上海世博会中国馆电力供应的保障措施

李志斌,魏亚威,汤 栋,范潆丹,周 波,赵子兰

(上海电力学院电力与自动化工程学院,上海 200090)

一次能源的枯竭,很可能在可预见的未来中引起人类社会的能源危机.而作为人类大规模的聚集地—— 城市,则显而易见地成为这个危机最主要的受害者.上海世博会也以此为出发点,提出“城市,让生活更美好”的主题,旨在解决可能出现的城市能源危机.作为世博会标志性建筑的中国馆,也是本次世博会应用先进技术寻求解决这个城市难题的示范场馆,主要采用了太阳能光伏建筑一体化发电技术.

光伏建筑一体化［1］(BIPV)是应用太阳能发电的一种新理念,就是将太阳能光伏发电方阵安装在建筑的维护结构外表面来提供电力.由于光伏方阵与建筑物相结合不占用额外的地面空间,可以缓解城市用地紧张状况,并可缓解城市发展与能源供应的巨大矛盾,创造低能耗、高舒适度的健康居住环境,实现城市建筑的可持续发展.微型电网［2-4］是为整合分布式发电的优势,削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响而提出的一种新的分布式能源的联网形式.它通过整合分布式发电单元与配电网间的联络关系,在一个局部区域内直接将分布式发电单元、电力网络和终端用户联系在一起,可以方便地进行结构配置以及电力调度的优化,结合热(冷)电联供方案,优化和提高能源利用效率,减轻能源动力系统对环境的影响.推动分布式电源上网,降低大电网的负担,促进社会向绿色、环保、节能的方向发展.

1 中国馆光伏建筑一体化发电情况及电力供应保障措施

世博园区中国馆和主题馆将建设一套总规模约为 3 MW且建筑一体化的太阳能光伏发电装置.中国馆的太阳能电池板每块面积约为 1.3米2,共计 1 264块,在阳光充足的理想条件下,能供电约 300 kW.这套绿色能源装置建成以后,预计年均减排 CO2约 1 980 t,相当于少用 900 t左右的标煤.

世博会及中国馆的电力供应保障措施主要由国家电网上海市电力公司负责,主要从加强世博电力工程建设、整治供电环境消除供电隐患、提前制定迎峰预案 3个方面推进世博电力建设和供电保障.此外,上海电力公司也同时根据《上海市电力公司供电营业细则》、《上海市保护电力设施和维护用电秩序规定》、《电力设施保护条例》、《电力供应与应用条例》、《中华人民共和国电力法》等法律及规范条例,制定了相关的保障措施.

2 微网结构下上海世博会中国馆电力供应保障措施

其保障措施的主要设计思路是基于我国智能电网“优质、清洁、经济”的特性,结合并借鉴更贴合分布式电源供电的微网组织形式和结构,分析世博会中国馆的太阳能应用特点和实际供用电情况.本文提出的中国馆微型电网结构电力供应的保障措施主要是通过场馆的太阳能光伏发电与大容量蓄电池、超级电容器结合,在主网断开的情况下,保证场馆基本照明、自动扶梯和通风系统工作3 h的电力供应:1 h人群疏散,2 h的场馆主要设备维持最低工作状态.一方面可以保证参观者安全,另一方面保证供电可靠性,电力供应稳定可以减低场馆设施因意外状况所受的影响.3 h的时间设计,主要是参考世博会官方网站资料,游客在中国馆内顺畅完整的游览时间约为 45 min,因此微网在结构设计上预留 1 h的人群疏散时间.此外,根据华东电网以及上海市供电公司公开的上海市用电负荷数据,结合近 3年的上海市极端天气情况,3 h的时间足够主网完成错峰调峰以及工程应急抢修任务.

本文设计的微型电网能保证在最极端故障情况下,即场馆处在晚上 8时的晚高峰时间,突遇意外情况与主网断开连接最长约 3 h时间,场馆微网电力供应符合设计要求.

2.1 上海世博会中国馆负荷计算

上海世博会中国馆包括有中国国家馆“东方之冠”、地区馆及港澳馆 3部分组成,总建筑面积1.601×105m2.其中,中国国家馆室内面积约 2×104m2,地区馆约 3×104m2,港澳馆约 3 000 m2.根据大型展馆主要负荷情况及中国馆的特殊情况,负荷分类及计算如下.

(1)照明部分 据世博会官方网站招投标资料显示,中国馆室内照明负荷约为 0.302 MW.室外采用 LED照明.中标亚明公司的数据显示,中国馆特殊日最大负荷为 0.084 MW,平常日最小负荷为 0.032 MW,正常负荷为 0.078 MW;地区馆特殊日照明最大负荷为 0.058 MW,平常日最小负荷为 0.019MW,正常负荷为 0.058 MW.

(2)电梯部分 世博会中国馆电梯采购项目招投标的数据显示,中国馆有垂直电梯 14台(额定载重为 1 050～2 500 kg,额定速度为 1～1.75 m/s)、自动扶梯 12台(提升高度为 5～19.3 m)、自动人行道 2条(提升高度 9.12 m)、地区馆及港澳馆的参数空缺.按照实际情况分析,预计地区及港澳馆会有自动扶梯 15台,自动人行道 4条.由于世博会电梯、自动扶梯、自动人行横道均为特制,结合现有标准电梯(1 000 kg,1 m/s)所需功率 0.015 MW,±0.005 MW,标准自动扶梯功率0.005 MW(±0.001 MW),自动人行横道 0.005 MW(±0.001 MW)的参数,中国馆电梯预计功率为 0.03 MW(±0.005 MW);自动扶梯 0.006 MW(±0.001 MW);自动人行横道 0.005 MW(±0.001MW).

(3)空调部分 中高档展览馆、酒店等场所负荷密度一般分别为 60～100W/m2,其中 70%均为空调等动力负荷.结合中国馆节能设计理念,选取偏低的负荷密度指标值,折算结果为 40～50 W/m2.实际计算值取为低指标下 40W/m2,正常45W/m2,高指标 50W/m2.

负荷统计如表 1所示.

表1 中国馆正常工作时一般、较高、较低工况下主要设备负荷统计 /MW

根据以上数据可知,正常工况时展馆负荷为8.770 MW.实际展览时,场馆整体取较高的 0.9负荷同时率,可以满足各种情况负荷计算需要.最大负荷工况时,取数据资料上限,考虑同时率后展馆负荷为 9.587MW;最低负荷工况时,取数据资料下限,展馆负荷为 7.399 MW.世博会特殊日负荷取最大负荷工况.

中国馆 35 kV变电站(2台 8 MW主变)为中国国家馆、地区馆及港澳台馆所能提供的最大有功功率为 15.2 MW.功率因数 cosΦ取整定值为0.95.考虑到电力供应的安全性,至少有一台主变正常工作时所能提供的最大有功功率为 7.6 MW.

通过以上分析计算可知,在正常情况下,35 kV中国馆变电站完全可以满足中国国家馆、地区馆、港澳馆的电力负荷需求.

2.2 微型电网结构设计

2.2.1 电网主接线设计

电网结构设计首先考虑到 35 kV变电站向中国馆供电时,根据标准的电力设计规范步骤与要求,对于重点负荷的供电均采用两路电源、分段母线供电.

图1为世博会中国馆主电网与微网正常工作接线图,电网采用双变压器双电源供电,10 kV电源侧采用单母线分段接线形式.图 1中,S1,S2表示两台变压器所引接两路不同的 35 kV电源进线;T1,T2为主变;QF1,QF2为10 kV电源断路器.根据负荷情况,将空调负荷合理分配为两部分,而对于安全性较高的照明以及电梯负荷,则采用双变压器相互备用的供电方式供电.

图1 世博会中国馆主电网与微网正常工作接线示意

2.2.2 微型电网故障状态工作情况说明

图2 为本文所设计的世博会中国微网设计接线示意.

图2 世博会中国馆微网设计接线示意

图2 中微网有 A,B,C 3条馈线,其中 A馈线中含有照明与垂直电梯负荷,分配有 2个 DG;馈线 B为空调负荷,必要时可将其切断;馈线 C中含有通风与自动扶梯负荷,分配有 2个 DG.当外界电网出现故障或电力供应质量有问题时,微网可以通过主断路器切断与外界的联系,进入孤立运行状态.此时,微网全部由 DG供电,馈线 B通过公共母线得到电能正常运行.如系统需要,可以断开馈线 B,停止对空调负荷供电.当故障解除以后,主断路器可重新合上,微网重新恢复和主电网同步运行,保证系统平稳地恢复到并网运行状态.微网状态下,由能源管理器负责控制 DG和断路器的运行.4台 DG中,包括将太阳能发电装置分解成的两个部分以及蓄电池组部分.超级电容器作为短时放电装置［5］,保证断网瞬间大电流供应,将其并入主隔离设备中.

2.3 微型电网结构在故障情况下的运行及应急措施

当遇到最极端故障情况需要断开主网供电时,需要保证 3个场馆的基本照明、自然通风、自动扶梯 3项的电力供应.此外,还要保证短时的电梯电力供应,保证使突然停止运行的电梯能将游客送至最近的出口,而不是滞留电梯内.由以上的设计需求将原负荷表重新修正为应急负荷表,如表 2所示.

表2 中国馆应急工况下主要设备负荷表 /MW

故障情况第 1 h(疏散人群工况)的主要负荷配置情况如下:考虑到中国馆结构层次变化大,死角多,而且会展出如《清明上河图》等珍贵文物,有很多地方需要一直保留照明环境,考虑故障时照明按 50%运行状态计算;升降电梯的乘客滞留问题,实行 14部电梯轮流开放的方式,按 15%运行状态计算;自动扶梯作为疏散人群重要工具,下行方向全部开放,按 50%运行状态计算;空调部分仅开通风换气设备,按总空调 10%运行功率计算;其他部分负荷全部关闭,所得总功率为 1.296 MW.实际中最少满足 3 h电力供应,则蓄电池组应配置的最大容量为 3.88MW.

由于微型电网具有独立的中央控制单元,可独立控制内部各个智能断路器的开断,并根据场馆实际情况实时调整工作线路,比起常规电网来说,增加了很多主动控制手段.考虑到蓄电池在使用中存在放电曲线末端电能质量会出现大幅度下降的问题,微网应保证初期第 1 h全部主要设施的正常供电质量需求.

故障运行 1.5～2 h维持工况下的主要设备负荷可以根据各部分的使用情况进行实时调整.如实际检测 1 h人群疏散后的 30 min内,场馆垂直电梯和自动扶梯的使用需求没有变化,属于空载状态,则与控制中心确认后,跳开对应断路器,切断电梯部分的设备能源供应.

故障情况 2 h维持工况下的主要设备负荷可将照明负荷减低至主要展区保障和特殊位置保障.此时空调的通风泵机电力供应也可以降低至5%左右,仅维持电机低速运转.

以上预设均为考虑最极端的天气及人工因素的情况.但当故障发生在晴天时,电池板在微网状态下依旧可以工作,以电池能发电 300 kWh计算,微网 3 h目标要求下至少能增加 41.6 min的电力供应.且微网特有的中央控制器可以与主网交换信息,随时了解主网恢复情况,若明确故障在1～1.5 h时间段内即可恢复工作时,中国馆可以选择保持较高的电力供应,保证场馆的用电设备可快速恢复,大大减少设备重新投运时间.综合运用以上微型电网结构优势,可以使得太阳能光伏发电技术的能源利用优势与潜力得到较大的挖掘与提升.考虑到双电源同时停止供电且故障时间大于 3 h的概率很小,因此中国馆的电力供应通过以上措施叠加实施,其安全性问题基本可以得到解决.

3 结束语

本文提出的世博会中国馆微网电力供应结构,是实践智能电网理念基础上的示范性措施.通过理论研究计算表明,可以满足设计所需的 3 h电力供应需求,能够更好地适应分布式新能源发电模式,符合智能电网“优质、清洁、经济”的建设特征.如果能够在中国馆建造实施,也可以为现代微型电网走入生产生活、进行实际应用积累经验,提供研究范例.

［1］赵平,严玉廷.并网光伏发电系统对电网影响的研究［J］.电气技术,2009,(3):41-45.

［2］国海,苏建徽,张国荣.微电网技术研究现状［J］.四川电力技术,2009,32(4):1-6.

［3］张玲,王伟,盛银波.基于清洁能源发电系统的微网技术［J］.电网与清洁能源,2009,25(1):40-43.

［4］王明俊.自愈电网与分布式电源［J］.电网技术,2007,31(6):1-7.

［5］王鑫,郭佳欢,谢清华,等.超级电容器在微电网中的应用［J］.电网与清洁能源,2009,25(6):18-23.