方創(chuàng)新，黃云輝

(1.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 黃岡 438000，2. 武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070)

抽水蓄能電站在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中承擔(dān)著重要的任務(wù)，包括：削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用以及黑啟動(dòng)等，對(duì)電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行有著舉足輕重的作用[1-2]。當(dāng)前，國(guó)網(wǎng)新源公司現(xiàn)投運(yùn)和在建抽水蓄能電站50余座，其中超過半數(shù)的電站出線設(shè)計(jì)采用單回線接入電網(wǎng)，當(dāng)發(fā)生雷擊跳閘或短路等線路故障時(shí)，電站將無備用線路可用，可能導(dǎo)致廠用電工作電源丟失。在電站與電網(wǎng)失去聯(lián)系的極端情況下，一旦廠用電失去備用電源，將可能導(dǎo)致全廠停電事故。2010年7月19日，白蓮河抽水蓄能電站10 kV架空線曾遭受雷擊并導(dǎo)致廠用電中斷故障，給電站安全生產(chǎn)及調(diào)試工作造成一定的影響。因此，抽水蓄能電站備用電源的安全、穩(wěn)定、可靠對(duì)抽水蓄能電站的安全運(yùn)行意義重大。

目前，國(guó)網(wǎng)新源公司下轄已投運(yùn)的抽蓄電站均將柴油發(fā)電機(jī)作為其廠用電事故備用電源。但是柴油發(fā)電機(jī)作為抽蓄電站廠用電備用電源有以下問題：①非在線式供電，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。從廠用電故障中斷到柴油機(jī)啟動(dòng)，穩(wěn)定帶廠用電負(fù)荷運(yùn)行，至少需半小時(shí)以上，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。②存在啟動(dòng)不成功的可能。抽蓄電站廠用電正常運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)處于冷備用狀態(tài)，需要每月啟動(dòng)一次，定期測(cè)試。定期啟動(dòng)過程中存在啟動(dòng)不成功現(xiàn)象。③存在環(huán)境污染。柴油發(fā)電機(jī)采用柴油作為能源，發(fā)電過程中會(huì)導(dǎo)致有害和污染氣體的排放。④后期維護(hù)成本較高。目前電站一般對(duì)柴油發(fā)電機(jī)維護(hù)均采用外委方式，定期進(jìn)行設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)和啟動(dòng)試驗(yàn)，外委成本及耗材投入較大[3-4]。因此，為了提高國(guó)網(wǎng)新源公司抽水蓄能電站廠用電的可靠性和穩(wěn)定性，需要補(bǔ)充安全可靠、性能優(yōu)越、維護(hù)成本低的備用電源來保證廠用電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)控制靈活、技術(shù)成熟，將其作為電站廠用電備用電源是當(dāng)前新能源技術(shù)的重要應(yīng)用方向[5-6]。光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)包括分布式光伏組件、化學(xué)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和輸配電系統(tǒng)組成[7]，其優(yōu)點(diǎn)為：①在線式供電。并網(wǎng)與離網(wǎng)供電模式間可實(shí)現(xiàn)無縫切換，從廠用電出現(xiàn)故障到光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)開始離網(wǎng)供電之間無中斷時(shí)間。②可靠性高。當(dāng)廠用電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，重要負(fù)荷可立刻切換至光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)供電，控制靈活可靠[8]；在廠用電正常運(yùn)行時(shí)，光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)亦可為電站辦公及生活供電，降低生產(chǎn)成本，提高電站綜合轉(zhuǎn)換效率。③清潔無污染。光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)以太陽(yáng)能為原始資源，通過光電效應(yīng)進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電，基本為零污染，符合國(guó)家清潔綠色發(fā)展大方向。④后期維護(hù)成本低?？梢詫?shí)現(xiàn)無人值守，定期維護(hù)工作量小[9-10]。

本文以白蓮河抽水蓄能電站(簡(jiǎn)稱蓮蓄電站)為例，針對(duì)其廠用電備用電源的可靠性優(yōu)化，研究光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)作為其廠用電備用電源的設(shè)計(jì)方案、光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)供電技術(shù)、光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)對(duì)廠用電工作電源故障等緊急狀況的工作運(yùn)行模式，提出一個(gè)較為成熟的光儲(chǔ)系統(tǒng)作為抽水蓄能電站備用電源的規(guī)劃方案。

1 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體規(guī)劃

1.1 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的選址

白蓮河抽水蓄能電站位于湖北省黃岡市，其所處經(jīng)緯度為：東經(jīng)115.44°、北緯30.59°。每年平均日照總時(shí)數(shù)1 810～2 100 h，每年平均輻射在4 354～4 731 MJ/m2，屬于湖北省太陽(yáng)能資源的一級(jí)可利用區(qū)，是太陽(yáng)能資源較好的地區(qū)，較適合光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)。

白蓮河抽水蓄能電站上庫(kù)坡面如圖1所示，西南朝向，光照充足，斜坡角度為30°至40°(接近光伏電池板的最佳安裝角度)，適宜太陽(yáng)能電池板的高效率發(fā)電，是理想的安裝場(chǎng)地。并且，上庫(kù)面積達(dá)數(shù)千平方米，可以鋪設(shè)數(shù)百千瓦的光伏電池板，能滿足廠用電重要負(fù)荷的供電需求。儲(chǔ)能系統(tǒng)的可以安裝在如圖2所示的配電房附近，配合光伏發(fā)電的使用。因此，光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)作為白蓮河抽水蓄能電站的廠用電備用電源，可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地、環(huán)境、自然資源的優(yōu)化配置，提高廠用電的供電可靠性。

圖1 白蓮河抽水蓄能電站上庫(kù)坡面圖

圖2 白蓮河抽水蓄能電站配電房圖

1.2 光儲(chǔ)系統(tǒng)作為蓮蓄電站備用電源的電氣結(jié)構(gòu)及工作模式規(guī)劃

光儲(chǔ)系統(tǒng)作為蓮蓄電站備用電源的控制方法的原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，該系統(tǒng)的基本元件包括：光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)、大電網(wǎng)、廠用電負(fù)荷(廠用電負(fù)荷以全廠400 V照明系統(tǒng)、中控樓400 V系統(tǒng)、上庫(kù)400 V系統(tǒng)、廠房公用400 V系統(tǒng)為例)、并離網(wǎng)選擇器、并網(wǎng)控制器、離網(wǎng)控制器、蓮蓄電站調(diào)度室、黑啟動(dòng)控制器。其中光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)通過0.4 kV/10.5 kV升壓變壓器并網(wǎng)連接；并離網(wǎng)選擇器用于實(shí)時(shí)采集并網(wǎng)點(diǎn)電壓與頻率從而判斷電網(wǎng)是否發(fā)生暫態(tài)故障從而決定光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)該工作在并網(wǎng)模式下還是離網(wǎng)模式下；并網(wǎng)控制器與離網(wǎng)控制器都是用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能電池組荷電狀態(tài)、光伏系統(tǒng)工作情況并根據(jù)情況選擇光伏系統(tǒng)的工作模式；調(diào)度室主要負(fù)責(zé)觀測(cè)電網(wǎng)是否發(fā)生大停電，判斷是否需要進(jìn)行抽蓄機(jī)組的黑啟動(dòng)；黑啟動(dòng)控制器用于接收抽水蓄能電站調(diào)度室的信號(hào)并控制光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)是否進(jìn)入黑啟動(dòng)工作模式。

圖3 光儲(chǔ)系統(tǒng)作為蓮蓄電站備用電源的結(jié)構(gòu)原理圖

2 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的選型及電氣設(shè)計(jì)

2.1 光伏組件的電氣接線設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目光伏組件分布在水庫(kù)坡面上，初步設(shè)計(jì)在白蓮河抽水蓄能電站上庫(kù)坡面安裝光伏組件。采用組串式接線方式，共安裝多晶硅組件2 904塊，每塊的容量為275 Wp，共計(jì)安裝容量為800 kWp。

本項(xiàng)目光伏系統(tǒng)所采用Growatt-60000KTL3-S 60 kW的AC/DC并網(wǎng)變換器的輸入直流電壓最高值為1 100 V，直流電壓在最大功率跟蹤的工作模式中保持為450～800 V。容量為275 Wp的多晶硅光伏電池的額定峰值功率電壓為32 V，額定開路電壓為39.1 V，電流溫度系數(shù)和電壓溫度系數(shù)分別為0.055%/℃和-0.330%/℃，其允許系統(tǒng)電壓最大值為900 V。經(jīng)過計(jì)算，確定22塊光伏組件串聯(lián)組成一個(gè)組串。

根據(jù)光伏組件串聯(lián)的計(jì)算，一個(gè)光伏組串的額定容量為22×275 Wp=6 050 Wp。針對(duì)60 kW的AC/DC變換器的額定容量計(jì)算，應(yīng)并聯(lián)10路。可以用10個(gè)光伏組串匯總于一個(gè)60 kW的AC/DC變換器，5個(gè)AC/DC變換器接入1個(gè)6匯1交流的匯流箱，將3個(gè)匯流箱組成一個(gè)匯流單元，匯流單元接入到光伏系統(tǒng)的配電室。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量和功率配置

本項(xiàng)目的儲(chǔ)能系統(tǒng)有兩個(gè)關(guān)鍵作用：①在電網(wǎng)暫態(tài)故障下，為廠用電負(fù)荷提供緊急備用電源，保證廠用電負(fù)荷的不間斷供電。②在全網(wǎng)停電的極端情況下，作為抽水蓄能電站黑啟動(dòng)電源，為黑啟動(dòng)所需的負(fù)荷提供電能，實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)?？梢?，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為黑啟動(dòng)電源的容量和功率配置要求更高，因此以黑啟動(dòng)所需的負(fù)荷作為參考來設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量和功率配置。

根據(jù)白蓮河抽水蓄能電站提供的黑啟動(dòng)所需負(fù)荷分配情況統(tǒng)計(jì)表顯示：其黑啟動(dòng)所需負(fù)荷為565 kW。為了保證黑啟動(dòng)的順利進(jìn)行，建議儲(chǔ)能系統(tǒng)至少要保證565 kW負(fù)荷運(yùn)行1.5 h，建議儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置大于565 kWh。并且，黑啟動(dòng)過程中考慮到負(fù)荷的沖擊問題，建議儲(chǔ)能系統(tǒng)功率配置大于800 kW?？紤]到光伏系統(tǒng)為800 kWp，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量為容量1 600 kWh，額定功率800 kW，理想充電時(shí)間2 h，理想放電時(shí)間1.5 h。

關(guān)于儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄電池的選型，從投資成本的角度上看，鋰電池具備較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，液流電池和鈉硫電池技術(shù)不夠成熟，還沒有形成產(chǎn)業(yè)化，成本較高。從維護(hù)成本的角度上看，液流電池需要?jiǎng)恿Ρ贸掷m(xù)控制流體，鈉硫電池需要加熱裝置控制供熱，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本較高，而鋰電池維護(hù)成本較低。因此，根據(jù)國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能電站應(yīng)用情況和儲(chǔ)能電池投資及維護(hù)成本的考慮，本文選用鋰電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的化學(xué)電池。

2.3 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)為廠用電負(fù)載供電的總體設(shè)計(jì)如圖4所示。光伏系統(tǒng)額定功率800 kW，占地約8 000 m2，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量1 600 kWh，額定功率為800 kW，占地約200 m2，充電時(shí)間為2 h，放電時(shí)間為1.5 h，廠用電重要負(fù)荷為564 kW。光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)在交流端并聯(lián)形成光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，為廠用電負(fù)荷提供穩(wěn)定的電能。能量管理系統(tǒng)(EMS)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的控制和工作模式的選擇。

圖4 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)為廠用電負(fù)載供電的總體設(shè)計(jì)圖

3 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)接入白蓮河抽水蓄能電站廠用電系統(tǒng)的仿真分析

為了驗(yàn)證以上方案設(shè)計(jì)，在Matlab/Simulink中對(duì)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)為廠用電負(fù)荷供電的運(yùn)行模式進(jìn)行時(shí)域仿真。仿真設(shè)置如下：廠用電負(fù)荷等效為阻感性負(fù)載，有功負(fù)載設(shè)置為564 kW，無功負(fù)載設(shè)置為400 Var，光伏系統(tǒng)容量為800 kW，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量為800 kW。

電網(wǎng)電壓跌落時(shí)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)為廠用電負(fù)載供電仿真：系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，給系統(tǒng)施加一個(gè)兩相接地故障，故障持續(xù)時(shí)間從0.5～0.55 s，仿真時(shí)間設(shè)置為1.5 s，為了方便觀察三相電壓電流變化情況，截取0.45～0.6 s的波形仿真圖如圖5和圖6所示。從以上仿真可以看出，電網(wǎng)在0.5 s發(fā)生兩相接地故障時(shí)，三相電壓瞬間恢復(fù)，保持穩(wěn)定運(yùn)行，三相電流在電壓跌落后有輕微失穩(wěn)現(xiàn)象，故障消失后恢復(fù)穩(wěn)定。

圖5 電壓跌落時(shí)三相電流波形圖

圖6 電壓跌落時(shí)有功功率波形圖

廠用電負(fù)載突增和突減下光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)為廠用電負(fù)載供電仿真，在1 s時(shí)增加300 kW的負(fù)載，如圖7和圖8所示；在1 s時(shí)減少300 kW的負(fù)載，仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。從以上仿真結(jié)果可以看出，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，當(dāng)廠用電負(fù)載突增或突減時(shí)，三相交流電流迅速響應(yīng)，隨后保持穩(wěn)定，光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功輸出可以跟隨負(fù)載的變化，整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 負(fù)載突增下三相電流波形圖

圖8 負(fù)載突增下有功功率波形圖

4 結(jié) 語

本文研究了光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)作為白蓮河抽水蓄能電站備用電源的設(shè)計(jì)方案。首先，對(duì)白蓮河抽水蓄能電站廠用電備用電源優(yōu)化的整體規(guī)劃進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具體包括自然資源的評(píng)估、場(chǎng)地的選址、工作模式的設(shè)計(jì)。然后，針對(duì)光伏系統(tǒng)，進(jìn)行了光伏電池組件的串、并聯(lián)的設(shè)計(jì)，光伏容量的規(guī)劃設(shè)計(jì)，交流匯流箱的選型，控制及傳輸線纜的設(shè)計(jì)。接著，針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)，進(jìn)行了儲(chǔ)能系統(tǒng)容量和功率的配置，儲(chǔ)能電池的選型，儲(chǔ)能逆變器的設(shè)計(jì)。最后，在Matlab/Simulink中對(duì)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)為廠用電負(fù)荷供電的運(yùn)行模式進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。研究結(jié)果顯示：本文設(shè)計(jì)所選場(chǎng)址的工程條件能夠滿足所規(guī)劃的容量需求，對(duì)光伏和儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型從投資、運(yùn)行、維護(hù)等方面均具備可行性。

圖9 負(fù)載突減下三相電流波形圖

圖10 負(fù)載突減下有功功率波形圖