多能互补的区域电网系统设计及仿真

牛哲荟，庞凯歌，刘晓芳，王旭荣，李奉翠，崔秋娜，程文帅，陈烨韵

(1.河南城建学院 能源与建筑环境工程学院，河南 平顶山 467036；2.河南城建学院 电气与控制工程学院，河南 平顶山 467036)

提高可再生能源的利用率，减少弃风弃光现象，不仅能够满足拥有多种可再生能源地区的用电，还可以将清洁的可再生能源通过电网输送到用电负荷较高的地区，有效降低石化能源的消耗并缓解用电负荷较高地区的负荷压力。但风力、光伏等可再生能源自身固有的间歇性、不稳定性等特点使其很难被有效利用。储能系统在风光发电出力大、系统负荷需求小的时候进行充电，在风光发电出力小、系统负荷需求大的情况下进行放电，最终，储能系统实现平滑输出功率，但是风光储能互补的系统有功和无功功率输出的变化对系统的稳定性造成了威胁，把储能系统配置在系统的输出端可提高系统的稳定性[1-2]。将储能系统加入包含风力发电、光伏发电等可再生能源的区域电网系统能够平抑电网波动，提高电能质量，从而有效解决新能源有效利用的问题。

1 负荷密度估算

负荷密度估算法[3]是设计区域电网用电负荷行之有效的方法[4]。

(1)

式中：Pc为计算负荷，kW；ρ为负荷密度，W/m2；A为建筑面积，m2。

根据某地区的负荷需求状况，参照城市规划设计规范和各类负荷的密度指标要求，该地区负荷估算如表1～表3所示，该地区所需的总负荷约为49.9 MW。

表1 居民区负荷估算

表2 公共服务区负荷估算

表3 工业区负荷估算

该地区日最大负荷约为49.9 MW，负荷会有高峰时段和低峰时段，根据文献[4]统计的日用电负荷曲线，闲时按照高峰时段的30%计算为14.97 MW，低峰时段按高峰时段的55%计算为27.4 MW。

综上所述，设立200 MW发电机组。可由风电作为主出力源、光伏作为辅助，低峰时段及闲时风电和光伏为储能充电。故组建50 MW风力发电，5 MW光伏发电，20 MW储能。

2 风光储能互补的微电网系统设计

2.1 区域电网总体设计

区域电网系统[5]中光伏电站、风电场相互连接后构成发电端之一，并接入发电机构成发电端二。设置储能系统应对光照强度波动及风速波动带来的光伏发电及风力发电负荷波动，区域电网结构如图1所示。

图1 微电网结构图

2.2 风力发电场设计[6]

据统计该地区全年最低风速6 m/s，平均风速9 m/s，因此选用切入风速为3 m/s，额定风速为9 m/s，选用额定功率为1.5 MW的风机，50 MW风电场需34台该型风机。为维持风电场的日常运维，设计0.4 kV的场用电。通常多个风力发电单元并联构成一组，通过汇流输出送至风电场高压变配电室[7]。

2.3 光伏电站设计

光伏阵列设计应确保前排阵列的影子不会遮挡后排阵列，因此选取该地的冬至日设计，公式如下[8]：

D=Lcosβ

(2)

(3)

(4)

α=arcsin(sinφsinδ+cosφcosω)

(5)

式中：D为光伏阵列前后排的最小间距；L为太阳照射在地面上的投影长；Lpv为单个光伏阵列的斜面长；H为前排阵列的最高点与后排阵列最可能被遮挡边的高度差；β为太阳方位角；α为太阳高度角；φ为当地纬度，δ为赤纬角；ω为时角；θ为方阵倾斜角。

φ取36°62′，θ取25°，太阳赤纬角δ取-23°45′，9时的时角ω为45°。由式(5)得最小间距，考虑预留足够的检修通道，设计间距取1.8 m。

2.4 储能系统设计

储能系统[9]可以平抑电网波动、提高电网电能质量，设计20 MW储能。采用模块化的预制仓式结构。单体电池采用100 Ah的磷酸铁锂，电池模块由48只电池单体组成，成组方式为4并12串，电池模块额定电压38.4 V，额定容量15.4 kWh。考虑设计冗余，每12个电池模组组成一簇，每簇额定容量184.8 kWh，设计6簇组成一个电池预制仓，每个电池预制仓额定容量1.108 MW。故需配置20台模块化的预制仓式储能系统。

3 风光储能互补的微电网系统仿真

3.1 区域电网仿真设计

区域电网网架结构如图2所示，系统内包括1台200 MW的发电机组，5 MW光伏、50 MW风电、20 MW储能以及多种类型用电负荷的区域电网模型，并分别经过25 km线路汇集到230 kV母线上。

图2 微电网网架结构模型

3.2 区域电网稳定运行

当区域电网稳定运行时观测母线上的电压、频率，结果如图3所示。

图3 电压/频率波形

3.3 负荷投入

如图4所示，通过投切400 MW负载引起区域电网内频率的波动，然后储能系统迅速启动对电网进行一次调频，随后电网、发电机紧接着对电网进行二次调频。当瞬间投入大负荷时会引起区域电网频率波动，储能系统可以迅速判断微电网母线频率波动，维持频率稳定。

图4 400 MW负荷投切引起电网频率波动及调频过程

4 结论

(1)使用负荷估算法能够有效设计某一区域的用电负荷，从而有效设计电网容量。

(2)储能系统能够有效作用于高海拔地区含风力、光伏等新能源接入区域微电网系统的一次调频。当微电网系统瞬间投入大负荷时会引起电网频率波动，储能系统的加入可以迅速动作，改善该微电网母线上的频率，改善电能质量。