基于風光互補的直流電網規劃模型研究

王 康，戴明明，李 強，鄧亞偉，王奎紅，李志永

(國網安徽省電力有限公司亳州供電公司,安徽 亳州 236800)

0 引 言

在沒有電網的偏遠地域，如果想要使用大量的風電或光電，則需要提前儲存能量，但風電和光電只有在大風和光照正常的天氣下才能實現能源源源不斷地輸送。所以在風能和光能相互補充的情況下，將太陽能電池、風力發電機以及蓄電池進行高效整合利用，可以使產生的電流不間斷、電壓穩定。將風光互補技術應用在太陽能以及風力發電系統中，實現風能以及太陽能轉變為電能；然后，將其注入蓄電池中進行電能的保存，提供照明等設備所需的電能。這種技術可以保證一年四季均衡供電，使自然資源被充分利用。因此，提出基于風光互補的直流電網規劃模型，即在直流電網規劃過程中引入風光互補發電系統，優化傳統方法的電網規劃有效性差的問題。

1 基于風光互補的直流電網規劃模型

基于風光互補的直流電網規劃模型相較于傳統配電網采用交流配電模型，優勢在于可以運用變壓器的電磁感應效應改變電壓,即將傳統配電網的交流母線用直流母線替代，配電網拓撲結構也相應改變，直接采用直流方式實現供電[1]。

1.1 風光互補發電系統

風光互補發電系統是一個有機的電力能源系統。系統中的電力能源來源由兩部分構成：風力能源和光伏電能。系統的工作流程包含對電能的收集、存儲及再分配輸出[2]。與普通發電系統有別的是，該系統還具備通信互聯模塊、風力與光電的互補與連接站點互聯環節。這一互聯環節由許多的模塊拼合：光伏電池、風力發電機組、整流器、控制器、儲能設備、逆變器、負載[3]。在這個模塊中，收集電能的這部分工作依靠風力發電機組與光伏電池完成“風力—電能”“光能—電能”的轉化工作，這部分的運行亦是系統的核心功能。存儲電能這部分工作則依靠蓄電池組運作，蓄電功能為保險功能，出現災害氣候等導致無法收集系統兩大能源來源時，蓄電池能夠保障電能的正常使用。此外，有蓄電這一額外的電力儲備，也可以穩定電壓，促進供電平衡。分配輸出電能模塊將會計算合適的發電功率，其中輸出的電流負載由直流與交流兩種負載構成，直流負載是本次的研究重點。系統中未列舉的組件也有著其獨特的轉換、控制等功能，亦起著不可忽視的作用，系統的整體結構如圖1所示。

圖1 風光互補發電系統

圖中：Vi為風電機組和光伏陣列的總輸出電壓；Ii為風力發電機和光伏陣列的總輸出電流；Vb為蓄電池電壓；Ib為蓄電池電流。

1.2 規劃指標

為整合電網、風光能源經濟效益，必須對直流電網規劃中的重要指標進行精確計算。風電場與普通常用發電機組不同，風力發電機組的輸出功率會隨著風力變化而發生變化。主要分為以下兩種情況：

1)風電場的出力模型

風機在確定目標函數的情況下，可以捕獲風能。則其風機目標函數為

W3Ewind(G),W4Esolae(G)

]

(1)

s.t.X∈Ω

H(X)=0

式中：W1Egrid為風力發電耗時；W2Eloss為風力發電能耗；W3Ewind為風速概率分布函數；W4Esolae為風力發電調節函數；Ω為尺度參數。則風機葉片的掃風面積影響風輪從風中吸收的功率，可以由式(2)表示：

(2)

式中：ρ為空氣密度；R為風機葉輪的半徑；Cp為風機的風能利用系數；v為風速。

由于風機出力值受到風速的影響，對此，將風機的輸出功率視為其額定功率，其他情況風機的輸出功率為0 ，即整體的風電機組出力模型為

(3)

式中：a、b為出廠時的風機功率曲線擬合參數；Pr為風機額定功率；Vi為風電機組和光伏陣列的總輸出電壓；Vb為蓄電池電壓；Cco為并網節點電壓。

2)光伏電站的出力模型

光伏發電機組在一定溫度和輻射強度下，電池只能在某一特定電壓時，輸出功率才會達到最大值。假設在標準測試環境下，太陽能電池的負載電流為

(4)

式中：ISC為短路電流；UOC為線路電壓；e為線路容量；USTC為太陽能電池組的電壓。

因為太陽能電池電壓發生變化和溫度、光照變化之間關聯性較大，若要盡量多的運用太陽能資源，需要使用追蹤最大功率方法，確定最大輸出功率。那么在最大功率跟蹤方法下，光伏發電站出力模型表示為

Pv=η×Im(G,T)×Um(G,T)×ISTC

(5)

式中：η為最大功率追蹤裝置的效率；Im(G,T)為最大功率下的負載電流；Um(G,T)為最大功率下的負載電壓。

1.3 構建規劃模型

在明確規劃指標的基礎上，建立直流電網規劃模型。直流電網規劃系統有功、無功滿足等式約束為：

(6)

(7)

式中：PGI為發電機有功功率；θij為節點G與節點I的相角差；USTC為節點導納矩陣的實部元素；QGI為發電機無功功率；Gij為節點導納矩陣的虛部元素；Bij為節點導納矩陣的實部元素。

基于風光互補的直流電網規劃模型為

(8)

式中：Pi為線路負荷閾值；PGI為發電機有功功率；QGI為發電機無功功率。基于風光互補的直流電網規劃模型，在風光互補發電系統的基礎上，還包括能源路由器單元、信息收集單元、能量信息轉換單元、直流母線單元、AC/DC模塊單元、直流負荷單元、風力發電裝置單元。規劃方法包括：

1)能源路由器單元：由直流電網和信息收集單元組成，其中信息收集單元包含3個信息收集裝置。

2)直流母線單元：該單元最重要的模塊是AC/DC模塊，直流母線單元由直流電網、3個AC/DC模塊和直流負荷裝置組成。其中3個AC/DC模塊構成了AC/DC單元，3個AC/DC模塊分別與光伏發電裝置、儲能裝置單元、風力發電裝置單元連接[4]，如圖2所示。

圖2 直流電網規劃模型規劃

1.4 二次規劃尋優

為體現基于風光互補的直流電網規劃模型是直流電網規劃的最優解，對規劃結果進行二次尋優。構建主動電網光伏發電投資收益為

(9)

式中：E(G)為主動電網光伏發電投資收益值；Esolae(G)為網損降低函數；Ewind(G)為光伏售電收入函數。

除投資收益外，在直流輸電過程中，還會伴隨可靠性、安全性等問題。因此，考慮到目前直流配電存在的問題，需要利用現行約束條件解決問題。在基于風光互補的直流電網規劃模型基礎上，可對整個系統的熱設計和熱管理提出優化措施。電網系統的各個設備首尾依次相連，即為串聯連接方式。基于此，可在電路串聯前面安裝一個風扇，風扇的作用是進行導流，形成風道調節電芯溫度。利用流動風能降溫原理，保證電芯與外部溫差不超過3 ℃、集裝箱內部溫差在5 ℃以內，且要保證幾千只電芯之間的溫度溫差不超過5 ℃。

2 實驗驗證

2.1 實驗環境

為驗證所設計的基于風光互補的直流電網規劃模型的有效性，進行仿真實驗分析。實驗在Matlab平臺上進行，操作系統為Windows 10 ,系統運行內存為8 GB,數據采樣頻率為70 Hz ,采樣間隔為0.2 s，實驗樣本節點為30 個，風力發電機組的輸出功率為6 MW。具體實驗環境如圖3 所示。

圖3 實驗環境

以上述實驗環境為基礎，以IEEE 57節點系統為實驗算例，運用傳統方法與所提方法分別進行仿真實驗。算例節點系統包含57個節點和50個負荷消耗設備、7臺發電機，基準功率為100 MVA。由于節點數量較多，截取其中30個節點進行實驗。設定最大迭代次數為150，采用容量為±50 Mvar的凈值無功補償裝置，進行無功補償，使節點間耦合強度保持在17。基于上述實驗參數環境及算例參數設置，進行如下對比實驗。

2.2 實驗方案

實驗將所建模型與傳統的直流電網規劃方法進行對比，以每5個節點為一測試段，進行實驗。記錄實驗對比數據，并利用Matlab軟件輸出實驗結果。

2.3 實驗結果分析與結論

實驗對比結果如圖4 所示。

圖4 直流電網規劃有效性對比

從圖4可知，應用所設計的規劃模型對直流電網進行規劃，其規劃有效性遠高于傳統方法，通過測電壓偏差的實驗證明在節點6并網可實現規劃目標最優。以此證明基于風光互補的直流電網相對于傳統的直流電網而言，更適用于直流電網規劃，可以加快直流電網配套的新能源建設進程。

3 結 語

與采用單一發電技術的項目相比，風光互補項目可帶來很多優勢。在風電場增設光伏發電可以有效分攤并網及其他費用，提高項目凈現值，同時在不增加棄電量情況下，使輸出更穩定。此次研究不僅從理論上證明了設計的有效性，也通過實驗證明了設計的可行性。雖取得一定成果，但仍有不足之處，未來將對直流電網規劃做補充性研究。