摘要：由于分布式可再生能源发电出力具有随机性，规模化接入会对传统电力系统的正常运行造成重大影响。本论文在国内外专家学者理论研究基础上，研究风力发电出力模型、光伏发电出力模型、储能装置功率及容量选择模型，以宁波某地示范区综合供能系统的设计开发和试点建设为例，开展综合供能应用模式及接入技术综合应用研究，探索综合能源网应用发展新模式。
关键词：风光储充；综合能源；应用模式；示范接入
1. 引言
随着能源互联网技术，分布式发电供能技术，能源系统监视、控制和管理技术，以及新的能源交易方式的快速发展和广泛应用，传统能源供需体系，能量交换途径更加多样，用能需求也更加多样化、个性化。综合能源系统是关于能源供给体系的创新概念，是综合能源供给侧改革的一个重要抓手和平台。
近年来综合能源服务在全球迅速发展，引发了能源系统的深刻变革，成为各国及各企业新的战略竞争和合作的焦点。尤其是在新电改背景下，传统电力公司的业务发展面临新机遇和新挑战。国内企业也纷纷掀起了向综合能源服务转型的热潮。目前，世界各国学者专家对微电网技术、多能互补综合能源系统及服务研究，涵盖到诸多方面，并取得了一定的研究成果。
文献[1-2]研究了风光柴蓄的微电网系统电源配置及优化模型，针对多电源种类和数量，以多条件约束为限制，将风光柴蓄电池储能等组合参数，作为微电网优化决策变量；
文献[3]研究了在满足微电网动态运行策略约束下，以经济成本为目标，规划包含风光储及微型燃气轮机的微电网模型，运用变步长空间搜索法，求解各分布式电源的接入容量，以及分时电价对微电网系统运行的影响；
文献[4]分析了单目标、多目标优化方法的特点及适用条件，采用目标进化算法等人工智能算法，并采用将遗传算法和多目标进化算法相结合的优化方法，以解决多目标电源配置优化问题；
文献[5-6]针对风光储的微电网电源配置优化问题，建立了计及多目标的非线性规划模型，以系统总投资成本最少为目标，以气温、光照强度、年风速等为输入，采用细菌觅食算法实现单目标模型求解，得到微电网配置的最优方案；
文献[7]在热电联产微电网中引入热泵消纳过剩风电并承担部分热负荷，实现热电联合运行。
文献[8]考虑风力发电随机性，研究风电场与热电机组联合运行优化策略。
文献[9]提出了能源互联网广义“源-网-荷-储”协调优化运营模式，并对规划配置、调度控制、监测通信等关键技术进行阐述。
本论文在国内外专家学者理论研究基础上，根据包含风光储的微电网要素，研究风力发电出力模型、光伏发电出力模型、储能装置功率及容量选择模型，以宁波某地示范区综合供能系统的设计开发和试点建设为例，开展综合供能应用模式及接入技术研究综合应用研究，探索综合能源网应用发展新模式，为后续综合能源建设和应用提供参考和借鉴。
2 风光储微电网模型
2.1风力发电出力模型
风力发电机组出力由风速引起，具有较强的随机性。风速变化规律模型，目前普遍采用Weibull 分布,其概率密度函数为：
（1）
式（1）中:v为风速;α为形状参数，反映风速v的分布特点;β为尺度参数，反映该地区平均风速的大小。
风力发电能量转换过程：风能→机械能→电能，风力发电特性曲线如图1所示。
图 1 风力发电机出力与风速关系曲线
图1中:Vci为切入风速，一般为3 m/s;Vr为额定风速;Vco为切出风速，一般为25m/s，最新的5 MW 风机可达30 m/s;Pr为风机额定输出功率。
当风速小于切入风速Vci时，风力发电有功功率为零；当风速大于切入风速Vci时，风力发电机开始发电，在风速尚未到达额定风速之前，风力发电有功功率与风速呈线性比例关系；当风速达到和超过额定风速Vr时，风力发电有功功率恒定保持为最大值；当风速持续增大，直到超过切出风速Vco时，风力发电机将停机。
将风速概率密度函数，带入风机出力表达式，可得到风机出力Pw的概率表达式：
（1）Pw=0时，0<V≤Vci∪V>Vco
（2）
则有零出力情况下，风机出力概率为:
（3）
（2）0<Pw<Pr时，Vci<V<Vr第k段概率为：
（4）
概率密度函数可由式得到：
（5）
欠出力离散段风机出力Pk，采用该段有功出力的中间值,即期望值。
（3）Pw=Pr时，Vr<V<Vco。
（6）
2.2光伏发电出力模型
光伏发电的出力主要受太阳辐射照度、环境温度等因素影响。
2.3储能装置容量计算模型
储能电池作为微网重要的组网电源，对微网的运行特性以及运行能力影响很大，容量选择是微电网系统设计的关键，以保证系统稳定性、可靠性。然而，储能电池的成本很高，选择合理容量可有效优化系统成本。容量选择过大，使长期处于馈电状态而影响寿命；容量选择过小，不能为系统提供足够的能量，系统运行性能下降。
储能容量选择可根据工程设计法，采用如下公式计算:
(8)
其中, 
：储能电池容量；
：储能电池每天供电量，一般为其最大功率、持续小时的乘积；
n：储能电池持续供电时间，天；
: 储能电池放电效率修正系数，取值范围为1.01-1.05；
：为延长蓄电池使用寿命，蓄电池一般采用额定功率充放电。储能电池端额定电压；
：变换器效率，取0.92；
：储能电池放电深度，取0.75；
：储能电池维修保养率，取0.9。
3. 示范区能源需求及建设目标
3.1清洁能源全消纳：
根据规划目标年预测结果，示范区共接入分布式光伏发电4696.5kW，风电11.5kW，小水电720kW，实现清洁能源全消纳。其中，示范区通过多能互补示范项目的建设，新建储能装置2MW/5.6MWh，实现清洁能源全部就地消纳。
3.2多元负荷全接入：
根据规划目标年负荷预测结果，包括常规电力负荷37.27MW，以及电采暖负荷8.65MW、电动汽车充电负荷2.63MW、电厨房负荷6.12MW等多元化电能替代负荷，通过配电网实现全接入。
3.3电网状态全感知：
为了全面提高开关站运行管理水平，实现规范化、标准化、科学化管理，达到安全、经济、高效、文明生产的目的。通过配电自动化、智能台区、智能站房、智能巡检等方面智能化规划实施方案的建设，支撑电网状态全感知目标的实现。
3.4特级负荷全响应：
为示范区重要负荷供电需求，以及周边规划保供电的特级负荷应急供电需要，拟建设电网侧储能电站一座，为示范区配电网提供一种新的供电方式——储能电站供电，电站直接建在负荷中心，可将外界影响降到最低，及时提供应急电源，提高抢修效率，缩短抢修时间，提升用户供电可靠性。
4. 综合供能站各系统接入
4.1 分布式光伏系统
4.1.1 并网发电部分
发电部分共敷设6串光伏组件，每串23块280Wp多晶硅光伏组件，装机容量为38.64kWp。并网电压：0.4kV / 50Hz ，用户侧并网。发电系统的电能质量满足《光伏电站接入电网技术规定》（Q/GDW617-2011）的要求。
另外并网逆变器必须具备孤岛保护功能，在电力系统出现故障或电力检修时能迅速断开与电网的连接。
图2 分布式光伏系统并网发电示意图
4.1.2 光伏阵列及倾角设计
根据示范区所处的纬度，利用PVsyst软件及其数据库进行模拟计算，并根据现场情况，综合考虑总装机容量和发电效率，使光伏电站整体投资和发电收益最佳，且全年各月光伏组件表面获取的太阳辐射量比较均衡，兼顾发电量和容量及安全，投入和产出比对比，设计最优固定式光伏系统的太阳电池组件倾角为25。
4.1.3 太阳电池组件布置
组件支架应采取最佳设计倾角，正面朝南布置，前后阵列间距满足最小间距要求，方便太阳电池组件清洁及检修维护。遵循减少太阳电池组件至并网逆变器的直流电缆用量，减少系统线路损耗，提高系统的综合效率原则。装机容量为38.64kWp，总计铺设6串，每串23块组件整列，总计配备1台36kW组串式光伏逆变器。
4.2 小型风电系统
考虑示范区地形地势，入口处风力较强，为充分发挥生态电网特色，利用可再生能源，拟在综合能源站内储能装置楼顶同步规划建设一套1kW垂直轴小型风电系统，包含1台1kW 220V垂直轴风力发电机、1台1kW风机并网控制器和1台1kW风机并网逆变器。
接入电压：220V / 50Hz，并 网 类 型：220V用户侧并网（自发自用）。
另外并网逆变器必须具备孤岛保护功能，在电力系统出现故障或电力检修时能迅速断开与电网的连接。
4.3 储能系统
4.3.1 储能电池选择
目前国内市场上的主要储能电池有铅酸电池、铅炭电池、锂离子电池和全钒液流电池。四种类型储能电池的技术特点比较如表1所示。
表1各类储能电池的技术特性比较
综上比较，本次根据储能电站周边的情况，对主流储能电池进行比选综合比较，从技术、经济、环保性出发，本工程选用铅炭电池。
4.3.2 储能电池安装方式选择
储能电站目前有两种安装布局方式：站房式和集装箱式。
站房式是采用建设屋内储能建筑，将电池堆、储能双向变流器(PCS)、变压器、高低压柜等安装在储能建筑内。按储能单元数量不同，储能建筑一般包含多个电池室、双向变流器室、配电室等。站房式一般用于大型储能电站，目前国内几个大型的储电站均是采用的站房式设计。
集装箱式则采用标准集装箱的设计和外形尺寸，经过改造和装修后, 将电池堆、储能双向变流器(PCS)、变压器、高低压柜等安装在集装箱内。集装箱式一般应用在中小型储能系统，如分布式储能、移动储能车等。
上述两种安装方式各有优缺点，其中站房式的使用寿命较长，运行环境好，后期运维也更方便，但是站房式土建投资相比集装箱式要大，建设周期较长。集装箱式则可节省施工周期，便于移动的优点，结合本次建设容量和场地情况，拟选用集装箱式。
4.3.3 储能变流器PCS选型
储能变流器（Power Conversion System，简称PCS）在电化学储能系统中，连接于电池系统与电网之间的实现电能双向转换的装置，可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。
PCS由DC/AC双向变流器、控制单元等构成。PCS控制器通过通讯接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。同时PCS可通过控制器局域网（Controller Aera Network，简称CAN）或modbus通讯接口与BMS系统通讯，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。
储能系统的安装容量为2MW/5.6MWh，由2个1MW/2.8MWh储能单元组成，每个1MW/2.8MWh储能单元由2组500kW/1.4MWh电池分别经2台500kW PCS逆变成交流360V，2台PCS交流侧直接并联，接入双圈升压变，每台升压变的变比 10kV/0.36kV，容量1250kVA。
每个储能单元由升压变、2台500kW储能变流器（PCS）、2组1.4MWh铅炭储能电池、电池管理系统组成，每组电池接入1台500kW的PCS。2台PCS交流侧直接并联后接入1250kVA升压变压器，变压器为双圈变，高压侧10kV，低压侧360V。10kV变压器的高压侧输出接入高压配电房汇流至10kV母线形成一个储能系统并网。
铅炭电池单体电池的电压为3.2V，单体容量为72Ah，电池电压波动范围为2.5V~3.65V。配套500kW的PCS的直流侧电压输入范围取500V~850V，故电池组串数取216，其端电压变化范围满足PCS直流输入电压要求。
4.4 智能开关站
4.4.1 变配电系统
拟在储能装置楼内建设配电室，用于综合供能站站用配变及其低压配电装置布置，站用配变容量根据综合供能站负荷情况，拟选用2台额定容量为400kVA的10kV干式配电变压器。10kV配电装置拟选用气体绝缘环网柜，单母线接线方式，0.4kV配电装置拟选用GCS型低压配电屏，单母分段接线方式。
4.4.2 智能检测系统
智能检测系统由智能传感器网络单元、站内监测平台、数据综合汇聚主站、站内电源与通信系统，以及移动巡检机器人五部分构成。
4.4.3 配电自动化
本次配置组屏式三遥终端DTU设备一套（含配套ONU设备），并由安吉公司配套建设配电通信接入网，包括在上联变电站配置OLT设备各一套及配套接入以太网板、电源等辅助装置。
4.5 多能互补的综合能源控制系统
本综合供能站拟在多能互补调控服务中心楼内建设一套多能互补综合能源控制系统。示范区内已安装11个家庭分布式光伏，总容量约58.5kWp，拟全部接入本次新建的多能互补综合能源控制系统。
目前示范区已建成电动汽车充电桩12座，主要供示范区内部电动汽车充电，后续也将示范区所有充电桩数据逐步接入综合能源控制系统。
示范区存在少量小水电站，基本为径流电站，主要接线方式是接入10kV公用线路进行并网，为此可以将此处小水电站改接至综合能源控制系统，实现对水力能源的接入。
5结论
本论文在国内外微电网研究技术上，研究了风光储微电网系统出力模型，依托浙江省电网侧储能、屋顶分布式光伏、电动汽车快充站、微电网等示范工程，以宁波某示范区综合供能系统的设计开发和试点建设为例，开展综合供能应用模式及接入技术研究综合应用研究，探索综合能源网应用发展新模式，为后续综合能源建设和应用提供参考和借鉴。
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论文作者:姚剑琪,方盛,裘泽波,徐仲杰,鲍聪颖
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/6
标签：储能论文; 电网论文; 风速论文; 电池论文; 系统论文; 能源论文; 示范区论文; 《电力设备》2019年第16期论文;