智能微電網運行控制的研究

王福祿, 楊軍亮

上海電氣輸配電集團技術中心 上海 200042

1 研究背景

微電網集成了分布式電源、儲能系統(tǒng)、能量轉換裝置、監(jiān)控和保護裝置、負荷,通過自我控制和自我能量管理,協(xié)調分布式發(fā)電與大電網之間的矛盾,代表了未來能源的發(fā)展趨勢[1-2]。隨著智能電網的建設和發(fā)展,人們對微電網控制技術提出了靈活性、高效性和智能化等要求[3]。智能微電網旨在實現(xiàn)中低壓配電系統(tǒng)層面上分布式能源的靈活、高效應用,解決數(shù)量龐大、形式多樣的分布式能源無縫接入和并網運行時的主要問題,同時具備一定的能量管理功能,可以有效降低系統(tǒng)運行人員的調度難度,并提升可再生能源的接入能力[4-5]。

智能微電網作為未來智能電網的重要組成部分,既可與公共電網并網運行,又可孤立運行。智能微電網在孤島過渡期間及孤島運行模式下,相當于一個自治系統(tǒng),其穩(wěn)定性、安全可靠性及電能質量等由自身控制系統(tǒng)調節(jié)。可見,采取合理的控制策略和控制方法,是保證智能微電網穩(wěn)定運行的必要條件,筆者對智能微電網的運行控制進行研究[6-7]。

2 分布式電源接入對電網的影響

接入電網的分布式電源根據不同領域,可以有多種分類方式。按能源的種類劃分,分布式電源主要有風力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)、地熱能發(fā)電、生物質能發(fā)電及微型燃氣輪機等。大量分布式電源接入配電網,將使配電網由單電源輻射型網絡變?yōu)槎嚯娫磸碗s網絡,改變中低壓配電網潮流的大小和方向,從而對配電網的電能質量、電壓分布、供電可靠性及運營管理帶來影響[8-9]。

2.1 電能質量

風力發(fā)電、光伏發(fā)電等分布式電源通過電力電子器件接入電網,電力電子器件運行時需要頻繁的開關操作,將產生大量以開關頻率為倍數(shù)的諧波,進而產生諧波污染。諧波會增加電網設備的功率損耗,使旋轉設備發(fā)熱,縮短設備的使用壽命等。隨著滲透率的提高,由于自身功率波動特性、調度技術等問題,還可能會引起電壓波動或閃變,加重諧波污染等電能質量問題。

2.2 繼電保護

分布式電源接入中低壓配電網后,由于配電網變?yōu)槎嘣磸碗s網絡,故障發(fā)生后會改變短路電流的大小和方向,電壓和短路電流的分布也會受到一定影響,給繼電保護裝置的正常運行帶來多種問題。當電流保護位于分布式電源上游,短路故障發(fā)生在下游時,分布式電源會因短路電流減小、靈敏度降低而導致線路保護拒動。當相鄰線路發(fā)生短路故障時,下游分布式電源提供反向短路電流,可能使繼電保護裝置失去方向性而誤動作。當線路發(fā)生故障而分布式電源未解列時,會導致非同期合閘,產生沖擊電流,進而導致重合閘不成功。對于以上問題,如原有繼電保護裝置運行方式不做調整,則將嚴重影響配電網的安全運行。

2.3 供電可靠性

當大電網發(fā)生故障時,微電網可以解列為孤島運行。如果微電網內電源的總容量大于系統(tǒng)內關鍵負荷容量,那么分布式電源可以繼續(xù)保證孤島內負荷的供電,提高供電可靠性。另一方面,分布式電源的容量大小、安裝位置、接線方式、控制策略若不恰當,則可能會出現(xiàn)電力供需失衡、電壓波動等問題,給配電網的供電可靠性帶來不利影響。

2.4 運營管理

電網中分布式電源大量使用,使配電系統(tǒng)在規(guī)劃時對負荷增長情況預測的難度加大,影響配電系統(tǒng)規(guī)劃的合理性。由于微電網內分布式電源投切的不確定性,電網公司為保證分布式電源停運后系統(tǒng)正常運行,需留出一定備用容量,從而增加投資和運營成本。微電網并網后,給配電網的規(guī)劃建設、市場運營、檢修維護帶來一系列影響,使配電網調度、運行管理難度進一步提高。

3 智能微電網運行控制架構

智能微電網通過對不同輸出特性的分布式電源逆變器有效控制,保證智能微電網穩(wěn)定運行。常用的逆變器控制方法有恒功率控制、恒壓恒頻控制和下垂控制[10]。微電網的協(xié)調控制策略主要分為主從控制、對等控制和分層控制。智能微電網運行控制架構采用分層控制模式和能量管理系統(tǒng)相結合的協(xié)調控制策略,分為三層,分別為調度管理層、集中控制層、就地控制層[11-12],如圖1所示。

圖1 智能微電網運行控制架構

3.1 調度管理層

調度管理層接收集中控制層上傳的監(jiān)控信息,負責總體運行監(jiān)控和調度管理。基于智能微電網聯(lián)絡線路可控的考慮,將智能微電網作為配電網的可控單元,接受調度中心的控制。通過配電網與智能微電網的信息交互,將智能微電網內的各類運行參數(shù)和設備狀態(tài)上傳至調度中心,實現(xiàn)對智能微電網的統(tǒng)一調度。

3.2 集中控制層

集中控制層分為能量管理系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)兩部分。

能量管理系統(tǒng)由監(jiān)控與數(shù)據采集系統(tǒng)、能量管理平臺組成。監(jiān)控與數(shù)據采集系統(tǒng)主要對智能微電網內所有裝置、設備及大電網進行監(jiān)視和控制,實現(xiàn)數(shù)據顯示、設備控制、參數(shù)調節(jié)、歷史回溯及各類信號報警等功能。能量管理平臺實現(xiàn)對智能微電網內各分布式電源的優(yōu)化調度和合理分配輸出,調節(jié)負荷及各種設備運行,通過能量調度、分布式發(fā)電功率預測、負荷預測、狀態(tài)評估、安全分析和電能質量管理等功能,實現(xiàn)冷、熱、電等能源的綜合優(yōu)化,以滿足安全性、可靠性和供電質量要求,實現(xiàn)智能微電網的優(yōu)化運行。

分布式發(fā)電功率預測截圖如圖2所示,負荷預測曲線如圖3所示。

圖2 分布式發(fā)電功率預測截圖

圖3 負荷預測曲線

中央控制系統(tǒng)通過協(xié)調分布式電源、儲能和負荷的輸出與運行方式,控制智能微電網的運行狀態(tài),維持不同運行模式下智能微電網的電壓和頻率穩(wěn)定,保證對負荷的優(yōu)質供電。智能微電網中央控制系統(tǒng)包括并網功率交換控制、模式切換控制、離網下穩(wěn)定控制和黑啟動控制等功能。

3.3 就地控制層

就地控制層由負荷控制器、數(shù)據采集器、中央控制器等組成,主要功能是將智能微電網內各分布式電源、儲能、負荷等設備的運行工況數(shù)據上傳至中央控制系統(tǒng),同時根據中央控制系統(tǒng)下達的控制指令實現(xiàn)就地控制,是控制策略的執(zhí)行端。

4 智能微電網運行控制策略

智能微電網中多種分布式電源組網、并聯(lián)運行,需要通過有效的運行控制策略,根據分布式電源運行特性、上級調度需求和經濟優(yōu)化控制的需求,調節(jié)各分布式電源的運行狀態(tài),保證智能微電網的經濟優(yōu)化運行[12]。

4.1 并網點功率交換控制

當智能微電網并網運行時,監(jiān)控與數(shù)據采集系統(tǒng)接收調度系統(tǒng)指令,要求微電網與大電網進行功率交換控制,控制聯(lián)絡線功率在設定值內。控制器接收到監(jiān)控與數(shù)據采集系統(tǒng)下發(fā)的公共連接點功率設定值,協(xié)調各分布式電源的功率輸出,對儲能進行充放電控制,對負荷進行投切,對光伏發(fā)電進行限功率控制或者最大功率點跟蹤控制,使微電網與大電網的交換功率控制在設定值內。

具體實施時簡化為兩種情況。第一種是當智能微電網輸出有功功率高于上限或者吸收有功功率低于下限時,中央控制系統(tǒng)采取提高儲能裝置充電功率、增大負荷用電、降低分布式電源輸出等方式,降低智能微電網輸出功率或提高智能微電網吸收功率。第二種是當智能微電網輸出有功功率低于下限或吸收有功功率高于上限時,中央控制系統(tǒng)采取提高分布式電源輸出,提高儲能裝置放電功率、減小負荷用電等方式,提高智能微電網輸出功率或降低智能微電網吸收功率。

4.2 模式切換控制

智能微電網的運行模式主要有并網運行模式、孤島運行模式、并網轉離網運行模式和離網轉并網運行模式等。

并網模式指智能微電網通過公共連接點與大電網相連,與大電網進行功率交換。為提高可再生能源利用效率,微電網電源一般以最大輸出運行,儲能裝置將起到平抑電源輸出波動、削峰填谷等作用。同時,各分布式電源將按照中央控制系統(tǒng)下達的調控指令調節(jié),確保聯(lián)絡線路輸送功率在規(guī)定的范圍之內運行。

孤島運行模式時,中央控制系統(tǒng)執(zhí)行孤島運行控制策略。一般將可控的微電網電源,如儲能、柴油發(fā)電機等作為微電網主電源,以恒壓恒頻方式運行,其它分布式電源和儲能裝置則根據中央控制系統(tǒng)下達的指令調節(jié)各自的運行輸出,實現(xiàn)智能微電網內部電力供需平衡。當分布式電源和儲能裝置的調節(jié)能力不足時,中央控制系統(tǒng)將下達分布式電源或負荷投切指令。

并網轉離網模式分為計劃性離網控制和非計劃性離網控制。當進行計劃性離網控制時,中央控制系統(tǒng)接收到并網轉離網指令后,調節(jié)主電源使并網點電流或交換功率降低至允許范圍內,斷開并網開關,設定主電源運行模式,保證平滑的切換控制。當監(jiān)測到配電網異常,并滿足允許離網的條件時,啟用并網到離網轉換程序,實現(xiàn)非計劃離網。

離網轉并網模式時,中央控制系統(tǒng)接收到離網轉并網指令,系統(tǒng)實時監(jiān)測電網的電壓幅值、頻率等狀態(tài),對智能微電網主電源的輸出電壓幅值、頻率及相位進行調節(jié),并進行同期條件判斷。滿足同期條件時,閉合公共連接點開關,同時主電源切換工作模式,進行平滑的切換控制,防止因切換電流沖擊過大而導致保護動作。

4.3 緊急控制

智能微電網具備緊急情況下的穩(wěn)定控制功能。當智能微電網并網運行時,頻率和電壓由配電網支撐,具有較高的可靠性。當智能微電網離網運行時,由于系統(tǒng)可調容量有限,若出現(xiàn)頻率或電壓異常,則中央控制系統(tǒng)可以按照既定的緊急控制策略采取切機或減載等操作,盡可能使智能微電網恢復到正常狀態(tài)。

4.4 黑啟動控制

智能微電網的黑啟動控制具有不同的啟動策略和次序,啟動策略由中央控制系統(tǒng)根據當前運行狀態(tài),結合風光發(fā)電預測與負荷預測結果,綜合判斷選擇。黑啟動控制要求在穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、頻率的同時,兼顧系統(tǒng)運行的經濟性,在最大程度上利用新能源分布式電源完成系統(tǒng)黑啟動。

5 結束語

隨著一系列國家政策法規(guī)的鼓勵和引導,我國智能微電網技術通過科技項目、示范項目和扶貧項目等方式進行了研究開發(fā)和應用實踐。針對國內外邊遠地區(qū)、海島和城市等場景,智能微電網有巨大的市場應用空間。筆者通過分析分布式電源接入對配電網的影響,提出基于分層控制和統(tǒng)一調度的智能微電網運行控制架構,并詳細介紹了控制策略。筆者所做研究可以為智能微電網的應用提供參考。