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6 6 4 电力 与能 源 第 3 7 卷第 5 期 2 0 1 6年 1 O月 微电网技术在大型火力发 电厂 厂用电系统的研究与应用 张浙波 , 彭 昕 1 . 浙江浙能嘉华发电有限公司 , 浙 江 平湖 3 1 4 2 0 1 ; 2 . 国网上海嘉定供 电公 司, 上海 2 0 1 8 0 0 摘 要 在原有厂用 电系统结构基础上研究并设 计了一种微网结构 , 通过对 系统运 行方式的解剖和分析 , 提 出 了一种适用 于此系统的控制策略 , 并用 仿真验证了其有效性 和可靠性 。通 过实际数 据计算结果 , 证 明微 电 网 在 厂用 电厂的应用不仅降低了厂用 电率 , 提升了机组经济性 , 而且降低 了燃煤 电厂的污染物排放量 。 关键词 微 电网; 厂用电率 ; 节能减排 ; 控制策略 作 者简 介 张浙波 1 9 8 7 , 男 , 硕士 , 工程 师 , 从事配 电自动化 、 发电技术研究 。 中图分类号 TM7 2 7 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 5 1 2 5 6 2 0 1 6 0 5 0 6 6 4 0 5 Th e Re s e a r c h o f M i c r o g i r d Po we r S y s t e m Te c h n o l o g y Us i n g i n t h e Au x i l i a r y Po we r f o r La r g e Th e r m a l Po we r Pl a n t s Zha n g Zhe o ,Pe ng Xi n 1 .Z h e j i a n g J i a h u a El e c t r i c P o we r Ge n e r a t i o n CO.L t d,Pi n g h u Ci t y ,Z h e j i a n g P r o v i n c e 3 1 4 2 0 1,Ch i n a 2 .S t a t e Gr i d S h a n g h a i J i a d i n g El e c t r i c P o we r C o mp a n y,J i a d i n g Di s t r i c t ,S h a n g h a i 2 0 1 8 0 0 ,Ch i n a Ab s t r a c t P o we r g e n e r a t i o n a s s o c i a t i n g c l e a n e n e r g y wi t h t r a d i t i o n a l f o s s i l e n e r g y i s a v e r y me a n i n g f u l e x p l o r a t i o n. Thi s p ap e r ha s d e s i gn e d a m i c r o gr i d s t r u c t ur e ba s e d on t h e or i gi na l a uxi l i ar y p o we r s ys t e m ,a nd p ut f o r wa r d a c o n t r o l s t r a t e g y f o r t h i s s y s t e m b y a n a l y s i s o f t h e s y s t e m o p e r a t i o n mo d e . Th e s i mu l a t io n r e s u l t s a r e u s e d t o v e r i f y t h e s y s t e m’ s v a l i d i t y a n d r e l i a b i l i t y . At t h e s a me t i me ,a c c o r d i n g t o t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s wi t h t h e a c t u a l d a t a,t h i s p a p e r p r o v e s t h a t t h e mi c r o g i r d t e c h n o l o g y u s i n g i n t h e a u x i l i a r y p o we r s y s t e m h a s t h e g o o d e c o n o mi c a n d s o c i a l b e n e f i t s . Ke y wo r d s M i c r o g r i d,Au x i l i a r y p o we r r a t e ,E n e r g y c o n s e r v a t i o n a n d e mi s s i o n s r e d u c t i o n ,c o n t r o l s t r a t e g y “ 十 三五 ” 初 期 , 随 着 社 会 经 济发 展 速 度 放 缓 和“ 新 电改” 方 案 的 实施 , 发 电 企业 面临 着 发 电小 时数减少 、 上网电价下调、 环保要求提高等诸多挑 战 , 发 电企业 利润 空 间不 断 被压缩 , 以往 的经 营模 式 已不再 适用 于未 来 的电力 发展 , 只有 不 断创新 , 充分发掘新技术在发电经 营中的潜力 , 努力探索 新的利润增长点 , 才能提高企业效益 , 实现绿色清 洁发电目标 。 由新型能源发电组成 的微 电网, 可有效接入 分 布式 电源 D i s t r i b u t e d Ge n e r a t i o n ,简称 D G , 能够提高供电可靠性与电能质量 、 辅助电网安全 运行 , 有十分 广泛 的应用前景。大型火力发 电厂 一 般都处于海边 、 郊区等拥有较大储量的风 能和 光能的地 方, 可以充分利用机组屋顶、 卸煤码头 、 煤场 、 冷却塔等空闲场地资源来安装分布式电源 , 可以与柴油发电机、 储能装置等互联形成一定规 模 的微 电 网 系 统 来 辅 助 厂 用 电 系 统 的运 行 。 目 前 , 大 型燃煤 机组 的厂 用 电率 通 常 在 4 ~ 5 之 间, 微网系统 的接人能够有效降低厂用电率, 对发 电企业增加经济效益 、 节能减排等都有着重要 的 意 义 。本 文 将微 电 网系 统 应用 于 厂用 电系 统 , 提 出了一种微网结构和控制策略, 采用建模仿真 的 方式验证了其有效性 。 微 电网是一种 将分布 式 电源 、 负荷、 储 能装 置、 变流器 以及监控保护装置有机整合在一起 的 小型发配电系统 , 能够提高供 电可靠性与电能 质 量 、 辅 助 电 网安 全运 行 , 有 十 分广泛 的 应用前 景 。 1 采用微 电网后 的厂用 电电网结构 以某大型燃煤机组的厂用 电系统结构 如图 张浙波 , 等 微 电网技术在大型火力发 电厂厂用电系统的研究与应用 6 6 5 1 所 示 来 进行 研究 分析 , 图 1中主要 由 2 段 6 k V 母线 , 2段 4 0 0 V保安段 , 柴油发电机 以及若干各 电压等级的负荷组成。 在原 有 厂用 电 系统 结 构 的基 础上 , 经过 微 电 网优化改造后 , 新 的厂用 电系统结构 变为如 图 2 所示, 其中风力发电机组 出口电压为 6 9 0 V经 过 变 压器 接 入 6 k V 母 线 , 光 伏 电池 和储 能 装 置 经 过 逆变接 人 4 0 0 V 母 线 , 柴 油发 电机 接 人形 式 不 变 , 从而形成风光柴储微 网系统。本系统在保证 保安段重要负荷供 电稳定可靠 的同时 , 也可向 6 k V母线其它负荷提供 电能, 但为 了保 证发 电机 出 口功率的稳定 , 需 在高厂变和启备变安装逆功 率监 视与保 护 , 不得 向高 压侧倒 送 电 。 图 1 原厂用电网架结构 2 采用 微 电 网后 的厂 用 电 系统运 行 控 制 策略 孤 岛运行方 式 和并 网运行 方式 是微 网 系统 的 两种主要运行方式 , 但 由于 电厂厂用电系统具有 更加繁杂多样的运行工况 , 微 网系统需要合理分 析其运行模式 , 设计出相适应的运行控制策略, 保 证其 能够长 期稳 定运 行 。 2 . 1运行 工况分 析 在燃煤机组正常运行 时, 微 网系统采用并 网 运行 , 通过高厂变与大电网相连 , 尽管分布式电源 容量小于厂用电负荷容量, 但是为了保证发 电机 出口功率的稳定 , 需要在高厂变加装逆功率监测 与保护装置 , 防止功率逆流。当高厂变故障时 , 微 网系统切换至启备变并网, 在切换过程 中, 系统内 高厂变A 启备变A来 TT v 母 线 负荷 0 . 6 9 k V 4 0 0 V母线 蠢 宝L.I熟 池 咂 负 衙 AC 高厂变B 来{ 启备变B 6 k V aqzJ r 负荷 0 . 6 9 k V 柴 风力发 电机组 油 发 电 机 图 2改造 后 的J 用 电 网架 结 构 的储能装置及柴油发 电机能够保证重要负荷 的工 作 稳定 。 在燃煤机组停运时 , 微 网系统也采用并 网运 行 , 通过 启备 变 与 大 电 网相 连 。 由于 大 量 机组 辅 助 设备 停运 , 微 网 系统 容 量 能 够 基 本 满 足 厂用 电 需求 , 但同样为了保证 2 2 0 k V电网的稳定 , 在启 备变中也要加装逆功率保 护器, 防止微 网向 2 2 0 k V 电 网倒 送 电 。 当厂 用 电系统 6 k V 母线 故障 或停 电检修 时 , 风力发电机组与 6 k V母线断开 , 微 网系统采 用 孤 岛运 行方 式 , 保 安 段 上 重 要 负 荷 全 部 由微 网 内 D G承担 , 通过储 能电池与柴油发 电机来稳定 系统 电压和频率 , 实现微网内负荷实时平衡 , 保证 微 网孤 岛运行 的稳 定 。图 3显 示 了微 网系统 的运 行状 态及 其转 换过 程 。 微网通过高 』 ~变并网 发电机 出口电压和 频率不在标准范围内 ■二二] 二一 l 微网通过启L~ f 备变并网 l ’ ■二工二 l 电网电压和频率 l不在标准范围内 否 { 奈 趸\按 l 切换控 f 制方法 l 满足并 I 网条件 { l 逸 l } }l 网 运 行 状 态 I l 电 压 差 I 1频 翠 差 Il相 角 茬 以 储能电池Il 以柴油机和储制以柴油机, 为 单主电源 电池为多主电测J 单主电源 切换控 制方法 图 3 微 网系统运行 流程 2 . 2微 网控 制 系统 判断微网 并网条件 1一 微网系统 孤 岛运行 6 6 6 张浙波 , 等 微电网技 术在大型火力发电厂厂用电系统的研究与应用 由图 3可知, 微网控制系统不仅要控制各种 工况下微网的正常运行 , 还要解决工况过渡时微 网控 制方 法 的平 滑转 换 问题 , 因此 本 文 不 再 采用 D G作为主控制器 , 而是 以一个 中心控制器 来进 行集 中计算 、 全局控制 , 从而有效降低 了各 D G之 间的通信联系。 微网并网运行时 , 各 D G都采用 P Q控制, 储 能 电池 采用 并 网模 式 , 柴 油机 不 启 动 。中心 控 制 器负责检测并网处的有功、 无功功率及 电压测量 信号 , 一旦检 测到测点数据异常 , 判 断为电网故 障, 中心控制器将微网与电网断开, 进入孤岛运行 模式, 但 由于微网电压和频率必须由储能 电池和 柴油发电机来稳定 , 因此 中心控制器立刻启动柴 油发电机, 并将储能 电池 由并网模式转换为孤 岛 模式, 各 DQ依然为 P Q控制 , 以中心控制器 的功 率 指令进 行 功率输 出 , 保证 功率 恒定 。 同样 , 微 网在 孤 岛运行 过程 中, 中心控 制器 也 实时检测并网处 的频率和电压 , 当检测 到电网恢 复正常后 , 接收到后台的并网指令 , 判断合适的并 网时刻 , 中心控制器使储能电池切换为并 网模式 , 闭合并网开关 , 停运柴油发 电机 , 微网进入并网运 行 。图 4为厂用 电 系统 中的微 网控 制 系统 图 。 P O 设 置 测 电力电 子接 口 者能电池 享 霆 旨 }I 测量 参数设置 测量 } I . . { 控制器 l 尘 墼 墨 卜 . I ⋯l 有功、 无功及I J 电 压测量信号l 图 4 微 电网控制系统 2 . 3 控 制策 略 从 3 . 2分析中可 以看出 由图 4可以看出 , 微电网系统在孤岛运行和并网运行时的能量控制 大致相同, 都是对各 DG的输 出功率采用 P O 控 制 , 即跟随负荷 的变化而变化 , 只是在考虑并网处 交换功率必须大于 0的限制后需要优化各 D G的 出力限制 。因此 , 采用控制 目标与约束条件公式 , 对分布式电源的输出功率 、 储能 电池充 电功率和 负荷需求功率的能量控制算法进行了必要的讨论 和 研究 。 1 控 制 目标 m ax ∑ P iY 1 i ∈ l o a d l m PP c C≥ 0 2 式 1 、 2 中,L o a d I m 为 重要 负荷 集合 , L o a d S e为次要 负荷集合 ; P 为重要负荷所 吸收 的功 率 ; Y 为重要 负 荷 连接 线路 开 闭合 判 断。 P 为并 网处 交 换 功 率 , 由于 微 网不 能 向 电 网 倒 送 电 , 因 此 其 值 不 能 为 负 , 当微 网孤 岛 运 行 时 , PP 。 一 0。 2 功 率平衡 约 束条件 PP c c Pw T G g O PP v PB E s s b PD i d 一 ∑ P Y 3 £ ∈ l o a d 。S 式 中 Pw c , P r v, P B E s s , P o 。 风 力 发 电 机组 、 光 伏 电 池 、 储能电池和柴油发电机的输 出功率大小 ; w, P , b , 相应的 D G供 电线路 开闭合 判断 ; P 次要 负荷 吸收功 率 大小 ; 次 要 负荷 连 接线 路开 闭合判 断。 3 并 网运行 约束 条件 r PB E S S 0 5 D C S 1 P B E s s一 0 S K C S P T i一 0 5 由式 4 、 式 5 可 知 , 在 并 网运 行 时 , 储 能 电 池需要吸收系统功率来进行充 电, 当充满电后 , 其 保持恒定功率 , 利用储能电池 的快速响应特性能 够 维持 微 电 网的 电能 质 量 稳 定 , 柴 油 机 尽管 也 作 为储 能 的一 种 方式 , 但 其 在 微 网并 网 运行 时不 启 动 , 在 孤 岛运行 时 才启 动 以输 出功 率 来稳 定 微 网 系统的功率平衡 。 3 仿真分析 针对本 文所设计 的厂用电微网系统结构进行 建模 , 采用 2 . 3所述微网的能量控制算法 , 分别对 其并 网运行和孤岛运行方式时突降负荷过程进行 仿真分析 。 1 微 网 系统并 网运行 负荷 下 降 图 5为并网运行降负荷仿真结果 。 由图 5可知 , 初始 为并 网运 行方式 , 系统频 率 张浙波 , 等 微电网技术在大型火力发 电厂 厂用 电系统的研究与应用 6 6 7 S a 并网运行降负荷时频率变化图 b 并网运行降负荷时电压变化图 图 5 并 网运行降负荷仿真结果 为 5 0 Hz , 母线 电压 为 6 9 0 V, 当负荷 减少 后 , 微 网 系统 的频 率 和 电压 均 出现 了短 暂 的 波 动 , 但 在 经 过 0 . 1 S 后 , 均 恢复 到 了初始 状 态 , 因此 在 并 网 状 态下, 该控制系统能够能够很好地控制微网系统 来应 对 负荷扰 动 。 2 微 网 系统孤 岛运行 负荷 下 降 图 6为孤岛运行降负荷仿真结果。 由图 6 可知, 仿真初始状态为孤岛运行状态 , 频率为 4 9 . 9 2 6 HZ , 母线电压为 3 9 9 . 6 V, 当出现 负荷下降后, 微 网系统频率和 电压也出现了短 时 波 动 , 经 过 0 . 2 S 后 系 统 趋 于 稳 定 , 最 后 频 率 为 4 9 . 9 2 1 Hz , 最大 波 动偏差 0 . 0 1 8 Hz , 电压稳 定 在 3 9 9 . 6 V, 最大波动偏差率为 0 . 5 。由此 可见 , 微电网频率和电压波动均在可接受范 围内, 因此 本文 的控制 策略 是可行 的。 4 效益分析 微网系统在接人厂用 电系统后 , 不但能够提 高厂用电系统的稳定性和可靠性 , 其还能给 电厂 和社会带来巨大的经济效益和社会效益。 4 . 1 经 济效 益 假定一年 内机组运行天数集合为 S t a r t Da y , 停机天数集合为 S t o p D a y , 则 S a 孤岛运行降负荷频率变化图 S b 孤岛运行降负荷 电压变化图 ~一 Di e s e l Ge n e r a t o r Ac t i v e P o we r i n M W c 孤岛运行各DG 输出功率变化图 图 6 孤岛运行降负荷仿真结果 1T Ia x V t 一 ∑ P ita ∑ 尸 , P t。 lb 6 t ∈ S t a r t Da y ∈一S t o pDa y 式 中 V 。 . 微 电网创造 的效益总和 ; P 开机期间 每天 的微 电 网发 电量 ; P, 停 机期 间每天 的微 电网发 电量 ; P 。 微 电网一年 内的 总发 电量 ; f 每度 电耗煤量 ; n 电煤 单价 ; 上网电 价 ; 新 能源补贴 单价 。 式 6 中微 电 网每 年 创 造 的 效 益 主要 由运 行 期 间节约 电煤 成 本 、 停 机 期 间 节 约 用 电成 本 和新 能源 国家 补贴 组成 , 其控 制 目标 是效 益最 大化 。 mi n BPt o t a l PP v Pw T G PB E s s P l 7 式 中 BP 。 “微 电网改 造建 设费用 ; Pr v 为光伏 电池 建设 费用 ; P W T G 风电机组建设费用 ; P B E s s 蓄能 电池 建设 费用 ; P 包括人工 费 、 维 护费 、 施工费等各项 闲杂 费用 , 本 式控 制 目标 是要 求微 电网建设 费用最小化 。 本文所建微 电网系统以主要满足重要负荷能 量需求为主要考虑 目标 , 因此根据某机组实际的 年运行情况 , 其重要负荷容量约为 4 Mw, 原有柴 油发电机组额定容量 为 2 Mw, 因此规划建设微 电网系统容量在 5 MW , 其 中 4台 1 MW 风力发 6 6 8 张浙 波 , 等 微 电网技术 在大型火力发 电厂厂用 电系统 的研究 与应用 电机 组 , 1 Mw 光 伏 电 池 , 储 能 系 统 容 量 为 5 0 0 k W h , 再加上其它费用合计总造价约为 2 9 5 0 万元 。 该机 组 日发 电量约 为 0 . 1 7 亿 度 , 厂用 电率 约 为 4 . 5 , 日耗 煤 6 0 0 0 t , 每 年 开 机 时 间 为 3 2 4 天 , 停 机 时 间为 4 1天 , 机 组 运行 期 间 微 网 系统 平 均 每 日发 电 8万 度 , 停 机 期 间平 均 每 天 发 电 1 . 8 万度 , 上 网电价为 0 . 4 4 5 3元/ k Wh, 每度电耗煤量 为 3 5 5 g , 5 5 0 0大卡动力煤单价 3 7 0元/ 吨, 暂不 考 虑新 能源 发 电 国家 补 贴 , 计 算 得 每 年微 电 网创 造效益为 3 7 3 . 3 2万元 , 同 时厂 用 电率 降 为 3 . 9 。按照 以上 计算 结果 , 基本 上 8年就 可 以收 回 成本 , 同时 有效 降低 了厂 用 电率 , 节 约 了发 电企业 的发电成本 , 有效提升 了机组的经济性 。若再计 算新能源发电所获得 的国家补贴金, 本微网系统 的成本 回收期 还将会 大 大缩短 。 4 . 2社会 效 益 在 国家 “ 十三 五 ” 规 划 中 , 生 态文 明建 设 和可 持续发展是今后的重要 目标之一 , 绿色经济将成 为今后国家经济发展的主旋律 , 在电力生产 中, 绿 色电力也将越来越多的受 到国家的关注 , 本文提 出的微 网系统 接 入燃 煤 机组 厂 用 电 系 统 , 能 够 通 过 可再生 能源 发 电来 代 替 厂 用 电消 耗 , 能 够 有效 节 约 电煤 , 同时也 大大 减少 了污染 物 的排放 。 从 4 . 1的计算中可以看出, 在机组运行期间, 微电 网生产 清洁 电能 8万 度 , 按照每 度 电耗 煤 3 5 5 g计算, 每天节约煤 2 8 . 4 t , 以标准动力煤为 例 , 其含碳约为 7 O 9 / 6 , 含硫约为 1 . 5 , 经计算 , 每 天 减少 C O 2 排 放 7 2 . 8 9 t , 减少 S O 排 放 0 . 8 5 t , 减少各类粉尘排放 1 8 . 8 t , 若将此技术推广使用 , 每 天所减 少 的排 放 量 是 十 分惊 人 的 , 因此 本 技 术 对于生态文明建设和可持续发展有着非常重要的 现 实意 义 。 5 结 语 本文利用大型火电厂的空 闲场地资源, 将微 电网技术 应 用 到 了大 型 燃 煤 机组 厂 用 电系 统 中 , 分析设计了一种适用于燃煤机组的结合分布式 电 源的厂用电系统结构 , 并通过 中心控 制器进行主 从 控制 的控 制策 略仿 真验证 了本 系统 的 实用性 和 可靠性 , 最后通过以实际机组数据的分析 , 明确 了 微电网系统与厂用电系统的结合具有十分巨大的 经济效益和社会效益。 尽 管本 文仅 以重 要 负荷容 量为依 据 来设计 微 网系统 的容 量 , 但 是在 今 后的 实际应 用 和研究 中 , 可 以尝试 以整体 厂用 电 系统容 量为 基础 来进 行设 计 , 进而进一步降低厂用 电率甚至降至 0 , 更有效 地 提 升机组 经 济性 , 降低 污染 物排放 量 。 微 电网接 人燃煤 机 组厂用 电系统开 创 了清 洁 能源 与传统 化 石 能源 联 合 发 电的先 河 , 也是 对 绿 色电力发展和智慧电厂建设的一次有益探索 。 参考文献 [ 1 ] 丁 明 , 张颖嫒 , 茆美琴. 微 网研究 中的关键技术[ J ] . 电网 技术 , 2 0 0 9 , 3 3 1 1 6 - 1 1 . 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