任田磊 王浩國 全 飛 倪威中 卞 玉 吳 倩

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州市錢塘區(qū)供電公司 2.天地電研（北京）科技有限公司）

0 引言

電力需求的增加、可再生能源的整合以及對電網(wǎng)彈性的需求導(dǎo)致了嵌入式發(fā)電和儲能技術(shù)的出現(xiàn)。嵌入式發(fā)電是指在消費(fèi)點(diǎn)或消費(fèi)點(diǎn)附近分散發(fā)電，而儲能系統(tǒng)能夠存儲和隨后釋放電能。嵌入式發(fā)電和儲能具有重要意義。

通過分散發(fā)電，可以緩解集中電網(wǎng)的中斷，特別是在自然災(zāi)害或電網(wǎng)故障期間可確?？煽康碾娏?yīng)。嵌入式發(fā)電有助于減少輸電損失，并支持清潔、可持續(xù)的能源系統(tǒng)的接入。通過在接近負(fù)荷的地方發(fā)電，嵌入式發(fā)電可減少電能損失。

1 嵌入式發(fā)電系統(tǒng)

1.1 嵌入式發(fā)電技術(shù)

目前主流的嵌入式發(fā)電技術(shù)包括太陽能光伏、風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)和燃料電池。

太陽能光伏發(fā)電是嵌入式發(fā)電中的一項(xiàng)重要技術(shù)，使用由半導(dǎo)體材料組成的太陽能電池板將陽光直接轉(zhuǎn)化為電能；太陽能光伏系統(tǒng)可以各種規(guī)模安裝，從住宅樓的小型屋頂安裝到大型太陽能發(fā)電場[1]。

風(fēng)力渦輪機(jī)利用風(fēng)的動能并將其轉(zhuǎn)化為電能，可以各種規(guī)模部署，從住宅或社區(qū)的小型渦輪機(jī)到商業(yè)發(fā)電的大型公用事業(yè)規(guī)模渦輪機(jī)。風(fēng)力渦輪機(jī)可以與其他能源集成，如太陽能光伏或柴油發(fā)電機(jī)以創(chuàng)建混合動力系統(tǒng)，提高可靠性并根據(jù)資源可用性優(yōu)化發(fā)電[2]。

熱電聯(lián)產(chǎn)涉及從單一能源同時生產(chǎn)電力和有用熱量；其提供了一種高效和可持續(xù)的方法來滿足電能和熱能需求[3]。

燃料電池提供了一種清潔高效的方式，可以將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池利用電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，可以利用各種燃料，例如氫氣、天然氣、甲醇和其他可再生燃料[4]。

1.2 嵌入式發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)的集成

將嵌入式發(fā)電系統(tǒng)集成到配電網(wǎng)中涉及各種組件、技術(shù)和控制機(jī)制，如圖1 所示。

圖1 嵌入式發(fā)電系統(tǒng)集成配電網(wǎng)示意圖

嵌入式發(fā)電的集成涉及連接點(diǎn)選擇、功率調(diào)節(jié)、保護(hù)和控制以及電網(wǎng)互聯(lián)。

1.2.1 連接點(diǎn)選擇

嵌入式發(fā)電系統(tǒng)在特定的連接點(diǎn)處連接到配電網(wǎng)，連接點(diǎn)的選擇取決于嵌入式發(fā)電源的容量和特性。評估嵌入式發(fā)電機(jī)的容量和特性需要考慮額定功率輸出、電壓水平和發(fā)電機(jī)性質(zhì)等因素（如太陽能光伏、風(fēng)力渦輪機(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組），以確定發(fā)電機(jī)與配電網(wǎng)的兼容性。

一般情況下，連接點(diǎn)的選擇需要借助可行性研究實(shí)現(xiàn)。可行性研究需要評估負(fù)載需求、電壓水平、故障水平、電能質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性等因素，以確定最合適的連接點(diǎn)。

另外還需要考慮接入點(diǎn)電壓等級的選擇，例如低壓（LV）和中壓（MV）。低壓連接通常用于較小容量的發(fā)電機(jī)，中壓連接用于較大容量的發(fā)電機(jī)并提供更高的電壓水平，從而實(shí)現(xiàn)更長距離的更高效電力傳輸。主要目的是確定網(wǎng)絡(luò)是否有足夠的容量來容納嵌入式發(fā)電機(jī)的額外功率注入。通過評估電壓水平以確保連接點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的電壓調(diào)節(jié)能力一致。

1.2.2 電力電子設(shè)備和逆變器

功率逆變器是嵌入式發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分，用于將太陽能光伏系統(tǒng)、風(fēng)力渦輪機(jī)和其他來源的能源輸出轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同步的交流電。嵌入式發(fā)電系統(tǒng)中的電力電子設(shè)備大多采用了先進(jìn)的控制算法，以優(yōu)化電力轉(zhuǎn)換效率、管理電力流并確保電網(wǎng)穩(wěn)定性。主要控制算法和計(jì)算步驟如圖2 所示。

圖2 電力電子逆變器的主要控制算法和計(jì)算步驟

在嵌入式發(fā)電系統(tǒng)中，不同的控制方法可以相互配合，實(shí)現(xiàn)高效可靠地運(yùn)行。主要有PWM 控制和電流控制組合方式、PWM 控制與電壓控制組合方式、電網(wǎng)同步控制和功率因數(shù)控制組合控制、電網(wǎng)同步控制和下垂控制方式、模型預(yù)測控制（MPC）和分層控制。

1）PWM 控制與電流控制經(jīng)常協(xié)同工作，以調(diào)節(jié)電力電子設(shè)備和逆變器的輸出電流。PWM 控制調(diào)整開關(guān)信號的占空比性以控制施加到負(fù)載的電壓，而電流控制技術(shù)，例如磁滯控制或電流反饋控制，確保實(shí)際電流與期望的參考電流匹配。

2）PWM 控制和電壓控制可以協(xié)同調(diào)節(jié)電力電子設(shè)備和逆變器的輸出電壓。PWM 控制調(diào)整開關(guān)信號的占空比信號以控制電壓幅度，而電壓控制技術(shù)，例如電壓反饋控制或下降控制，將實(shí)際電壓與期望的參考電壓進(jìn)行比較以精確地保持期望的電壓電平。

3）電網(wǎng)同步控制與功率因數(shù)控制相互配合，可確保嵌入式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的合理集成。電網(wǎng)同步控制技術(shù)，如鎖相環(huán)（PLL），可將嵌入式系統(tǒng)的頻率、相位和電壓與電網(wǎng)對齊。功率因數(shù)控制技術(shù)能夠調(diào)整電流的相位角或幅度以提高功率因數(shù)并降低無功功率消耗。

4）電網(wǎng)同步控制與下垂控制可在多個發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的系統(tǒng)中協(xié)同工作。電網(wǎng)同步控制可確保發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)同步，下垂控制能根據(jù)與參考值的頻率或電壓偏差調(diào)整每個機(jī)組的輸出功率。

5）模型預(yù)測控制和分層控制在嵌入式發(fā)電系統(tǒng)中可以相互補(bǔ)充。MPC 用在更高級別的控制層以優(yōu)化系統(tǒng)性能，預(yù)測未來行為，并可基于系統(tǒng)模型做出控制決策。另一方面，分級控制可以提供不同級別的協(xié)調(diào)和優(yōu)化，包括單元級的局部控制和系統(tǒng)級的協(xié)同控制。

雖然大多數(shù)控制方法可以相互配合和補(bǔ)充，但在某些情況下，某些控制方法可能是互斥的。

1.2.3 功率調(diào)節(jié)

嵌入式發(fā)電源的輸出功率需要在與配電網(wǎng)同步之前進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保與現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)的兼容性。其主要功率調(diào)節(jié)方法和實(shí)現(xiàn)步驟如圖3 所示。

圖3 嵌入式發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)

嵌入式發(fā)電系統(tǒng)需要同步并連接到電網(wǎng)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性?？刂萍夹g(shù)用于使發(fā)電的頻率、電壓和相位與電網(wǎng)同步，從而實(shí)現(xiàn)嵌入式發(fā)電和電網(wǎng)之間的無縫電力交換。

其中，有源功率控制機(jī)制用于根據(jù)電網(wǎng)要求和負(fù)載條件調(diào)節(jié)嵌入式發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出?？刂扑惴ǔ掷m(xù)監(jiān)測電網(wǎng)參數(shù)并調(diào)整發(fā)電量，以保持電網(wǎng)穩(wěn)定，避免頻率偏差，并支持電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)。

1.2.4 保護(hù)和控制

嵌入式發(fā)電系統(tǒng)需要保護(hù)系統(tǒng)和控制機(jī)制來預(yù)防故障并確保可靠運(yùn)行。保護(hù)和控制系統(tǒng)通過監(jiān)測電壓、頻率和功率流等參數(shù)，以保護(hù)嵌入式電源和配電網(wǎng)。主流的保護(hù)有過電流保護(hù)、電壓保護(hù)、頻率保護(hù)、反向功率保護(hù)、失電保護(hù)損失及同步控制。

過電流繼電器監(jiān)測嵌入式發(fā)電系統(tǒng)及其相關(guān)電路中的電流，可以檢測和隔離由過電流引起的故障，如短路或過載；可確保嵌入式發(fā)電系統(tǒng)免受損壞。電壓繼電器監(jiān)測嵌入式發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的電壓水平，可檢測異常電壓條件，如過電壓或欠電壓。電壓保護(hù)機(jī)制確保嵌入式發(fā)電系統(tǒng)在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。頻率繼電器監(jiān)測電氣系統(tǒng)的頻率，并檢測與標(biāo)稱頻率的偏差。頻率保護(hù)機(jī)制有助于保持電網(wǎng)穩(wěn)定性，并保護(hù)嵌入式發(fā)電系統(tǒng)免受潛在損壞。反向功率繼電器用于監(jiān)測嵌入式發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)模式和孤島模式下運(yùn)行的情況。這些繼電器可監(jiān)測功率流，并防止功率在孤島運(yùn)行期間流回至電網(wǎng)。在并網(wǎng)系統(tǒng)中，失電保護(hù)用于確保嵌入式發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障或停電期間與電網(wǎng)斷開連接，防止反送電。

同步控制確保嵌入式系統(tǒng)在連接至電網(wǎng)前與電網(wǎng)電壓、頻率和相角保持同步，能夠防止連接過程中可能發(fā)生的瞬態(tài)干擾。

2 儲能系統(tǒng)

2.1 主流儲能技術(shù)

電池儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、抽水蓄能等技術(shù)在嵌入式發(fā)電和儲能中發(fā)揮著重要作用。

電池儲能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)能源生產(chǎn)和消耗的時移。在為嵌入式發(fā)電和存儲選擇電池儲能時，應(yīng)考慮容量和額定功率、循環(huán)和放電深度、電池系統(tǒng)效率、響應(yīng)時間和功率輸送等因素[5]。

飛輪儲能具有很多優(yōu)勢，例如高功率密度、快速響應(yīng)時間、長運(yùn)行壽命和幾乎無限的循環(huán)能力。然而，與電池等其他技術(shù)相比，其儲能能力有限[6]。

壓縮空氣儲能是一種利用壓縮空氣儲存和釋放能量的技術(shù)。雖然其支持大規(guī)模的儲能容量并具有較長的使用壽命，但與其他儲存技術(shù)相比，能源效率相對較低，需要合適的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行地下儲存，以及需要更高的建設(shè)和維護(hù)成本[7]。

抽水蓄能是一種廣泛應(yīng)用于嵌入式發(fā)電和儲能的技術(shù)，在電力低需求時期使用多余的電力將水從較低的水庫運(yùn)送到較高的水庫。然后，在電力高峰需求期，通過渦輪機(jī)將高水位中儲存的勢能用于發(fā)電[8]。

2.2 嵌入式儲能系統(tǒng)與配電網(wǎng)的集成

將嵌入式儲能系統(tǒng)集成到配電網(wǎng)絡(luò)中涉及各種組件、技術(shù)和控制機(jī)制。如圖1 所示，與配電網(wǎng)的集成包括以下步驟。

2.2.1 連接點(diǎn)選擇

用于能量存儲系統(tǒng)的接入點(diǎn)的選擇，與嵌入式發(fā)電系統(tǒng)的接入點(diǎn)選擇非常相似，不再敘述。

2.2.2 電力電子設(shè)備和逆變器

電力電子設(shè)備和逆變器在控制嵌入式儲能系統(tǒng)的運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用。多種控制方法常結(jié)合使用以實(shí)現(xiàn)能量的有效轉(zhuǎn)換及能量存儲系統(tǒng)的有效管理。關(guān)鍵控制方法和實(shí)施步驟如圖4 所示。

圖4 儲能系統(tǒng)中電力電子和逆變器的關(guān)鍵控制方法和步驟

常用的控制包括電壓和電流控制、充電狀態(tài)（SoC）控制、頻率和電壓調(diào)節(jié)、電網(wǎng)同步控制、電能質(zhì)量控制、能源管理系統(tǒng)（EMS）集成。

1）電力電子轉(zhuǎn)換器和逆變器調(diào)節(jié)流入和流出儲能系統(tǒng)的電壓和電流。該控制方法可確保電壓和電流水平保持在安全和最佳范圍內(nèi)，防止能量存儲系統(tǒng)的過充電或過放電。

2）SoC 控制監(jiān)測和維持儲能系統(tǒng)中的適當(dāng)充電水平，以確保最佳性能和壽命。電力電子設(shè)備和逆變器通過基于負(fù)載需求、電網(wǎng)條件和其他操作因素動態(tài)調(diào)整充電和放電速率來實(shí)現(xiàn)SoC 控制。

3）電力電子設(shè)備和逆變器實(shí)現(xiàn)雙向功率流，允許儲能系統(tǒng)根據(jù)需要注入或吸收功率，以穩(wěn)定電網(wǎng)頻率和電壓。

4）電力電子設(shè)備和逆變器采用同步控制方法，使儲能系統(tǒng)的電壓、頻率和相位角與電網(wǎng)的電氣參數(shù)相匹配。能夠在并網(wǎng)模式和孤島模式之間平穩(wěn)過渡，在并網(wǎng)或斷開事件期間保持穩(wěn)定。

5）通過控制算法和濾波技術(shù)，電力電子設(shè)備監(jiān)測電網(wǎng)的電能質(zhì)量參數(shù)并補(bǔ)償偏差，確保為連接的負(fù)載提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的電力供應(yīng)。

6）EMS 確定電力調(diào)度策略、負(fù)荷優(yōu)先級和系統(tǒng)對電網(wǎng)條件的響應(yīng)，而電力電子設(shè)備執(zhí)行控制命令以調(diào)節(jié)能量流并保持系統(tǒng)性能。

2.2.3 儲能控制

儲能系統(tǒng)本身的控制主要包括電池管理系統(tǒng)（BMS）和充電狀態(tài)（SoC）以及健康狀態(tài)（SoH）估計(jì)。值得注意的是，能源管理系統(tǒng)（EMS）、電網(wǎng)集成和輔助服務(wù)、孤島檢測和反孤島保護(hù)、需求響應(yīng)和負(fù)載管理可以位于電力電子和逆變器以及儲能系統(tǒng)本身。儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵控制方法和步驟如圖5 所示。

圖5 儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵控制方法和步驟

2.2.4 保護(hù)和控制

儲能系統(tǒng)的保護(hù)和控制系統(tǒng)配置包括保護(hù)設(shè)備和控制設(shè)備的組合，以確保儲能系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。主要有過電流保護(hù)、電壓保護(hù)、頻率保護(hù)、超溫保護(hù)、短路保護(hù)、接地故障保護(hù)等。

過電流保護(hù)常安裝在重要位置，如儲能系統(tǒng)的輸入和輸出連接，以監(jiān)測電流水平。電壓保護(hù)用于監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓水平。頻率保護(hù)持續(xù)監(jiān)測電網(wǎng)頻率，并在頻率超過預(yù)定義限值時觸發(fā)保護(hù)動作。超溫保護(hù)在溫度上升超過安全閾值時，會激活冷卻系統(tǒng)，減少功率輸出，或啟動停機(jī)程序以防止過熱。短路保護(hù)可以快速識別短路并啟動保護(hù)動作。接地故障保護(hù)通過監(jiān)測電流，可識別指示接地故障的任何不平衡。

嵌入式儲能系統(tǒng)的具體保護(hù)系統(tǒng)配置應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的大小、儲能技術(shù)的類型、系統(tǒng)配置以及適用的電網(wǎng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等因素而變化。

3 儲能系統(tǒng)與可再生能源的協(xié)調(diào)運(yùn)行

3.1 協(xié)調(diào)運(yùn)行

為了與可再生能源協(xié)同工作，嵌入式儲能系統(tǒng)在平衡發(fā)電和消費(fèi)、優(yōu)化可再生能源利用和提高電網(wǎng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。以下是嵌入式儲能與可再生能源協(xié)同工作的具體步驟：

1）資源評估：對將部署嵌入式儲能系統(tǒng)與可再生能源資源進(jìn)行全面評估。

2）儲能系統(tǒng)規(guī)模：根據(jù)可再生能源發(fā)電概況、能源需求和系統(tǒng)要求，確定儲能系統(tǒng)的規(guī)模和容量。

3）控制策略制定：控制策略決定儲能系統(tǒng)將如何與可再生能源相互作用，例如何時根據(jù)可再生能源的可用性和波動情況對儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電或放電。

4）預(yù)測和預(yù)測分析：通過調(diào)整充電和放電時間表來優(yōu)化儲能系統(tǒng)的運(yùn)行，以應(yīng)對可再生能源的變化。

5）功率平滑：儲能系統(tǒng)通過在高發(fā)電期吸收多余功率，在低發(fā)電期釋放儲存的能量，以平滑可再生能源的間歇性功率輸出。

6）調(diào)峰：儲能系統(tǒng)在高能耗時期通過釋放儲存的能量來減少電力峰值需求，以優(yōu)化可再生能源的使用。

7）電壓和頻率調(diào)節(jié)：當(dāng)可再生能源輸出波動時，儲能系統(tǒng)可為電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐。也可通過注入或吸收無功功率來調(diào)整功率輸出。

具體的配置和實(shí)施將取決于可再生能源的具體特性、儲能技術(shù)和系統(tǒng)要求。

3.2 面臨挑戰(zhàn)

雖然集成嵌入式發(fā)電和儲能系統(tǒng)帶來了巨大的好處，但也存在需要解決的挑戰(zhàn)和障礙。

混合動力系統(tǒng)基礎(chǔ)方面，混合動力系統(tǒng)需要結(jié)合多種發(fā)電技術(shù)和儲能系統(tǒng)以發(fā)揮其互補(bǔ)優(yōu)勢，其集成與控制技術(shù)非常復(fù)雜[9-10]。例如，將太陽能光伏與風(fēng)力渦輪機(jī)相結(jié)合，或?qū)㈦姵嘏c燃料電池相結(jié)合。

系統(tǒng)運(yùn)行和控制方面，協(xié)調(diào)發(fā)電和儲能系統(tǒng)，優(yōu)化能源調(diào)度，維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定，需要復(fù)雜的控制策略和先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)。另外，開發(fā)智能控制算法和實(shí)時通信基礎(chǔ)設(shè)施對于確保系統(tǒng)高效可靠運(yùn)行也是至關(guān)重要的。

4 結(jié)束語

在技術(shù)進(jìn)步和對清潔能源系統(tǒng)日益增長的需求的推動下，嵌入式發(fā)電和儲能正在迅速發(fā)展。

將各種發(fā)電技術(shù)和儲能系統(tǒng)集成到電力系統(tǒng)中需要仔細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、可靠的協(xié)調(diào)和控制系統(tǒng)，這在技術(shù)上十分具有挑戰(zhàn)性。

各類新興趨勢和先進(jìn)技術(shù)正在塑造嵌入式發(fā)電和儲能的未來，并推動電力系統(tǒng)向更清潔、更有彈性的能源系統(tǒng)過渡。