一种基于纯清洁能源的大型矿山离网型供能系统设计方法与流程

本发明涉及清洁能源和节能技术，大型纯清洁能源供电技术领域，尤其涉及一种基于纯清洁能源的大型矿山离网型供能系统设计方法。

背景技术：

矿山采矿、选矿、供暖等不同生产生活环节的负荷用电和供电可靠性需求高，多能互补系统中采用的光伏、风电非可调度机组占比极大，可控负荷占比极小，24h连续供电稳定性可靠性要求极高，离网型电源系统配置难度极大。

目前国内外有户用、小型清洁能源发电系统设计方案，基于纯清洁能源的大型矿山离网型供能系统规划设计方法尚无先例，因此我们设计了一种基于纯清洁能源的大型矿山离网型供能系统设计方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出的一种基于纯清洁能源的大型矿山离网型供能系统设计方法，其在离网运行模式下，满足系统长期供电可靠性、稳定性，解决传统规划设计方法仅适用小负荷、用电具有周期性、电源可靠性要求不高的特点，同时规划设计方法较粗放，引起的电源容量配置冗余严重、清洁能源发电占比较低、能源利用率降低等问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于纯清洁能源的大型矿山离网型供能系统设计方法，包括以下步骤：按照修改

s1，矿山用电、用热负荷负载情况分析，根据矿山生产规模、采矿方式、采选工艺流程及热负荷需求，分析矿山项目基础负载；

s2，模拟纯清洁能源的大型矿山离网型供能系统技术模型，根据矿山用电负荷情况、发电机组、储能设备及彼此之间的关联性，模拟大型矿山离网型供能平衡系统、电能平衡系统和热能平衡系统；

s3，系统发电特性分析，系统发电特性分析包括光伏发电特性分析、风力发电特性分析、负载与发电曲线相关性分析和储能系统分析；

s4，供能系统技术模型优化及结论，确定了在满足大型矿山离网型供能平衡系统的前提下，设置各单元的装机容量大小，并优化供能系统技术模型。

优选地，s1中所述的基础负载得出矿山日用电量850mwh、年用电量300gwh、最大总负荷40mw、日不同时段用电负荷特性曲线；根据矿山生活建筑的供暖和热水需求、季节性供暖负荷变化、矿井作业人员工作换班时间引起的热水负荷变化，分析矿区生活建筑的供暖和生活热水的日常负荷小时级特性曲线，得到矿区生活区建筑的冬季供暖需求负荷、全年热水供应需求负荷、冬季典型日的总热需求负荷320mwh。

优选地，s2中所述的电能平衡系统主要由：供电设备、用电设备、储能设备构成。

优选地，s2中所述的热能平衡系统主要由：供热设备、用热设备、储热设备构成。

优选地，s3中所述的光伏发电特性分析，根据矿山所在地光伏电站地理信息系统气象数据，假设采用光伏平单轴跟踪系统，分析光伏电站典型光伏发电功率曲线及光伏发电功率概率曲线、每月日均光伏发电量，并得到最低发电量月份中的日最低发电量3.5kwh/kw·天。

优选地，s3中所述的风力发电特性分析，根据矿山所在地风机中心轴线高度风速数据，再基于典型涡轮机特性将风速转换为对应发电量后，得到风力发电年出力数据，分析日均风力发电功率曲线及日均风力发电功率概率曲线、每月日均风力发电量，并得到最低发电量月份中的日最低发电量2kwh/kw·天。

优选地，s3中所述的负载与发电曲线相关性分析，根据矿山用电负荷负载情况和光伏、风电发电特性分析矿山日不同时段用电负荷特性曲线与光伏、风电出力特性曲线的匹配度、负荷曲线与发电曲线最高重合度时光伏与风电容量配比，得出光伏与风电容量比例接近60/40时负载匹配性较好。

优选地，s3中所述的储能系统分析，系统核心构想是实现一个由可再生能源供给的“孤岛”能源系统，根据矿山周边地理情况现场勘测，设定抽水蓄能电站最大可行性容量900mwh；再根据已知抽水蓄能机组的充、放电能力，功率设定为90mw，根据以上分析绘制不同光伏容量与不同储能容量的能量平衡图。

优选地，s4所述的供能系统技术模型优化及结论，根据优化后大型矿山离网型供能平衡系统技术模型图中各单元容量，分析系统在此组合下的能量分流图。

本发明的有益效果为：

在离网运行模式下，满足系统长期供电可靠性、稳定性，解决传统规划设计方法仅适用小负荷、用电具有周期性、电源可靠性要求不高的特点，同时规划设计方法较粗放，引起的电源容量配置冗余严重、清洁能源发电占比较低、能源利用率降低等问题。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于纯清洁能源的大型矿山离网型供能系统设计方法的供能平衡系统图；

图2为本发明提出的一种基于纯清洁能源的大型矿山离网型供能系统设计方法的供能平衡系统技术模型图；

图3为本发明提出的一种基于纯清洁能源的大型矿山离网型供能系统设计方法的不同光伏容量与不同储能容量的能量平衡图；

图4为本发明提出的一种基于纯清洁能源的大型矿山离网型供能系统设计方法的储能功率的年度频率分布曲线图；

图5为本发明提出的一种基于纯清洁能源的大型矿山离网型供能系统设计方法的化石燃料提供备用电源时所需最大发电功率曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-5，一种基于纯清洁能源的大型矿山离网型供能系统设计方法，包括以下步骤：

s1，矿山用电、用热负荷负载情况分析，根据矿山生产规模、采矿方式、采选工艺流程及热负荷需求，分析矿山项目基础负载；

进一步说明，s1中的基础负载得出矿山日用电量850mwh、年用电量300gwh、最大总负荷40mw、日不同时段用电负荷小时级特性曲线等；根据矿山生活建筑的供暖和热水需求、季节性供暖负荷变化、矿井作业人员工作换班时间引起的热水负荷变化，分析矿区生活建筑的供暖和生活热水的日常负荷需求曲线，得到矿区生活区建筑的冬季供暖需求负荷、全年热水供应需求负荷、冬季典型日的总热需求负荷320mwh，由于本系统是以可再生能源占主导的能源系统，供热设备采用电转热技术(解决方案：电热锅炉)作为热源供应；根据冬季供暖需求负荷、全年热水供应需求负荷、冬季典型日的总热需求负荷320mwh、光伏冬季发电曲线、所选电转热设备运行参数，得到热储能需求负荷192mwh和电转热设备最大功率60mw。

s2，模拟纯清洁能源的大型矿山离网型供能系统技术模型，根据矿山用电负荷情况、发电机组、储能设备及彼此之间的关联性，模拟大型矿山离网型供能平衡系统、电能平衡系统和热能平衡系统；

进一步说明，s2中的电能平衡系统主要由：供电设备、用电设备、储能设备构成，供电设备有太阳能光伏、风力、燃气备用电源、燃气热电联产；用电设备有生活电力需要、采矿设备、电热锅炉；储能设备有电池储能、抽水蓄能电站；

进一步说明，s2中的热能平衡系统主要由：供热设备、用热设备、储热设备构成，供热设备有燃气热电联产、电热锅炉；用热设备有生活热水需求。

s3，系统发电特性分析，系统发电特性分析包括光伏发电特性分析、风力发电特性分析、负载与发电曲线相关性分析和储能系统分析；

进一步说明，s3中的光伏发电特性分析，根据矿山所在地光伏电站地理信息系统气象数据，假设采用光伏平单轴跟踪系统，分析光伏电站典型光伏发电功率曲线及光伏发电功率概率曲线、每月日均光伏发电量，并得到最低发电量月份中的日最低发电量3.5kwh/kw·天；

进一步说明，s3中的风力发电特性分析，根据矿山所在地风机中心轴线高度风速数据，再基于典型涡轮机特性将风速转换为对应发电量后，得到风力发电年出力数据，分析日均风力发电功率曲线及日均风力发电功率概率曲线、每月日均风力发电量，并得到最低发电量月份中的日最低发电量2kwh/kw·天；

通过光伏发电分析和风力发电分析，得到单位功率光伏、风电年频率分布曲线，得到光伏等效满发年利用小时(2000h)、风电等效满发年利用小时(2000h)；

进一步说明；s3中的负载与发电曲线相关性分析，根据矿山用电负荷负载情况和光伏、风电发电特性分析矿山日不同时段用电负荷特性曲线与光伏、风电出力特性曲线的匹配度、负荷曲线与发电曲线最高重合度时光伏与风电容量配比，得出光伏与风电容量比例接近60/40时负载匹配性较好；虑到可再生能源在该孤网能源系统中最大发电份额占比、冬季供电负荷情况严峻(高供热需求、低光伏发电量)，设定最大风电潜力与矿山最大总负荷40mw一致；确定风力发电容量40mw、光伏与风电容量比例大于60/40时负载匹配性佳原则、日电力需求负荷850mwh、冬季典型日的总热需求负荷320mwh、光伏最低发电量月份中的日最低发电量3.5kwh/kw·天、风电最低发电量月份中的日最低发电量2kwh/kw·天、年负载用电需求300gwh等因素，再根据光伏、风电发电特性，设定由光伏、风电出力满足矿山用电负荷，得出光伏安装容量150mw-250mw(包含热负载需求)。

进一步说明，s3中的储能系统分析，系统核心构想是实现一个由可再生能源供给的“孤岛”能源系统，由于太阳能和风电的不稳定特性，系统需额外配置储能设备来提升总体再生能源利用率，减少可再生能源的弃电。为保证供电可靠性，设定由化石能源提供发电缺口。储能设施由电能(电池和抽水蓄能)和热能(例如热水储能)构成；根据矿山周边地理情况现场勘测，设定抽水蓄能电站最大可行性容量900mwh；再根据已知抽水蓄能机组的充、放电能力，功率设定为90mw，根据以上分析绘制不同光伏容量与不同储能容量的能量平衡图；

如图3中描述了3种不同光伏装机容量下的能量平衡，电储容量从50mwh到950mwh之间变化；每个情景显示两个表示系统的能量平衡堆叠的柱形图，柱形表示所有的电能消耗，包括可再生能源的弃电；3种不同光伏容量的模拟中，均可以观察到随着储能容量的增加，可再生能源的弃电减少。

如图4所示，储能容量越大，所需的充电功率也越大，至多可以高至光伏的发电上限200mw；随着储能总容量增加到700mwh，能透过储能设施供电的时间也不断变长；曲线中可看出700mwh和800mwh之间几乎已没有差别，代表再多余的容量对于系统几乎已无贡献；

根据不同光伏容量与不同储能容量的能量平衡图可以看出当储能总规模大于700mwh时，发电缺口趋于稳定；再结合化石燃料提供备用电源时所需最大发电功率曲线可以看出，所需的备用机组发电功率的最大峰值与储能设施大小以及光伏装机容量无关，保持在50mw左右，如图5所示；

根据以上分析，得出电储能(抽水蓄能+电池)容量为650mwh-700mwh时系统最优；考虑抽水蓄能功率90mw，8h抽水，直接定义储能系统全部由抽水蓄能实现，最终设计容量为700mwh，考虑电池成本较高，电池作为调节作用，规划容量25mwh-50mwh，最终设计容量25mwh。

s4，供能系统技术模型优化及结论，确定了在满足大型矿山离网型供能平衡系统的前提下，设置各单元的装机容量大小，并优化供能系统技术模型；

进一步说明，根据优化后大型矿山离网型供能平衡系统技术模型图中各单元容量，分析系统在此组合下的能量分流图，可以观察出，基于大比例清洁能源的大型矿山离网型供能系统为大型矿山生产生活设施可靠供电供热的目标能够实现。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。