光伏物理参数等综合决定的。通常情况下采用式(1)计算光伏阵列的输出功率[6]。

(1)

式中：fpv为光伏阵列降额因数，代表光伏在当前环境下的实际功率与给定条件下输出的比值，造成损耗的原因主要是光伏板自身老化、雨雪天气以及环境造成的遮盖以及污渍，通常取值0.9；PV,cap代表光伏阵列设计容量，kW;IT代表当前环境的光照强度，kW/m2；αp表示当前温度的功率修正系数，%/℃；根据设计要求，在无风环境下，光伏板的标准测试条件(standard test conditions，STC)为光照强度1 kW/m2，光伏电池温度25 ℃；由于光伏板周围环境温度对光伏板的运行效率近似成反比，随着环境温度的升高，光伏阵列的运行效率会随之下降[7]。光伏电池温度变化Tcell可以通过下式进行表示。

(2)

式中：Ta表示光伏板运行时的环境温度，℃；按照当前设计需求，设定光伏阵列的运行条件为标准测试条件的80%，即光照强度为0.8 kW/m2、环境温度为20 ℃、环境风速设定为1m/s(光伏标准运行温度，normal operating cell temperature，NOCT)；Tcell,NOCT代表在当前设定的运行条件下光伏板的表层温度，根据运行经验该值一般取45～48 ℃；ηmp,STC代表光伏板运行在最大功率时的效率，通常假定光伏阵列始终运行在最大功率，因此使用该点的效率值来代表光伏运行效率；τ代表光伏阵列上遮盖物的太阳能通过率;α代表光伏阵列的太阳能吸收率，指光伏阵列表面可以吸收太阳能的比例，这2个参量通常取默认值，默认均为90%[8-9]。

1.2 风力发电建模

1.2.1 风速概率模型

风速数据可以用韦布尔概率密度分布函数进行描述：

(3)

式中：c是尺度系数；k是形状系数。

(4)

式中σ是长期标准差。

(5)

式中Γ(·)表示gamma函数[10]。

1.2.2 风力发电机模型

风力发电机的输出功率主要和风速有关，与风速呈现出对应的关系，这个关系可以用风机功率-风速曲线来描述。这一曲线通过切入风速Vin、切出风速Vout、额定风速Vr等参数来进行描述。其中，切入风速Vin表示能使风机工作的最小风速；切出风速Vout表示保证风机正常工作是所允许的最大风速，当实际风速高于切出风速时，风机将会停止工作；额定风速Vr表示风机额定功率对应的风速。当风速处于[Vin,Vout]时，功率-风速曲线往往呈现出非线性的关系，可以通过插值法来拟合；当风速处于[Vr,Vout]时，风机的出力均为风机的额定功率。功率-风速曲线的数学表达式如式1-6所示：

(6)

1.3 海岛负荷概率模型

依据数据输入类型的不同，有以下2种方法可以生成负荷数据[11-14]。

(1)生成的负荷数据能够用瑞利分布来描述，概率分布函数最小值由输入数据决定，形状与韦布尔分布较为相似。

(7)

(2)利用给出的输入数据进行扰动修正后得到负荷数据。其中输入数据包含576个数据值，数据由24天的数据构成，选取每月的1个工作日负荷和1个周六日负荷，将其24 h的负荷变化作为输入。β为扰动修正系数如下所示：

β=1+δd+δh

(8)

式中：δd为日扰动修正系数；δh为时扰动修正系数。其中日扰动修正系数和时扰动修正修正系数均服从正态分布，且其平均值为0，标准差分别对应等于输入的“日噪声值”和“时噪声值”。

利用上述方法对输入的8 760个数据进行处理，得到了所需的全年随机负荷值。

2 含分布式电源的微电网网架设计

2.1 海岛区块面积分析

针对不同用地性质类型进行负荷密度指标调研，并选取相应的需用系数，负荷预测结果如表1所示。

表1 近期开发负荷需求预测Table 1 Recent load demand forecast

海岛近期开发区域为T1、T2、T3，总负荷为5.9 MW，备用发电机组容量根据电源的接法来确定。电源接法分为发电机组在T1、T2、T3区域分区块集中发电上网和所有发电机组全部在T1区块集中发电上网。

发电机组在T1、T2、T3区域分区块集中发电上网如方案一(多分段的供电结构)、方案二(多分段且环网的供电结构)所述；所有发电机组全部在T1区块集中发电上网如方案三(单辐射型供电结构)、方案四(单环网结构)所述。

2.2 微电网网架方案设计

2.2.1 分区块集中发电上网

(1) 方案一：多分段的供电结构。在区域T1、T2、T3内建设10 kV线路，形成多分段的供电结构，各区域内发电机组采用分区块集中发电上网模式，将电能升压并传送至10 kV线路，再由10 kV线路进行电能的输送和分配。各区域各自配1台1 MW的柴油发电机作为备用。10 kV配电网地理接线及发电机组布置图(方案一)如图1所示，其中红色虚线为10 kV线路。近期10 kV配电网拓扑图(方案一)如图2所示。

图1 10 kV配电网地理接线及发电机组布置图(方案一)Fig.1 10 kV distribution network geographical wiring and generator set layout (scheme one)

图2 方案一配电网拓扑图Fig.2 Distribution network topology of scheme one

(2) 方案二：多分段且环网的供电结构。近期在区域T1、T2、T3内建设10 kV线路，形成多分段且环网的供电结构，平时开环运行(H4和H5一闭一合)，各区域内发电机组采用分区块集中发电上网模式，将电能升压并传送至10 kV线路，再由10 kV线路进行电能的输送和分配。近期10 kV配电网地理接线及发电机组布置图(方案二)如图3所示，其中红色虚线为10 kV线路。近期10 kV配电网拓扑图(方案二)如图4所示。

图3 近期10 kV配电网地理接线及发电机组布置图(方案二)Fig.3 10 kV distribution network geographical wiring and generator set layout(scheme two)

图4 方案二配电网拓扑图Fig.4 Distribution network topology of scheme two

2.2.2 集中发电上网

(1) 方案三：单辐射型供电结构。近期在区域T1、T2、T3内建设10 kV线路，形成单辐射型供电结构，发电机组采用在T1区块集中发电上网模式，将电能升压并传送至10 kV线路，再由10 kV线路进行电能的输送和分配。近期10 kV配电网地理接线及发电机组布置图(方案三)如图5所示，其中红色虚线为10 kV线路，红色实线为10 kV母线。近期10 kV配电网拓扑图(方案三)如图6所示。

图5 近期10 kV配电网地理接线及发电机组布置图(方案三)Fig.5 10 kV distribution network geographical wiring and generator set layout (scheme three)

图6 方案三配电网拓扑图Fig.6 Distribution network topology of scheme three

(2) 方案四：单环网结构。近期在区域T1、T2、T3内建设10 kV线路，形成“2-1”单环网结构，发电机组采用在T1区块集中发电上网模式，将电能升压并传送至10 kV线路，再由10 kV线路进行电能的输送和分配。一般采用开环运行方式(即一般情况下H3、H4是一闭一合的)。近期10 kV配电网地理接线及发电机组布置图(方案四)如图7所示，其中红色虚线为10 kV线路，红色实线为10 kV母线。近期10 kV配电网拓扑图(方案四)如图8所示。

图7 近期10 kV配电网地理接线及发电机组布置图(方案四)Fig.7 10 kV distribution network geographical wiring and generator set layout (scheme four)

图8 方案四配电网拓扑图Fig.8 Distribution network topology of scheme four

3 各方案电网建设规模及投资估算

本次电网建设投资估算参照“海南电网公司‘十三五’配电网规划投资估算单位造价指标”进行投资估算。根据4个电网规划方案进行建设规划测算，其中10 kV线路长度在各方案地理接线图测量长度的基础上均考虑20%裕度；每台配变规划出低压线4回，每回低压线长度不超过400 m。各方案建设规模及投资估算对比如表2所示。

4 结论

从电网可靠性、运行稳定性、电网经济性、可拓展性等方面对比分析本文所提4种方案。方案一与方案三能够实现电源的“N-1”； 无法满足10 kV线路的“N-1”，但能够隔离10 kV线路故障段，缩小停电范围。单回分段式电网结构，供电可靠性较低。方案二与方案四能够实现电源的“N-1”，与此同时10 kV网架可以满足线路“N-1”。分段且环网的电网结构，供电可靠性较高。

从经济性方面考虑，方案一和方案三投资较少，方案二和方案四由于增加了分段和联络设备，投资金额较大，同时较大程度地提高了海岛用户的供电连续性和稳定性。

方案一与方案三网架简易，可拓展空间大，但容易造成电网重复建设，投资浪费。而方案二与方案四采用的环网结构与未来整体电网建设契合度高，网架规划一步到位，避免重复建设。

受岛上地形限制，不能很好满足大容量光伏电源、风电以及其他新能源集中配置的要求，因此本项目近期网架建设采用分区块集中发电的多分段环网供电结构，能够较好满足经济性、可靠性与可拓展性。

表2 各方案建设规模及投资对比Table 2 Construction scale and investment comparison of each program