能源互聯(lián)網(wǎng)中微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計及其運行控制方法研究

竇鵬沖，張 鵬，段洪旺

(中國電建集團河北省電力勘測設(shè)計研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

隨著全球能源與環(huán)境問題的日益嚴峻，中國提出了“碳達峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標，對于新能源電力系統(tǒng)建設(shè)提出了更緊迫的需求。能源互聯(lián)網(wǎng)作為新能源電力系統(tǒng)的互聯(lián)支撐，可解決系統(tǒng)中電力遠距離輸送與因地制宜消納等諸多技術(shù)難題。

微網(wǎng)(microgrid)技術(shù)具有有效整合新能源及可再生能源分布式發(fā)電的優(yōu)勢，為新能源及可再生能源并網(wǎng)發(fā)電規(guī)模化應(yīng)用提供了新的技術(shù)方案。微網(wǎng)是一種由負荷和微電源(即微網(wǎng)中的新型分布式電源)及儲能裝置共同組成的有機系統(tǒng)。由于微網(wǎng)中的微電源種類多，負荷形式較多，線路阻抗不同，運行方式相對復(fù)雜，因此需實現(xiàn)接入能源互聯(lián)網(wǎng)的微網(wǎng)系統(tǒng)之間及微網(wǎng)中各類電源和負荷之間的優(yōu)化運行與協(xié)調(diào)控制，使能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)達到最佳運行狀態(tài)[1]。

本文從能源互聯(lián)網(wǎng)中微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計出發(fā)，研究闡釋能源互聯(lián)網(wǎng)中微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化運行與協(xié)調(diào)控制問題，并介紹有效的策略方法，提出了能源互聯(lián)網(wǎng)中微網(wǎng)系統(tǒng)接入亟需的研究方向。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)中微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

2021年10月13日，《2021國家能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展年度報告》正式發(fā)布，能源互聯(lián)網(wǎng)及其中微網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究也得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。圖1為微網(wǎng)接入的能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。這一系統(tǒng)設(shè)計形成了獨立電源模式、微網(wǎng)模式、微網(wǎng)之間互聯(lián)互動模式等多種運行模式共存的能源互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，能量管理系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度控制，分布式電源與微網(wǎng)之間、微網(wǎng)與微網(wǎng)之間、微網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)之間互為支撐，能量雙向流動，信息互動交流，能夠保障高質(zhì)量穩(wěn)定供電，顯著提高了能源互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟性和可靠性[2-3]。

圖1 微網(wǎng)接入的能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 能源互聯(lián)網(wǎng)中微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化運行

能源互聯(lián)網(wǎng)中微網(wǎng)系統(tǒng)含有光伏、風電等間歇性能源及各類負荷需求，具有不確定性，如圖2所示。微網(wǎng)系統(tǒng)的運行優(yōu)化問題是一個多約束條件、非線性、多目標的優(yōu)化問題。在包含眾多隨機因素的情況下，建立確定性的優(yōu)化模型顯然不符合實際，需將光伏、風電以及負荷的隨機性納入優(yōu)化模型的建立，通過隨機變量與目標函數(shù)之間的內(nèi)在確定性關(guān)系，采用計算量小、精度高的優(yōu)化算法，得出微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化運行方案[4]。

圖2 單個微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

除了研究微網(wǎng)系統(tǒng)中各類微電源、蓄電池儲能和負荷的數(shù)學模型和優(yōu)化運行外，還需考慮微網(wǎng)系統(tǒng)間的實際情況，研究微網(wǎng)系統(tǒng)之間的數(shù)學模型和優(yōu)化運行，如圖3所示。建立目標函數(shù)時，綜合考慮發(fā)電燃料成本、運維檢修成本、與電網(wǎng)電能交互成本、環(huán)境保護成本、負荷中斷賠償成本、電價補貼等。設(shè)立約束條件時，綜合考慮能量供需平衡、負荷變化規(guī)律、電源發(fā)電規(guī)律、線路通道輸電能力、階梯電價、儲能裝置輸出等。選擇優(yōu)化算法時，綜合考慮算法速度和精度，可將點估計、級數(shù)展式與傳統(tǒng)優(yōu)化算法相結(jié)合，解決多維度、多約束、多目標優(yōu)化的問題。

圖3 多微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

能源互聯(lián)網(wǎng)中微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化運行問題可表示為一個多變量非線性函數(shù)Z。

Z=F(c1,…，cs,p1,…ps)

(1)

式中：c1,…，cs為s個確定性變量；P1,…，Ps為s個隨機變量。

通過建立全面的目標函數(shù)，設(shè)立多元的約束條件，采用高精度的優(yōu)化算法，計算出微網(wǎng)中微電源及儲能裝置、各微網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電計劃，以指導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)度，實現(xiàn)優(yōu)化運行，如圖4所示。

圖4 某微網(wǎng)系統(tǒng)24 h各電源發(fā)電計劃優(yōu)化圖

3 能源互聯(lián)網(wǎng)中微網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

微網(wǎng)系統(tǒng)可與能源互聯(lián)網(wǎng)連接并網(wǎng)運行，也可以處于孤島模式單獨承擔本地負荷。隨著微網(wǎng)系統(tǒng)中分布式電源數(shù)量種類增加，其控制方式變得相對復(fù)雜，如圖5所示。因此需要對微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部各分布式電源間、微網(wǎng)系統(tǒng)間的能量優(yōu)化管理制定出合理的分層控制方法，確保電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性[5-7]。

通過系統(tǒng)優(yōu)化運行得出各發(fā)電單元的最優(yōu)發(fā)電計劃后，如果保證各分布系統(tǒng)電壓頻率穩(wěn)定、功率精準流動、能量快速響應(yīng)，還需研究能源互聯(lián)網(wǎng)中微網(wǎng)系統(tǒng)的分層協(xié)調(diào)控制方法，如表1所示。

圖5 微網(wǎng)中發(fā)電單元控制系統(tǒng)原理

表1 能源互聯(lián)網(wǎng)的分層控制策略

能源互聯(lián)網(wǎng)中各發(fā)電單元之間、微網(wǎng)系統(tǒng)之間，包括分散式控制、集中式控制、分布式控制3種系統(tǒng)性控制方式，如圖6所示。

(a) 分散式控制

(b) 集中式控制

(c) 分布式控制圖6 微網(wǎng)系統(tǒng)3種不同的控制方式

微網(wǎng)系統(tǒng)中環(huán)境變化、工況改變和元件老化等因素會導(dǎo)致元件參數(shù)攝動，使數(shù)學模型和實際系統(tǒng)存在偏差，另外，如何保證各發(fā)電單元按照優(yōu)化的發(fā)電計劃發(fā)電， 減輕發(fā)電單元并入微網(wǎng)時對微網(wǎng)及能源互聯(lián)網(wǎng)的沖擊擾動，即達到快速而無沖擊的柔性并網(wǎng)要求，保證能源互聯(lián)網(wǎng)的電能質(zhì)量和供電可靠性，需要進行發(fā)電單元之間的協(xié)調(diào)控制。目前，發(fā)電單元之間的協(xié)調(diào)控制方法，主要有下垂控制、多環(huán)反饋控制、解耦控制、非線性控制及其各類改進控制方法[8-9]。

4 結(jié)語

將微網(wǎng)技術(shù)引入能源互聯(lián)網(wǎng)中是解決能源互聯(lián)網(wǎng)中電力遠距離輸送與因地制宜消納的有效途徑，鑒于能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜性、不確定性，本文主要介紹了微網(wǎng)系統(tǒng)接入的優(yōu)化運行與協(xié)調(diào)控制策略方法，以實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)為新能源電力系統(tǒng)提供更好的技術(shù)支撐。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，還需開展能源互聯(lián)網(wǎng)中微網(wǎng)系統(tǒng)的綜合規(guī)劃、系統(tǒng)兼容擴展、電能質(zhì)量分析與控制、需求側(cè)管理、能量管理系統(tǒng)、社會經(jīng)濟綜合效益、商業(yè)運營模式等方面的研究。