基于电动车的新型小水电计划停电功率平衡方式

2020-11-18李金喜罗艺华包文辉张紫凡王智东郭琳温永森

环境技术 2020年5期

李金喜，罗艺华，包文辉，张紫凡，王智东，郭琳，温永森

（1. 广东电网有限责任公司韶关翁源供电局, 韶关 512026； 2.华南理工大学广州学院电气工程学院，广州 510800）

引言

随着化石能源逐渐枯竭以及用户对供电可靠性要求的提高，以可再生能源发电为主的分布式电源和微电网以其高效、环保、节能的特点被认为是未来一种重要电能生产方式[1,2]。随着分布式发电集成技术的不断完善和单位电能生产成本的不断降低，其普及和利用率将不断提高。我国在2030年计划将分布式可再生能源发电达到发电装机总量的17.3 %。

小水电作为一种方便的分布式能源，得到了广泛应用。我国西南、东南以及华南的山区有丰富的水力资源，本着“本地取材、就近利用”的原则以及水电简单、高效、灵活、可靠的优势，出现了数量众多的小水电站并入当地配电网[3,4]，这些水电站就近接入地区的10 kV及以上电网[5]。小水电的接入有诸多益处。首先，小水电作为一种可再生的清洁能源，对其充分利用可减少碳排放。其次，相对城市配电网山区配电网电力负荷较小且分散，配网线路较长、用户远离主电源两个因素导致线路末端电压常存在过低的现象[6]，小水电接入电网可改善沿线电压分布。最后，在富含水利资源的山区及农村地区开展水电微网的建设项目，采用合理的技术用可再生的清洁能源提高用户的供电可靠性，有利于美化乡村环境并提升用电满意度。

农网建设标准与装备水平与城网存在较大差距。农网网架长期处于一种无序的“自然”发展状态，缺乏目标网架规划，存在农网线路过长、多级分支线路、线路和变电站联络率低等问题[7,>8]。多种原因导致农网地区故障率高、检修时间长，最终造成农网用户停电次数多，停电时间长的问题。针对这一问题，可通过对小水电的充分利用提高供电可靠性。利用小水电与水电附近的本地负荷组成小水电微网，当小水电上级联络线路因检修等原因需要计划停电时，小水电微网可运行于孤网状态并为本地负荷提供电能。

小水电的改造项目对投资花费非常敏感，而经典微电网必备的储能设备的价格相对昂贵。实际运行的小水电微电网，经济上不具备大规模储能设备的可能。

针对电动汽车日益普遍的使用，本文提出电动汽车应用于小水电计划停电的储能的方案。在小水电计划停电中，将电动汽车接入小水电侧的电网中，在小水电离网过程中，由电动汽车充当储能设备[9,10]。这一方案在不增加储能设备投资的前提下，充分提高了水电的环境效益。

1 当前运行现场方案

为了能够实现水电微网保持稳定的孤网运行状态，保持小水电微网内能量平衡，当前常见做法是接入阻值大小可调的平衡电阻，利用电阻来消耗小水电在满足本地负荷用电需求后的剩余有功功率。小水电微网的并网接线图如图1所示。小水电微网通过10 kV母线接入配电网，当接入位置的配网上游线路计划检修时，小水电微网可孤网运行，持续为本地负荷供电。负荷用电具有一定的随机性，为保证在小水电孤网运行期间的频率及电压稳定，在小水电微网中配备储能或者平衡负载来实现小水电微网孤网运行期间的有功功率平衡。

本文根据图1所示的典型小水电微网并网接线图建立仿真模型，观察小水电微网在并网以及孤网运行期间的有功功率的发出、消耗的情况。

小水电微网通常采用的方案为：孤网运行的水电微网在规划阶段，保留一定的水电发电容量裕度，使小水电出力Phydro小于负载消耗Pload，同时为确保小水电微网的有功平衡投入可调剂的平衡电阻消耗一部分有功Pr，即Phydro=Pload+Pr。当前方案虽具有经济性，但是仍牺牲了一定的环境效益，平衡电阻消耗的有功功率Pr并没有被充分利用。

2 电动汽车方案

根据上文分析，小水电微网可在配网线路计划检修时孤网运行为水电本地负荷提供电能。但作为调节微网有功及频率的设备是平衡电阻，环境效益还有可提升空间。电动汽车的应用普及度以及电动汽车具有充电及放电的双重作用，在功能上具备替代平衡电阻来调节微网有功功率平衡的能力。

图2 电动汽车用于调节小水电微网调节设备的方案思路图

2.1 方案思路

电动汽车替代平衡电阻调节微网有功及电压的方案思路如图2所示。水电在正常状态时由并网开关接入当地配电网，为本地负荷以及当地配电网提供电能。当小水电接入点的上游配网需要线路计划检修时，可根据检修计划，将足够数量的电动汽车作为储能设备纳入微网，以起到稳定微网运行的功能。

2.2 方案流程

电动汽车作为小水电微网的调节设备的具体方案流程图如图3所示。

在小水电微网控制系统收到上游线路检修计划后，首先需要判断微网内小水电的发电容量是否能够满足本地负荷的用电需求。若发电容量不能满足本地负荷，则不需要增加电动汽车以及平衡电阻。若发电容量能够满足本地负荷，并有留有一定的裕度，则表明小水电微网在孤网运行后，有剩余功率可为电动汽车充电。则计算剩余发电可供的电动汽车充电容量，并统计可调用的电动汽车台数。若具备足够的电动汽车台数及容量，则调动电动汽车到计划孤网运行的小水电微网区域。并在满足离网条件后，断开小水电微网的并网断路器。若不具备足够的电动汽车，则投入备用电阻来辅助电动汽车调节微网运行。

在小水电接入配网的上游线路检修结束并成功复电后，小水电微网并网断路器同期合闸，恢复正常运行。

图3 电动汽车接入计划离网的微电网流程

3 仿真

本文通过建立小水电并网模型进行说明当前小水电微网运行情况，模型设置为小水电微网通过10 kV母线接入配电网，当接入位置的配网上游线路计划检修时或线路故障时，小水电微网可孤网运行，持续为本地负荷供电。仿真模型中包含小水电机组额定容量为2.5 MW，本地负荷在2 MW左右小幅随机波动，设置仿真时长为20 s。小水电微网在并网以及孤网运行状态下有功功率波形如图4所示。图中，小水电有功出力记为Phydro、送往配网的有功为Pchange、平衡电阻有功消耗为Pba，小水电本地负荷有功消耗为Pload。小水电微网在0～6 s时间段为并网运行阶段，在并网运行阶段，水电机组保持额定发电容量，在满足本地负荷用电需求后，将剩余0.5 MW左右的功率送入配电网。6 s时由于线路故障等原因，小水电微网进入孤网状态，6～20 s之间是孤网运行状态，小水电机组仍保持额定容量发电。在满足本地负荷需求后，剩余功率无法送入电网，被平衡电阻消耗掉。

根据《2018年全国电力可靠性指标报告》及《2019年上半年全国电力可靠性指标报告》统计数据显示，配电网线路平均检修时间一般为5 h左右，在水电资源丰富的西南地区检修时间一般为5～7 h。一年检修次数约为4次，一年因计划检修的时间约为20 h，即小水电因线路计划停电造成的孤网运行状态在一年的时间内大约持续20 h。

以本文的仿真模型数据为例，小水电微网孤网运行时，平衡负载消耗的有功功率按0.5 MW计算，那么平衡负载每年消耗的电能为10 000 kW·h以上。这部分能量均转化为无用的热量散失掉，造成了较大的电能浪费。