基于风光互补的直流电网规划模型研究

2020-10-09戴明明邓亚伟王奎红李志永

四川电力技术 2020年4期

王康，戴明明，李强，邓亚伟，王奎红，李志永

(国网安徽省电力有限公司亳州供电公司,安徽亳州 236800)

0 引言

在没有电网的偏远地域，如果想要使用大量的风电或光电，则需要提前储存能量，但风电和光电只有在大风和光照正常的天气下才能实现能源源源不断地输送。所以在风能和光能相互补充的情况下，将太阳能电池、风力发电机以及蓄电池进行高效整合利用，可以使产生的电流不间断、电压稳定。将风光互补技术应用在太阳能以及风力发电系统中，实现风能以及太阳能转变为电能；然后，将其注入蓄电池中进行电能的保存，提供照明等设备所需的电能。这种技术可以保证一年四季均衡供电，使自然资源被充分利用。因此，提出基于风光互补的直流电网规划模型，即在直流电网规划过程中引入风光互补发电系统，优化传统方法的电网规划有效性差的问题。

1 基于风光互补的直流电网规划模型

基于风光互补的直流电网规划模型相较于传统配电网采用交流配电模型，优势在于可以运用变压器的电磁感应效应改变电压,即将传统配电网的交流母线用直流母线替代，配电网拓扑结构也相应改变，直接采用直流方式实现供电[1]。

1.1 风光互补发电系统

风光互补发电系统是一个有机的电力能源系统。系统中的电力能源来源由两部分构成：风力能源和光伏电能。系统的工作流程包含对电能的收集、存储及再分配输出[2]。与普通发电系统有别的是，该系统还具备通信互联模块、风力与光电的互补与连接站点互联环节。这一互联环节由许多的模块拼合：光伏电池、风力发电机组、整流器、控制器、储能设备、逆变器、负载[3]。在这个模块中，收集电能的这部分工作依靠风力发电机组与光伏电池完成“风力—电能”“光能—电能”的转化工作，这部分的运行亦是系统的核心功能。存储电能这部分工作则依靠蓄电池组运作，蓄电功能为保险功能，出现灾害气候等导致无法收集系统两大能源来源时，蓄电池能够保障电能的正常使用。此外，有蓄电这一额外的电力储备，也可以稳定电压，促进供电平衡。分配输出电能模块将会计算合适的发电功率，其中输出的电流负载由直流与交流两种负载构成，直流负载是本次的研究重点。系统中未列举的组件也有着其独特的转换、控制等功能，亦起着不可忽视的作用，系统的整体结构如图1所示。

图1 风光互补发电系统

图中：Vi为风电机组和光伏阵列的总输出电压；Ii为风力发电机和光伏阵列的总输出电流；Vb为蓄电池电压；Ib为蓄电池电流。

1.2 规划指标

为整合电网、风光能源经济效益，必须对直流电网规划中的重要指标进行精确计算。风电场与普通常用发电机组不同，风力发电机组的输出功率会随着风力变化而发生变化。主要分为以下两种情况：

1)风电场的出力模型

风机在确定目标函数的情况下，可以捕获风能。则其风机目标函数为

W3Ewind(G),W4Esolae(G)

]

(1)

s.t.X∈Ω

H(X)=0

式中：W1Egrid为风力发电耗时；W2Eloss为风力发电能耗；W3Ewind为风速概率分布函数；W4Esolae为风力发电调节函数；Ω为尺度参数。则风机叶片的扫风面积影响风轮从风中吸收的功率，可以由式(2)表示：

(2)

式中：ρ为空气密度；R为风机叶轮的半径；Cp为风机的风能利用系数；v为风速。

由于风机出力值受到风速的影响，对此，将风机的输出功率视为其额定功率，其他情况风机的输出功率为0 ，即整体的风电机组出力模型为

(3)

式中：a、b为出厂时的风机功率曲线拟合参数；Pr为风机额定功率；Vi为风电机组和光伏阵列的总输出电压；Vb为蓄电池电压；Cco为并网节点电压。

2)光伏电站的出力模型

光伏发电机组在一定温度和辐射强度下，电池只能在某一特定电压时，输出功率才会达到最大值。假设在标准测试环境下，太阳能电池的负载电流为

(4)

式中：ISC为短路电流；UOC为线路电压；e为线路容量；USTC为太阳能电池组的电压。

因为太阳能电池电压发生变化和温度、光照变化之间关联性较大，若要尽量多的运用太阳能资源，需要使用追踪最大功率方法，确定最大输出功率。那么在最大功率跟踪方法下，光伏发电站出力模型表示为

Pv=η×Im(G,T)×Um(G,T)×ISTC

(5)

式中：η为最大功率追踪装置的效率；Im(G,T)为最大功率下的负载电流；Um(G,T)为最大功率下的负载电压。

1.3 构建规划模型

在明确规划指标的基础上，建立直流电网规划模型。直流电网规划系统有功、无功满足等式约束为：

(6)

(7)

式中：PGI为发电机有功功率；θij为节点G与节点I的相角差；USTC为节点导纳矩阵的实部元素；QGI为发电机无功功率；Gij为节点导纳矩阵的虚部元素；Bij为节点导纳矩阵的实部元素。

基于风光互补的直流电网规划模型为

(8)

式中：Pi为线路负荷阈值；PGI为发电机有功功率；QGI为发电机无功功率。基于风光互补的直流电网规划模型，在风光互补发电系统的基础上，还包括能源路由器单元、信息收集单元、能量信息转换单元、直流母线单元、AC/DC模块单元、直流负荷单元、风力发电装置单元。规划方法包括：

1)能源路由器单元：由直流电网和信息收集单元组成，其中信息收集单元包含3个信息收集装置。

2)直流母线单元：该单元最重要的模块是AC/DC模块，直流母线单元由直流电网、3个AC/DC模块和直流负荷装置组成。其中3个AC/DC模块构成了AC/DC单元，3个AC/DC模块分别与光伏发电装置、储能装置单元、风力发电装置单元连接[4]，如图2所示。

图2 直流电网规划模型规划

1.4 二次规划寻优

为体现基于风光互补的直流电网规划模型是直流电网规划的最优解，对规划结果进行二次寻优。构建主动电网光伏发电投资收益为

(9)

式中：E(G)为主动电网光伏发电投资收益值；Esolae(G)为网损降低函数；Ewind(G)为光伏售电收入函数。

除投资收益外，在直流输电过程中，还会伴随可靠性、安全性等问题。因此，考虑到目前直流配电存在的问题，需要利用现行约束条件解决问题。在基于风光互补的直流电网规划模型基础上，可对整个系统的热设计和热管理提出优化措施。电网系统的各个设备首尾依次相连，即为串联连接方式。基于此，可在电路串联前面安装一个风扇，风扇的作用是进行导流，形成风道调节电芯温度。利用流动风能降温原理，保证电芯与外部温差不超过3 ℃、集装箱内部温差在5 ℃以内，且要保证几千只电芯之间的温度温差不超过5 ℃。

2 实验验证

2.1 实验环境

为验证所设计的基于风光互补的直流电网规划模型的有效性，进行仿真实验分析。实验在Matlab平台上进行，操作系统为Windows 10 ,系统运行内存为8 GB,数据采样频率为70 Hz ,采样间隔为0.2 s，实验样本节点为30 个，风力发电机组的输出功率为6 MW。具体实验环境如图3 所示。

图3 实验环境

以上述实验环境为基础，以IEEE 57节点系统为实验算例，运用传统方法与所提方法分别进行仿真实验。算例节点系统包含57个节点和50个负荷消耗设备、7台发电机，基准功率为100 MVA。由于节点数量较多，截取其中30个节点进行实验。设定最大迭代次数为150，采用容量为±50 Mvar的净值无功补偿装置，进行无功补偿，使节点间耦合强度保持在17。基于上述实验参数环境及算例参数设置，进行如下对比实验。