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揭秘:微電網關鍵技術研究

作者:中國儲能網新聞中心 來源:分布式能源與微電網 發布時間:2014-08-29 瀏覽:
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中國儲能網訊:教育部智能電網重點實驗室(天津大學)的研究人員王成山、武震等,在2014年第2期《電工技術學報》上撰文指出,微電網是發揮分布式電源效能的有效方式,具有巨大的社會與經濟意義。由于分布式電源的多樣性及微電網運行方式的復雜性,使得微電網的規劃設計、運行調度、保護控制和仿真實驗等方面與傳統電力系統有較大區別。本文闡述了微電網中各項關鍵技術研究中的關鍵問題與研究現狀,并且探討了對未來微電網研究的方向。

1引言

微電網是由分布式電源、儲能系統、能量轉換裝置、監控和保護裝置、負荷等匯集而成的小型發、配、用電系統[1],是一個具備自我控制和自我能量管理的自治系統,既可以與外部電網并網運行,也可以孤立運行。從微觀看,微電網可以看作小型的電力系統;從宏觀看,微電網可以認為是配電系統中的一個“虛擬”的電源或負荷[2]。某些情況下,微電網在滿足用戶電能需求的同時,還能滿足用戶熱能的需求,此時的微電網實際上是一個能源網。

將分布式電源組成微電網的形式運行,具有多方面的優點,例如:①有助于提高配電系統對分布式電源的接納能力。②可有效提高間歇式可再生能源的利用效率,在滿足冷/熱/電等多種負荷需求的前提下實現用能優化;亦可降低配電網絡損耗,優化配電網運行方式。③在電網嚴重故障時,可保證關鍵負荷供電,提高供電可靠性。④可用于解決偏遠地區、海島和荒漠中用戶的供電問題。

近年來,微電網的發展在世界各國受到高度重視。歐盟在其發布的“智能電網——歐洲未來電力發展戰略及前景”綠皮書中,提出了歐盟電力發展的遠景規劃:“建立以集中式電站和微電網為主導的供電可靠、少環境污染、高經濟效益的智能電網形式”;美國能源部出臺的“Grid 2030”發展戰略中,制定了美國電力系統未來幾十年的研究與發展規劃,微電網也是其重要組成之一。在我國,國家能源局發布的《可再生能源發展“十二五”規劃》中明確提出:到2015 年,我國將建成30 個以智能電網、物聯網和儲能技術為支撐的新能源微電網示范工程。在此背景下,關于微電網的研究在全球范圍內廣泛展開。在“863”、“973”等國家重點項目的支持下,我國也開展了大量相關領域研究工作,取得了豐富的成果。

分布式電源類型的多樣性及微電網運行方式的復雜性使得微電網有別于傳統電力系統。本文針對圖1 所示微電網的規劃設計、運行優化、保護控制、仿真實驗等關鍵技術,闡述了關鍵問題和研究現狀,并對未來研究方向進行了展望。

2微電網結構

微電網的構成可以很簡單,但也可能比較復雜。例如:光伏發電系統和儲能系統可以組成簡單的用戶級光/儲微電網,風力發電系統、光伏發電系統、儲能系統、冷/熱/電聯供微型燃氣輪機發電系統可組成滿足用戶冷/熱/電綜合能源需求的復雜微電網。一個微電網內還可以含有若干個規模相對小的微電網,微電網內分布式電源的接入電壓等級也可能不同,如圖2 所示,也可以有多種結構形式[3]。

按照接入配電系統的方式不同,微電網可分為用戶級、饋線級和變電站級微電網。用戶級微電網與外部配電系統通過一個公共連接點連接,一般由用戶負責其運行及管理;饋線級微電網是指將接入中壓配電系統某一饋線的分布式電源和負荷等加以有效管理所形成的微電網;變電站級微電網是指將接入某一變電站及其出線上的分布式電源及負荷實施有效管理后形成的規模較大的微電網。后兩者一般屬于配電公司所有,是智能配電系統的重要組成部分。

按照微電網內主網絡供電方式不同,還可分為直流型微電網、交流型微電網和混合型微電網。在直流型微電網中,大量分布式電源和儲能系統通過直流主網架,直接為直流負荷供電;對于交流負荷,則利用電力電子換流裝置,將直流電轉換為交流電供電。在交流型微電網中,將所有分布式電源和儲能系統的輸出首先轉換為交流電,形成交流主干網絡為交流負荷直接供電;對于直流負荷,需通過電力電子換流裝置將交流電轉換為直流電后為負荷供電。在混合型微電網中,無論是直流負荷還是交流負荷,都可以不通過交直流間的功率變換直接由微電網供電。

3微電網規劃設計方法

微電網規劃設計的目的是在對負荷需求和可再生能源資源情況進行充分分析預測的基礎上,依據特定的目標和系統約束條件,確定系統結構及設備配置(包括設備類型、設備容量),盡可能實現系統經濟性、環保性及能源利用效率等量化指標的優化。

有別于常規配電網的規劃,微電網的規劃設計問題與其運行優化策略具有高度的耦合性,規劃時必須充分考慮運行優化方法的影響,基于系統全生命周期內的運行信息對微電網進行綜合優化規劃與設計。微電網規劃設計的研究主要包含三個方面:可再生能源與負荷需求分析、建模方法和優化算法。

3.1 可再生能源與負荷需求分析

實現微電網合理規劃設計的前提是對可再生能源和負荷需求的分布特性進行準確的分析,主要分析手段包括基于歷史數據的方法[4]和概率統計方法[5,6]等。前者簡單直接,利用風速、光照強度與負荷等信息的全年歷史數據,對微電網的運行情況進行序貫分析。這種方法在獲取小時級的現場歷史氣象信息時的難度較大,特別是對于偏遠地區。

在概率統計相關類方法中,一種是基于風、光等的月或典型年歷史統計信息和分布特性,結合蒙特卡洛方法對可再生能源的全年變化信息進行隨機生產模擬[5]。當在規劃時考慮復雜的運行優化策略時,這類方法將增加規劃設計時的計算負擔。為此,可利用隨機過程的方法建立風、光及負荷等的Markov轉移模型[6],以較少的狀態數替代時序分析,可有效降低計算量。另外,從典型日變化模式的角度出發,結合風、光、負荷等的統計特性,建立它們各自的離散狀態集,通過聚類方法從風、光與負荷的歷史數據提煉出典型的系統運行場景,針對這些典型日變化模式場景集進行系統規劃設計,既可以保證方案的合理性,又可以降低計算負擔,同時還可以依據各場景出現的概率進行方案的概率評估[7]。

3.2 規劃設計建模方法

針對微電網規劃設計的建模工作,主要是在滿足用戶用能要求的前提下,從技術、經濟和環境等不同角度,選定合理的優化變量、目標函數和約束條件。

在優化變量選擇方面,主要考慮分布式電源、儲能裝置與冷/熱/電聯供系統所含設備等的類型與容量,鑒于微電網規劃設計方案與運行優化策略的強耦合性,運行策略及其相關的一些參數也可作為待決策的變量。具體建模時,一種方式是將所有變量統一到同一目標函數下[8];另一種是將各層次的變量區別對待,采用兩階段的建模方式[9],即第一階段主要確定設備的類型、位置和容量,第二階段主要確定系統的運行策略及其相關的參數。在第二階段的研究中,根據可再生能源與負荷的建模方式不同,可采用基于全年歷史數據的序貫優化方法[5],也可有采用典型運行場景的優化方法[8,9]。

微電網規劃設計目標包含實現系統成本的最小化、投資收益的最大化、污染物排放的最小化、系統供電可靠性的最大化等目標中的單個或者多個[10]。在采用單一目標函數時,主要考慮系統經濟性指標的最優化,相關經濟性指標由設備初始投資、設備運行維護費用、燃料費用、設備更換費用、因資產處置過程中產生的殘值以及賣電收益等構成,覆蓋項目的全生命周期。在采用多目標函數時,可以考慮經濟性、環保性與可靠性等目標的不同組合。

對于環保性目標,可以直接計算相關分布式電源的污染物排放總量,也可以將計算得到的排放量按一定的排污懲罰折算為經濟性指標。而對于系統供電可靠性的評估,需要計及微電網自身的一些特點。

由于微電網含有發、配、用環節,需綜合考慮各個環節的系統可靠性指標。發電環節主要傾向于發電容量的充裕度評估[11],可靠性指標主要有缺供電時間期望(Loss of Load Expectation,LOLE)、缺供能量期望(Lossof Energy Expectation,LOEE)等,而配用電環節可借鑒傳統配電網的可靠性評價指標[13]。類似配電網的可靠性評估方法,微電網的供電可靠性也主要采用蒙特卡洛模擬法和解析法兩種[11,12]。在解析法求解中,主要通過將分布式電源、儲能系統等的運行狀態離散化,以枚舉系統整體的運行方式。類似于對環保性指標的處理,除了直接將可靠性作為目標函數外,也可將其折算為經濟性指標。

由于微電網規劃設計時需要考慮系統運行優化策略的影響,因而在建立約束條件時,通常需計及系統運行約束條件,主要包括功率平衡約束、設備運行約束(出力上下限限制、爬坡率限制、運行時間限制等)、儲能存儲容量約束和可靠性約束等。

考慮到儲能系統的特殊性,微電網中儲能系統容量配置問題可單獨采取更加有針對性的優化規劃設計方法。例如,為了抑制可再生能源輸出波動的影響,可利用離散傅里葉變換對可再生能源輸出功率進行頻譜分析。基于頻譜分析結果,考慮儲能系統充放電效率、剩余能量水平及可再生能源發電系統目標功率輸出波動率的約束,確定所需儲能系統的最佳容量[14]。

綜合以上分析,可建立確定性的規劃設計模型,或者是不確定性的規劃設計模型,并采用合理的優化問題求解算法進行求解。

3.3 優化算法與軟件

為求解微電網規劃設計問題,既可采用混合整數規劃[8]等數學規劃方法,也可采用粒子群算法[7]、進化算法[10]等智能算法。數學規劃方法對目標函數和約束條件的苛刻要求和微電網規劃設計問題的復雜性,這類方法的應用常常受到一定的限制。智能算法通常不依賴于具體的應用問題,建模方式相對寬松,能夠方便處理信息的不確定性,在微電網規劃設計問題求解中應用更為廣泛。

目前,已有多種實用化的規劃設計軟件。如:HOMER[4]軟件,以微電網全壽命周期成本最低為優化目標,采用序貫分析的方式,枚舉確定最優的分布式電源配置容量及相關的運行計劃;DER-CAM[8]軟件,主要面向冷/熱/電聯供微電網,基于給定的典型運行場景,能夠以微電網年供能成本最低為優化目標,以污染物排放最低為目標或約束,運用混合整數規劃法進行微電網優化規劃設計;PSDG[19]軟件,提供了微電網的確定性規劃和隨機機會約束規劃兩種模型,采用兩階段建模框架,能滿足設備選型與定容,單目標與多目標優化,考慮負荷增長、設備故障率、各種運行控制策略等因素的影響。

目前針對微電網規劃設計的研究雖然已有很多,但仍有一些關鍵問題需要進一步研究解決。例如:現有的成果在考慮分布式電源選址、可再生能源的長期波動性、負荷需求的增長、設備全壽命周期內的經濟性、社會效益等方面的研究還相對簡單,特別是針對可以滿足用戶冷/熱/電綜合能量需求、具有綜合能源網特征的微電網的規劃設計問題,由于不僅涉及電氣設備,還需要考慮各種冷、熱設備,當考慮到冷/熱管網及電力網絡時,相關的優化工作在模型和方法上都還需要進一步深化。

4微電網能量管理與運行優化

微電網的運行優化策略由能量管理系統在已知各種運行信息的基礎上制定完成。目的是根據分布式電源出力預測、微電網內能源需求、市場信息等數據,按照不同的優化運行目標和約束條件做出決策,實時制定微電網運行調度策略,通過對分布式電源、儲能設備和負荷的靈活調度來實現系統的優化運行。能量管理系統的主要功能如圖3 所示。

微電網能量管理系統的任務可分為短期功率平衡和長期能量管理[15]。前者主要用于維持微電網內電壓和頻率穩定,快速地跟蹤負載變化,以及實現微電網模式切換等,與微電網的控制密切相關;后者主要是針對不同運行目標的微電網經濟調度和優化運行。

微電網能量管理系統按結構不同主要有集中式和分布式兩種模式[16]。集中式能量管理系統由微電網中央控制器(MGCC)實現能量管理功能,統一對系統內所有設備進行優化和控制,需要MGCC和底層設備間進行雙向通信,可以及時有效地掌握微電網的全局信息,有利于對微電網的發電調度與設備控制進行統籌規劃。目前,集中式能量管理系統發展較為成熟,也更易實現。分布式能量管理系統通過多代理的方式,利用本地控制器對各設備進行獨立的決策和管理。其目標函數和約束條件與集中式能量管理系統類似,但需建立不同元件的代理模型,通過代理之間的通信和協調完成系統的優化目標。此結構弱化了MGCC的功能,只利用MGCC與外部進行信息交互并處理特殊情況。

采用分布式能量管理模式有助于實現微電網中分布式電源的“即插即用”和智能化目標,是未來微電網能量管理系統重要的理論研究和技術發展方向。由于微電網集成了多種能源輸入、多種產品輸出(冷、熱、電等)、多種能源轉換單元,微電網內能量的不確定性和時變性很強,其能量管理與大電網的優化調度將會有很大不同。這主要體現在對各種信息的預測與優化調度方法兩方面。

4.1 預測方法

在微電網中,預測數據的準確性將直接影響調度方案的最終效果,相關研究工作包括發電預測、負荷預測、市場信息、設備故障等不確定性因素,評估不確定性對微電網優化運行結果的影響,并采取相應措施提高系統優化運行的預期效果等。發電預測主要是針對間歇式可再生能源的短、中期輸出能量預測,通過對風速、光照強度和環境溫度等的預測實現。常用的預測方法包括基于數值天氣預報模型的預測方法[17]和基于歷史數據的預測方法[18]。

負荷預測包含對微電網內冷、熱、電在內的多類型負荷進行短期預測。考慮到需求側響應、電動汽車充電以及冷熱負荷的延時特性,負荷預測的難度會進一步加大,相關技術有待進一步研究[16]。市場信息主要指在電力市場環境下,對電價機制進行研究,把握電價變化規律,有效預測電價信息。

4.2 優化調度方法

微電網的調度策略可劃分為優化策略和啟發式策略。前者根據優化目標自行決定系統運行方案,后者一般針對有限的系統運行模式按照給定的調度邏輯確定調度方案。優化策略一般能獲得比啟發式策略更理想的優化效果,但在實際工程實施時,由于各種不確定性因素的存在,可能會弱化優化的效果。由于微電網調度優化問題是一個復雜的實際工程問題,在制定調度策略時要綜合考慮系統隨機、多目標等自身特性[19],特別是針對冷/熱/電聯供系統進行優化時還需考慮到策略實施的延時性對優化結果的影響[20]。當在規劃設計階段考慮優化調度策略問題時,需根據規劃設計方案制定更合理的優化調度策略[9]。

在微電網運行優化過程中,最常用的目標為經濟目標和環境目標。經濟目標主要實現微電網的運行成本和設備折舊成本最低;環境目標主要是實現微電網環境效益最大化。微電網運行優化模型中的約束條件包括系統功率平衡方程、設備本身的發電特性約束、資源環境條件約束、微電網與配電網之間的交換功率約束、儲能系統荷電狀態約束、系統旋轉儲備約束等。并網型微電網和孤立型微電網的目標函數和約束條件有所不同。并網型微電網中應考慮配電網向微電網的供電費用和旋轉儲備費用,以及微電網向電網供電的回購收益:約束條件中,功率平衡方程和旋轉儲備約束中包含配電網的部分。而孤立型微電網中,需要微電網內部電源滿足負荷和旋轉儲備的要求,優化目標和約束條件中不含配電網的部分,優化模型相對簡單。

當進行多目標優化時,由于不同目標之間可能存在沖突,這就需要充分根據系統實際情況,因地制宜地對系統優化運行的目標進行協調,實現微電網綜合價值的最大化。以經濟和環境兩個目標為例,可將環保目標轉化為經濟性目標進行處理,如采用碳關稅對二氧化碳排放進行經濟懲罰,該方法實際是將多目標問題轉化為單目標問題進行處理[21]。對于不能直接轉化的目標,可以選取一個基準方案,使用與基準方案目標值的比值,將各目標轉化為無量綱的數值,然后通過加權平均的方法轉化為單目標問題[22]。另一種方法是采用多目標方法進行處理,要求找到由非占優解空間構成的Pareto 解,采用博弈論方法等找到前沿中適合該問題的最優解[23]。

隨著微電網的發展,其能量管理系統的功能也將不斷發展和完善。從未來微電網“即插即用”功能的要求出發,微電網能量管理系統還要具備適應新設備接入和系統擴展的能力,因此對其通用性和魯棒性提出了更高要求。微電網的能量管理系統實際可以看作是智能配電系統能量管理系統的重要組成部分,隨著配電網中分布式電源與微電網接入數量的增加,需要更加綜合性的能量管理系統,以支持分布式電源、微電網、配電系統的協調優化運行,這也是未來能量管理系統的重要發展方向。

5微電網保護與控制

5.1 微電網保護

微電網保護涉及的故障情況可分為微電網外部故障和微電網內部故障。其中,微電網內部故障在微電網并網運行和孤立運行兩種模式下,所呈現的故障特性及所采取的保護方法又有所不同,且與微電網內分布式電源的控制方式緊密相關。

當微電網并網運行時,如果微電網外部或內部發生故障,應首先檢測外部故障是否為永久性故障,或內部故障是否導致微電網運行狀態不符合IEEE1547 等標準的要求[25],從而判斷微電網是否需要從主網解列。若發生內部故障且無需解列時,應快速切除故障部分,減小對微電網內其他部分以及外部電網的影響。當發生永久性外部故障時,為了保證外部系統檢修的安全性,微電網必須與外部電網解列。檢測外部系統是否發生了永久性故障的工作也稱為孤島檢測工作。目前,孤島檢測方法主要有被動式檢測和主動式檢測兩種方法,被動式檢測在微電網內分布式電源出力與負荷功率匹配的情況下無法檢測出孤島狀態[24];主動孤島檢測方法包括主動頻率偏移法[26]、主動電流擾動法[27],以及采用自適應無功功率控制的主動孤島檢測方法[28]等。大多主動檢測方法主要針對微電網內僅具有單個分布式電源的情況,且對分布式電源的控制系統依賴性較大,含多個電源的微電網孤島準確檢測算法仍有待深入研究。

在微電網孤立運行模式下,當發生內部故障時,與并網模式下外部電網一般會提供較大的短路電流不同,基于電力電子變換器的分布式電源所提供的短路電流常常被限制在兩倍額定電流以內,這可能會給保護裝置的參數整定造成困難。一種解決方法是根據微電網運行模式的不同改變保護的整定值。這種方法的優點是保護的整定值計算簡單,但要求保護系統具有更高的適應性[29]。采用基于通信的差動保護,通過比較兩端保護的電流信息,可以有效實現故障識別和可靠切除[30];針對并網模式下短路電流大的特點,通過合理設計短路電流限制器參數,可以得到較優的方向過電流繼電器整定值,從而實現兩種模式下的微電網保護[31]。

5.2 微電網控制

微電網中的分布式電源和儲能設備按照并網方式可以分為逆變型電源、同步機型電源和異步機型電源,其中大部分為基于電力電子技術的逆變型電源。對于逆變型分布式電源,并網逆變器控制是微電網控制的關鍵,當微電網中有多個逆變型電源時,需要對其進行協調控制,以滿足微電網在并網運行、孤立運行,以及兩種運行模式間切換時的不同需求,保證微電網運行的穩定性[32]。微電網一般采用如圖4 所示的三層控制結構。

5.2.1第一層控制

依據分布式電源或儲能設備在微電網中所起的作用不同,需要采取不同的控制策略,主要分為:恒功率控制(PQ控制)、恒壓/恒頻控制(V/f控制)和下垂控制(Droop控制)。下垂控制又具有兩種基本形式:①f-P 和V-Q 下垂控制方法[33];②P-f 和Q-V 下垂控制方法[34]。前者根據功率的變化決定頻率和電壓值,后者根據頻率和電壓的變化決定功率值。

當光伏、風機等分布式發電系統采用最大功率追蹤控制時,屬于恒功率控制。微電網并網運行時,由電網提供電壓和頻率參考,各分布式電源一般采用恒功率控制。部分可控型分布式電源也可采用f-P 和V-Q 下垂控制方法,在電網電壓幅值和頻率降低時,能夠支撐電網電壓和頻率。若主電網發生非永久性故障導致微電網并網點(PCC 點)三相電壓跌落或不對稱時,通過相應控制方法可提高各分布式電源的故障穿越能力[35],從而增大PCC 點處正序電壓分量和減小負序電壓分量,降低電網電壓的不對稱度。

微電網孤立運行時,需由微電網內主電源建立電壓和頻率參考,該層控制可分為主從控制模式和對等控制模式。在主從控制模式中,微電網內的一個分布式電源(或儲能設備)采取V/f 控制,為微電網提供電壓和頻率參考,而其他分布式電源則采用PQ 控制[36]。負荷功率的變化主要由主電源跟隨,因此要求其功率輸出應能夠在一定范圍內可控,且能夠足夠快地跟隨負荷的波動變化。在對等控制模式中,微電網中參與電壓、頻率調節和控制的多個可控型分布式電源(或儲能設備)在控制上都具有同等的地位[37],通常選擇P-f 和Q-V 下垂控制方法,根據分布式電源接入點就地信息進行控制。與主從控制模式相比,在對等控制模式中采用下垂控制的分布式電源可以自動參與輸出功率的分配,易于實現分布式電源的即插即用。

5.2.2第二層控制

微電網并網運行時,第二層控制的主要目標為降低微電網內可再生能源與負荷的波動對主網的影響,使微電網作為一個友好、可控的負荷接入主網。

通過微電網中心控制器(MGCC)對各分布式電源下發合理的功率指令,通過聯絡線功率控制可實現這一點。利用功率型和能量型儲能組成的混合儲能系統,可分別抑制可再生能源輸出功率的高頻和低頻波動分量,但應注意維持各儲能設備運行在合理的荷電狀態范圍,避免過充或過放[30]。通過需求側響應對可控負荷進行控制,也可實現微電網聯絡線功率的控制[40]。

微電網孤立運行時,采用主從控制模式能維持微電網電壓和頻率恒定,負荷的變化主要由主電源跟隨,需要通過MGCC 實現各分布式電源間的功率合理分配[41]。采用對等控制模式時,能同時解決電壓頻率穩定控制和輸出功率合理分配,但這是一種有差控制,負載變化前后系統的穩態電壓和頻率會有所變化。此時,該層控制的目標主要是恢復微電網電壓和頻率,以保證電壓和頻率滿足負荷可靠運行的要求[42]。

一種可行的方法是采用集中二次控制,由MGCC 根據檢測到的電壓和頻率,調整微電網中各下垂控制器的下垂曲線設定點等控制參數,實現微電網電壓和頻率恢復控制。其缺陷為過于依賴MGCC,一旦MGCC 出現故障將無法實現電壓和頻率恢復。

另一種方法為采用分布式二次控制,各分布式電源根據微電網內其他分布式電源出口電壓、頻率等信息,在本地分布式電源的控制器內通過電壓和頻率恢復控制算法實現下垂控制參數的調節,使得微電網電壓和頻率恢復控制系統的可靠性得到提高[43,44]。

微電網運行模式無縫切換控制也在第二層控制中實現,該部分應具備電網故障檢測、微電網與電網同步等功能,并對微電網并網靜態開關和主電源控制模式切換進行協調控制[36]。當采用主從控制模式時,一種典型的控制時序如圖5 所示,包含微電網運行狀態切換和主電源控制模式切換。若主電源在微電網并網和孤立運行模式下均采用P-f和Q-V下垂控制方法,則在微電網運行模式切換時,無需切換控制模式[45]。否則,為保證微電網主電源控制模式平滑切換,主電源控制系統在PQ控制和V/f 控制模式之間切換時應盡可能減少切換功率變化量[46]。

如采用圖6 所示控制結構,在切換前后,兩種控制模式中使用相同的電流內環,模式切換時僅對外環控制器進行切換。在模式切換中,采用合理的補償控制算法和切換控制邏輯,可有效降低模式切換過程中的暫態沖擊[36]。

5.2.3第三層控制

該層主要為微電網能量管理系統層[32],通過相應能量優化算法:①確定微電網并網運行時,與大電網之間聯絡線輸出功率參考值(作為微電網第二層控制目標參考值);②在微電網孤立運行時,調整各分布式電源輸出功率參考值或下垂曲線穩態參考點和分配比例系數設定等信息,實現微電網經濟運行等功能。

6微電網仿真與實驗研究

6.1 微電網數字仿真

數字仿真是微電網研究的主要手段之一,對于研究微電網運行機理、規劃設計、優化運行、保護控制等問題提供了必要的工具和強有力技術支撐。

從數字仿真角度看,微電網是化學、熱力學、電動力學等行為相互耦合的復雜非線性系統。微電網中不同設備和控制系統的時間常數差異較大,整個微電網系統呈現出強剛性的特點。數字仿真技術應實現對微電網中微秒級快速變化的電磁暫態過程、毫秒級變化的機電暫態過程、秒級到分鐘級變化的中長期動態過程和系統穩態運行過程的全過程仿真。

微電網的強非線性、強剛性等特點對數字仿真技術從計算能力、數值穩定性和計算速度方面提出了更高的要求,傳統的數字仿真工具有時不能滿足各種情況下微電網全過程仿真的需要。目前,相關研究主要從建模和仿真方法兩方面對微電網的數字仿真性能進行提升。

6.1.1微電網綜合建模技術

對微電網的建模涵蓋各個結構層面及不同時間尺度,應針對不同的研究目的,建立各種元件在不同時間尺度下的仿真模型,并根據需要合理選擇仿真模型,從而保證仿真精度和效率。此外,對于微電網中非線性部分的化簡或降維能夠極大地提高仿真速度,如對分布式電源的非線性靜態特性通過分段線性擬合化簡[48],以及結合自動微分技術降低計算中仿真模型的雅可比矩陣維數[49]等。

6.1.2微電網數字仿真方法

微電網穩態分析是微電網穩定性仿真、規劃、調度的基礎,與常規配電系統穩態分析相比,其特殊性首先體現在分布式發電系統的建模方面。根據分布式電源的運行方式和控制特性,可將其處理為PV、PI、PQ、PQ(V) 節點等幾種類型[50]。此外,還需要考慮交直流混合微電網的特性,發展微電網交直流混合潮流模型,為穩定性仿真提供交直流初始運行點[51]。

在微電網穩定性仿真中,與傳統的電力系統機電暫態仿真類似,系統由一組微分和代數方程進行描述。考慮到微電網的特性,在求解過程中,傳統的顯式算法可能無法滿足數值穩定性的要求,而隱式算法較大的計算量可能影響仿真速度。為此,多種改進的算法顯示出在仿真速度和穩定性上的優勢,如多速率求解算法[52]、顯式—隱式混合積分算法[53]、基于數值微分求導的隱式求解算法[54],以及適用于剛性微分方程的投影積分算法等。

在微電網電磁暫態仿真中,大量的電力電子設備要求在仿真中采用更小的計算步長來滿足精度需求。對電力電子設備的精確求解涉及計算矩陣時變、步長間開關動作、數值振蕩等問題,需通過線性插值結合臨界阻尼調整法[55]進行處理,而微電網的強非線性使其精確求解過程又涉及非線性方程迭代求解[56]。這使得微電網暫態仿真的計算規模嚴重受限于其仿真計算速度。除了高效的稀疏技術外,采用并行仿真算法可大大提高求解效率,其核心是網絡分割和并行計算技術,及多節點、多任務之間的數據通信技術。

針對微電網特點,可將電氣系統與控制系統的求解過程進行解耦及并行計算[57]。另一種思路是從算法層面研究加快仿真速度的可能性,如基于矩陣指數運算的顯式數值積分算法、基于狀態空間的網絡化簡方法等[58],均能在保證算法穩定性的同時改善微電網電磁暫態仿真的計算精度與速度。

微電網暫態實時仿真是與現實時鐘同步的暫態仿真,對計算速度要求嚴格。與傳統輸電網實時仿真相比,微電網實時仿真應依據研究問題的不同,選擇合適的研究部分或環節定義仿真區域,最極端的情況可能需要以整個微電網系統為對象進行實時仿真。因此,實時仿真一般需要通過系統分塊、預存矩陣等技術手段保證仿真速度,而且綜合考慮仿真實時性以及成本因素,采用PC-Cluster[59]、FPGA等新型底層硬件開發微電網實時仿真系統也成為發展趨勢。

6.2 微電網實驗研究

與傳統電力系統相比,微電網規模較小,其相關研究不僅可以借助真實的物理裝置進行實驗,甚至可以按1:1的比例構建微電網實驗系統,真實地再現研究對象。構建微電網物理模擬仿真實驗室或示范性微電網系統的意義在于:

(1)通過微電網實驗與仿真結果的對比,驗證或修正仿真模型與參數的正確性,為微電網仿真研究提供驗證平臺。

(2)通過微電網實驗發現微電網實際運行中真實存在的問題,為更深入的研究創造條件。

(3)微電網實驗系統能夠作為微電網的運行、控制、保護、能量管理及相關技術理論的實現載體。

將物理模擬實驗與數字仿真結合,形成數字仿真與物理模擬的微電網綜合仿真和實驗系統,可以擴展已有物理動模實驗室的仿真規模,充分發揮現有動模實驗室的仿真能力,是未來的發展趨勢。

近年來,在歐美、日本等微電網發展較早的國家陸續建立了多個微電網實驗平臺,早期的微電網實驗平臺大多結構簡單,功能單一,針對性較強。雅典國立大學建立的NTUA微電網是最早一批的歐洲微電網實驗平臺[60]。該微電網為單相低壓系統,其目的主要是對分層控制的微電網結構進行驗證。

美國電力可靠性技術協會(CERTS)為驗證其微電網概念,在威斯康辛大學麥迪遜分校建立了一個包含3 臺分布式電源的微電網實驗平臺[61]。通過相關實驗驗證了在微電網中能夠利用分布式電源的下垂控制策略,實現微電網的暫態電壓和頻率調整,以及微電網并網和孤島模式間的模式切換。

美國國家可再生能源實驗室(NREL)建立了包含三個子微電網的交直流混合微電網平臺,在此基礎上進行了各種分布式發電系統的可靠性測試、并網技術研究,并在此基礎上參與了美國分布式發電和微電網相關的導則制定工作[62]。

微電網在全球范圍內發展迅速,中國、韓國、新加坡以及部分南美與非洲國家和地區也相繼建立了微電網實驗平臺,近期建設的微電網平臺多呈現出結構復雜、電源類型多樣、控制和能量管理功能更完善等特點。天津大學在國家973 計劃項目“分布式發電供能系統相關基礎研究”的支持下建立了天津大學微電網實驗平臺(Tianjin University MicrogridTestbed, TUMT)。該實驗平臺主要有以下特點:

(1)分布式電源和儲能種類豐富,包括光伏、風機、燃料電池、微型燃氣輪機等多種分布式電源,以及鉛酸電池、鋰離子電池、超級電容、壓縮空氣、液流電池、飛輪、制氫等多種儲能設備。

(2)拓撲靈活多變,運行場景豐富,可根據實驗和工程測試的需求改變拓撲結構,模擬數十種不同的運行場景。

(3)保護、監測、控制與能量管理等功能完善。基于該實驗平臺,在分布式電源和儲能運行特性、分布式電源和儲能的協調控制、微電網模式切換、故障特性和保護等方向進行了大量實驗研究,并取得了一定的成果。

7 結論

隨著微電網技術的成熟和發展,微電網將不再局限于實驗平臺和示范工程,將會在實際應用中發揮更大的價值。未來微電網的結構將趨于復雜,交直流混合型微電網的形式將更為多見,由多個用戶級的微電網組成公共微電網并網的情況將成為常態。

微電網從局部解決了分布式電源大規模并網時的運行問題,同時,它在能源效率優化等方面與智能配電網的目標相一致,是智能配電網的重要組成部分。對用戶,微電網除了提供電能外,充分發揮其供冷、供熱、供氣(氫氣、合成天然氣等)的能力,將進一步提高終端能源的利用效率;對電網,隨著電力市場的完善、需求側響應技術的發展,微電網將更多的參與配電網的調度,提供多種輔助服務。

上述問題都將對未來微電網的規劃設計、優化運行、控制保護等多方面提出新的要求,有待進一步研究與探索。

原標題:微電網關鍵技術研究

關鍵字:微電網 分布式電源大規模并網 儲能

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