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(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引 言

近百年來高碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展導(dǎo)致了地球氣候和環(huán)境的變化，延續(xù)現(xiàn)有的能源生產(chǎn)模式將會(huì)給地球帶來毀滅性災(zāi)難，發(fā)展風(fēng)能和太陽能等清潔型新能源來取代常規(guī)能源，是解決能源危機(jī)、降低二氧化碳排量、控制全球氣候變化、避免地球環(huán)境惡化、保持可持續(xù)發(fā)展的最有效途徑。目前新能源建設(shè)主要發(fā)展

基金項(xiàng)目：國家863高技術(shù)基金項(xiàng)目(2011AA05A119)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51037003)

集中式新能源電廠，集中式新能源建設(shè)存在如下問題：1)集中式的新能源電廠一般遠(yuǎn)離負(fù)荷中心；2)發(fā)電量不確定，隨機(jī)動(dòng)態(tài)變化；3)新能源發(fā)電可控性差；4)新能源并入傳統(tǒng)電網(wǎng)，將給電網(wǎng)帶來較大的沖擊。

為解決上述問題，業(yè)內(nèi)提出了微電網(wǎng)技術(shù)和分布式儲(chǔ)能技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)微電網(wǎng)技術(shù)和分布式儲(chǔ)能技術(shù)做了大量研究，取得了很多有價(jià)值的研究成果，并建立了一些示范工程試點(diǎn)運(yùn)行。研究和試點(diǎn)表明，微電網(wǎng)系統(tǒng)和分布式儲(chǔ)能技術(shù)主要存在如下問題：1)電網(wǎng)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)和分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)缺乏有效的統(tǒng)籌、控制和管理；2)微電網(wǎng)和分布式儲(chǔ)能缺乏與電網(wǎng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)的優(yōu)化運(yùn)行機(jī)制；3)由于電網(wǎng)和微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性不顯著，并存在管理和政策上的障礙，目前缺乏市場(chǎng)推動(dòng)的源動(dòng)力[1-15]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 新概念介紹

所用到的新概念有云儲(chǔ)能、云發(fā)電、云終端和云電網(wǎng)系統(tǒng)。所提到的最終計(jì)費(fèi)用戶是指電網(wǎng)中安裝末端計(jì)費(fèi)電表的個(gè)人或單位用戶。

云儲(chǔ)能是指儲(chǔ)能裝置分布安裝在最終計(jì)費(fèi)用戶地點(diǎn)的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。與現(xiàn)有分布式儲(chǔ)能不同的是單個(gè)儲(chǔ)能裝置容量更小，儲(chǔ)能裝置分布更廣，因儲(chǔ)能裝置總數(shù)大大增加而使得整體儲(chǔ)能容量大大增加。

云發(fā)電是指發(fā)電裝置分布安裝在最終計(jì)費(fèi)用戶地點(diǎn)的分布式發(fā)電系統(tǒng)。與現(xiàn)有分布式發(fā)電不同的是單個(gè)發(fā)電裝置容量更小，發(fā)電裝置分布更廣，因發(fā)電裝置總數(shù)大大增加而使得整體發(fā)電容量大大增加。

云終端是指具有發(fā)電裝置、儲(chǔ)能裝置、終端購電配電控制能力，并受云電網(wǎng)控制中心控制和調(diào)度的最終計(jì)費(fèi)用戶終端。

云電網(wǎng)是在現(xiàn)有集中發(fā)電的基礎(chǔ)上，最終計(jì)費(fèi)用戶使用云終端，構(gòu)成以集中發(fā)電、云發(fā)電、云儲(chǔ)能為主體的電網(wǎng)系統(tǒng)。

1.2 云電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

云電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，云電網(wǎng)主要由控制中心、云終端管理器和云終端組成。控制中心通過通信線路與云終端管理器聯(lián)結(jié)，并通過云終端管理器與云終端聯(lián)結(jié)。通過云終端管理器可以讀取其管理的云終端用電、發(fā)電、儲(chǔ)電等各種數(shù)據(jù)，從而得到整個(gè)電網(wǎng)各云終端的基本數(shù)據(jù)?？刂浦行姆治鲇?jì)算電網(wǎng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)分析處理結(jié)果控制云終端儲(chǔ)能設(shè)備的工作狀態(tài)，選擇儲(chǔ)能或向電網(wǎng)輸能。

首先，創(chuàng)新管理觀念。農(nóng)業(yè)科研管理創(chuàng)新，可以使農(nóng)業(yè)科研更科學(xué)和系統(tǒng)化，符合技術(shù)發(fā)展實(shí)際，有利于技術(shù)研究。

圖1 云電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

云終端控制器由變壓器、逆變器、控制器組成。變壓器從電網(wǎng)取電，并將所取的電轉(zhuǎn)換為220 V/380 V為云終端供電。逆變器與云終端的儲(chǔ)能設(shè)備連接，將云終端所儲(chǔ)的直流電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率、電壓一致的交流電能輸送到電網(wǎng)，完成云終端向電網(wǎng)的輸電能力。控制器通過通信線路與控制中心和云終端聯(lián)結(jié)，通過與控制中心通信獲得控制中心的命令，并向控制中心傳輸云終端的數(shù)據(jù)和狀態(tài)；通過與云終端的通信傳輸控制中心的控制命令，獲得云終端的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

1.3 云終端組成結(jié)構(gòu)

云終端主要由發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、云終端控制器以及其他功能模塊組成，組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 云終端組成結(jié)構(gòu)

圖2中，云終端控制器對(duì)外與云終端管理器通信，接受云終端管理器的控制命令，向云終端管理器發(fā)送本地?cái)?shù)據(jù)；對(duì)內(nèi)與所有其他電路模塊聯(lián)結(jié)，控制各電路模塊的工作模式，讀取各電路模塊的工作數(shù)據(jù)。云終端的負(fù)荷分為交流負(fù)荷和直流負(fù)荷。發(fā)電設(shè)備的電能通過直流變換轉(zhuǎn)換為直流電能，連接供電線路的交流充電電路可以為儲(chǔ)能設(shè)備充電，也可為本地提供直流電源。云終端控制器根據(jù)云終端管理器的控制命令，通過直流選擇開關(guān)選擇發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備或電網(wǎng)之一為直流負(fù)荷供電。發(fā)電設(shè)備通過交流變換將電能轉(zhuǎn)換為滿足本地交流負(fù)荷技術(shù)指標(biāo)的交流電，儲(chǔ)能設(shè)備通過逆變器將所儲(chǔ)電能轉(zhuǎn)換為交流。在云終端管理器的控制下，云終端控制器通過交流選擇開關(guān)選擇發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備或電網(wǎng)供電為交流負(fù)荷供電。當(dāng)電網(wǎng)電能不夠，需要云終端提供電源時(shí)，云終端控制器控制輸電開關(guān)將電能輸送到直流線路，并通過云終端管理器將直流轉(zhuǎn)換為交流上網(wǎng)供電。當(dāng)電網(wǎng)電能過剩，需要云終端儲(chǔ)能時(shí)，云終端控制器控制交流充電電路為儲(chǔ)能設(shè)備充電。

云終端接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)中云終端的發(fā)電設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備既可以為本地負(fù)荷供電，也可以上網(wǎng)供電。在電網(wǎng)中所有的云終端發(fā)電設(shè)備構(gòu)成了云發(fā)電網(wǎng)，所有的云終端儲(chǔ)能設(shè)備構(gòu)成云儲(chǔ)能網(wǎng)。這種帶有集中發(fā)電、云發(fā)電、云儲(chǔ)能的電網(wǎng)形式構(gòu)成了云電網(wǎng)。

2 云電網(wǎng)控制管理和研究內(nèi)容

2.1 控制和管理

云電網(wǎng)的管理與控制是控制中心對(duì)全網(wǎng)的集中式控制與管理，采用集中式分層控制模式，分3個(gè)控制與管理層面，分別為：控制中心對(duì)云終端管理器的管理與控制；云終端管理器對(duì)云終端的管理與控制；云終端對(duì)本地的發(fā)電、用電、儲(chǔ)能與上網(wǎng)的管理與控制。

中心控制系統(tǒng)通過云終端管理器掌握云電網(wǎng)運(yùn)行情況，根據(jù)云電網(wǎng)運(yùn)行情況選擇適合的控制策略，并將控制策略發(fā)給云終端管理器。

云終端管理器接受控制中心的控制命令，根據(jù)控制命令和所管理的云終端的實(shí)際情況，計(jì)算所管理云終端的控制策略，并將控制策略發(fā)送給相關(guān)云終端。

云終端根據(jù)收到的控制命令，對(duì)本地的儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行儲(chǔ)能與送電控制，并對(duì)本地進(jìn)行發(fā)電、配電控制。比如光伏陣列與地面夾角控制；風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速和漿距角控制；光伏、風(fēng)機(jī)的最大功率點(diǎn)跟蹤；儲(chǔ)能設(shè)備在充放電過程中功率、電流、電壓、開始時(shí)刻、結(jié)束時(shí)刻、持續(xù)時(shí)間的控制等等。

通過集中式分層控制與管理，既可以全局把握云終端的海量數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì)算，得到控制策略，又將全網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析與控制策略分析運(yùn)算分配給云終端管理器，從而實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算，有效提高計(jì)算效率，減少系統(tǒng)控制響應(yīng)時(shí)間。

2.2 研究內(nèi)容

云電網(wǎng)系統(tǒng)是建立在現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)上的一種新型系統(tǒng)構(gòu)架，構(gòu)建云電網(wǎng)系統(tǒng)，需要進(jìn)行如下研究：云終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、云終端系統(tǒng)輸配電控制方法、云終端并網(wǎng)技術(shù)、云電網(wǎng)潮流分析方法、云電網(wǎng)通信系統(tǒng)研究、云電網(wǎng)控制方法、云電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究以及云電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析等等。

3 云電網(wǎng)的效益評(píng)估

云終端安裝于最終計(jì)費(fèi)用戶地址，并由最終計(jì)費(fèi)用戶出資，分散了云發(fā)電、云儲(chǔ)能投入資金，不必為云發(fā)電、云儲(chǔ)能規(guī)劃用地，容易解決云發(fā)電和云儲(chǔ)能系統(tǒng)的資金和用地問題，有利于推動(dòng)新能源的大范圍使用。

根據(jù)云電網(wǎng)的需求，云儲(chǔ)能可以用作可控電源，也可以用作可控負(fù)荷。云終端的使用提高了電網(wǎng)的控制能力和調(diào)節(jié)能力，使得電網(wǎng)更加穩(wěn)定和堅(jiān)強(qiáng)。

云終端發(fā)電與負(fù)荷零距離，避免了輸電損耗；云儲(chǔ)能為電網(wǎng)提供備用電源，減少了電網(wǎng)備用發(fā)電容量；云終端從電網(wǎng)獲得的電能大大減少，減少了電網(wǎng)輸電配電容量設(shè)計(jì)?？梢?，使用云電網(wǎng)技術(shù)可以提高電網(wǎng)的效率。

云終端可以孤立運(yùn)行，電網(wǎng)的故障不會(huì)造成云終端停電，提高了最終計(jì)費(fèi)用戶用電的可靠性。

云電網(wǎng)結(jié)構(gòu)只是在現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，在云終端與云終端控制器之間增加了直流線路，其他線路都應(yīng)用了現(xiàn)有電網(wǎng)線路，因此云電網(wǎng)建設(shè)易于在現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)與改造。

4 云電網(wǎng)的可行性分析

云終端的本質(zhì)是現(xiàn)有微電網(wǎng)系統(tǒng)的小型化。微電網(wǎng)系統(tǒng)的研究成果和成功運(yùn)行，為云終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了設(shè)計(jì)參考，為解決云終端設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問題提供了技術(shù)保障。相對(duì)于現(xiàn)有分布式儲(chǔ)能研究，云儲(chǔ)能的儲(chǔ)能終端數(shù)量大大增加，儲(chǔ)能能量要大得多，但是云儲(chǔ)能上網(wǎng)的逆變器位于云終端管理器，云終端管理器在電網(wǎng)的規(guī)模上與已有的分布式儲(chǔ)能成功案例相當(dāng)，因此，現(xiàn)有的分布式儲(chǔ)能研究成果和成功運(yùn)行案例為云儲(chǔ)能建立了研究基礎(chǔ)。

現(xiàn)有的分布式儲(chǔ)能技術(shù)和分布式發(fā)電技術(shù)為云發(fā)電、云儲(chǔ)能技術(shù)提供了研究基礎(chǔ)，也驗(yàn)證了云發(fā)電、云儲(chǔ)能的可行性?，F(xiàn)代通信技術(shù)和控制技術(shù)為云電網(wǎng)提供了成熟的通信手段和控制方法。因此，基于云儲(chǔ)能、云發(fā)電、云終端、現(xiàn)代通信技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的云電網(wǎng)系統(tǒng)不存在無法解決的技術(shù)難題，具有可行性。

5 結(jié) 語

1)基于云儲(chǔ)能、云發(fā)電集中控制的云電網(wǎng)系統(tǒng)為推廣使用新能源提供了新的方法，為最終計(jì)費(fèi)用戶大規(guī)模使用清潔新能源并上網(wǎng)提供了新方案。

2)集中式分層控制模式是云電網(wǎng)通信、控制和管理的有效方法。通過集中式分層控制模式，云電網(wǎng)控制中心可以獲得全網(wǎng)數(shù)據(jù)，并對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行有效控制。

3)云電網(wǎng)的應(yīng)用，可以推動(dòng)清潔能源的大規(guī)模推廣使用，提高電網(wǎng)效率，減少電網(wǎng)備用容量，使得電網(wǎng)更加堅(jiān)強(qiáng)與穩(wěn)定。云電網(wǎng)建設(shè)易于在現(xiàn)有電網(wǎng)上升級(jí)與改造。

4)微電網(wǎng)研究和分布式儲(chǔ)能研究的應(yīng)用案例為云電網(wǎng)研究提供了研究基礎(chǔ)，證實(shí)了云電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的可行性。