新型電力系統(tǒng)體系下光儲充一體化微電網應用研究

深圳市中電電力技術股份有限公司 趙松利 代洪兵

2021年6月20日，國家能源局綜合司正式下發(fā)了《關于報送整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點方案的通知》，引導地方政府協(xié)調更多屋頂資源，擴大屋頂分布式光伏的建設規(guī)模，各地紛紛響應，全國有二十多個省份相繼下發(fā)了整縣推進分布式光伏的文件，各省（自治區(qū)、直轄市）以及新疆生產建設兵團共報送試點縣（市、區(qū)）676個。整縣（市、區(qū)）分布式光伏規(guī)模化開發(fā)是落實習近平總書記“碳達峰碳中和”戰(zhàn)略部署、構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的重要舉措，在“雙碳”以及國家能源局大力發(fā)展整縣光伏的背景下，整縣裝光伏已經成為大勢所趨。為了落實國家能源局要求，國家電網公司明確要求全力開拓分布式光伏市場。

2021年7月，國家發(fā)改委在《“十四五”循環(huán)經濟發(fā)展規(guī)劃》文件中指出“要推進園區(qū)循環(huán)化發(fā)展工程，組織園區(qū)企業(yè)實施清潔生產改造。積極利用余熱余壓資源，推行熱電聯(lián)產、分布式能源及光伏儲能一體化系統(tǒng)應用，推動能源梯級利用。”在當前碳減排趨勢不斷深化的大背景下，光伏、儲能等新能源產業(yè)正在成為國家經濟發(fā)展的新引擎，“光儲充一體化”等綠色環(huán)保型產業(yè)更是得到了國家和政府的認可。

隨著國家政策相繼發(fā)布，新能源發(fā)展尤其是分布式光伏會迎來蓬勃發(fā)展，而光伏發(fā)電具有隨機性、波動性和不穩(wěn)定性，直接接入會給電網安全運行帶來一系列問題，通過配合儲能實現光伏就地消納，減少棄光率的同時也保證了電網穩(wěn)定運行；因而建設由分布式光伏、儲能、充電樁組成的光儲充一體化微電網系統(tǒng)是值得研究的應用技術。

1 光儲充一體化微電網技術發(fā)展分析及技術架構

據發(fā)改委能源研究所預測：到2050年光伏發(fā)電量將從目前不到4%上升到40%左右。伴隨著大量分布式光伏等新能源接入，即便是小規(guī)模的縣可開發(fā)的分布式光伏資源可達100～500MW，大規(guī)模的縣可達GW級別，高比例新能源的接入對于電網的沖擊將十分明顯，極大的改變了傳統(tǒng)配電網的潮流特性，在光伏發(fā)電峰值時會造成雙向潮流，造成接入點的電壓越限，增加配電網日常運行的網絡損耗，惡化配電網的整體供電質量。高比例分布式光伏接入的配電網涌現了諸多問題與挑戰(zhàn)，主要表現在以下方面：

系統(tǒng)電力電子化：伴隨新能源等規(guī)模化接入，導致配電系統(tǒng)越發(fā)電力電子化，慣量低，對擾動的耐受力下降；運行方式多樣化：交直流混聯(lián)、源荷不確定性等，導致配電網運行方式將更加多樣化，潮流雙向化；故障處理復雜化：在有源配電網故障處理方面，潮流方向不再是從高壓向低壓的單相潮流，潮流方向、電壓變化都與常規(guī)電網差異較大；感知數據異構化：感知數據不僅包含結構化的狀態(tài)數據和環(huán)境數據，也包含非結構化的視頻、音頻、圖像和文本數據等，導致多源數據具有異構性[1]；分布式資源規(guī)模化：包含可再生能源、微電網、微能源系統(tǒng)、虛擬電廠、儲能裝置、柔性負荷等海量的分布式柔性可控資源，規(guī)模大、容量小，分布在不同層級母線節(jié)點上。

因此，研究光儲充一體化智能微網技術可著力解決配電網就地層控制難、臺區(qū)級控制難、配網級控制難等諸多難點。按照分層、分級、就地平衡的原則，在配電網不需要重構、大規(guī)模改造的前提下，實現分布式光伏“應接盡接”，推動高比例分布式光伏的就地消納、提高能源系統(tǒng)綜合效率。

通過分析分布式光伏的出力特性，提出了配電網關鍵節(jié)點和薄弱環(huán)節(jié)的識別方法，結合應用需求提出分布式儲能的布局方法；考慮到促進分布式光伏的就地消納、電網調峰、線路擁塞管理等多個典型應用場景，提取與縣域電網典型場景有關的目標函數與約束條件，建立起各典型應用場景的儲能配置模型。

分析各典型應用場景發(fā)生的可能性，基于概率抽樣的方法綜合考慮多種應用場景，提出多場景融合的儲能優(yōu)化配置方法，實現滿足配電網多類型應用需求的儲能優(yōu)化配置。研究光儲充微電網運行模式下充電樁有序運行技術，通過分析微電網光伏發(fā)電特點、儲能控制方式、負荷使用情況等因素，建立充電樁有序運行模型，分析制定充電樁有序運行策略。針對高強度多態(tài)噪聲的快速抑制、寬頻帶多分量快速感知、寬頻帶多分量辨識、時鐘同步技術等關鍵問題，開展分布式光伏并網點寬頻域電能質量同步監(jiān)測技術研究。

圖1 總體技術框架

設計寬頻域電能質量同步監(jiān)測裝置的架構，開發(fā)裝置的單元模塊并進行測試，研制寬頻域電能質量同步監(jiān)測裝備，為新型配電網電能質量機理、分析、治理等技術研究提供最基礎的電能質量監(jiān)測數據支撐。建立光儲充一體化協(xié)調控制模型，研究協(xié)調控制算法，實現電池儲能、充放電樁及光伏陣列的協(xié)同控制及光儲充一體化的穩(wěn)定運行，促進分布式光伏出力就地消納、削峰填谷和源荷友好互動，最大限度地利用光儲充一體化的價值[2]。

2 光儲充一體化微電網系統(tǒng)關鍵技術

2.1 分布式儲能容量配置技術

通過時序生產模擬方法，對配電網運行情況進行模擬計算，充分考慮了電網實際運行中的各種約束條件的影響以及光伏的出力特性，提出配電網關鍵節(jié)點和薄弱環(huán)節(jié)的識別方法。依據縣域電網分布式光伏并網接入方式、網架信息、關鍵節(jié)點的地理位置信息和實際應用需求，提出分布式儲能的布局方法。考慮到配電網促進分布式光伏的就地消納、電網調峰、線路擁塞管理等多個典型場景的目標函數和約束條件，分別構建其儲能優(yōu)化配置模型。分析各典型應用場景發(fā)生的可能性，基于概率抽樣的方法，考慮不同場景發(fā)生的概率，在模型中計以及多種應用場景的目標函數與約束條件，并且考慮了不同電源的運行約束，電網約束以及儲能的運行約束等，構建多場景融合的儲能優(yōu)化配置模型并提出其求解方法。

2.2 充電樁有序運行技術

首先根據微網光伏發(fā)電情況分析其發(fā)電特點，建立光伏、其他基礎用電負荷和儲能設備的微電網能量管理模型，以光伏棄電量最低為目標，基于分時電價引導策略，提出一種光儲充電站的儲能充放電控制方法；其次，基于電動汽車接入充電樁時的剩余電量、電池容量、停車時長、充電需求及充放電功率分析電動汽車充放電行為，以電動汽車充電成本最低及放電收益最大為優(yōu)化目標建立電動汽車充電負荷模型和用戶價格模型。

最后，通過微網光儲充放電控制策略制定的分時充電服務價格，將優(yōu)化后的充電時段劃分為引導峰時段、引導平時段和引導谷時段，建立引導峰平谷時段模型，通過數值表示充電時段的引導峰平谷屬性，在此基礎上解和用戶價格響應模型，建立引導后電動汽車充電負荷模型，提出電動汽車充電樁有序充電運行策略[3]。

2.3 并網點電能質量監(jiān)測技術

通過局部回歸平滑濾波等方法對同步采樣波形數據進行隨機脈沖噪聲檢測與快速抑制；研究基于頻譜門檻值的感知方法等技術，實現寬頻帶多分量快速感知，為其辨識提供先驗信息；研究基于離散傅里葉變換等辨識方法，實現寬頻帶多分量快速辨識[4]；綜合現有同步授時技術，設計適用于寬頻域電能質量監(jiān)測裝置的高可靠性、高精度、滿足泛在接入需求的同步授時方式。設計寬頻域電能質量同步監(jiān)測裝置的架構，主要包括軟件架構、硬件架構、數據存儲、數據接口等；研制寬頻域電能質量同步監(jiān)測裝備，開發(fā)裝置內電能質量監(jiān)測模塊、實時錄波模塊、存儲模塊等各單元模塊，測試單元模塊及集成的整機，并將該寬頻域電能質量同步監(jiān)測裝備應用至黃州區(qū)的示范項目。

2.4 光儲充就地協(xié)調控制技術

首先，綜合分析光伏發(fā)電情況、儲能系統(tǒng)運行情況及電動汽車充放電情況等多方面的運行特性，提出考慮購電費用和蓄電池循環(huán)電量的多目標優(yōu)化調度數學模型。一方面需盡最大可能保證光伏發(fā)出的電量全部自己消納；另一方面，儲能在配合光伏進行電量自消納時盡量減少儲能充放電循環(huán)次數以延長使用壽命；其次，考慮電動車充放電的時間、電動車電池充放電功率和電池所剩容量大小、市電網供電功率、系統(tǒng)負荷功率平衡的約束條件；結合非支配排序遺傳算法NSGA-II算法對建立的多目標優(yōu)化模型進行求解[5]。

最后，結合具體算例，在不同光照和電動車電池初始容量大小條件下，求解出多組最優(yōu)解集；從中選取具有典型性的調度方案，分析光伏各組件功率調節(jié)范圍的合理性，實現分布式光伏就地消納、削峰填谷，最大限度地利用光儲充一體化微網系統(tǒng)的價值。

3 光儲充一體化微電網系統(tǒng)創(chuàng)新點

考慮多場景融合的儲能優(yōu)化配置策略分析：光伏發(fā)電具有較大的波動性、間歇性以及不確定性，尤其是在高比例光伏接入的配電網中，光伏對電網的影響就更為突出，使電網同時面臨促進分布式光伏就地消納、電網調峰、線路擁塞管理等多個場景。然而現有的儲能優(yōu)化配置方法大多針對單一場景，鮮有考慮多場景融合的儲能綜合優(yōu)化配置策略，無法滿足配電網不同應用場景的需求。因此，計及配電網光伏出力特性，基于配電網多典型應用場景，研究配電網多應用場景融合技術，提出考慮多場景融合的儲能優(yōu)化配置策略，是本課題的關鍵點和難點之一。

圖2 光儲充就地協(xié)調控制技術路線

多光伏協(xié)調控制技術：對于多光伏微網，受外界環(huán)境因素的影響，光伏的輸出功率容易存在較大的波動，導致系統(tǒng)功率存在不平衡，僅靠電動汽車充放電協(xié)同控制策略平抑光伏波動仍有較大的不確定性。隨著配電網中多組光伏的接入，多個光伏間的協(xié)調與互補可有效平抑光伏的整體功率波動。對于微網中的多光伏系統(tǒng)，為減小光伏輸出波動對系統(tǒng)可靠性的影響，勢必需要各個光伏協(xié)調控制在不同的運行模式。但目前的大部分研究都僅針對單個光伏自身的控制，較少直接研究多個光伏間協(xié)調控制策略。

4 結語

通過建設光儲充一體化智能微網系統(tǒng)，促進可再生能源就地消納，提高能源利用效率，降低用能成本，提高用電可靠性，達到大樓用電自給自足，余量上網的目的，與大電網靈活互動，實現備用、調峰、需求側響應等雙向服務，助力多能互補與能源互聯(lián)網發(fā)展，促進節(jié)能減排。