集群可再生能源發電協同調度技術及應用分析

國網湖南省電力有限公司邵陽供電分公司 阮馳騁

能源不僅是工業發展的基礎，同時也直接影響大眾的日常生活。隨著科技水平的不斷進步和發展，當前，清潔能源成為支撐行業發展的主流。大面積應用和推廣清潔能源，不僅可以有效緩解我國經濟迅速發展和能源利用之間的矛盾，同時也符合我國未來幾十年的發展綱要規劃。在我國的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006~2020年）》中，已經明確提出了我國要大量發展可再生能源，通過開發集群電網以及優化并網技術來有效緩解我國電力供應質量下降的問題。

當前，應用規模較大且滲透率較強的分布式發電并網技術已成為國際社會的研究重點。但考慮到分布式電網系統的波動性較強，無法有效迎合我國的大規模發電需求。在此基礎上，有必要大規模推廣和發展分布式發電集群技術，應用該技術來有效提升電網并網質量，迎合我國的大規模供電需求。進而在此基礎上產生了分布式發電集群概念，應用該技術，不僅可顯著提升電網發電質量，同時也可充分利用可再生能源。

分布式可再生能源發電集群可實現靈活并網，通過提升電網的接入質量和對電網系統進行優化調度，可進一步提升電網系統的滲透率。借助分布式集群發電項目，可解決過去并網過程中接入困難的問題，還可有效提升變流器的效率，進一步提升電網的并網性能。此外分布式集群發電項目還可實現電網的群控群調，在我國多個省區市內都有著廣泛的應用，對促進我國電力行業進步和發展具有顯著意義[1]。

1 分布式發電集群和微電網的比較

微電網技術最初是由美國威斯康辛大學萊斯特教授提出的，之后很多學者都對其展開了深入研究和分析。當前微電網技術憑借其靈活性強、高效以及容易擴張等優勢，為電力新技術的應用創造力了有效環境。根據微電網技術的含義可知，所謂的微電網技術實質上可將其看作是由分布式發電、負荷、儲能裝置構成的，接近用戶側可為非用戶提供穩定電力供應的電網集群。雖然微電網也屬于電網集群，但是和分布式發電機集群進行對比和分析發現，雙方依然存在一定的差異。

構成元素差異分析。分布式發電集群核心構成元素為分布式發電單元，在分布式集群內部除儲能裝置外還擁有負荷以及控制裝置。但負荷和控制裝置都不占據主導地位，占據主導地位的裝置為分布式發電系統，其作為集群的主體是核心的控制對象。而微電網是由能源、儲能、負荷裝置構成的整體，接近用戶側，為用戶提供穩定電能[2]。

劃分原則差異。就微電網來說，其距離相對接近。主要借助一些公共連接點和上級網絡相連接，可將微電網視作一個小型的電力供應系統。但分布式發電集群在進行集群劃分的過程中，除要考慮不同單元區域的地理位置，還要考慮空間和時間等因素。分布式發電集群可顯著提升電網供能質量和穩定性。

運行模式差異分析。分布式發電集群可對分布式發電單元進行有效整合，從而提升電網集群調度和管控難題，基于此導致集群工作須在并網運行狀態下開展。但微電網不同，憑借自身的自治性特征可實現發電和用電的平衡。

能量流動方向的差異。無論是分布式發電集群還是微電網都非常注重功率平衡，從而實現對可再生能源的高效率消耗。但分布式發電集群核心運營方向在發電，由此導致在一定條件下，分布式發電裝機容量要顯著超過區域最大負荷，進而出現各類問題。因此，對于上一級的電網系統，分布式發電集群的電源功能更加顯著。微電網系統的核心在于滿足用戶的用電需求，但其整體負荷是較低的。

2 分布式發電集群的劃分指標

對分布式發電集群進行劃分，其核心目的在于實現對分布式電源的有效調度和靈活并網。應用分布式電網集群來進行電網控制的過程中，要重點考慮電網運行模式、響應特征及調節速度等因素。在電網系統中，電壓的靈敏度等因素非常容易受到時間動態變化的影響，鑒于此需對集群劃分指標進行研究。通過對集群劃分指標的研究和分析，可有效減少存儲空間、減輕工作人員建模所需時間。鑒于此，在劃分分布式發電集群的過程中，要綜合考慮分布式電源的空間分布、調控能力、響應特征及運行方式等特征。

2.1 有功和無功調節容量

在進行有功和無功調節容量的過程中，主要依靠對容量的調節來檢驗分布式電源的調節能力，進而對進入到集群內的分布式電源進行挑選[3]。則其公式如下其中的表示在某一時刻分布式電源的最大有功和最大無功。

2.2 集群綜合評估指標

圖1為集群綜合評估指標體系，該框架體系共有四個不同層級，其中最高層稱為總目標層，在該目標層可實現對集群的綜合評估。第二層為對象層，其目的在于明確評價對象為分布式電源集群并網后的系統自身或分布式電源。第三層作為準則層，對指標體系整體構架決策具有重要意義。第四層處于最低層級，稱為措施層，其核心目的在于對應綜合評價指標的具體評價指標[4]。

根據分布式電源集群并網的核心要求分析可知，一般處于電網側的指標主要由集群特征指標、經濟性指標及電能質量指標。其中集群調整指標的核心功能為評價和分析分布式電源的整體利用情況，對其波動性等特征因子進行分析。其具體評價指標包含集群式電力均衡、能量滲透率、容量滲透率；經濟性指標是對集群網網損進行綜合評價的具體指標，其中以集群網損為主要指標、以集群網的網損為標準。位于電源側的準則層則更加注重經濟因素，重在確保分布式電源投資人的收益，其評價指標由內部收益率和動態投資回收期構成[5]。

3 集群可再生能源發電協同調度技術及分布式可再生能源發電集群示范應用

3.1 集群靈活并網群控群調技術

歐美各國都在進行分布式并網協調控制方面的工作。近年來在配電網中引入分布式電源后，如何進行區域最優調節已成為國內外學者和機構關注的焦點。丹麥奧爾堡大學、西班牙加泰羅尼亞理工大學開展了一項關于分布式電力系統的自主控制的研究工作，并在此基礎上搭建了一個支持分布式自主控制的智能試驗平臺。英國愛丁堡大學在電力系統的基本原理和區域協調優化等領域進行了大量具有代表性的研究。

在我國，清華大學已進行了大量有源電力系統的區域協同調節和集群化的自主管理，及電力系統先進應用軟件的研制。中國電科院和清華大學聯合研制了大規模太陽能發電及風力發電的群控系統。但現有電力系統控制策略不能很好地解決電力系統單機控制能力和集中控制通信負荷的問題，因此如何利用自治—協作的群控群調技術、實現電力系統的靈活并網和高效率的消納是今后的重點研究方向。

3.2 群控群調技術

現階段的群控群調技術主要存在以下問題：電力相對分散。波動性強及極高的電網投退和脫網風險。針對以上問題，學者通過建模提出構建以“自治、協作”為核心的分布式電力系統分層和分級群控群調系統。在該系統中主要采用主配—配網—集群三層協調調控架構，有效打破了區域性高滲透率分布式發電集群靈活性較差等問題，對提升并網靈活性和協調控制穩定性具有重要的意義和作用。

此外有學者發現，針對分布式發電集群網絡可應用時空技術來實現電網系統的實時響應，即根據電力系統的時間－空間相關對電力系統進行電力系統的實時動態控制。應用該技術，從而為分布式發電集群的自主控制提供了預測數據。針對分布式集群電力系統來說，通過局部快速控制可顯著提升集群系統的運行控制能力，對提升并網接入能力非常重要。此外針對用戶電源型集群，可通過少量的信息優化算法來進一步提升集群運行效果和質量。

通過集群自治控制方法和技術可顯著提升電力系統的穩定性，避免電力系統出現大規模的波動，降低其脫網風險。在開展集群內部協同控制的過程中，為顯著降低電網系統的成本費用，對并網容量進行擴容，技術人員構建了一種以不同特征為核心的集群有功-無功調度模型，并利用二階錐松弛技術對潮流方程進行了凸化松弛。

3.3 國外示范應用現狀

現階段，在全世界范圍內應用太陽能等可再生能源進行發電已成為必然趨勢。以美國為例，美國政府鼓勵和倡導地方各州的家庭應用家庭太陽能進行發電。在上世紀九十年代美國已發展了近百萬的太陽能家庭電站。到上世紀90年代日本開始逐步推廣和應用屋頂太陽能工程，截至目前已安裝近7600兆瓦太陽能，在2002~2008年由日本新能源與產業技術發展組織（NEDO）進行的一次關于2MW以上的分布式光伏系統的示范試驗，其中3~5kW的太陽能電池被連接到200V的低電壓線路上。德國自從推行100000個太陽能屋頂發電工程項目后，已得到廣泛應用，在發電量最大時可滿足當地家庭大部分的電力需求。現階段德國已建成占地40000多平方公里、年發電量達450萬千瓦/小時的屋頂太陽能光伏系統，其規模和技術水平都是世界上最先進的。

3.4 國內集群示范應用發展情況

我國也是分布式集群電力產業發展的重點國家，隨著政府部門出臺一系列的相關政策，大幅度促進了分布式可再生能源發電項目的發展。當前我國已充分具備分布式發電集群應用的條件，尤其是我國政府在出臺鄉村振興戰略后，我國農村區域的分布式發電量需求呈現不斷攀升態勢，進而為我國的電網運營提出了全新的要求。

以安徽金寨縣為例，是我國開展分布式發電集群的重要示范縣，該區域充分利用風能、光伏能源及生物能源進行發電，利用農村家庭屋頂構建各類小型發電站。據不完全統計，金寨縣用戶光伏發電數量可達到26.02兆瓦，村集體的光伏發電站發電量可突破30兆瓦。但金寨縣整體的分布式集群發電產業卻存在接入相對分散及供應協調性不足等問題。鑒于此，當地電力產業應用群控群調技術，通過增加并網設備、完善電力質量監控管理水平等方式提升金寨縣的用電集群規劃效果，實現靈活并網，同時也針對該區域的電力潮流分布情況進行了完善，顯著提升了當地的供電穩定性和效果。在應用上述技術后該區域的低壓臺區線路損耗率顯著下降，同比下降4個百分點。

綜上，當前正處于我國可再生分布式集群技術飛速發展的關鍵時期，政府部門為更好地促進我國電力產業的進步和發展，通過出臺各類利好政策，使得分布式發電技術在區域化、園區化、規?；⒓夯确矫娴玫搅搜杆侔l展。和傳統發電技術對比，應用分布式可再生集群技術進行發電，可在提升供電質量和供電效果的同時促進電力行業全面發展。在不久的將來，分布式可再生集群發電技術將成為發展趨勢。應用該技術可有效支撐高密度分布式能源消納最大化，真正推動智能電網技術創新、支撐能源結構清潔化轉型和能源消費革命，助力我國智能電網技術領域的發展和進步。