趙長樂,劉天羽,江秀臣,盛戈皞,宋學(xué)偉,范亞楠
(1.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院,上海 浦東新區(qū) 200120; 2. 上海交通大學(xué)電氣工程系,上海 閔行 200240)
隨著能源消耗不斷增加,霧霾等污染天氣、生態(tài)環(huán)境的日益惡化,國家大力推進(jìn)可再生能源的開發(fā)與利用。分布式新能源并網(wǎng)滲透率的提升一方面依靠堅強(qiáng)穩(wěn)固的配電網(wǎng)架構(gòu)和科學(xué)的運行管控,另一方面,超前合理地規(guī)劃電網(wǎng)電源容量、站點選址、接入方式以及冷熱電聯(lián)產(chǎn)(combined cooling heating and power)的多能互補(bǔ)的產(chǎn)出利用也是未來提升新能源利用率的重要方式。微電網(wǎng)屬于區(qū)域電網(wǎng)能源管控的子中心,并網(wǎng)運行和孤島運行的雙工方式增加了其能源主動管理的活動裕量,園區(qū)型微電網(wǎng)是多能互補(bǔ)、多源協(xié)調(diào)、集中與分布式結(jié)合、供需友好互動新型能源的消費平臺,為未來配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的重要領(lǐng)域。
對于微電網(wǎng)內(nèi)部電力設(shè)施配置,文獻(xiàn)[1]給出了分布式電源和儲能配置,一次系統(tǒng)網(wǎng)架方案、微電網(wǎng)保護(hù)配置、二次監(jiān)控系統(tǒng)等領(lǐng)域的可行的解決方案。文獻(xiàn)[2]針對現(xiàn)有新能源電站穩(wěn)定運行控制難、配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制靈活性較差以及發(fā)電利用效率低等問題,提出了新能源電站保護(hù)控制層、配電網(wǎng)調(diào)度控制層和新能源電站并網(wǎng)接入層的層次化結(jié)構(gòu)研究模式和整體解決方案。文獻(xiàn)[3]提出一種含分布式電源的配電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)和需求側(cè)可中斷負(fù)荷響應(yīng)相互配合的優(yōu)化規(guī)劃模型,用于傳統(tǒng)被動配電網(wǎng)向主動配電網(wǎng)的過渡。文獻(xiàn)[4]采用國際組織及機(jī)構(gòu)的先進(jìn)理念、方法和工具,描述了全球能源互聯(lián)網(wǎng)概念模型和參考框圖。文獻(xiàn)[5]在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的基礎(chǔ)上,提出了一種更符合能源互聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)的拓?fù)淠P汀?/p>
由上述分析可看出現(xiàn)有文獻(xiàn)對微電網(wǎng)內(nèi)容規(guī)劃、過渡實施以及組建以微電網(wǎng)為基礎(chǔ)的能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了大量的研究論證,但缺乏對微電網(wǎng)轉(zhuǎn)化到綠色能源網(wǎng)最終過渡到能源互聯(lián)網(wǎng)這個過程中系統(tǒng)的資源配置分析和可行的指導(dǎo)方法。本文借助“能源路由器”、混合儲能系統(tǒng)、交直流混合配電網(wǎng)以及源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)調(diào)控制技術(shù)對園區(qū)型微電網(wǎng)規(guī)劃階段展開分析討論,綜合目前國內(nèi)外對微電網(wǎng)理論技術(shù)研究的成果和國內(nèi)微電網(wǎng)示范工程實施的情況,給出園區(qū)型智慧微電網(wǎng)一般的優(yōu)化配置方法。
園區(qū)型微能源網(wǎng)概念[6]:靈活接納MW級多點接入的分布式電源和各種能源形式,全面整合分布式的電源、儲能、冷熱源等多種分散能源形式的能量信息,實現(xiàn)多種能源協(xié)調(diào)控制和綜合能效管理,達(dá)到能源的分散供給和網(wǎng)絡(luò)共享的園區(qū)型微網(wǎng)。園區(qū)型微電網(wǎng)是城市主要建筑群、中大型產(chǎn)業(yè)園的集中發(fā)輸變配電的重要供電系統(tǒng)打造智能、綠色、節(jié)能型的園區(qū)型微電網(wǎng),滿足高可靠性、高質(zhì)量的供電需求,在區(qū)域內(nèi)建設(shè)高可靠性的能源供給、多種能源的綜合經(jīng)濟(jì)利用和園區(qū)高比例的清潔能源接入。傳統(tǒng)能源利用率低,供能方式單一,傳統(tǒng)能源的補(bǔ)給不能滿足綠建區(qū)建設(shè)理念。只有建設(shè)園區(qū)型微能源網(wǎng)通過對園區(qū)能源綜合調(diào)度、能量管理及信息流驅(qū)動能量流的方式才能在能源方面滿足綠建區(qū)建設(shè)提出的高定位及目標(biāo),高可靠性地實現(xiàn)能源供應(yīng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和示范性。
在社會發(fā)展所需的負(fù)荷變化的基礎(chǔ)上,采用多分段適度聯(lián)絡(luò)的接線完善傳統(tǒng)配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu),提高供電可靠性。建設(shè)高性能的開關(guān)站和柔性直流換流站,引入柔性直流與交流混合的配電網(wǎng)和可應(yīng)對多種不同類型能源接入的“即插即用”裝置,讓可再生能源網(wǎng)和配電網(wǎng)互聯(lián)互供。把太陽能、風(fēng)能、儲能系統(tǒng)和電動汽車柔性負(fù)荷等資源整合成微電網(wǎng)[7]。采用“源-網(wǎng)-荷-儲”協(xié)調(diào)控制技術(shù)讓分布式的儲能、柔性負(fù)荷、光伏、風(fēng)電能通過即插即用裝置更好地參與電能的整合與分配,讓“虛擬發(fā)電機(jī)”更好地配合電力微系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。引入光伏發(fā)電、太陽能空調(diào)、地源熱泵等清潔能源,利用冰蓄冷、液流電池、鋰離子電池、鉛酸電池進(jìn)行能量調(diào)節(jié),通過合理布局建立基于綜合能源的園區(qū)型微網(wǎng)。通過園區(qū)綜合能源管理系統(tǒng)對分布式冷、熱、電能進(jìn)行監(jiān)控管理和合理調(diào)度,提升公共服務(wù)能力,實現(xiàn)綠建區(qū)內(nèi)多種能源的經(jīng)濟(jì)運行[8]。利用綜合能源調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)能源的可視化監(jiān)控,一方面切實提升園區(qū)能量管理水平,營造和諧舒適的辦公、生活環(huán)境;另一方面全面提升綠建區(qū)的綜合能源協(xié)調(diào)控制能力,通過多類供電方式的互補(bǔ),提高綠建區(qū)內(nèi)重要負(fù)荷的用能安全性和經(jīng)濟(jì)性,打造高示范性、實用性、可復(fù)制的基于綜合能源的園區(qū)型微能源網(wǎng)。
中壓電網(wǎng)規(guī)劃分近期和遠(yuǎn)期規(guī)劃。近期規(guī)劃側(cè)重于電網(wǎng)現(xiàn)狀評估和供電可靠性指標(biāo)評估(線路負(fù)載率、供電半徑、線路間聯(lián)絡(luò)率),找出配電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié),分析網(wǎng)絡(luò)接線方式,提出改造建議。遠(yuǎn)期規(guī)劃主要目的是確定目標(biāo)網(wǎng)架、預(yù)留站點、通道和管廊,為近期規(guī)劃確定目標(biāo)。
規(guī)劃的主要步驟:對所在區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀配電網(wǎng)進(jìn)行綜合評估,指出存在的問題,指導(dǎo)近期規(guī)劃和建議。根據(jù)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市總體規(guī)劃,在負(fù)荷調(diào)查的基礎(chǔ)上,進(jìn)行近景和遠(yuǎn)景負(fù)荷預(yù)測。根據(jù)建設(shè)需要,確定配電網(wǎng)的基本目標(biāo)和主要技術(shù)導(dǎo)則。確定近期和遠(yuǎn)期的目標(biāo)網(wǎng)架,考慮在負(fù)荷增長過程中網(wǎng)架的適應(yīng)性和過渡方式,從而具體指導(dǎo)配電網(wǎng)的建設(shè)。
包括具有分布式可控資源,有較為完善的可觀可控水平及具有實現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化管理的管控水平及可靈活調(diào)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]。采用交直流互聯(lián)的配電系統(tǒng)、混合儲能系統(tǒng)、即插即用裝置以及源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)控制平臺等多種方式把風(fēng)、光、微然機(jī)等供給側(cè)和需求側(cè)的用戶有效連接,實現(xiàn)能源最大化利用。
在分布式發(fā)電滲透率高、重要負(fù)荷密集的區(qū)域設(shè)置基于光儲一體化系統(tǒng)的能源路由器,實現(xiàn)電能的匯集、存儲和消納,降低區(qū)域內(nèi)分布式電源所帶來的功率波動,提高供電可靠性[9-12]。
能源路由器是具備多種能源信息交互中轉(zhuǎn)的統(tǒng)一信息接口,是對應(yīng)于園區(qū)型微電網(wǎng)內(nèi)部能源結(jié)構(gòu)特征和種類多樣性的量化統(tǒng)一。從分布式電源接入到能量的傳輸,都必須具備能量傳輸途徑和控制回路。園區(qū)型微電網(wǎng)的分布式能源種類多樣,主要包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、小型燃?xì)廨啓C(jī)和儲能裝置,能源路由器的總體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 能源路由器總體架構(gòu)Fig.1 Energy router overall architecture
基于多端口柔性直流技術(shù)和虛擬發(fā)電機(jī)技術(shù)的能源路由器可實現(xiàn)不同交流電源合環(huán)運行,在配電網(wǎng)發(fā)生故障時,通過“柔性直流電網(wǎng)+高可靠性開關(guān)站+光儲一體化主動配電網(wǎng)”三道防線來靈活應(yīng)對、并快速恢復(fù)供電。
圖2 交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Hybrid AC/DC microgrid structure
圖2為交直流混合微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖[13]。交直流混合電網(wǎng)是通過雙向功率變換器連接多種不同種類能源,包括雙饋風(fēng)電、燃?xì)廨啓C(jī)和交流負(fù)載的交流微電,光伏電池、超級電容、變頻負(fù)載通過逆變器組成了直流微電網(wǎng),兩個子系統(tǒng)通過雙向交流功率變換器連接DC母線和AC母線,同時通過公共連接點與大電網(wǎng)連接,可孤島運行也可并網(wǎng)運行。
通過柔性智能充電站來構(gòu)建主動配電網(wǎng)的新型建設(shè)模式,以“互聯(lián)網(wǎng)+”和電力大數(shù)據(jù)技術(shù)為支撐,實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度融合與實時互動,構(gòu)建客戶廣泛參與的新型供用電模式。
建設(shè)分布式電源、多樣化負(fù)荷、儲能等設(shè)備構(gòu)成的新一代柔性智能充電站,應(yīng)用不確定性電力負(fù)荷預(yù)測技術(shù)、需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)、分布式電源接入的運行控制技術(shù)及儲能系統(tǒng)的能量管理技術(shù)。
主動配電網(wǎng)網(wǎng)源荷(儲)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基于配電自動化系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn),是其的一個擴(kuò)展,主要起到輔助調(diào)度人員進(jìn)行配網(wǎng)調(diào)控的目的,進(jìn)而實現(xiàn)配網(wǎng)的安全可靠運行。系統(tǒng)實現(xiàn)分為設(shè)備層、分布控制層和集中決策層3個層次,分布式電源、電網(wǎng)設(shè)備、分布式儲能、柔性負(fù)荷設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)通過分布式控制層從下而上送到主站層,經(jīng)過主站的集中決策,將控制命令經(jīng)過分布式控制層的監(jiān)控系統(tǒng)從上而下到達(dá)設(shè)備層,完成分布式電源功率預(yù)測、柔性負(fù)荷預(yù)測、可調(diào)度容量分析、協(xié)調(diào)控制策略優(yōu)化等,有效提高配電網(wǎng)對可再生能源的消納能力,降低電網(wǎng)峰谷差,提高設(shè)備利用率,降低配電網(wǎng)損等,提升電網(wǎng)的安全可靠運行水平和經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示[14]。
圖3 主動配電網(wǎng)網(wǎng)源荷(儲)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)總體框架Fig.3 Overall framework of coordinated control system for active power distribution network
以構(gòu)建高電能質(zhì)量配電網(wǎng)為目標(biāo),在對園區(qū)用戶電能質(zhì)量差異化需求分析和電能質(zhì)量等級劃分的基礎(chǔ)上,通過開展電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備配置、補(bǔ)償設(shè)備的協(xié)調(diào)控制,總體技術(shù)路線如圖4所示。
圖4 總體技術(shù)路線Fig.4 Overall technical route
對于園區(qū)內(nèi)普遍存在的主要敏感用戶,提取并分析其中的用電設(shè)備工作機(jī)制,據(jù)此分析其在不同電能質(zhì)量問題下的動作過程和反應(yīng)特性,給出不同類型敏感用戶對于穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電能質(zhì)量的差異化需求,如對于各電能質(zhì)量指標(biāo)上下限閾值;重點將考慮敏感設(shè)備實際正常工作需要,結(jié)合目前確定的敏感設(shè)備的電壓暫降敏感曲線開展不同類型敏感用戶對電壓質(zhì)量,尤其是電壓暫降的差異化需求分析。如圖5所示[15]。
圖5 技術(shù)路線1Fig.5 Technical route 1
園內(nèi)不同類型用戶的電能質(zhì)量需求不盡相同,根據(jù)負(fù)荷敏感類型劃分為電壓敏感型、諧波敏感型等;根據(jù)敏感程度劃分為輕度敏感、一般敏感、嚴(yán)重敏感等。在對用戶的電能質(zhì)量差異化需求分析的基礎(chǔ)上,對不同類型不同層次的電能質(zhì)量要求進(jìn)行統(tǒng)一的等級劃分,進(jìn)而確定用戶的電能質(zhì)量等級。用戶電能質(zhì)量等級劃分綜合考慮諧波、電壓波動與閃變、三相不平衡等穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和電壓暫降、暫升、短時電壓中斷等暫態(tài)指標(biāo),重點考慮目前開發(fā)區(qū)內(nèi)用戶關(guān)注的電壓質(zhì)量問題,同時結(jié)合用戶的負(fù)荷容量,依據(jù)用戶對電能質(zhì)量指標(biāo)的要求,定量劃分出各指標(biāo)數(shù)值不同的區(qū)間,對用戶的電能質(zhì)量等級進(jìn)行劃分,確定用戶屬于哪種電能質(zhì)量等級的負(fù)荷。如圖6所示。
1) 電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備配置。
圖6 技術(shù)路線2Fig.6 Technical route 2
基于現(xiàn)有典型的電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備模型,對不同類型的電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真建模,量化電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備對電能質(zhì)量的具體作用效果;針對不同類型的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電能質(zhì)量問題,確定在配電網(wǎng)中出現(xiàn)各種電能質(zhì)量問題時配置電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備的具體方法;武進(jìn)開發(fā)區(qū)的工業(yè)負(fù)荷對于電壓質(zhì)量要求嚴(yán)格,電壓波動與電壓暫降對于用戶的影響嚴(yán)重,重點考慮在園區(qū)內(nèi)變電站(配電所)母線上配置靜止無功補(bǔ)償裝置(static var compensator,SVC)、靜止無功發(fā)生器(static var generator,SVG)和固態(tài)切換開關(guān)(solid-state transfer switch,SSTS)等補(bǔ)償設(shè)備,提高供電的電壓質(zhì)量,保證電能質(zhì)量滿足用戶需求;如圖7所示,通過補(bǔ)償設(shè)備的建模仿真來推及其柔性的配置方法包含對于穩(wěn)態(tài)問題和暫態(tài)問題兩種使用場景中,最后以園區(qū)型工程示范為基礎(chǔ),從理論和實際的角度分析設(shè)備配置帶來的補(bǔ)償效果及電能質(zhì)量的提升。
圖7 技術(shù)路線3Fig.7 Technical route 3
2) 電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。
一種補(bǔ)償設(shè)備可提升配電網(wǎng)中多項電能質(zhì)量指標(biāo),但僅僅1種補(bǔ)償設(shè)備常常無法使補(bǔ)償效果達(dá)到既定的要求,不同補(bǔ)償設(shè)備之間具有互補(bǔ)性,如針對電壓波動通??煽紤]將SVC、SVG和SSTS配合使用,SVC用于補(bǔ)償無功,SVG起輔助補(bǔ)償作用。園區(qū)內(nèi)敏感用戶針對自身情況配置了相應(yīng)的補(bǔ)償設(shè)備來應(yīng)對電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量問題,通過建模仿真,利用電網(wǎng)側(cè)SVC、SVG等電壓治理設(shè)備之間的協(xié)調(diào)控制來更有效地提升電壓波動和電壓暫降等指標(biāo);同時,利用電網(wǎng)側(cè)設(shè)備與用戶側(cè)的補(bǔ)償設(shè)備(包括不間斷電源(uninterruptible power system,UPS)和動態(tài)電壓恢復(fù)器(dynamic voltage regulator,DVR))之間的協(xié)調(diào)控制來提升電能質(zhì)量。
建設(shè)由分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、混合儲能系統(tǒng)、光熱太陽能空調(diào)、地源熱泵等組成的微能源網(wǎng)。
根據(jù)規(guī)劃區(qū)域控規(guī),光伏發(fā)電項目所在區(qū)域內(nèi)以工業(yè)用地、生產(chǎn)研發(fā)用地為主,用戶負(fù)荷特性與光伏發(fā)電曲線吻合度較高,在功率配置合理的情況下能較好實現(xiàn)光伏發(fā)電就地消納,實現(xiàn)清潔可再生能源的有效利用。建設(shè)包含儲能系統(tǒng)和能量調(diào)配系統(tǒng)的能源中心站,對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行疏導(dǎo)和管理,在充分利用光伏發(fā)電的同時大大降低其對電能質(zhì)量的影響。
在園區(qū)內(nèi)建設(shè)混合儲能系統(tǒng),根據(jù)需要,系統(tǒng)可由不同類型的電池儲能子系統(tǒng)組成。各儲能子系統(tǒng)可分別用于平抑光伏發(fā)電波動,存儲光伏發(fā)電剩余電量,作為重要負(fù)荷的后備電源以及削峰填谷。
建設(shè)集中冷熱源系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的是辦公、公寓及配套服務(wù)用房的舒適性空調(diào),根據(jù)冷熱負(fù)荷需求,合理搭配全熱回收型水源熱泵機(jī)組、離心式冷水機(jī)組及鍋爐系統(tǒng),使冷熱源達(dá)到最佳配比,盡量保證各機(jī)組在最佳效率下運行。
園區(qū)微能源網(wǎng)綜合能源調(diào)控系統(tǒng)采用多代理模式,公共服務(wù)樓能源站建設(shè)監(jiān)控中心,各能源子項配有就地監(jiān)控系統(tǒng),用于負(fù)責(zé)就地監(jiān)測、策略控制及狀態(tài)控制等功能。監(jiān)控中心能夠監(jiān)測、采集各子系統(tǒng)運行數(shù)據(jù),掌握運行工況,應(yīng)用智能分析技術(shù)及園區(qū)實際情況對各系統(tǒng)進(jìn)行能源調(diào)度與管控,實現(xiàn)系統(tǒng)運行最優(yōu)化、能源利用率最佳化。實現(xiàn)合理對監(jiān)控中心與就地子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制與數(shù)據(jù)交互,形成園區(qū)內(nèi)能源系統(tǒng)有機(jī)統(tǒng)一、高度融合,最終確保園區(qū)內(nèi)系統(tǒng)高可靠性運行。
微能源網(wǎng)是相對獨立的可控單元,是對主電網(wǎng)的有力補(bǔ)充。微能源網(wǎng)可有效提高微網(wǎng)內(nèi)可再生能源的發(fā)電容量,提高利用效率,減少可再生能源發(fā)電間歇性的功率波動對主電網(wǎng)的影響,同時控制混合儲能系統(tǒng)運行策略,實現(xiàn)微能源網(wǎng)與主電網(wǎng)電力流友好運行及微能源網(wǎng)內(nèi)部能量控制最優(yōu)。實現(xiàn)冰蓄冷空調(diào)與地源熱泵制冷量的有機(jī)配合,達(dá)到經(jīng)濟(jì)效果,同時通過微能源網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)實現(xiàn)以電制冷、以電制熱、儲冷等多能源優(yōu)化運行的目標(biāo)。采用合理的協(xié)調(diào)控制技術(shù),實現(xiàn)太陽能光伏與儲能協(xié)調(diào)控制、混合儲能系統(tǒng)間協(xié)調(diào)運行控制、儲能系統(tǒng)與負(fù)荷協(xié)調(diào)控制、儲能系統(tǒng)與冰蓄冷空調(diào)優(yōu)化運行、冰蓄冷空調(diào)與地源熱泵系統(tǒng)協(xié)同運行、地源熱泵系統(tǒng)與太陽能熱水共同出力等多能源間相互轉(zhuǎn)換、相互協(xié)調(diào)的功能。
本文介紹了園區(qū)型能源微電網(wǎng)的整體規(guī)劃設(shè)計,為高新產(chǎn)業(yè)園、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)等園區(qū)新建配電網(wǎng)構(gòu)建綠色能源網(wǎng)提供參考。在優(yōu)化綠建區(qū)冷、熱、電等多種資源布局的基礎(chǔ)上,搭建靈活的供能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和堅強(qiáng)的能量信息通道;在綠建區(qū)能源信息實時采集、高度融合和深入分析的基礎(chǔ)上,利用網(wǎng)-源-荷的協(xié)調(diào)控制形成園區(qū)內(nèi)部能源優(yōu)勢互補(bǔ)、互聯(lián)共享局面,使區(qū)內(nèi)供電網(wǎng)絡(luò)成為間歇性清潔能源的接納器及高效可靠的能量發(fā)生器,實現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)多種能源分散供給和網(wǎng)絡(luò)共享。