智能微电网运行控制的研究

王福禄, 杨军亮

上海电气输配电集团技术中心 上海 200042

1 研究背景

微电网集成了分布式电源、储能系统、能量转换装置、监控和保护装置、负荷,通过自我控制和自我能量管理,协调分布式发电与大电网之间的矛盾,代表了未来能源的发展趋势[1-2]。随着智能电网的建设和发展,人们对微电网控制技术提出了灵活性、高效性和智能化等要求[3]。智能微电网旨在实现中低压配电系统层面上分布式能源的灵活、高效应用,解决数量庞大、形式多样的分布式能源无缝接入和并网运行时的主要问题,同时具备一定的能量管理功能,可以有效降低系统运行人员的调度难度,并提升可再生能源的接入能力[4-5]。

智能微电网作为未来智能电网的重要组成部分,既可与公共电网并网运行,又可孤立运行。智能微电网在孤岛过渡期间及孤岛运行模式下,相当于一个自治系统,其稳定性、安全可靠性及电能质量等由自身控制系统调节。可见,采取合理的控制策略和控制方法,是保证智能微电网稳定运行的必要条件,笔者对智能微电网的运行控制进行研究[6-7]。

2 分布式电源接入对电网的影响

接入电网的分布式电源根据不同领域,可以有多种分类方式。按能源的种类划分,分布式电源主要有风力发电、光伏发电、储能系统、地热能发电、生物质能发电及微型燃气轮机等。大量分布式电源接入配电网,将使配电网由单电源辐射型网络变为多电源复杂网络,改变中低压配电网潮流的大小和方向,从而对配电网的电能质量、电压分布、供电可靠性及运营管理带来影响[8-9]。

2.1 电能质量

风力发电、光伏发电等分布式电源通过电力电子器件接入电网,电力电子器件运行时需要频繁的开关操作,将产生大量以开关频率为倍数的谐波,进而产生谐波污染。谐波会增加电网设备的功率损耗,使旋转设备发热,缩短设备的使用寿命等。随着渗透率的提高,由于自身功率波动特性、调度技术等问题,还可能会引起电压波动或闪变,加重谐波污染等电能质量问题。

2.2 继电保护

分布式电源接入中低压配电网后,由于配电网变为多源复杂网络,故障发生后会改变短路电流的大小和方向,电压和短路电流的分布也会受到一定影响,给继电保护装置的正常运行带来多种问题。当电流保护位于分布式电源上游,短路故障发生在下游时,分布式电源会因短路电流减小、灵敏度降低而导致线路保护拒动。当相邻线路发生短路故障时,下游分布式电源提供反向短路电流,可能使继电保护装置失去方向性而误动作。当线路发生故障而分布式电源未解列时,会导致非同期合闸,产生冲击电流,进而导致重合闸不成功。对于以上问题,如原有继电保护装置运行方式不做调整,则将严重影响配电网的安全运行。

2.3 供电可靠性

当大电网发生故障时,微电网可以解列为孤岛运行。如果微电网内电源的总容量大于系统内关键负荷容量,那么分布式电源可以继续保证孤岛内负荷的供电,提高供电可靠性。另一方面,分布式电源的容量大小、安装位置、接线方式、控制策略若不恰当,则可能会出现电力供需失衡、电压波动等问题,给配电网的供电可靠性带来不利影响。

2.4 运营管理

电网中分布式电源大量使用,使配电系统在规划时对负荷增长情况预测的难度加大,影响配电系统规划的合理性。由于微电网内分布式电源投切的不确定性,电网公司为保证分布式电源停运后系统正常运行,需留出一定备用容量,从而增加投资和运营成本。微电网并网后,给配电网的规划建设、市场运营、检修维护带来一系列影响,使配电网调度、运行管理难度进一步提高。

3 智能微电网运行控制架构

智能微电网通过对不同输出特性的分布式电源逆变器有效控制,保证智能微电网稳定运行。常用的逆变器控制方法有恒功率控制、恒压恒频控制和下垂控制[10]。微电网的协调控制策略主要分为主从控制、对等控制和分层控制。智能微电网运行控制架构采用分层控制模式和能量管理系统相结合的协调控制策略,分为三层,分别为调度管理层、集中控制层、就地控制层[11-12],如图1所示。

图1 智能微电网运行控制架构

3.1 调度管理层

调度管理层接收集中控制层上传的监控信息,负责总体运行监控和调度管理。基于智能微电网联络线路可控的考虑,将智能微电网作为配电网的可控单元,接受调度中心的控制。通过配电网与智能微电网的信息交互,将智能微电网内的各类运行参数和设备状态上传至调度中心,实现对智能微电网的统一调度。

3.2 集中控制层

集中控制层分为能量管理系统和中央控制系统两部分。

能量管理系统由监控与数据采集系统、能量管理平台组成。监控与数据采集系统主要对智能微电网内所有装置、设备及大电网进行监视和控制,实现数据显示、设备控制、参数调节、历史回溯及各类信号报警等功能。能量管理平台实现对智能微电网内各分布式电源的优化调度和合理分配输出,调节负荷及各种设备运行,通过能量调度、分布式发电功率预测、负荷预测、状态评估、安全分析和电能质量管理等功能,实现冷、热、电等能源的综合优化,以满足安全性、可靠性和供电质量要求,实现智能微电网的优化运行。

分布式发电功率预测截图如图2所示,负荷预测曲线如图3所示。

图2 分布式发电功率预测截图

图3 负荷预测曲线

中央控制系统通过协调分布式电源、储能和负荷的输出与运行方式,控制智能微电网的运行状态,维持不同运行模式下智能微电网的电压和频率稳定,保证对负荷的优质供电。智能微电网中央控制系统包括并网功率交换控制、模式切换控制、离网下稳定控制和黑启动控制等功能。

3.3 就地控制层

就地控制层由负荷控制器、数据采集器、中央控制器等组成,主要功能是将智能微电网内各分布式电源、储能、负荷等设备的运行工况数据上传至中央控制系统,同时根据中央控制系统下达的控制指令实现就地控制,是控制策略的执行端。

4 智能微电网运行控制策略

智能微电网中多种分布式电源组网、并联运行,需要通过有效的运行控制策略,根据分布式电源运行特性、上级调度需求和经济优化控制的需求,调节各分布式电源的运行状态,保证智能微电网的经济优化运行[12]。

4.1 并网点功率交换控制

当智能微电网并网运行时,监控与数据采集系统接收调度系统指令,要求微电网与大电网进行功率交换控制,控制联络线功率在设定值内。控制器接收到监控与数据采集系统下发的公共连接点功率设定值,协调各分布式电源的功率输出,对储能进行充放电控制,对负荷进行投切,对光伏发电进行限功率控制或者最大功率点跟踪控制,使微电网与大电网的交换功率控制在设定值内。

具体实施时简化为两种情况。第一种是当智能微电网输出有功功率高于上限或者吸收有功功率低于下限时,中央控制系统采取提高储能装置充电功率、增大负荷用电、降低分布式电源输出等方式,降低智能微电网输出功率或提高智能微电网吸收功率。第二种是当智能微电网输出有功功率低于下限或吸收有功功率高于上限时,中央控制系统采取提高分布式电源输出,提高储能装置放电功率、减小负荷用电等方式,提高智能微电网输出功率或降低智能微电网吸收功率。

4.2 模式切换控制

智能微电网的运行模式主要有并网运行模式、孤岛运行模式、并网转离网运行模式和离网转并网运行模式等。

并网模式指智能微电网通过公共连接点与大电网相连,与大电网进行功率交换。为提高可再生能源利用效率,微电网电源一般以最大输出运行,储能装置将起到平抑电源输出波动、削峰填谷等作用。同时,各分布式电源将按照中央控制系统下达的调控指令调节,确保联络线路输送功率在规定的范围之内运行。

孤岛运行模式时,中央控制系统执行孤岛运行控制策略。一般将可控的微电网电源,如储能、柴油发电机等作为微电网主电源,以恒压恒频方式运行,其它分布式电源和储能装置则根据中央控制系统下达的指令调节各自的运行输出,实现智能微电网内部电力供需平衡。当分布式电源和储能装置的调节能力不足时,中央控制系统将下达分布式电源或负荷投切指令。

并网转离网模式分为计划性离网控制和非计划性离网控制。当进行计划性离网控制时,中央控制系统接收到并网转离网指令后,调节主电源使并网点电流或交换功率降低至允许范围内,断开并网开关,设定主电源运行模式,保证平滑的切换控制。当监测到配电网异常,并满足允许离网的条件时,启用并网到离网转换程序,实现非计划离网。

离网转并网模式时,中央控制系统接收到离网转并网指令,系统实时监测电网的电压幅值、频率等状态,对智能微电网主电源的输出电压幅值、频率及相位进行调节,并进行同期条件判断。满足同期条件时,闭合公共连接点开关,同时主电源切换工作模式,进行平滑的切换控制,防止因切换电流冲击过大而导致保护动作。

4.3 紧急控制

智能微电网具备紧急情况下的稳定控制功能。当智能微电网并网运行时,频率和电压由配电网支撑,具有较高的可靠性。当智能微电网离网运行时,由于系统可调容量有限,若出现频率或电压异常,则中央控制系统可以按照既定的紧急控制策略采取切机或减载等操作,尽可能使智能微电网恢复到正常状态。

4.4 黑启动控制

智能微电网的黑启动控制具有不同的启动策略和次序,启动策略由中央控制系统根据当前运行状态,结合风光发电预测与负荷预测结果,综合判断选择。黑启动控制要求在稳定系统电压、频率的同时,兼顾系统运行的经济性,在最大程度上利用新能源分布式电源完成系统黑启动。

5 结束语

随着一系列国家政策法规的鼓励和引导,我国智能微电网技术通过科技项目、示范项目和扶贫项目等方式进行了研究开发和应用实践。针对国内外边远地区、海岛和城市等场景,智能微电网有巨大的市场应用空间。笔者通过分析分布式电源接入对配电网的影响,提出基于分层控制和统一调度的智能微电网运行控制架构,并详细介绍了控制策略。笔者所做研究可以为智能微电网的应用提供参考。