李志斌,魏亞威,湯 棟,范瀠丹,周 波,趙子蘭

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院,上海 200090)

一次能源的枯竭,很可能在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)中引起人類社會(huì)的能源危機(jī).而作為人類大規(guī)模的聚集地—— 城市,則顯而易見(jiàn)地成為這個(gè)危機(jī)最主要的受害者.上海世博會(huì)也以此為出發(fā)點(diǎn),提出“城市,讓生活更美好”的主題,旨在解決可能出現(xiàn)的城市能源危機(jī).作為世博會(huì)標(biāo)志性建筑的中國(guó)館,也是本次世博會(huì)應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)尋求解決這個(gè)城市難題的示范場(chǎng)館,主要采用了太陽(yáng)能光伏建筑一體化發(fā)電技術(shù).

光伏建筑一體化［1］(BIPV)是應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電的一種新理念,就是將太陽(yáng)能光伏發(fā)電方陣安裝在建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)外表面來(lái)提供電力.由于光伏方陣與建筑物相結(jié)合不占用額外的地面空間,可以緩解城市用地緊張狀況,并可緩解城市發(fā)展與能源供應(yīng)的巨大矛盾,創(chuàng)造低能耗、高舒適度的健康居住環(huán)境,實(shí)現(xiàn)城市建筑的可持續(xù)發(fā)展.微型電網(wǎng)［2-4］是為整合分布式發(fā)電的優(yōu)勢(shì),削弱分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊和負(fù)面影響而提出的一種新的分布式能源的聯(lián)網(wǎng)形式.它通過(guò)整合分布式發(fā)電單元與配電網(wǎng)間的聯(lián)絡(luò)關(guān)系,在一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)直接將分布式發(fā)電單元、電力網(wǎng)絡(luò)和終端用戶聯(lián)系在一起,可以方便地進(jìn)行結(jié)構(gòu)配置以及電力調(diào)度的優(yōu)化,結(jié)合熱(冷)電聯(lián)供方案,優(yōu)化和提高能源利用效率,減輕能源動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響.推動(dòng)分布式電源上網(wǎng),降低大電網(wǎng)的負(fù)擔(dān),促進(jìn)社會(huì)向綠色、環(huán)保、節(jié)能的方向發(fā)展.

1 中國(guó)館光伏建筑一體化發(fā)電情況及電力供應(yīng)保障措施

世博園區(qū)中國(guó)館和主題館將建設(shè)一套總規(guī)模約為 3 MW且建筑一體化的太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝置.中國(guó)館的太陽(yáng)能電池板每塊面積約為 1.3米2,共計(jì) 1 264塊,在陽(yáng)光充足的理想條件下,能供電約 300 kW.這套綠色能源裝置建成以后,預(yù)計(jì)年均減排 CO2約 1 980 t,相當(dāng)于少用 900 t左右的標(biāo)煤.

世博會(huì)及中國(guó)館的電力供應(yīng)保障措施主要由國(guó)家電網(wǎng)上海市電力公司負(fù)責(zé),主要從加強(qiáng)世博電力工程建設(shè)、整治供電環(huán)境消除供電隱患、提前制定迎峰預(yù)案 3個(gè)方面推進(jìn)世博電力建設(shè)和供電保障.此外,上海電力公司也同時(shí)根據(jù)《上海市電力公司供電營(yíng)業(yè)細(xì)則》、《上海市保護(hù)電力設(shè)施和維護(hù)用電秩序規(guī)定》、《電力設(shè)施保護(hù)條例》、《電力供應(yīng)與應(yīng)用條例》、《中華人民共和國(guó)電力法》等法律及規(guī)范條例,制定了相關(guān)的保障措施.

2 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)下上海世博會(huì)中國(guó)館電力供應(yīng)保障措施

其保障措施的主要設(shè)計(jì)思路是基于我國(guó)智能電網(wǎng)“優(yōu)質(zhì)、清潔、經(jīng)濟(jì)”的特性,結(jié)合并借鑒更貼合分布式電源供電的微網(wǎng)組織形式和結(jié)構(gòu),分析世博會(huì)中國(guó)館的太陽(yáng)能應(yīng)用特點(diǎn)和實(shí)際供用電情況.本文提出的中國(guó)館微型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)電力供應(yīng)的保障措施主要是通過(guò)場(chǎng)館的太陽(yáng)能光伏發(fā)電與大容量蓄電池、超級(jí)電容器結(jié)合,在主網(wǎng)斷開(kāi)的情況下,保證場(chǎng)館基本照明、自動(dòng)扶梯和通風(fēng)系統(tǒng)工作3 h的電力供應(yīng):1 h人群疏散,2 h的場(chǎng)館主要設(shè)備維持最低工作狀態(tài).一方面可以保證參觀者安全,另一方面保證供電可靠性,電力供應(yīng)穩(wěn)定可以減低場(chǎng)館設(shè)施因意外狀況所受的影響.3 h的時(shí)間設(shè)計(jì),主要是參考世博會(huì)官方網(wǎng)站資料,游客在中國(guó)館內(nèi)順暢完整的游覽時(shí)間約為 45 min,因此微網(wǎng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上預(yù)留 1 h的人群疏散時(shí)間.此外,根據(jù)華東電網(wǎng)以及上海市供電公司公開(kāi)的上海市用電負(fù)荷數(shù)據(jù),結(jié)合近 3年的上海市極端天氣情況,3 h的時(shí)間足夠主網(wǎng)完成錯(cuò)峰調(diào)峰以及工程應(yīng)急搶修任務(wù).

本文設(shè)計(jì)的微型電網(wǎng)能保證在最極端故障情況下,即場(chǎng)館處在晚上 8時(shí)的晚高峰時(shí)間,突遇意外情況與主網(wǎng)斷開(kāi)連接最長(zhǎng)約 3 h時(shí)間,場(chǎng)館微網(wǎng)電力供應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求.

2.1 上海世博會(huì)中國(guó)館負(fù)荷計(jì)算

上海世博會(huì)中國(guó)館包括有中國(guó)國(guó)家館“東方之冠”、地區(qū)館及港澳館 3部分組成,總建筑面積1.601×105m2.其中,中國(guó)國(guó)家館室內(nèi)面積約 2×104m2,地區(qū)館約 3×104m2,港澳館約 3 000 m2.根據(jù)大型展館主要負(fù)荷情況及中國(guó)館的特殊情況,負(fù)荷分類及計(jì)算如下.

(1)照明部分 據(jù)世博會(huì)官方網(wǎng)站招投標(biāo)資料顯示,中國(guó)館室內(nèi)照明負(fù)荷約為 0.302 MW.室外采用 LED照明.中標(biāo)亞明公司的數(shù)據(jù)顯示,中國(guó)館特殊日最大負(fù)荷為 0.084 MW,平常日最小負(fù)荷為 0.032 MW,正常負(fù)荷為 0.078 MW;地區(qū)館特殊日照明最大負(fù)荷為 0.058 MW,平常日最小負(fù)荷為 0.019MW,正常負(fù)荷為 0.058 MW.

(2)電梯部分 世博會(huì)中國(guó)館電梯采購(gòu)項(xiàng)目招投標(biāo)的數(shù)據(jù)顯示,中國(guó)館有垂直電梯 14臺(tái)(額定載重為 1 050～2 500 kg,額定速度為 1～1.75 m/s)、自動(dòng)扶梯 12臺(tái)(提升高度為 5～19.3 m)、自動(dòng)人行道 2條(提升高度 9.12 m)、地區(qū)館及港澳館的參數(shù)空缺.按照實(shí)際情況分析,預(yù)計(jì)地區(qū)及港澳館會(huì)有自動(dòng)扶梯 15臺(tái),自動(dòng)人行道 4條.由于世博會(huì)電梯、自動(dòng)扶梯、自動(dòng)人行橫道均為特制,結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)電梯(1 000 kg,1 m/s)所需功率 0.015 MW,±0.005 MW,標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)扶梯功率0.005 MW(±0.001 MW),自動(dòng)人行橫道 0.005 MW(±0.001 MW)的參數(shù),中國(guó)館電梯預(yù)計(jì)功率為 0.03 MW(±0.005 MW);自動(dòng)扶梯 0.006 MW(±0.001 MW);自動(dòng)人行橫道 0.005 MW(±0.001MW).

(3)空調(diào)部分 中高檔展覽館、酒店等場(chǎng)所負(fù)荷密度一般分別為 60～100W/m2,其中 70%均為空調(diào)等動(dòng)力負(fù)荷.結(jié)合中國(guó)館節(jié)能設(shè)計(jì)理念,選取偏低的負(fù)荷密度指標(biāo)值,折算結(jié)果為 40～50 W/m2.實(shí)際計(jì)算值取為低指標(biāo)下 40W/m2,正常45W/m2,高指標(biāo) 50W/m2.

負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表 1所示.

表1 中國(guó)館正常工作時(shí)一般、較高、較低工況下主要設(shè)備負(fù)荷統(tǒng)計(jì) /MW

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知,正常工況時(shí)展館負(fù)荷為8.770 MW.實(shí)際展覽時(shí),場(chǎng)館整體取較高的 0.9負(fù)荷同時(shí)率,可以滿足各種情況負(fù)荷計(jì)算需要.最大負(fù)荷工況時(shí),取數(shù)據(jù)資料上限,考慮同時(shí)率后展館負(fù)荷為 9.587MW;最低負(fù)荷工況時(shí),取數(shù)據(jù)資料下限,展館負(fù)荷為 7.399 MW.世博會(huì)特殊日負(fù)荷取最大負(fù)荷工況.

中國(guó)館 35 kV變電站(2臺(tái) 8 MW主變)為中國(guó)國(guó)家館、地區(qū)館及港澳臺(tái)館所能提供的最大有功功率為 15.2 MW.功率因數(shù) cosΦ取整定值為0.95.考慮到電力供應(yīng)的安全性,至少有一臺(tái)主變正常工作時(shí)所能提供的最大有功功率為 7.6 MW.

通過(guò)以上分析計(jì)算可知,在正常情況下,35 kV中國(guó)館變電站完全可以滿足中國(guó)國(guó)家館、地區(qū)館、港澳館的電力負(fù)荷需求.

2.2 微型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 電網(wǎng)主接線設(shè)計(jì)

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先考慮到 35 kV變電站向中國(guó)館供電時(shí),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的電力設(shè)計(jì)規(guī)范步驟與要求,對(duì)于重點(diǎn)負(fù)荷的供電均采用兩路電源、分段母線供電.

圖1為世博會(huì)中國(guó)館主電網(wǎng)與微網(wǎng)正常工作接線圖,電網(wǎng)采用雙變壓器雙電源供電,10 kV電源側(cè)采用單母線分段接線形式.圖 1中,S1,S2表示兩臺(tái)變壓器所引接兩路不同的 35 kV電源進(jìn)線;T1,T2為主變;QF1,QF2為10 kV電源斷路器.根據(jù)負(fù)荷情況,將空調(diào)負(fù)荷合理分配為兩部分,而對(duì)于安全性較高的照明以及電梯負(fù)荷,則采用雙變壓器相互備用的供電方式供電.

圖1 世博會(huì)中國(guó)館主電網(wǎng)與微網(wǎng)正常工作接線示意

2.2.2 微型電網(wǎng)故障狀態(tài)工作情況說(shuō)明

圖2 為本文所設(shè)計(jì)的世博會(huì)中國(guó)微網(wǎng)設(shè)計(jì)接線示意.

圖2 世博會(huì)中國(guó)館微網(wǎng)設(shè)計(jì)接線示意

圖2 中微網(wǎng)有 A,B,C 3條饋線,其中 A饋線中含有照明與垂直電梯負(fù)荷,分配有 2個(gè) DG;饋線 B為空調(diào)負(fù)荷,必要時(shí)可將其切斷;饋線 C中含有通風(fēng)與自動(dòng)扶梯負(fù)荷,分配有 2個(gè) DG.當(dāng)外界電網(wǎng)出現(xiàn)故障或電力供應(yīng)質(zhì)量有問(wèn)題時(shí),微網(wǎng)可以通過(guò)主斷路器切斷與外界的聯(lián)系,進(jìn)入孤立運(yùn)行狀態(tài).此時(shí),微網(wǎng)全部由 DG供電,饋線 B通過(guò)公共母線得到電能正常運(yùn)行.如系統(tǒng)需要,可以斷開(kāi)饋線 B,停止對(duì)空調(diào)負(fù)荷供電.當(dāng)故障解除以后,主斷路器可重新合上,微網(wǎng)重新恢復(fù)和主電網(wǎng)同步運(yùn)行,保證系統(tǒng)平穩(wěn)地恢復(fù)到并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài).微網(wǎng)狀態(tài)下,由能源管理器負(fù)責(zé)控制 DG和斷路器的運(yùn)行.4臺(tái) DG中,包括將太陽(yáng)能發(fā)電裝置分解成的兩個(gè)部分以及蓄電池組部分.超級(jí)電容器作為短時(shí)放電裝置［5］,保證斷網(wǎng)瞬間大電流供應(yīng),將其并入主隔離設(shè)備中.

2.3 微型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在故障情況下的運(yùn)行及應(yīng)急措施

當(dāng)遇到最極端故障情況需要斷開(kāi)主網(wǎng)供電時(shí),需要保證 3個(gè)場(chǎng)館的基本照明、自然通風(fēng)、自動(dòng)扶梯 3項(xiàng)的電力供應(yīng).此外,還要保證短時(shí)的電梯電力供應(yīng),保證使突然停止運(yùn)行的電梯能將游客送至最近的出口,而不是滯留電梯內(nèi).由以上的設(shè)計(jì)需求將原負(fù)荷表重新修正為應(yīng)急負(fù)荷表,如表 2所示.

表2 中國(guó)館應(yīng)急工況下主要設(shè)備負(fù)荷表 /MW

故障情況第 1 h(疏散人群工況)的主要負(fù)荷配置情況如下:考慮到中國(guó)館結(jié)構(gòu)層次變化大,死角多,而且會(huì)展出如《清明上河圖》等珍貴文物,有很多地方需要一直保留照明環(huán)境,考慮故障時(shí)照明按 50%運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算;升降電梯的乘客滯留問(wèn)題,實(shí)行 14部電梯輪流開(kāi)放的方式,按 15%運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算;自動(dòng)扶梯作為疏散人群重要工具,下行方向全部開(kāi)放,按 50%運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算;空調(diào)部分僅開(kāi)通風(fēng)換氣設(shè)備,按總空調(diào) 10%運(yùn)行功率計(jì)算;其他部分負(fù)荷全部關(guān)閉,所得總功率為 1.296 MW.實(shí)際中最少滿足 3 h電力供應(yīng),則蓄電池組應(yīng)配置的最大容量為 3.88MW.

由于微型電網(wǎng)具有獨(dú)立的中央控制單元,可獨(dú)立控制內(nèi)部各個(gè)智能斷路器的開(kāi)斷,并根據(jù)場(chǎng)館實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整工作線路,比起常規(guī)電網(wǎng)來(lái)說(shuō),增加了很多主動(dòng)控制手段.考慮到蓄電池在使用中存在放電曲線末端電能質(zhì)量會(huì)出現(xiàn)大幅度下降的問(wèn)題,微網(wǎng)應(yīng)保證初期第 1 h全部主要設(shè)施的正常供電質(zhì)量需求.

故障運(yùn)行 1.5～2 h維持工況下的主要設(shè)備負(fù)荷可以根據(jù)各部分的使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整.如實(shí)際檢測(cè) 1 h人群疏散后的 30 min內(nèi),場(chǎng)館垂直電梯和自動(dòng)扶梯的使用需求沒(méi)有變化,屬于空載狀態(tài),則與控制中心確認(rèn)后,跳開(kāi)對(duì)應(yīng)斷路器,切斷電梯部分的設(shè)備能源供應(yīng).

故障情況 2 h維持工況下的主要設(shè)備負(fù)荷可將照明負(fù)荷減低至主要展區(qū)保障和特殊位置保障.此時(shí)空調(diào)的通風(fēng)泵機(jī)電力供應(yīng)也可以降低至5%左右,僅維持電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn).

以上預(yù)設(shè)均為考慮最極端的天氣及人工因素的情況.但當(dāng)故障發(fā)生在晴天時(shí),電池板在微網(wǎng)狀態(tài)下依舊可以工作,以電池能發(fā)電 300 kWh計(jì)算,微網(wǎng) 3 h目標(biāo)要求下至少能增加 41.6 min的電力供應(yīng).且微網(wǎng)特有的中央控制器可以與主網(wǎng)交換信息,隨時(shí)了解主網(wǎng)恢復(fù)情況,若明確故障在1～1.5 h時(shí)間段內(nèi)即可恢復(fù)工作時(shí),中國(guó)館可以選擇保持較高的電力供應(yīng),保證場(chǎng)館的用電設(shè)備可快速恢復(fù),大大減少設(shè)備重新投運(yùn)時(shí)間.綜合運(yùn)用以上微型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),可以使得太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的能源利用優(yōu)勢(shì)與潛力得到較大的挖掘與提升.考慮到雙電源同時(shí)停止供電且故障時(shí)間大于 3 h的概率很小,因此中國(guó)館的電力供應(yīng)通過(guò)以上措施疊加實(shí)施,其安全性問(wèn)題基本可以得到解決.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的世博會(huì)中國(guó)館微網(wǎng)電力供應(yīng)結(jié)構(gòu),是實(shí)踐智能電網(wǎng)理念基礎(chǔ)上的示范性措施.通過(guò)理論研究計(jì)算表明,可以滿足設(shè)計(jì)所需的 3 h電力供應(yīng)需求,能夠更好地適應(yīng)分布式新能源發(fā)電模式,符合智能電網(wǎng)“優(yōu)質(zhì)、清潔、經(jīng)濟(jì)”的建設(shè)特征.如果能夠在中國(guó)館建造實(shí)施,也可以為現(xiàn)代微型電網(wǎng)走入生產(chǎn)生活、進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn),提供研究范例.

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