智能電網對于現代電力系統的需求與響應研究

唐黃正 朱志偉

(長沙民政職業技術學院 湖南長沙 410004)

隨著我國企業技術的不斷進步，各大制造企業智能化程度越來越高，各種自動化機器及設備數量大增，對電力的需求也急劇增加。由于不能滿足日益增長的需求，因此用于發電的集中式電力系統會在負載側產生波動。電力公司對于增加發電量和輸電線路感到很大的壓力，消費者對目前的可用電力狀況也并不完全滿意，尤其是在發展中國家[1]。圖1是中國近年來每年的能源消耗量，可以看出消耗量是急速增加的，這表示對能源的需求也是越來越多的。

圖1 中國歷年能源消耗量

因此，分布式發電是為特定地區發電的重要手段之一，它是環保的，因為它能最大限度地減少有害氣體的排放。微電網由發電機組組成，發電能力從幾千瓦到幾兆瓦，利用可再生能源，如太陽能、風能、生物質能等，也可以使用化石燃料，如煤、天然氣、石油等運行。微電網的運行有兩種基本模式，一種是自治模式，另一種是非自治模式[2]。

在電力系統規劃和運行中，需求響應是影響電力系統運行的重要因素之一。當前，運用在現代電力系統智能電網當中的新興技術——可再生能源（RER）技術，對滿足當前能源需求起著至關重要的作用[3]。目前各種需求響應配電方案得到了廣泛應用，降低配電電壓就是其中之一。該文討論了需求響應對智能電網的影響，基于再生能源技術（沼氣、太陽能、風能）提出一種算法，以滿足不斷增長的電力需求。總體來說，微電網是智能電網的一種形式，它為負載提供電力，由智能能源管理系統控制。

1 電力系統需求與響應目標

電力系統的需求與響應的目標如圖2所示。

圖2 電力系統需求與相應目標

（1）規劃發電需求量，在此目標下，如果能夠較好地規劃電力需求量，不生產過多電力，電力系統輸配電的需求和損耗之和都會減少。影響此目標的因素有很多，例如發電成本，能源的利用率及整個系統的可靠性。

（2）提高電力系統整體可靠性，在此目標下，保持不同時段負荷的供需平衡，使用電高峰期能夠提供足量的電能，用電低谷期能將多余的電能進行儲存或利用。

（3）消除電力系統的過載，在此目標下，通過先進能源管理系統（EMS）來減少電流的溢出，從而使電力系統不超負荷運行。

2 微電網需求與響應網絡設計

分布式發電指利用分散各地的多種能源，包括可再生能源以及化石能源等，進行發電的一種技術。常用的微電網系統如圖3所示，一般使用常見的太陽能、燃油、風力進行發電[4]。一方面，可以將微電網看成是一種小型的電力系統，能夠在局部區域內對多種能源進行協調，從而實現功率平衡[5]；另一方面，可以將微電網看作大電網的一個組成部分，從大電網吸收功率或向大電網釋放功率。因此，通過微電網內部協調分布式能源的方式可以有效提高新能源利用率。非并網的孤島運行模式也有很好的應用前景，可以解決邊遠地區、海島等常規電網等大電網難以部署的地區的供電問題。

圖3 常用微電網系統

微電網一般包括兩種控制模式，即并網和孤島模式，具體架構如圖4所示。微電網處于并網模式時，會與大電網有一個公共連接點或互連點，能夠無縫的從并網模式過渡到孤島模式。在大電網發生故障等緊急情況下，微電網能夠在“并網+孤島”間相互切換的運行方式，很大程度上提高了供配電系統的彈性[6]。

圖4 微電網控制模式

該文提出的需求與響應算法可以在微電網非自治模式下實現。在此模式下，微電網作為電力公用設施的備用系統。這些分布式發電機組與電力公用設施一起安裝，通過維持電壓水平或提供功率來降低特定時間內的峰值需求，從而為發電廠提供電力。在某些特定地方，如具有豐富風能、水能等資源的地方安裝微電網，可以降低發電成本，能夠分擔公用電力設施的運行負荷。微電網的一個基本也是非常重要的特點是，其可以在孤島模式下運行[7]，從而免受故障干擾，影響其運行安全性。

2.1 需求響應潮流網絡

圖5 為電力和控制需求與響應電力網絡，微電網中央控制器（MGCC）通過本地控制器（LC）將連接電力設施和負載連接起來，利用可再生能源（RER）和其他小型電力生產能源發電，連接到本地控制器，為其連接的負載供電。其中用于發電的能源很多為可再生能源，如風能、生物質能（如沼氣）、氫能、太陽能等。

圖5 可再生能源微電網

2.2 TCP/IP控制網絡

分布式電源控制器稱為本地控制器，微電網中央控制器從主電網接入本地控制器進行電源管理。如圖6 所示，智能TCP/IP 控制網絡將微電網中央控制器與本地控制器連接在一起。在電力需求高峰時段，智能本地控制器通過TCP/IP 網絡電纜向微電網中央控制器發送請求，使用TCP/IP通信協議進行通信。

圖6 微電網控制網絡

在圖6 的TCP/IP 控制器網絡中，智能微電網中央控制器可以通過本地控制器檢查公用電網中的可用電能，然后通過本地控制器對負載進行供電。如果負載所需求的電能是可用電能，那么微電網中央控制器會向負載發送信號，接著本地控制器就會向負載傳輸電能；如果與負載直接連接的本地控制器電能儲備不夠的話，就會給其他的本地控制器發送請求，傳輸所需求的電能，從而實現智能調節。

研究人員設計電網控制方案的最終目標是在不同情況下為負載提供平穩可靠的電能，實現電網智能減載。

3 需求響應算法

圖7 是需求響應算法流程圖，其流程如下：（1）微電網中央控制器（MGCC）通過使用TCP/IP協議發送連接命令來檢查已連接的本地控制器（MGLC）；（2）微電網中央控制器將本地控制器在連接負載高峰時段和正常時段的電力需求記錄到數據庫中；（3）本地控制器將實時電力需求與接入到其上的負載電力供應進行比較，如果電力需求大于電力供給響應，本地控制器會向微電網中央控制器發送請求，以得到所需電力，如果電力需求小于電力供應，則會給微電網中央控制器的可用電力數據庫發送更新請求；（4）如果微網中心控制器不能滿足當前本地控制器接入負載的需求，則微網中心控制器將進行智能減載；（5）微電網中央控制器通過關閉低優先級的本地控制器負載，然后關閉第二優先級負載等方式實現智能減載，直到供需不平衡為止。

圖7 需求響應算法

該文使用符號PMGCC表示微電網中央控制器接入公用電力設施的功率；使用PLC表示本地控制器從自身接入的可再生能源中產生的功率；PD表示接入負載的功率需求。需求響應狀態如下。

情況1：PLC＞PD。在這種情況下，本地控制器通過微電網中央控制器使用TCP/IP 協議向電力公司發送供電請求。

情況2：PLC＜PD。這種情況下，本地控制器會向微電網中央控制器發送所需電力的請求。

情況3：PLC+PMGCC≥PD。在這種情況下，微電網中央控制器將在本地控制器的幫助下執行智能減載。

4 結語

在現代生活方式中，對能源的需求與日俱增，產量也隨著需求的增加而增加。因此，在現代電力系統中，相關工作者必須重視能源管理系統，以滿足快速增長的能源需求，以保證工業和家用電力負荷的平穩運行。微電網需求響應技術是一項新興的技術，它可以在世界能源需求中發揮眾多重要的作用，有效的負載管理技術為克服能源不平衡提供了契機。需求響應技術還提供了在用電高峰和正常時段滿足不同連接負載需求的機會。非自治微電網的需求響應技術提高了電能質量，有利于人們的生產生活，保證了對負荷的可預測性供電，非常適用于醫院、大學、國防等關鍵場所。