港口供電可靠性提升工程技術(shù)方案

付秀林

漢班托塔國際港口集團(tuán)

1 引言

漢班托塔港(以下簡稱漢港)毗鄰印度次大陸等新興市場，供電問題是其發(fā)展的主要障礙。目前，漢港存在著供電可靠性差、電能質(zhì)量及用能經(jīng)濟(jì)性低、用電自動化和智能化程度差等問題。供電公司的供電可靠性差，港區(qū)內(nèi)缺乏高效的用電監(jiān)控，無法對用電數(shù)據(jù)進(jìn)行全面檢測、分析，設(shè)備故障信息檢測、判斷及分析手段差，無法通過優(yōu)化運行方式改善供電質(zhì)量、提升電網(wǎng)運營效率和效益。

目前，學(xué)者基于DG(Distributed Generation，分布式電源)以及微電網(wǎng)，研究了分布式電源以及微電網(wǎng)的引入對供電可靠性的影響，認(rèn)為在微電網(wǎng)控制管理條件下，能夠提高接入點以及下游區(qū)域的可靠性程度。王楓等指出微電網(wǎng)與分布式電源作為特殊負(fù)荷可以在一定程度上降低配網(wǎng)負(fù)荷點故障率指標(biāo)[1]；李志鏗、葛少云等研究了DG與儲能對微電網(wǎng)與配電系統(tǒng)可靠性提升的作用，并為DG安裝的規(guī)劃配置提出建議[2-3]；馮明燦等提出了一種兼顧瞬時峰值負(fù)荷特性的配網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃方案，可彌補因瞬時負(fù)荷導(dǎo)致的供電不足，提升供電可靠性[4]；王宗耀等分析了配電自動化系統(tǒng)對可靠性影響的經(jīng)濟(jì)效益[5]。然而對于較多的可靠性提升措施，電力企業(yè)無法同時實行，因此，仍需要對于可靠性提升措施進(jìn)行優(yōu)選。本文采用在港區(qū)內(nèi)建設(shè)源-網(wǎng)-荷-儲-控的智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的方案，可以綜合利用港區(qū)內(nèi)分布式發(fā)電、冷、熱、氣等資源，提高配電的智能化程度，解決港區(qū)內(nèi)供電可靠性、經(jīng)濟(jì)性問題。

2 供電可靠性提升工程技術(shù)方案設(shè)計

2.1 微電網(wǎng)總體方案設(shè)計

采用智能微電網(wǎng)方案，通過在港區(qū)P1SS2變電站供電范圍內(nèi)增加儲能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)自動控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)(EMS)等構(gòu)建港區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)。該智能微電網(wǎng)總體方案見圖1。

圖1 智能微電網(wǎng)總體方案圖

針對漢港未來的負(fù)荷發(fā)展需求以及港口區(qū)域高可靠、高質(zhì)量電力供給需求，采用基于儲能技術(shù)的智能微電網(wǎng)技術(shù)提升港口的供電可靠性。

(1)在配電網(wǎng)中接入1 MW/0.5 MWh儲能系統(tǒng)(儲能容量可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整)，采用鋰電池儲能系統(tǒng)，儲能變流器需在并網(wǎng)、孤網(wǎng)模式下均具備虛擬同步運行功能，儲能系統(tǒng)經(jīng)過升壓變(新建1 MVA)接入11 kV母線，儲能系統(tǒng)相關(guān)的儲能電池、電池管理系統(tǒng)、升壓變壓器、儲能逆變器、開關(guān)柜、消防系統(tǒng)、動環(huán)檢測系統(tǒng)等集成在1個40 ft集裝箱內(nèi)。

(2)選擇P1SS2進(jìn)線開關(guān)柜作為PCC關(guān)口開關(guān)，加裝遠(yuǎn)動和同期模塊。

(3)對柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其具備遙測、遙調(diào)、遙控功能。

(4)開發(fā)微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度管理系統(tǒng)，對儲能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)組以及相關(guān)配電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的優(yōu)化調(diào)度管理,實現(xiàn)系統(tǒng)可靠經(jīng)濟(jì)運行。

智能微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 智能微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 微電網(wǎng)系統(tǒng)組成

(1)儲能系統(tǒng)單元。由儲能變流器PCS與電化學(xué)儲能電池組成，儲能電池通過儲能變流器PCS的控制進(jìn)行快速、精確、雙向可控的有功/無功功率調(diào)節(jié)來控制電網(wǎng)系統(tǒng)的運行。

為滿足儲能系統(tǒng)的高功率密度、高能量密度、快速充放電響應(yīng)以及價格相對低廉等需求，儲能單元采用高功率鋰電池。目前，港口內(nèi)的最大負(fù)荷在1 MW以下，儲能系統(tǒng)的總建設(shè)容量選擇為1 MW/0.5 MWh，經(jīng)過儲能變流器PCS逆變并升壓后接入11 kV母線?？紤]港口的未來負(fù)荷規(guī)劃，采用集裝箱式儲能系統(tǒng)可以更加方便的實現(xiàn)擴(kuò)容，具體布置見圖3。

圖3 集裝箱儲能布置圖

1 MW/0.5 MWh儲能系統(tǒng)所涉及的儲能變流(PCS)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、鋰電消防系統(tǒng)、0.4/11 kV干式變壓器、11 kV開關(guān)柜都集成在40 ft集裝箱內(nèi)。儲能系統(tǒng)配置2臺500 kW儲能變流器PCS，儲能變流器需具備P/Q運行模式、V/F運行模式(2種模式下均需具備虛擬同步運行控制模式能力)。儲能系統(tǒng)的測控信號通過通信網(wǎng)絡(luò)接入微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度管理系統(tǒng)。儲能集裝箱放置在P1SS2配電室附近，可便于微電網(wǎng)的接入和運行管理。

(2)柴油發(fā)電機(jī)組測控系統(tǒng)。為滿足智能微電網(wǎng)的運行控制需求，在P1SS2變電站處原有柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)加裝遠(yuǎn)程測控裝置，使其具備遙測、遙調(diào)以及遙控功能，通過通信網(wǎng)絡(luò)與微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度管理系統(tǒng)連接，實現(xiàn)能量管理系統(tǒng)對柴油發(fā)電機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)測、遠(yuǎn)程啟動以及運行狀態(tài)的遠(yuǎn)程設(shè)定。

(3)并網(wǎng)關(guān)口柜。通過改造P1SS2的高壓進(jìn)線柜作為智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的公共連接點(PCC點)并網(wǎng)關(guān)口柜。PCC點并網(wǎng)關(guān)口柜作為微電網(wǎng)與公用電網(wǎng)的接口分界點，其測控信號通過通信網(wǎng)絡(luò)與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)連接。在儲能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)接入點以及重要負(fù)荷上級變壓器的低壓側(cè)開關(guān)處也新加裝并網(wǎng)關(guān)口柜，新增并網(wǎng)關(guān)口柜應(yīng)具備故障快速檢測隔離以及遠(yuǎn)動和同期模塊，其測控信號通過通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)連接。

2.3 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

2.3.1 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)產(chǎn)品采用先進(jìn)的微電網(wǎng)3層控制體系，即分別從微電網(wǎng)就地控制層、微電網(wǎng)集中控制層、配電網(wǎng)調(diào)度層3個層面進(jìn)行微電網(wǎng)全面的控制。配電網(wǎng)調(diào)度層、微電網(wǎng)集中控制層和就地控制層可靈活配置，不同的微電網(wǎng)項目中可以根據(jù)微電網(wǎng)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)，選取1層(就地控制器層或微電網(wǎng)集中控制層)、或2層(就地控制層和微電網(wǎng)集中控制層)、或3層體系，實現(xiàn)微電網(wǎng)的并網(wǎng)/離網(wǎng)多模態(tài)經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運行。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)監(jiān)控、微網(wǎng)集中控制功能。

2.3.2 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)遠(yuǎn)程功能設(shè)計

能量管理系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)組以及配電自動化設(shè)備的測控信號接入采用光纖通訊方式，可對微電網(wǎng)中的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，協(xié)調(diào)微電網(wǎng)內(nèi)外部的能量管理，可遠(yuǎn)程管理。此外，其具有實時波形顯示功能、歷史波形顯示功能，擁有數(shù)據(jù)庫，開放對外接口，可定制化二次開發(fā)。監(jiān)視量和控制量主要包含電池關(guān)鍵信息、進(jìn)線(快速)開關(guān)柜信息、PCS全部信息等監(jiān)視量和記錄量以及對PCS開關(guān)機(jī)、運行模式設(shè)置及功率控制、對進(jìn)線(快速)開關(guān)柜分合閘控制、對柴油機(jī)開關(guān)機(jī)及功率設(shè)置等控制指令。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的具體功能模塊為：

(1)方案制定和命令發(fā)布功能。經(jīng)過通信上傳的PCC點、斷路器、負(fù)荷節(jié)點的各種參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，制定柴油發(fā)電機(jī)組、儲能系統(tǒng)的工作方式切換、功率輸出等調(diào)節(jié)，斷路器的通斷等控制策略，把設(shè)定值與控制命令發(fā)送至各調(diào)節(jié)裝置，維持微電網(wǎng)的正常運行。

(2)柴油機(jī)系統(tǒng)控制功能。根據(jù)能量管理系統(tǒng)的控制命令進(jìn)行柴油發(fā)電機(jī)組的啟/?？刂萍斑\行模式遠(yuǎn)程調(diào)度管理。能量管理系統(tǒng)檢測調(diào)節(jié)柴油機(jī)系統(tǒng)的輸出特性，當(dāng)負(fù)荷需求增大時，通知柴油機(jī)系統(tǒng)增加輸出功率；反之，減少輸出功率。

(3)儲能系統(tǒng)管理功能。蓄電池充放電與電壓、功率管理。當(dāng)微電網(wǎng)負(fù)載小于柴油發(fā)電機(jī)20%的額定功率時，儲能系統(tǒng)適當(dāng)充電，保證柴油發(fā)電機(jī)輸出功率不小于20%的額定功率維持柴油發(fā)電機(jī)組有功出力處于最優(yōu)工作區(qū)間。

(4)模式切換功能。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，控制微電網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開，進(jìn)入離網(wǎng)運行，可實現(xiàn)兩種運行模式的無縫轉(zhuǎn)換，維持離網(wǎng)狀態(tài)穩(wěn)定運行；檢測大電網(wǎng)來電時，自動將微電網(wǎng)由離網(wǎng)模式過渡到并網(wǎng)模式下。根據(jù)微電網(wǎng)的工作狀態(tài)發(fā)布分布式電源與斷路器邏輯控制控制命令，當(dāng)滿足條件時，能量管理系統(tǒng)通知分布式電源控制器和各斷路器動作，完成預(yù)定的投切操作。

2.4 智能微電網(wǎng)運行方式

該智能微電網(wǎng)方案主要有5種運行狀態(tài)：

(1)并網(wǎng)運行狀態(tài)。在外部電網(wǎng)正常運行時，智能微電網(wǎng)系統(tǒng)運行于并網(wǎng)運行狀態(tài)。此時，P1SS2的并網(wǎng)關(guān)口柜開關(guān)合閘，儲能系統(tǒng)以P/Q方式并網(wǎng)運行，其輸出有功、無功功率由微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。

(2)并/離網(wǎng)切換狀態(tài)。當(dāng)港口上級電網(wǎng)發(fā)生故障或需要進(jìn)行檢修時，由微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)下達(dá)指令快速斷開P1SS2的并網(wǎng)關(guān)口柜開關(guān)；由微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)下達(dá)指令啟動柴油發(fā)電機(jī)組，將儲能系統(tǒng)運行模式由P/Q模式切換為V/F模式；待柴油發(fā)電機(jī)組啟動完成后，儲能系統(tǒng)運行模式切換為P/Q模式。

(3)離網(wǎng)運行狀態(tài)。港口上級電網(wǎng)發(fā)生故障，P1SS2的并網(wǎng)關(guān)口柜開關(guān)需斷開。在離網(wǎng)模式下，由柴油發(fā)電機(jī)組為區(qū)域電網(wǎng)提供幅值、頻率穩(wěn)定的三相電壓；儲能系統(tǒng)運行于P/Q模式，維持柴油機(jī)組出力處于最優(yōu)工作區(qū)間。

(4)離/并網(wǎng)切換狀態(tài)。在檢測到主網(wǎng)恢復(fù)供電且得到主網(wǎng)調(diào)度的并網(wǎng)允許后，由微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)向P1SS2的并網(wǎng)關(guān)口柜開關(guān)下達(dá)并網(wǎng)開關(guān)同期合閘指令，待合閘后，柴油發(fā)電機(jī)組停止運行，儲能系統(tǒng)維持P/Q運行模式，系統(tǒng)完成由離網(wǎng)向并網(wǎng)模式的切換。

(5)故障/檢修狀態(tài)。P1SS2的并網(wǎng)關(guān)口柜斷開，儲能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)組停止運行，負(fù)荷與電網(wǎng)斷開停止運行，由運維人員進(jìn)行故障排除和檢修。

3 結(jié)語

綜合考慮冷、熱、電、氣等多種能源的運行狀態(tài)，按照“提高能源利用率、保障高效可靠運行”的思路進(jìn)行總體規(guī)劃設(shè)計，構(gòu)建了涵蓋智能化配電網(wǎng)、多種分布式能源、柔性負(fù)荷等運行數(shù)據(jù)的多維信息模型。該智能微電網(wǎng)方案能夠提高多種能源與柔性負(fù)荷的資源利用率，精準(zhǔn)控制聯(lián)絡(luò)線功率，提供能量管理、協(xié)同控制與優(yōu)化調(diào)度等功能，保證智能微電網(wǎng)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。