基于乡村振兴的并网型光储微电网示范研究

吴焰龙，全英灵

国网宁夏电力有限公司宁东供电公司，宁夏 银川 750411

0 引言

为了贯彻落实国家乡村振兴战略，实现巩固拓展脱贫攻坚成果同乡村振兴有效衔接，党的十九大以来，大力推进生态文明建设。水源地保护区、生态红线内建设项目的前期手续办理难度较高，电网建设环境日益严峻。如何开拓解决农村地区供电半径过长、末端电压较低等问题，成为电网企业面临的新问题[1-3]。文章研究通过建设光储微电网一体化供能系统，提高农村地区供电质量，打造清洁、低碳、品质用电示范工程。

1 示范区概况

目前该区域由两条10 kV线路供电，线路一、线路二供电半径分别为30.4 km、21.53 km。灌溉取水全部采用大功率机井抽水，在每年5—10月用电高峰期时，线路末端10 kV电压在6～9 kV波动，380 V动力电在220～250 V，导致大部分农灌机井无法提灌，制砖电机无法启动。

原规划在该地区新建一座35 kV变电站，但受自然保护区影响，35 kV新增布点无法落地实施，导致该地区低电压问题一直未能得到有效解决。鉴于此，计划在该地区建设并网型光储微电网系统，采用光伏和储能装置组合系统来改善供电半径过长、末端低电压等问题。

2 建设目标与原则

2.1 建设目标

建设适应和服务于地区经济发展和新农村发展规划的光储微电网工程，满足地区未来负荷增长需求，缩短供电半径，改善电网末端用户的电能质量，彻底解决该地区线路末端低电压问题，保证在灌溉时期负荷高峰时，用户电机能够正常运行。由此，建成解决农村配电网低电压问题的典范工程，打造适于全域推广的样板工程。

2.2 建设原则

（1）先进性。根据当地日照条件、电源设施及用电负载的特性，选择利用太阳能资源建设分布式光伏发电系统，具有先进性的电源建设方案。

（2）智能化。控制器可以根据太阳能电池组件和蓄电池的容量情况控制负载端的输出，所有功能都由微处理器自动控制主要部件的状态数据，并上传至控制中心。

（3）可扩展性。要求光储微电网能适应系统的扩充和升级，在系统需扩充时可以直接并联加装电池板模块，使光储微电网系统具有良好的可扩展性。

3 建设方案

3.1 太阳能禀赋分析

该地区的年平均日照小时数达到3 300 h，可利用光照时间较长。同时，年均总辐射量达到1 600 （kW·h）/m3，能源密度较好，利于控制建设规模。

（1）整体上，光伏出力水平较高。由于气候比较稳定，全年云雨天气较少，光伏出力波动相对较小。

（2）当地的光伏出力呈现明显的季节分布趋势，每年6—11月为光伏出力高峰月份，整体出力水平超出其他月份出力约40%。

（3）从日内出力曲线可以看出，光伏的出力呈现明显的日内趋势特征，在下午1点左右光伏出力达到峰值，沿着日出和日落时间出力逐渐减少。

3.2 负荷特征分析

（1）年负荷特性分析。该地区负荷整体上呈现出季节性变化趋势，每年5—10月为排灌季节，11月至次年4月为非高峰季节。

第一，年用电量。10 kV线路一的非高峰季节用电量为5 GW·h，高峰季节用电量为15.4 GW·h，全年用电量合计20.4 GW·h；10 kV线路二的非高峰季节用电量为7 GW·h，高峰季节用电量为20.9 GW·h，全年用电量合计27.9 GW·h。

第二，年最大负荷利用小时数。年最大负荷利用小时数是反映电网负荷特性的重要综合指标，反映了用电总量和负荷时序集中程度。经计算，10 kV线路一的年最大负荷利用小时数约为5 160 h，10 kV线路二的年最大负荷利用小时数约为5 130 h。

（2）日负荷特性分析。通过查询历史数据，在生产旺季，日间、夜间用电负荷分别达到1 MW、2 MW以上，呈现持续用电的特征，需要电网全天的持续供电。同时，日间最高负荷大约是夜间负荷的一倍，又呈现出较为明显的日夜负荷差异。每天7—9点和夜间18—20点有负荷快速增长的过程。

3.3 微电网配置方案

（1）光储系统模型约束条件。光储系统规划的目标为系统总体成本最低，而总体成本包括微电网内部光伏组件、逆变器、锂电储能和控制系统的子项成本的净现值。光储系统的主要约束如下。

第一，容量约束。在规划微电网电源之前，结合微电网内部负荷功率及自然资源储藏量，确定规划微电网电源的总容量。分布式电源装机容量受到微电网内部自然资源分布及储藏情况的限制[4-5]。

第二，可再生能源消纳利用率约束。应保证可再生能源的优化利用，尽量避免弃光现象，满足国家对于新能源消纳弃风弃光率的要求。

第三，电能质量约束。保证线路末端电压稳定运行在一定范围内。

（2）光储系统规划方案。根据上述模型，采用日负荷曲线，配置3 MWp光伏，1 MW/4 MWh储能，2 Mvar SVG，可达到10 kV线路二末端电压达到国家关于配电网电压偏差（7%）的要求。采用分布式光伏方案，10 kV并网，组件选用多晶275 Wp约11 000块，经逆变器、汇流箱、3 000 kVA变压器升压并入10 kV，同时配置SVG保证电能质量。采用储能装置，对分布式发电系统的电能进行补偿，是保证分布式发电系统供电连续性，提高分布式发电系统电能质量的重要手段。采用预制舱储能方案，24个164.8 kW·h电池柜可分为两组，分别汇流后接至2台500 kW的储能变流器并入低压交流母线，再经1 250 kVA变压器汇入10 kV电网。为了保证微电网系统运行年限，建议采用锂电池储能。

3.4 微电网效果分析

（1）接入微电网后电压状况。在10 kV 522线路二的线路末端负荷中心处分别选择二个节点接入微电网，对两种接入方案进行计算分析。

方案一：接入容量为3 MWp光伏、接入22号节点。考虑负荷同时率较大极端情况，最大负荷按5.4 MW计算，功率因数为0.75。同时，考虑到光伏发电功率难以达到理论最大装机容量为3 MWp，实际光伏出力为2 MW，若光照条件不允许，则通过运管系统控制储能放电补足，实现注入线路功率2 MW，由于在光伏并网处配置SVG，通过调节SVG发出无功3 Mvar。接入位置在供电线路末端，22号节点附近。

经计算分析，各节点接入电压均达到9.44 kV以上，含SVG的光储微电网在线路二末端节点的接入，明显解决了线路二的低电压问题。总体网损为15.21%。

方案二：接入容量为3 MWp光伏、接入16号节点。与方案一相比，考虑不同接入位置对系统潮流和电压调节作用，改变接入位置到16号节点附近。

经计算分析，各节点接入电压均达到9.6 kV以上，含SVG的光储微电网在线路二16节点的接入，解决了线路二的低电压问题。总体网损为6.62%。

对比上述两种接入方案，电压提升效果均比较明显，方案二的全网最低电压为9.6 kV，网损可以降低到6.62%，为最优规划方案。

4 结束语

文章通过研究基于乡村振兴的并网型光储微电网，提出相关方案，取得了如下成效：

（1）彻底解决示范地区线路末端低电压问题。光储微电网通过在线路中引入分布式电源，在线路末端增加有功和无功注入，减小线路压降，有效提升线路末端电压水平。

（2）满足持续增长的新增负荷需求。通过引入分布式电源，提升当地电力供给水平，有效避免因负荷增长带来的长线路配电网的扩容和改建问题。

（3）有效降低网损，经济性大幅提升。通过微电网建设，缩短网供负荷的传输距离，可实现配电网网损降低50%，实现削峰填谷，为配电网提供辅助调峰服务。