分布式能源提供未來輔助服務的技術能力

寧玉琳，趙 峰，徐勁松

（1.蘭州交通大學自動化與電氣學院，甘肅 蘭州 730070；2.中鐵七局電務公司，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

近年來，分布式能源系統在我國有了較大的發展，以可再生能源為主的分布式發電技術也得到了快速發展。分布式能源系統與集中發電、遠距離輸電和大電網供電的傳統電力系統相比，克服了傳統系統的一些弱點，成為傳統電力系統不可缺少的有益補充，二者的有機結合，是新世紀電力工業和能源產業的重要發展方向。電力供應越來越多的基于來自可再生能源（RES）的分布式發電機（DGs）。目前，它們僅僅只是把可得到能源注入到相互關聯電力網絡中。如果沒有一個一體化的網絡管理，基于間歇性能源基礎上的DGs（如：風力渦輪發電機（WTGS）和光伏太陽能系統）可能危害更高，突破水平的電力網絡的穩定性。在更精密的方法中，它們必須參與網絡運營，以保證可持續的和安全的電力供應。目前，大型中央傳統發電廠操縱著這種電力網絡的運營。DGs通常沒有集成在網絡的運營中，如果僅僅把它們當作個體來對待，它們比較小，且是不可靠的和昂貴的。隨著虛擬發電廠概念（VPPS）的提出，DER系統的集成創造了許多小實體之外的大市場份額，且利用綜合風險管理增加系統的聯合可靠性。因此，集成在VPPS的分布式能源資源（DER）希望能為未來可持續的電力供應和未來電力網絡的運作建立一個平臺。

2 分布式能源（DER）

2.1 分布式能源（DER）簡介

分布式能源系統，是相對于能源集中生產（主要代表形式是大電廠加大電網）而言的。分布式能源系統直接安裝在用戶端，通過在現場對能源實現梯級利用，減少中間輸送環節損耗，實現資源利用最大化。分布式能源系統的一次能源以氣體燃料為主，可再生能源為輔，利用一切可以利用的資源。其二次能源以分布在用戶端的熱、電、冷聯產為主，其它能源供應系統為輔，將電力、熱力、制冷與蓄能技術結合，以直接滿足用戶多種需求，實現能源梯級利用，并通過公用能源供應系統提供支持和補充。各系統在低壓電網和冷、熱水管道上進行就近支援，互保能源供應的可靠性。分布式能源系統將能源利用效率發揮到最大狀態，從而節約了能源、保護了環境。

根據燃料類型不同，分布式能源系統可分為燃用化石能源、燃用可再生能源和燃用二次能源及垃圾燃料等幾種形式。燃用化石能源的動力裝置有：微型燃氣輪機、燃氣輪機、內燃機、常規的柴油發電機、燃料電池；利用可再生能源發電技術有太陽能發電、風力發電、小水力發電、生物質發電等；利用二次能源的有氫能發電技術。根據用戶需求不同，分布式能源系統又可分為電力單供、熱電聯產方式（CHP）和熱電冷三聯產（CCHP）等方式。

根據燃料類型不同，主要分為以下幾種：

①利用常規礦物燃料的系統。燃煤鍋爐/氣輪機系統、活塞式內燃機系統、微型燃氣輪機系統、工業燃氣輪機系統、各種燃料電池系統、燃料電池與燃氣輪機的混合系統等。

②利用太陽能、風能、水能、生物質能發電等可再生能源的系統。

③利用二次能源氫能的系統。相對于可再生能源能流密度低，分散性強，且受氣候、地理條件及當前技術水平等因素限制和燃煤、燃油系統污染嚴重，燃用天然氣的分布式能源系統更具優勢。

對分布式能源系統而言，其關鍵技術是小型動力裝置、新型制冷方法和系統的集成。正是由于近年來小型動力裝置性能的大幅度提高，才使得分布式能源系統有比分產系統更高的能源利用率和更好的經濟效益，才能在節能和科學用能中發揮日益重要的作用。

2.2 分布式能源（DER）的優勢

雖然分布式能源在國內的發展應用還只是剛開始，但和傳統的集中式能源相比，其獨特的優勢將是傳統能源不可比擬的。

能效高。實現了能源梯級合理利用，分布式能源系統能效可達80%以上。

損耗小。安裝在用電側，分布式能源系統供應與需求在最短的距離內平衡，輸配電損耗很小。

污染少。多采用清潔、高效的天然氣和可再生能源發電，分布式能源系統污染排放量很低。同時，由于分布式能源系統發電的電壓等級比較低，電磁污染比傳統的集中式發電要小得多。

運行靈活，安全性好。分布式能源系統發電方式靈活，在公用電網故障時，可自動與公用電網斷開，獨立向用戶供電，提高了用戶自身的用電可靠性；當所在地的用戶出現故障時，可主動與公用電網斷開，減小了對其他用戶的影響。

電能質量高。由于分布式能源系統發電設施通常可以就地調整電壓和電流波形，保證了較高的電能質量。

系統經濟性好。由于高效、低損耗和低污染排放，分布式能源系統具有明顯的經濟性。

將分布式能源系統接入傳統的電力系統，既可以滿足電力系統和用戶的特定要求，又可以提高系統的靈活性、可靠性和安全性。

3 DER提供的輔助服務的技術能力

3.1 DER提供的輔助服務

3.1.1 輔助服務（AS）的定義和描述

輔助服務是指從生產者到購買者，支持電能傳輸必要的發電、輸電和控制設備提供的那些服務。這些服務需要確保系統操作員的職責，其職責就是滿足相互連接的電力系統和安全、可靠的操作。這些服務包括強制性服務和服從競爭的服務。

輔助服務（AS）可分為兩大類：

①當地執行且必須被當地（或地方性的）提供的AS，它們是必須的（如電壓控制）；

②在電力系統到處都可提供的廣泛的系統AS（如頻率控制和有功功率儲量）。

另一個區別在于它們供應的方式：

①快速，地方和一般自動控制（如初級電壓或初級頻率控制）；

②遠程，集中（例如在一個地區級）和協調（例如地區之間）控制（例如二級電壓控制或三級頻率控制）。

3.1.2 輔助服務的構造

本文設計的總體目標是：設計與展示一個技術架構和商業框架，這將使基于電力系統的DER成為未來電力供應系統節約成本、安全、可持續的解決方案。通過對電力系統的貢獻最大化而改進DER，使其集中到大型虛擬電廠（LSVPP）并進行分散管理。其重點集中在DER參與系統運行的能力。集中提供以下輔助服務：

（1）頻率控制

最初控制的目標就是在同時發生的地區內，保持使用渦輪機或者渦輪調速機的生產和消費之間的平衡。通過所有相互連接任務的共同作用，初級控制是以同區域的電力系統的使用可靠性為目標的，同時在幾秒鐘的時間范圍內發生干擾或者事故后穩定平穩值的系統頻率，但是不能修復系統頻率和功率交換的參考值。

次級控制就是維持在每個控制區域的生產和消費之間，以及在同時發生的區域內的系統頻率的平衡，考慮控制程序，而不削弱在同時發生的地區和在幾秒鐘的時間內平行的初級控制。包括：①頻率響應（初級頻率控制）；②熱備用（二級和三級的頻率控制）；③負荷跟蹤。

（2）電壓控制

在任何交流電力系統中電壓和電流，在正常情況下，是不同相的。因此，將有無功功率流動。無功被認為是被感應元件吸收（例如變壓器，架空電纜，感應電機）和電容元件所產生的（例如過勵磁的同步電機和電容器）。

在高壓電網，其阻抗超出其電阻，無功功率流動主要取決于電壓程度。它從高電壓側向低電壓側進行傳遞。無功功率不能長距離傳輸，因為它這樣做需要較大的電壓梯度。因此，電壓控制必須被當地分配。

無功功率流可以用無功功率源和無功功率設備得到賠償，如同步發電機、并聯電容器、并聯電抗器、同步電容器 、和靜止無功補償器（SVCs）、以及線性電抗補償等如串聯電容器。這種無功功率的補償降低了壓降。此外，由有功功率流動引起的電壓下降能通過接負電的無功功率流（通過變化的系統電抗）得到補償，因為當感性電流導致電壓下降時，容性電流能引起電壓升高。因此，雙向控制是可能的。

電壓控制履行兩個基本的原理：由發電單元和抽分接頭轉換的變壓器預留的直接電壓控制；通過改變功率吸收/注入引起的間接電壓控制。

（3）擁塞管理

如果輸電網元件的電流極限在某一時間段內被超越的話，供電的安全性將處于危險中。擁塞管理試圖找到這些處于觀測中電網的關鍵元器件，并且尋求系統重構防止這些關鍵元件的損耗。

（4）電能質量的改進

電力供應的服務質量有3個主要尺度：①商業特性（供應者和使用者之間的商業關系）；②供電的連續性；③電壓質量。

供電的連續性是以中斷的次數和持續時間為特點的。不同的記錄器被用來評估供電的連續性，如中斷頻率［1/year］，中斷時間［min］和供電的無效期［min/year］。

由于終端用戶設備的敏感性，電壓質量是一個重要的問題。工業設備被認為已使電能質量變得更加脆弱，同時家用的和小企業電子設備的使用也增加了更多用戶產品的敏感度。電壓質量的主要參數是頻率、電壓大小及其變化、電壓突降、暫時或瞬態過電壓和諧波失真。

（5）電網修復（黑起動）

黑起動就是從全國各地的國家傳輸系統或供應配電網的全部或部分關閉的電器用品中修復的一種程序。許多發電站開始起動都需要供應電力。為了能夠黑起動，當主發電機準備運行的時候，這樣的發電站必須有足夠的能力供應輔助單元的獨立輔助電源的某種形式。這種額外的電源通常由一個較小的周邊黑起動的發電設備提供的，這最初是以電池或其他能源儲存裝置開始的。一旦投入使用，發電廠可以給它當地的部分網絡供電，為在此區域的使用它們起動的其他發電廠提供電源。

黑起動能力就是發電單元從關閉狀態到運行狀態進行轉換，且在沒有援助的情況下從系統開始傳輸能量的一種能力。

目前，能提供黑起動服務的DER的突破能力能給電力網供電還不是很可靠。然而，他們也許能給在孤島模式下運作的分布式電網供電。在將來，隨著這種孤島電網越來越多的架設，那么相互連接這些孤島的電網并且給越來越多的配電網供電將是可能的。隨著DER滲透能力的增加，在長遠的未來對電網來講此功能可能被增強。

黑起動程序需要一個協調發電機起動和在穩定程序下連接負載的監督者。這種監督可以集成在 large-scale virtual power plants（LSVPP）。

（6）孤島操作

當發出的電力需量只在本地執行和在沒有功率注入的情況下（主電網）能運行的部分輸電網被確定的時候，如果有相當多的DER的突破，那么孤島操作將是最具有吸引力的。

這種情況顯著地增加了本輸電網區域的供電連續性，同時其它輸電網區域的停電對考慮的輸電網部分的供電連續性沒有任何影響。

電網必須能被改裝而允許孤島操作：保護系統都必須能適應當地發電，當地的發電機必須能控制一個孤立電網，且必須在主電網連接點安裝同步和切斷設備。

這些孤立電網可以被定義為微電網。微電網包括具有分布式能源的低壓配電系統，如微型燃氣輪機、燃料電池、PVs等，以及存儲設備、調速機，能源電容器和電池，和在電網運行中提供了相當大的控制能力的可控負載。這些系統被相互連接成中壓配電分布式網絡，但它們也可以分離主電網而孤立運轉，如果故障在上游的電網中。從客戶的角度來看，微電網提供了熱能和電能，另外增強了本地的供電可靠性，減少廢氣排放，通過支撐電壓和減少電壓突降提高了電能質量，并有可能降低供電成本。

微電網的概念僅需要減少電網的修復能力，因為許多運行網絡的微電網并不受停電的影響。

（7）電網損耗的優化

電網損耗的優化，即降到最小的主要的目標就是減少電能運送和分配的費用。按以下公式（1）計算電網損耗是可能的：

該方程包括以長度為單位由線路的特點決定的電阻，和在此電阻上流動的電流。最后，這個電流由在長度單位的線性元素上的有源功率流和無功功率流表示。

提出的公式表明線路損耗基本上依賴于：①線路電阻；②線路長度；③線路的有功功率；④線路的無功功率；⑤線路的電壓。

3.2 DER技術提供輔助服務的技術能力

在過去的十年里，歐盟為應對氣候變化的挑戰和增加燃料的多樣性的需求已部署了各種技術的大量DER，但迄今為止的重點仍是DER與電網的連接而不是將他們融入整個的系統操作中。本文在沒有考慮可能會在單個的系統配置和系統環境中發生的多方面限制的情況下，對DER提供輔助服務的技術能力給出了全面概述。此外，此技術能力首先關注通常是可交換的且被本身決定的具有很多能力的DER系統的電網連接技術（感應發電機、雙饋感應發電機、同步發電機和逆變器）；其次關注的是能受到電網連接技術的限制的整個DER系統（風力渦輪發電機、光伏系統、水力發電廠和聯合冷卻、熱電廠）。

DGs提供AS的技術能力的評估分為兩個步驟執行：

首先，電網連接技術被核定為提供AS的技術能力，AS能給電網提供電能作為DG系統能量轉換器的鏈末單元。這些電網連接技術包括：①直接耦合感應發電機（IGs）；②直接耦合同步發電機（SGs）；③雙饋感應發電機（DFIGs）；④逆變器。

其次，具有代表性的DG被當作進行分析和評估DER提供AS的能力的系統。

在第二個步驟中的能力直接取決于第一步中的能力。僅僅如果連接能支持這個服務，整個系統或許能夠提供這種服務。然而，對整個DG系統的考慮通常會導致額外的一些限制。在第二步驟被核定的具有代表性的DG系統包括：①風能系統；②光伏系統；③冷熱電聯系統；④蒸汽輪機（燃氣渦輪機、微型渦輪機、活塞內燃機、斯特林發動機、燃料電池）；⑤水利發電系統。

3.2.1 輸電網連接技術的技術能力

本文主要討論的是輸電網連接技術的技術能力。如前所述的電網連接技術，由于這些能源轉換器僅僅把有效功率輸入轉換成具有不同特點的功率輸出，有功功率是由DG系統提供的。因此，電網連接技術可相應地改變被控的有功功率。

因此，只有無功功率控制、直接電壓控制、黑起動和電能質量的改善被分析。除了有功功率，無功功率的控制對擁塞管理和電網損耗的優化都是非常重要的。電壓可被有功功率、無功功率，或直接電壓控制所執行。最后，孤島操作需要有功、無功功率，電壓和頻率的可控性。定性結果在表1中進行了概括。

表1 電網連接技術的技術能力

3.2.2 分布式發電機系統的技術能力

上一小節給出了電網連接技術提供無功功率控制、直接電壓控制、電能質量的改進和黑起動的技術能力。如果DG系統也使用這些電網連接技術中的一種進行分析的話，由于其它系統的原理，可能會有好多限制發生。特別是，在最后的變化之前，通過輸電網連接技術的有功功率控制能力主要依賴于能量的可用性和轉換。主要是，在實用性和可靠性結構中的功率斜率、部分負載運行能力和有功功率的限制（最大和最小）將在提供各種各樣時間尺度的有功功率控制的系統能力的評估方面發揮關鍵的作用。

本小節簡單介紹了DG系統的理論分析和它們提供有功功率控制的技術能力。而且，有以下幾種的技術能力：①風力渦輪機（WTGs）；②PV系統；③水電廠；④冷熱電聯廠（CCHP）。

在表2中介紹了依賴于不同的電網連接技術提供未來輔助服務的能力。

表2 DG系統的技術能力

3.3 DER提供輔助服務技術能力的簡化模型

為了輸電網連接技術而開發了簡化模型，這種輸電網耦合技術包括來自于DG系統的限制和動力學的單元。

對于發電機來講，有不同的控制原則：PQ控制、PV控制和VF控制。

PQ控制對于控制裝置輸出的有功和無功功率是合適的。如果是IGS，這種控制就降低到P控制，因為他們無法控制無功功率。

如果是SGs，主要應用PV控制，SGs控制勵磁電壓跟蹤目標電壓，而不是跟蹤目標無功功率。然而，也許對DFIGs和逆變器也是適用的。總而言之，電壓是由無功功率電源控制的。電壓由有功功率輸出控制這也可以理解，但這種可能性不能被視為一個必然的本地控制功能，而是被VPP視為是中心控制的可能性，因VPP能改變目標有功功率值。

對于SGs和逆變器來講，主要應用的是VF控制來直接控制輸電網相應的電壓和頻率。如果是黑起動、微型電網和孤立電網，這種控制必須得考慮。由于在控制領域里固定偏差的應用，不同的VF控制的發電機在沒有額外的通信要求的情況下能使它們自己同步運行。

（1）感應發電機（IGs）

擁有測量單元和DER系統特征的IG系統在圖1中展示出來。這個IG模型的有功功率被已描述的控制系統所定義。

圖1 與IG連接的簡化DER系統的PQ控制模型

（2）雙饋感應發電機（DFIGs）

擁有測量單元和DER系統特征的DFIG系統在圖2中展示出來。這個DFIG模型的有功功率和無功功率被已描述的控制系統所定義。

圖2 與DFIG連接的簡化DER系統的PQ控制模型

除了PQ控制，PV控制被用來進行電壓控制，代替了在輸電網連接點的無功功率控制，如圖3所示。同樣，VF控制也是可能的，但必須在此模型描述的更寬的范圍內進行更加細節的分析。

圖3 與DFIG連接的簡化DER系統的PV控制模型

（3）同步發電機（SGs）

擁有測量單元和DER系統特征的SG系統在圖4中展示出來。這個SG模型的有功功率和無功功率被已描述的控制系統所定義。從機械軸節開始的DER系統的驅動系統，被用它的控制動力學和限制所描述。兩個主要的限制必須被考慮：一方面，有功功率被驅動元件所限制；另一方面，無功功率被勵磁系統所限制。萬一過勵磁，系統會產生無功功率，而欠勵磁，系統會吸收無功功率。這種動態特性在第一段時間間隔內被描述。

圖4 與SG連接的簡化DER系統的PQ控制模型

除了PQ控制，PV控制被用來進行電壓控制，代替了在輸電網連接點的無功功率控制，如圖5所示。

圖5 與SG連接的簡化DER系統的PV控制模型

最后，一個SG能被VF控制來控制輸電網的電壓和頻率量。頻率是由主動件的轉子速度控制的，電壓是由勵磁電壓控制的，如圖6所示。這種控制對于控制在頻率和電壓界限穩定的孤島輸電網是必要的。在輸電網的連接上，這種控制能得到提供基頻和電壓控制的中心發電廠的保證。

（4）逆變器

如果是逆變器連接的DER系統，一個基本的假定就是三相耦合。目前，許多微型DER裝置也有用單相耦合（如光電系統）到的0.4kV低電壓網絡運轉的。

圖6 與SG連接的簡化DER系統的VF控制模型

通過一個逆變器的連接可以由以下系統結構來描述。直流源被定義為能量來源的系統。它以直流產生原始來源的方式通過一個轉換器使適應直流電壓（如光電、燃料電池或電池組）直接反饋，或者通過整流器反饋，這個整流器把被驅動的旋轉發電機（如風力發電機或柴油發動機）的交流電流轉換成直流電。直流源給逆變器提供電源，逆變器把直流電轉換成交流電。輸電網的系統由耦合感應系統給定。為輸電網連接的過濾器和變壓器在簡化系統中通常被忽視由于沒有考慮諧波。

在本文中，逆變器假定為是一個三相逆變器。該逆變器必須能夠起到一個電流源（PQ或PV控制）的作用，同時逆變器電壓需與電網電壓同步，并能作為一個電壓源（VF控制）。如果是電壓源模式，電壓只能直接設置。這對黑起動，備份操作和孤島操作是必要的，也可能對電壓控制是有必要的。

兩個控制系統可根據逆變器的控制等級加以區分：開關控制和逆變器的行為控制。該開關控制逆變器的開關產生逆變器輸出相應的電流（PQ控制和PV控制）或者電壓（VF控制），被作為逆變器行為控制的參考。可以假定該開關控制產生合適的參考信號，因為諧波已被濾除了。轉換器的動態性被認為比主要電源控制和行為控制的動態性要快很多。因此，只有緩慢的動態性必須考慮其仿真，因為轉換器控制能正常工作而且能足夠快地跟蹤目標值，并沒有很大的延遲。這種假設也是基于這樣一個有足夠的直流電鏈接存儲的假設。因此，逆變器可被視為一個理想的電流源（PQ和PV控制）或者是一個理想的電壓源（VF控制），這種電壓源被逆變器的行為控制器控制。

基于這些假設，一個連接DER系統的逆變器的動態性能以取極限時間間隔的方式進行模擬，并在圖7中顯示出來。

除了PQ控制，在輸電網的連接點，PV控制也可以被用來進行電壓控制代替無功功率的控制，如圖8所示。

最后，一個逆變器連接的DER系統能使用VF控制來直接控制輸電網的電壓和頻率的大小。這個控制在圖9中顯示出來。對于電壓源來講，輸電網的相角被有功功率/頻率變化和額外的關于穩定性問題的相控設備所定義。

4 結束語

在此論文中通過對分布式能源技術的介紹，分析了DER提供輔助服務（頻率控制、電壓控制、擁塞管理、提高電能質量、網絡恢復、孤島操作和電網損耗的優化）的技術能力。此外，主要通過對DER系統與電網連接技術的技術能力進行了詳細的分析，表明為了確保電力系統的安全和可持續供電，基于分布式能源把DER系統融入電網提供未來輔助性服務是可能的，并給出了DER系統與電網連接的簡化模型，將在以后的研究中對此技術進行仿真研究。

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