基于风电-抽蓄互补系统的农业微电网研究

任岩　乔若宇　赵训新

关键词：风电一抽蓄互补系统;农业微电网;系统构建;特性分析

我国是农业大国，农业是我国国民经济的基础，灌排工程作为农业生产最重要的基础设施，不仅能极大促进农田发展，而且是保证国民经济和社会持续发展的重要组成部分。几千年来，我国农耕者都是通过土渠将水从水源输送到田间地头进行灌溉。这样不仅浪费了人力物力，且有大量的灌溉用水在输送过程中被浪费。我国现有灌溉渠道水利用系数很低，通常为0.3～0.5，造成了水资源的极大浪费。因此，灌溉水输送过程中的节水潜力很大。节水灌溉技术是比传统灌溉技术明显高效和节约用水的灌溉方法、措施和制度等的总称。我国发展节水灌溉技术的进程几乎与我国近代灌溉历史同步，因为只要灌溉就应当首先考虑节水。近些年，尽管越来越多的新技术、各种各样的灌溉设备运用在农田灌溉中，但我国很大一部分地区仍采用漫灌的方式进行农田灌溉，主要原因在于这些偏远地区的农村农业现代化、农村电气化程度不高，仍有很大提升空间。

一、风力发电及抽水蓄能特性分析

（一）风力发电特性分析

近年来，风力发电装机比例在全世界范围内正飞速地增长（见图1）。截至2020年，全世界范围内的风力发电装机量达到731.28GW，我国风力发电装机量达到281.99GW，较2010年有数倍提升。风力发电量一直在稳步增长，这直接将风力发电技术推向了更具竞争力的领域。风力发电机由承载机舱的机塔、转子叶片和轮毂组成的转子组成。绝大多数现代风力发电机具有三个转子叶片，通常位于塔架和机舱的上风向。机舱外部通常配备风速计和风向仪，以测量风速和风向以及航空灯。机舱包含风力发电机的关键部件，如齿轮箱、机械制动器、发电机、控制系统等。风能到机械能的转换是通过空气动力学完成的，可用功率取决于风速，因此，在较高风速下应控制和限制功率以避免损坏风力发电机。功率限制可以通过失速控制（叶片位置固定，但在较高风速下沿叶片出现风失速）或主动失速（调整叶片角度，以沿叶片产生失速）或俯仰控制来完成（叶片在更高的风速下转出风）。

风力发电具有清洁、可再生等优点，但由于风资源的随机性、间歇性，风力发电的电能质量会受到一定影响，因此，应该寻求经济有效的方式来储存电能，减少弃风率。

（二）抽水蓄能特性分析

由于全球变暖和温室气体排放过多，可再生能源发电量的增加是全球趋势。在时间尺度上，可再生能源发电容易受到自然变化和一次性能源的季节性影响，在空间尺度上，可再生能源发电也受到极大的地域限制。例如，风能取决于风速，海洋能取决于潮位、波浪和洋流的振荡，太阳能取决于太阳辐射，水能取决于水流的流量等。因此，可再生能源的产生具有随机性，在某些情况下是间歇性的，并且时常与能源需求不同步，这可能导致电力供需不匹配。从以上分析可知，只有水力发电可以通过当前的成熟技术使用水坝和水库大规模储存，从而使电力供应适应市场需求。水力发电水库可用于储存其他可再生和间歇性能源产生的能量，从而提高电力系统的稳定性。

储能是发展新型电力系统必不可少的环节，而抽水蓄能是目前最成熟、效率最高的储能技术。到2035年我国抽水蓄能装机规模将增加到300GW，而截止2021年6月底，我国抽水蓄能电站装机容量仅为32.14GW，这意味着未来15年我国抽水蓄能装机将有近10倍增长空间。通过抽水将水储存在上部水库中，并在适当的时间使用、产生能量的水力发电厂称为抽水蓄能电站。抽水蓄能电站主要由上水库、下水库、输水系统以及厂房组成，其中可逆式水泵水轮机作为其核心部件，通过工况转换实现抽水及发电功能。

电能可以转换成多种形式的能源进行存储，如水库的重力势能、压缩空气、电池和流动电池中的电化学能量、燃料电池中的化学能、叶轮中的动能、电感器中的磁场、电容中的电场等。比较其他储能方式，抽水蓄能电站技术成熟，具有启动灵活、爬坡卸荷速度快、调峰填谷、调频调相等优点，可以很好地缓解风电等分布式能源给电力系统带来的不利影响。

二、风电一抽水蓄能农业微电网简介

作为一种清洁和可再生的发电方式，风力发电因其环境效益好、基建周期短、装机规模灵活而得到迅速发展。但风力发电的波动导致电力系统净负荷波动加剧，供需不平衡，缺乏灵活性。目前，稳定波动的最有效的方法之一是在系统中分配储能。考虑到农村地区地理环境的特殊性和水资源的丰富性，抽水蓄能是解决农业微电网波动问题的一种新兴技术。与其他储能技术相比，抽水蓄能装置具有启动快、响应快、削峰填谷作用突出的特点，在调峰、调频方面发挥着重要作用，能够有效弥补风力发电难以克服的波动性、间歇性、随机性等问题，协调农业微电网能源的时空分布。

微电网是由负荷和分布式能源发电组成的具有不同无功控制策略的有功配电网，可并网或单机运行。由于投资和维护成本高，无法为电网扩建和偏远农村地区供电提供足够的支持，电力短缺给灌溉系统供电带来了困难，这对我国主要的创收部门农业产生了负面影响。而农村偏远地区风资源丰富，应构建风电-抽水蓄能农业微电网模型来进行能源管理。

农业微电网可以有效地整合多样化和分散的分布式能源资源，如风力发电机组、光伏电池和储能系统，以提高能源利用效率，缓解偏远地区的电力短缺问题。同时，在北方缺水地区，抽水蓄能电站除了调峰、调频外，还可以承担周边部分地区灌溉的任务。本文提出的一种农业微电网，使得其中的抽水蓄能装置、灌溉系统和风力发电装置联合运行。该微电网是一个连接到上游电网的农业综合体，该综合体包含一个农场，每天都需要用水灌溉;灌溉系统包含两个存在高度差的水库，这些水库同时被作为抽水蓄能装置的水库。微电网包含不同的电力负荷，如灌溉系统、照明和其他小型负荷，并连接到上游电网，用来自上游电网和风力发电机组的电力供应负荷。

三、风电-抽水蓄能农业微电网模型构建

农业微电网抽水蓄能系统、风力发电系统、灌溉系统、电力负荷和上、下两个水库组成。其中，上层水库与河流相连，而下层水库则与灌溉系统相连。在用电低谷时期，从下层水库抽水，将微电网内多余的电量以势能的形式储存;在用電高峰时期，储存在上层水库的水通过水泵水轮机释放到下层水库中，用于发电供给负荷。农业微电网中，用电设备包括电力负荷、水泵水轮机（在低电价时期抽水）和灌溉系统。发电设备包括抽水蓄能装置和风力发电装置。此外，当农业微电网产生的电力不足或过剩时，它可以与上游网络交换电力。这样在保证了弃风量最小的情况下最大限度地利用了能源，一是缓解当前能源紧缺的现状，在保证农场自身灌溉、照明等用电需求的同时，为农场带来更大的经济效益;二是抽水蓄能装置中的水泵水轮机在水泵工况下可以起到对农场提水灌溉的作用。农业微电网模型结构见图2。

（一）抽水蓄能系统

抽水蓄能系统在农业微电网中起着至关重要的作用，接入农业微电网后，其主要功能是通过水轮机及水泵工况间的切换，实现调峰调频、能量存储及发电功能。同时，在农场有灌溉任务时，水泵水轮机切换至水泵工况，可以充当灌溉用泵，无需另外安装灌溉用泵。在进行抽水蓄能装置选型时，应综合考虑水库库容、灌溉时的扬程需求以及风力发电装机容量等，并将其接入农业微电网，实现调峰调频、发电、抽水灌溉等功能。

（二）风力发电系统

风力发电系统在农业微电网中是供应电力负荷的主力军，当风资源充足、风力发电量足夠大时，在足以满足农场内所有用电负荷的情况下，利用富余的电能可以通过抽水蓄能系统将水抽至上库进行储存，实现风电-抽储互补。同时，在高电价时段，微电网可以向市场出售剩余电力，以实现最小化成本运行微电网及实现电力交换。风力发电系统在微电网内的主要功能是发电，以满足农场内各种负荷需求。风力发电装机容量的选择，应根据农场内负荷大小、当地风资源情况等因素确定。

（三）灌溉系统

传统的灌溉方式有地面沟灌、畦灌、自流漫灌，采取这些灌溉方式要平整土地，加大了农田水利基本建设的工作量。而采用喷灌、滴灌等科学节水灌溉方式后，土地基本不需平整，种地实现了“三无”，即无渠、无沟、无埂，大大减轻了水利建设的工作量。同时，可以将灌溉系统和抽水蓄能系统相耦合，安装灌溉用的高压输水管道，在有灌溉需求时作为水泵使用，进行引水灌溉。当雨水充沛甚至发生洪涝灾害、农田内的积水无法迅速排出时，可以利用水泵水轮机将多余积水抽出，一方面减少农业生产损失，另一方面排出的水可以储存在水库中减少浪费，有力促进了农业生产向机械化、产业化、现代化方向发展。

结语

通过对风力发电系统及抽水蓄能系统的特性分析，结合当前我国农村偏远地区现状，考虑到风力发电的不确定性以及电力系统和灌溉系统在供应电力负荷、用水负荷方面的耦合特性，将分布式能源进行整合，提出了一种一体化农业微电网调度模型，以提高能源利用率，缓解偏远地区电力短缺问题，促进电力消费和农业生产，提高农村电气化程度。

作者简介：任岩（1979-），女，河南南阳人，博士，副教授，研究方向：多能互补、水力机械及系统;乔若宇（1998-），男，河南南阳人，硕士在读，研究方向：多能互补。

（责任编辑 曹雯梅）