(國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,杭州 310014)
海島通常因其獨(dú)特的風(fēng)光和氣候而聞名,卻受限于地理和技術(shù)因素,常年被用能問題所困擾。近年來我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛,前往海島旅游的游客也逐漸增多,在帶動(dòng)海島發(fā)展的同時(shí),島上用電需求高速增長,將很快超出原本孤網(wǎng)的負(fù)荷能力。為增強(qiáng)島上負(fù)荷能力,解決用電困難,越來越多的海島通過敷設(shè)海底電纜,實(shí)現(xiàn)與大陸聯(lián)網(wǎng),結(jié)束孤網(wǎng)供電模式。大電網(wǎng)的接入能夠使海島電網(wǎng)更加堅(jiān)強(qiáng),電源種類和運(yùn)行方式更為多樣化,但原本的孤網(wǎng)運(yùn)行方式和能量管理策略將不再適用,需要對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)進(jìn)行改造。通過實(shí)施升級改造,微電網(wǎng)整體的控制模式與能量管理策略也從維持微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓、頻率穩(wěn)定的單一目標(biāo)轉(zhuǎn)向保證電網(wǎng)電量平衡、發(fā)掘設(shè)備與數(shù)據(jù)潛力和促進(jìn)資源之間互動(dòng)的多元化目標(biāo),進(jìn)一步發(fā)揮清潔能源優(yōu)勢,展現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)價(jià)值。
原孤島型微電網(wǎng)主接線如圖1 所示。微電網(wǎng)系統(tǒng)包含2 臺200 kW 和2 臺300 kW 柴油發(fā)電(以下簡稱“柴發(fā)”)機(jī)組、10 臺100 kW 的直驅(qū)風(fēng)機(jī)、110 kWp+500 kWp 光伏發(fā)電,經(jīng)升壓變匯集后接至10 kV 母線;包含4 組500 kW×2 h 儲能鋰電池組,靈活分組后經(jīng)雙向變流器直接接至匯集母線。
圖1 改造前微電網(wǎng)主接線
獨(dú)立型微電網(wǎng)的控制策略為:用柴發(fā)做主電源,系統(tǒng)盡可能多使用風(fēng)、光發(fā)電,多余能源存入儲能系統(tǒng),能源不足時(shí)由儲能系統(tǒng)放電補(bǔ)充;經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行策略和儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略主要以維持微電網(wǎng)電壓及頻率、保證系統(tǒng)穩(wěn)定為目標(biāo)。獨(dú)立微電網(wǎng)運(yùn)行模式如圖2 所示。
圖2 改造前獨(dú)立型微電網(wǎng)運(yùn)行模式
與大陸電網(wǎng)互聯(lián)后,從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面優(yōu)化供電區(qū)域,調(diào)整內(nèi)部配電網(wǎng)結(jié)構(gòu),保留重要負(fù)荷,其余負(fù)荷轉(zhuǎn)移至35 kV 變電站。改造后的微電網(wǎng)選擇原有站內(nèi)備用10 kV 開關(guān)作為并網(wǎng)點(diǎn)與35 kV 變電站相聯(lián),選擇35 kV 變電站1 號和2 號主變壓器(以下簡稱“主變”)10 kV 斷路器作為黑啟動(dòng)后離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)時(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)移的同期斷路器。從設(shè)備層面,升級監(jiān)控和能量管理平臺及微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器,以承載所需控制系統(tǒng)及執(zhí)行控制策略;增設(shè)并網(wǎng)點(diǎn)控制與保護(hù)一體化裝置和35 kV變電站內(nèi)TV(電壓互感器)、同期并網(wǎng)裝置,以降低并網(wǎng)時(shí)對大電網(wǎng)的暫態(tài)沖擊和減少負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)微電網(wǎng)停電次數(shù)。從系統(tǒng)層面,改造微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)使協(xié)調(diào)控制能力與現(xiàn)有運(yùn)行方式相匹配,實(shí)現(xiàn)多電源的穩(wěn)定切換;改進(jìn)能量管理策略,釋放儲能系統(tǒng)潛力以適應(yīng)能量彈性平衡特性,實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)荷之間、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間友好靈活互動(dòng)。改造后的微電網(wǎng)和35 kV 變電站主接線分別如圖3、圖4 所示。
2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)改造
在沿用主從型微電網(wǎng)控制模式、經(jīng)典的集中管理和分層控制思想的基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)進(jìn)行功能拓展。盡量保留原有站內(nèi)與外部系統(tǒng)弱關(guān)聯(lián)部分,如保護(hù)測控裝置及智能用電系統(tǒng);對監(jiān)控和能量管理平臺、微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器進(jìn)行必要的適應(yīng)性改造。具體為:
(1)由微電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)完成優(yōu)化控制,實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的互動(dòng)。
圖3 改造后微電網(wǎng)主接線
圖4 改造后35 kV 變電站主接線
(2)由MGCC(微電網(wǎng)中央控制器)負(fù)責(zé)優(yōu)化協(xié)調(diào)控制的執(zhí)行。
(3)通過保護(hù)測控裝置與DG 控制器實(shí)現(xiàn)對微電網(wǎng)、分布式電源、PCS(儲能變流器)、直流電源系統(tǒng)及負(fù)荷的一體化監(jiān)測、保護(hù)與控制。
微電網(wǎng)控制體系采用基于IEC 61850 通信體系的三層控制架構(gòu)(圖5):第一層為站控優(yōu)化控制層,第二層為協(xié)調(diào)控制層,第三層為就地控制保護(hù)層。
2.1.2 設(shè)備改造
圖5 改造后微電網(wǎng)監(jiān)控及能量管理系統(tǒng)構(gòu)架
兩套互為主備的監(jiān)控服務(wù)器,負(fù)責(zé)微電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、前置服務(wù)(通信接入)、數(shù)據(jù)處理等服務(wù),能將微電網(wǎng)公共連接點(diǎn)處的并離網(wǎng)狀態(tài)、交換功率上送調(diào)度中心,并可接受調(diào)度中心對微電網(wǎng)的并離網(wǎng)狀態(tài)的控制和交換功率的設(shè)置。在接入微電網(wǎng)全景數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過高級應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)站控層能量優(yōu)化管理功能。一套氣象預(yù)測/WEB服務(wù)器負(fù)責(zé)為微電網(wǎng)能量預(yù)測提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),及對公網(wǎng)以WEB 方式發(fā)布微電網(wǎng)運(yùn)行方式。
兩套微電網(wǎng)中央控制器裝載協(xié)調(diào)控制策略,根據(jù)調(diào)度下發(fā)或優(yōu)化控制與監(jiān)視層監(jiān)控服務(wù)器所下發(fā)的能量優(yōu)化目標(biāo),自動(dòng)協(xié)調(diào)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)及穩(wěn)定運(yùn)行。分別為柴發(fā)機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制配置一套微電源控制器,對柴發(fā)控制器/風(fēng)電控制器進(jìn)行直接通信接入,并與微電網(wǎng)中央控制器、Ⅰ/Ⅱ母控制器通過控制網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸及同步??刂撇呗皂憫?yīng)時(shí)間如表1所示。
改造后的并網(wǎng)型微電網(wǎng)運(yùn)行模式以適應(yīng)多電源聯(lián)合供電和多電源穩(wěn)定切換為目標(biāo),可在微電網(wǎng)整體并網(wǎng)運(yùn)行、風(fēng)光儲獨(dú)立運(yùn)行和風(fēng)光柴儲獨(dú)立運(yùn)行等多運(yùn)行模式之間平滑切換。微電網(wǎng)通常以整體并網(wǎng)運(yùn)行,可主動(dòng)或被動(dòng)切換至離網(wǎng)運(yùn)行模式。微電網(wǎng)具備黑啟動(dòng)能力,模式切換失敗時(shí)可進(jìn)行黑啟動(dòng)。微電網(wǎng)運(yùn)行模式互相轉(zhuǎn)換與互動(dòng)示意如圖6 所示。
表1 控制策略響應(yīng)時(shí)間
圖6 微電網(wǎng)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換示意
2.2.1 并網(wǎng)運(yùn)行與離網(wǎng)運(yùn)行
在并網(wǎng)運(yùn)行方式下,由大電網(wǎng)提供剛性的電壓和頻率支撐,分布式電源全部工作在P/Q 模式,大電網(wǎng)可根據(jù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析、需求側(cè)管理分析等給微電網(wǎng)下發(fā)交換功率定值,以實(shí)現(xiàn)整個(gè)配電網(wǎng)最優(yōu)運(yùn)行。在一般情況下,能量管理系統(tǒng)控制儲能系統(tǒng)執(zhí)行削峰填谷控制策略,促使島上可再生能量就地消納、不通過跨海電纜對大陸電網(wǎng)反送電。在特殊情況下(如發(fā)生地震、暴風(fēng)雪、洪水等意外災(zāi)害情況)或在大電網(wǎng)用電緊張需大范圍拉閘限電時(shí),微電網(wǎng)作為后備電源向配電網(wǎng)提供有力支撐。
在離網(wǎng)運(yùn)行方式下,PCS 或柴發(fā)工作在V/F模式,其余分布式電源工作在P/Q 模式。離網(wǎng)運(yùn)行保障在大電網(wǎng)停電時(shí)重要負(fù)荷的供電,其運(yùn)行模式包括風(fēng)光儲運(yùn)行和風(fēng)光柴儲運(yùn)行,根據(jù)微電網(wǎng)中儲能容量和新能源發(fā)電能力來決定是否需要啟動(dòng)柴發(fā)來滿足系統(tǒng)的連續(xù)供電,通過微電網(wǎng)中央控制器的快速穩(wěn)定控制,保證離網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。當(dāng)微電網(wǎng)的頻率、電壓越限出現(xiàn)緊急情況時(shí),具備低頻低壓減載、高頻高壓切機(jī)的功能。在微電網(wǎng)完全停電的情況下,通過黑啟動(dòng)功能進(jìn)入離網(wǎng)運(yùn)行模式。
2.2.2 平滑切換控制
控制系統(tǒng)采用雙重切換控制模式,根據(jù)微電網(wǎng)所帶負(fù)荷狀況,控制不同開關(guān)進(jìn)行切換。
正常運(yùn)行時(shí),控制系統(tǒng)運(yùn)用無縫切換技術(shù),要求微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源發(fā)電功率和儲能系統(tǒng)容量充足,且微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間的交換功率在一定范圍內(nèi)??刂破鞲鶕?jù)分布式電源和儲能系統(tǒng)容量水平,實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷變化,調(diào)整分布式電源出力、PCS 輸出或投切負(fù)荷。當(dāng)大電網(wǎng)故障時(shí),微電網(wǎng)與主網(wǎng)斷開連接,切換至離網(wǎng)運(yùn)行,PCS 維持微電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定;當(dāng)大電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí),控制器快速檢測并網(wǎng),PCS 協(xié)助維持微電網(wǎng)功率平衡。若大電網(wǎng)故障停電,且微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源發(fā)電功率和儲能系統(tǒng)容量不足,則需要利用柴發(fā)系統(tǒng)或者儲能系統(tǒng)進(jìn)行黑啟動(dòng),切換至離網(wǎng)運(yùn)行模式,通過風(fēng)、光、儲、柴的聯(lián)合運(yùn)行,保證變電站大樓、政府和軍隊(duì)等重要負(fù)荷供電。平滑切換控制流程如圖7 所示。
圖7 平滑切換控制流程示意
微電網(wǎng)帶變電站負(fù)荷離網(wǎng)運(yùn)行后與大電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí),為避免對大電網(wǎng)造成暫態(tài)沖擊和二次停電,采用同步控制方法將負(fù)荷轉(zhuǎn)移至35 kV 變電站。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和斷路器操作權(quán)限,選擇35 kV 變電站1 號、2 號主變10 kV 斷路器作為大電網(wǎng)并網(wǎng)斷路器,在1 號、2 號主變10 kV 進(jìn)線側(cè)各增設(shè)一組TV,在35 kV 變電站故障解列屏內(nèi)增設(shè)一臺同期裝置,分別采集10 kV 進(jìn)線側(cè)電壓信號及微電網(wǎng)10 kV 母線電壓信號,主變10 kV斷路器側(cè)遙信和遙控接入同期裝置,同期裝置與微電網(wǎng)站內(nèi)借用現(xiàn)有光纖進(jìn)行通信。當(dāng)微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間的電壓幅值、頻率和相角的差值在允許范圍內(nèi)時(shí),同期繼電器可以閉合斷路器,完成同期并網(wǎng)操作。
2.2.3 黑啟動(dòng)控制
合理配置黑啟動(dòng)有助于增強(qiáng)電網(wǎng)彈性,使電網(wǎng)快速從故障中恢復(fù)。當(dāng)微電網(wǎng)在遭遇外部電網(wǎng)停電,切換離網(wǎng)運(yùn)行失敗,造成完全停電后,可進(jìn)行黑啟動(dòng)措施。利用鋰電池儲能單元或柴油發(fā)電機(jī)作為黑啟動(dòng)電源,建立系統(tǒng)額定工作電壓和頻率,并有步驟地恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行和重要負(fù)荷供電。
由于微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)生改變,黑啟動(dòng)控制方式及策略從原先的Ⅰ,Ⅱ子微電網(wǎng)分別黑啟動(dòng)后再同期并網(wǎng)運(yùn)行,改造為4 組PCS 并聯(lián)同步黑啟動(dòng)的串行恢復(fù)策略,改造后的黑啟動(dòng)能力將提高2倍。具體控制方式為:首先,斷開2 個(gè)10 kV并網(wǎng)斷路器,合上母分開關(guān)及4 臺PCS 的10 kV側(cè)斷路器,根據(jù)電源的啟動(dòng)能力投入適當(dāng)?shù)呢?fù)荷;然后,通過后臺給同步控制器下發(fā)黑啟動(dòng)指令,10 kV 母線建立電壓的同時(shí),負(fù)荷即正常運(yùn)行。
2.3.1 能量管理策略
根據(jù)風(fēng)電場所處地理位置的氣候特征和風(fēng)電場歷史數(shù)據(jù),采用物理方法結(jié)合ARIMA(差分自回歸移動(dòng)平均模型)、混沌時(shí)間序列分析、ANN(人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))等多種算法,實(shí)現(xiàn)短期72 h、超短期0~4 h、時(shí)間分辨率小于15 min 的風(fēng)電輸出功率預(yù)測。通過分析周邊環(huán)境三維地理特征和天氣特征,結(jié)合歷史觀測數(shù)據(jù),綜合影響光伏發(fā)電功率的因素實(shí)現(xiàn)超短期光伏發(fā)電功率預(yù)報(bào)。根據(jù)負(fù)荷類別、負(fù)荷類型、負(fù)荷曲線、負(fù)荷測量值及天氣等信息來估計(jì)饋線上單個(gè)負(fù)荷的預(yù)測值。根據(jù)負(fù)荷預(yù)測、可再生發(fā)電預(yù)測、可再生發(fā)電量、可調(diào)度分布式發(fā)電效率,利用模型預(yù)測控制方法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制(圖8)。
圖8 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制策略流程
2.3.2 并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略
離網(wǎng)狀態(tài)下協(xié)調(diào)控制主要用于維持微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓頻率穩(wěn)定,設(shè)備高度冗余;并網(wǎng)運(yùn)行后,設(shè)備性能得到釋放,搭配協(xié)調(diào)控制策略和能量控制策略,可有效提高資源利用效率。
(1)削峰填谷控制策略
削峰填谷的控制策略保證了高滲透率可再生能源在微電網(wǎng)內(nèi)“自發(fā)自用、就地消納”,實(shí)現(xiàn)可再生能源滲透電量的時(shí)空轉(zhuǎn)移。通過對電源及負(fù)荷的合理調(diào)度,保證電網(wǎng)側(cè)進(jìn)線備用容量,延緩跨海電纜的擴(kuò)容升級。
該策略的調(diào)峰算法采用功率差充放電方式,根據(jù)已有的負(fù)荷預(yù)測曲線,考慮儲能容量和充放電功率限制,先確定削峰填谷的充放電功率的上下限,并通過線性插值法解決因負(fù)荷預(yù)測曲線為離散點(diǎn)而造成一段時(shí)間內(nèi)充放電功率無法確定的問題,然后將上下限值與負(fù)荷預(yù)測功率曲線進(jìn)行比較,最后在此基礎(chǔ)上確定各個(gè)時(shí)段內(nèi)的充放電功率。使用該方式可使每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的充放電功率更加合理,且實(shí)際負(fù)荷曲線偏移不會(huì)造成削峰填谷失敗,使運(yùn)行策略更加靈活[8]。
(2)聯(lián)絡(luò)線功率控制策略
微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行模式下,接受配調(diào)中心根據(jù)整個(gè)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、需求側(cè)管理等計(jì)算下達(dá)的微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線交換功率定值,使得微電網(wǎng)對配電網(wǎng)呈現(xiàn)出一個(gè)可調(diào)度的電源特性。通過對微電網(wǎng)電源及負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)柔性互動(dòng),精準(zhǔn)響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度的調(diào)控要求;通過設(shè)置功率范圍,將微電網(wǎng)與大陸電網(wǎng)能量互動(dòng)保持在固定范圍內(nèi),提高海島微電網(wǎng)對外可控性;通過設(shè)置絡(luò)線功率上限,限制微電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電量和負(fù)荷用電量的功率差值,當(dāng)大電網(wǎng)停電,微電網(wǎng)被動(dòng)進(jìn)入離網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí),減小系統(tǒng)調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān),有利于微電網(wǎng)并離網(wǎng)的平滑切換。
在該微電網(wǎng)系統(tǒng)中,單臺PCS 的容量為500 kVA,考慮到電網(wǎng)的抗負(fù)荷沖擊能力及離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)設(shè)備熱備用所需冗余容量等因素,設(shè)置并網(wǎng)點(diǎn)與PCS 交換功率為300 kW,同期并網(wǎng)定值角差為5°,頻差為0.1 Hz,壓差為5 V。并離網(wǎng)切換時(shí),系統(tǒng)總負(fù)荷有功功率為651.3 kW,無功功率為64.7 kvar,清潔能源出力為113 kW。
(1)離網(wǎng)試驗(yàn)
并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)離網(wǎng)運(yùn)行過程中電壓波形如圖9所示。切換過程中,系統(tǒng)電壓相位和幅值幾乎沒有出現(xiàn)突變,切換過渡平滑。
圖9 并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)模式電壓波形
(2)并網(wǎng)試驗(yàn)
離網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)并網(wǎng)運(yùn)行過程中電壓波形如圖10 所示。合閘電平變位后,在1 個(gè)周期內(nèi)完成合閘,切換平穩(wěn),未發(fā)現(xiàn)明顯波動(dòng)。
圖10 離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)模式電壓波形
黑啟動(dòng)試驗(yàn)電源采用4 組儲能系統(tǒng)并聯(lián)同步黑啟動(dòng),現(xiàn)場試驗(yàn)所帶有功負(fù)荷570 kW,無功負(fù)荷165 kvar。黑啟動(dòng)策略中加入了限流措施,可增強(qiáng)變流器帶電機(jī)類負(fù)載的能力,但也會(huì)增加電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間。綜合考慮并多次試驗(yàn)后,將黑啟動(dòng)限流定值設(shè)定為100 A,將變流器電壓步長調(diào)整為1.5 kV/s。黑啟動(dòng)過程錄波如圖11 所示。
圖11 黑啟動(dòng)波形
圖11 中,電流為負(fù)荷10 kV 側(cè)總電流,電壓為10 kV 側(cè)電壓二次值(變比10 000/100,相電壓),功率為負(fù)荷的視在功率(二次測量值計(jì)算)。從圖中可以看出,電流值在電壓上升到30 多伏時(shí)達(dá)到峰值60 A,隨后開始下降,直至穩(wěn)定在33 A 左右。由于在黑啟動(dòng)過程中,負(fù)荷電流未達(dá)到變流器的限流設(shè)定值,所以10 kV 母線電壓一直按一定的斜率穩(wěn)定上升至額定值,期間負(fù)荷的最大功率并未在電流最大值時(shí)出現(xiàn),整個(gè)啟動(dòng)過程歷時(shí)6.5 s 左右。
由獨(dú)立型微電網(wǎng)改造為并網(wǎng)型微電網(wǎng)時(shí),綜合考慮了各分布式電源及控制器的性能、負(fù)荷需求、電網(wǎng)承載能力等因素,充分發(fā)掘設(shè)備潛力,盡可能保留原有設(shè)施,有效避免設(shè)施重復(fù)建設(shè),保證最小經(jīng)濟(jì)成本。在有大電網(wǎng)支撐的情況下,通過調(diào)整微電網(wǎng)內(nèi)部配電網(wǎng)和優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架,對多種控制策略和能量管理策略進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用,來積極調(diào)動(dòng)網(wǎng)源荷儲靈活性資源,降低冗余,釋放其性能。并離網(wǎng)切換、黑啟動(dòng)等功能也增強(qiáng)了故障狀態(tài)或極端事件下關(guān)鍵負(fù)荷供電恢復(fù)能力,且相關(guān)功能已通過現(xiàn)場試驗(yàn)得到驗(yàn)證。該海島電網(wǎng)在改造后已穩(wěn)定運(yùn)行,對未來孤島供電轉(zhuǎn)型升級具有參考價(jià)值。結(jié)合目前的電網(wǎng)發(fā)展趨勢,未來可在V2G、虛擬電廠、多微電網(wǎng)聚合、微電網(wǎng)參與電力市場等方面,繼續(xù)開展應(yīng)用化研究。