服务“乡村振兴”并网型光储微电网技术的探讨与研究

严宇航

（国网宁夏电力有限公司宁东供电公司，宁夏灵武 750411）

引言

为贯彻落实国家“乡村振兴”战略，高效支撑绿色发展，紧密服务农村更加美丽宜居，农民生活更加富裕的发展目标，近几年，宁夏各地政府大力支持荒地开垦种植经济作物及农牧业发展。农村地区土地资源广，返乡务农人员逐年增加，荒地开垦面积逐年扩大，农牧业发展较为迅速，机械化作业程度不断提升，对电能质量要求逐步提高。

宁夏各地国家级自然保护区、水源地保护区以及文物保护区分布较广，党的十八大以来，国家大力推进生态文明建设，生态保护红线内建设项目的相关手续很难办理，电网建设环境日益严峻，保护区内电网存在线路老化、供电半径过长、末端电压较低、电能质量较差，不能满足人民群众的生产和生活用电需求等问题，新建变电站及线路因需穿越保护区而无法有效落地实施解决以上问题。因此，开拓解决农村地区电能质量问题的新思路是电网企业面临的新问题。通过建设光储微电网一体化供能系统，能有效避免线路跨越保护区问题，助力打造清洁、低碳、高效的用电示范工程[1]，实现保护区内人与自然的和谐发展。

1 资源禀赋分析

1.1 太阳能资源

从能源总量来看，该地区的年平均日照小时数达到3300 h/y，可利用光照时间较多。年均总辐射量达到1600 kWh/m2，能源密度较高，利于控制建设规模。整体上来看，该地区太阳能资源比较丰富。

1.2 该区域光伏发电数据分析

通过调研，获得该地区附近某光伏电站的年出力数据，由于此光伏电站与该地区位置非常接近，分析可得该地区光伏发电特征如下：

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。

2 负荷特征分析

2.1 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，是负荷高峰期，11月到次年4月为非高峰季节。

该地区负荷中心由某35 kV变电站10 kVⅠ线和10 kVⅡ线供电，通过调研这两条线的负荷，可以看出每年5～10月份排灌高峰期用电负荷最大，11～4月份非排灌高峰期用电负荷较小。具体负荷情况见表1。

表1 该地区重点线路年用电量

2.2 日负荷特性分析

10 kVⅠ线和10 kVⅡ线典型日负荷曲线分别如图1，2所示。由图可知，在生产旺季，日间和夜间用电负荷分别达到1 MW和2 MW以上，呈现持续用电的特征，需要电网全天地持续供电。同时，日间最高负荷大约是夜间负荷的两倍，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趋势。

图1 典型日10 kVⅠ线时序负荷

图2 典型日10 kVⅡ线线时序负荷

3 低电压原因分析

3.1 三相不平衡

根据调研反馈，10 kVⅠ线和10 kVⅡ线在负荷高峰期通过负荷调整，基本实现负荷在三相间的均衡，尚不存在影响电压跌落的情况。

3.2 线路过长，供电半径过大

根据调研，10 kVⅠ线全长119.93 km，其中主干线长5.71 km，各分支线长114.22 km，最远供电线路供电半径为21.53 km；10 kVⅡ线全长70 km，其中主干线长5.66 km，各分支线长69.78 km，最远供电线路供电半径为30.4 km。两条线路均存在10 kV主线过长，支线供电半径过长的问题。由此可见供电半径过长是线路末端低电压的主要原因。

3.3 灌溉季节异步电机较多，缺乏无功补偿

在电力系统中，无功功率为电力网络及各种电力设备提供励磁，主要为变压器和感应电动机提供励磁电流。无功功率来源主要有发电机、高压输电线路、大型同步电动机和补偿装置。该地区10 kVⅠ线和10 kVⅡ线两条线路的主要负荷包括灌溉电机等动力设备，需要无功功率。每年夏秋灌溉季节，系统中动力设备同时率较高，需要大量无功功率，如未能得到补偿，则会造成线路整体电压下降，加重末端电压过低的问题。从调研了解到的情况来看，当地的平均功率因数在0.8左右，有时会降到0.7以下，线路末端无功补偿缺乏是造成线路末端低电压问题的主要原因之一。

综上所述，造成线路末端低电压的原因有两个：一是线路过长、供电半径过大，是造成电压损失的主要原因；二是线路负荷主要包括异步电机水泵等，排灌季节同时率较高，导致功率因数降低，无功需求增加，线路功率传输过大。

4 微电网配置方案

4.1 光储系统主要约束

4.1.1 容量约束[1,2]

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。

4.1.2 可再生能源装机比例约束

受到环保政策的限制，微电网新能源发电的装机容量需达到一定比例值[2]。结合微电网的地理位置考虑各类分布式电源的占地面积以及可再生自然资源储藏量等多种因素，需要对分布式电源装机容量的上限加以限制。

4.1.3 供电可靠性约束

光伏系统应保证示范区域内负荷供给的可靠性，保证末端负荷的有效支撑。

4.1.4 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。

4.1.5 电能质量约束

保证线路末端电压稳定运行在一定范围内。

4.1.6 储能电池充放电约束

储能电池是微电网中的核心装置，配置成本一般较高[3]，储能电池自身的充放电特性在规划时应予以考虑，避免频繁充放电对储能电池本身的损害。

4.2 光储系统规划方案

通过统计2019年灌溉期（5到10月）10 kVⅠ线和10 kVⅡ线最大负荷出现的频率、电压日曲线、日负荷曲线等可看出用电高峰集中在两个时段，一个是白天7点到9点，另一个是傍晚18点到晚20点，结合线路末端目标电压值，经过计算，基本确定储能与光伏的建设容量为3 MW。因此，光储微电网系统配置3 MWp光伏，1 MW/4 MWh储能，2 MvarSVG，可达到10 kVⅠ线和10 kVⅡ线末端电压符合国家关于配电网电压偏差（7%）的要求。

通过分析可知，当光伏发电曲线与负荷曲线在同一坐标系时，白天光伏给储能充电电量约为2.34 MWh，早高峰时储能放电约1.822 MWh，晚高峰放电约2.333 MWh，总计放电约4 MWh，能够满足要求。低谷充电功率为0.2 MW，能够满足变压器的运行条件。

4.3 光储系统接入方案

根据现场调研及负荷分析，初步确定微电网可接入位置为10 kVⅠ线线路末端负荷中心处，采用分布式光伏进行10 kV并网，组件选用多晶275 Wp约11 000块，经逆变器、汇流箱、3000 kVA变压器升压并入10 kV，同时配置SVG保证电能质量。

储能方案采用预制舱，24个164.8 kWh电池柜分为两组，分别汇流后接至两台500 kW的储能变流器并接入低压交流母线，再经1250 kVA变压器汇入10 kV电网。

4.4 微电网运行策略

通过分析可知，该区域内负荷的年度变化特征明显，每年5～10月负荷较重，其他月份负荷明显变小，因此微电网年际运行策略如下[4‐6]：

（1）由于光伏发电量与负荷年际变化呈正相关趋势，微电网在每年负荷旺季（5～10月）重点运行，此时光伏发电功率较大，可以满足负荷需求；

（2）微电网在每年负荷淡季（11～4月）可以退出运行，依靠现有10 kV线路满足负荷需求；

（3）运行期间，需要通过监控系统对运行状态监测，同时需运检人员进行系统维护。

根据该区域负荷的日间特性，应重点满足用电高峰集中的两个时段，一个是白天7点到9点，另一个是傍晚18点到晚20点。微电网系统日间充放电策略为：

充电场景：

（1）光伏的发电高峰出现在12点附近，若此时负荷水平不高，光伏剩余电量存至储能，储能应以满足傍晚18～20点削峰需求量为宜；

（2）该区域夜间负荷约为日间负荷的60%，储能可以利用夜间系统负荷小的时段充电，储能应尽量充满，以备两个高峰负荷需求。

放电场景：

（1）白天7到9点光伏发电功率较低，储能需放电，放电主要来源于前日夜间低谷充电，放电深度以削峰为主要目标，并适当留有余量；

（2）在晚18到20点负荷高峰放电，放电主要来源于夜间低谷充电和日间光伏储能，可加大放电深度，运行至较低SOC水平。

5 结束语

近年来，我国储能技术应用快速发展，已在电力系统各个环节得到示范应用，本研究的光储微电网系统旨在解决新建线路因跨越自然保护区等无法解决农网线路供电半径过长、末端电压低、电能质量差等相关问题，为解决农村地区电能质量问题提供了新思路和新方案。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，可以改善线路潮流，降低网供负荷量，减小线路压降，提升线路末端电压水平，并且可以有效解决当地负荷需求，提高供电质量，服务“乡村振兴”战略，高效支撑绿色发展，助力农村更加美丽宜居，农民生活更加富裕的发展目标。