新能源微电网研究综述

【关 键 字】 微电网技术  可再生能源  储能技术  控制策略  保护机制  新能源互联网
【摘    要】 微电网是集发、配、用电为一体的自治系统,构建了全新的能源技术公平竞争体系,具有长久的技术、经济、环境和社会效益。本文首先从供电模式角度就交流、直流、交直流混合3种形式微电网进行说明,总结了微电网中的储能技术;然后,着重分析了分层控制中每层控制的具体特征、特殊架构、优化算法与发展规律,指出了各层控制的问题及研究方向,探讨了微电网规划设计方法理论,并研究了微电网安全保护机制;最后,结合当前现状,阐述了微电网与能源互联网的关系,提出了微电网未来发展建议。
 
0 引 言
 
近年来,电力系统呈现出用电负荷不断增加、输电容量逐渐增大的特点,大容量集中式发电、远距离高电压传输的互联大电网运营成本高、运行难度大、调节能力弱的问题日益凸显,难以满足用户越来越高的安全性、可靠性、多样性、灵活性供电需求。随着新型电力电子技术的不断成熟,基于风、光、热、储等绿色能源的分布式发电技术蓬勃发展。分布式发电具有能源利用率高、环境污染小、供电灵活性强、投入成本低等优点,开发利用高效经济、灵活可靠的分布式发电技术是解决能源危机和环境问题的有效途径。为了减缓大规模的分布式电源单机入网对大电网的冲击,弥补电力系统对分布式电源广泛渗透承载能力的不足,充分发挥分布式发电技术的优势,微电网[1-2]的概念应运而生。
 
微电网具有多源低惯性供能、多模式协调运行、多模块互补支撑、多级架构灵活互动的特点,是由分布式电源、负荷单元及储能装置按照特定的拓扑结构组成的具备独立管理、保护、控制能力的集约化新型电力网络,是以新能源发电技术为支柱、低惯性电力电子装置为主导的多约束、多状态、多维度的复杂自治电力系统。微电网有并网和孤岛两种运行模式,并且可以在两种模式之间平滑无缝切换,一般通过单点接入主网,具有“即插即用”的灵活性和可控性,是未来智能电网的重要组成部分[3]。当微电网处于并网模式时,能实现公共电网、分布式电源与负荷的一体化协调运行和各种能源资源的梯级高效利用;当大电网发生故障时,微电网通过解列控制进入孤岛模式,单独向敏感负荷供电,充分满足用户对供电安全性、可靠性需求。
 
在“863”、“973”国家重点项目的支持下,我国微电网技术迅猛发展。2012年,国家能源局制定的《可再生能源发展“十二五”规划》指出,到2015年我国将建成30个新能源微电网示范工程。2015年7月,国家能源局发布了《关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》,国家能源局将结合项目具体技术经济性会同国务院有关部门研究制定相关支持政策,使微电网发展上升到新的高度。2015年9月,国家能源局又发布了《配电网建设改造行动计划(2015—2020年)》,将新能源与分布式电源并网、微电网示范工程列入配网建设规划。本文首先对交流、直流、交直流混合三种形式的微电网进行说明,介绍了微电网中的储能技术的发展状况,然后从控制策略、规划设计、保护机制等方面进行探讨,简要介绍了能源互联网技术,并提出了微电网未来发展建议。
 
1 微电网简介
 
微电网分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网。交流微电网中,风机、微燃机等输出交流电的分布式电源通常直接或经AC/DC/AC转换装置连接至交流母线,而光伏模块、燃料电池等输出直流电的分布式电源则必须经过DC/AC逆变器连接至交流母线,分布式电源和公共电网依照特定的计划为负荷供电。鉴于分布式电源的随机性和间歇性,电力潮流的双向流动性等特点,交流微电网在电能质量、保护控制方面面临巨大挑战。因此,详细的网络架构规划、可靠的保护通信系统、稳定的运行控制技术是交流微电网良好运营的关键。
 
直流网络构架是未来微电网发展的方向,更加符合负荷多样性的发展趋势,分布式电源、储能系统、交直流负荷等均通过电力电子装置连接至直流母线,储能系统可以通过电力电子装置补偿分布式电源和负荷的波动。与交流微电网相比,直流微电网具有损耗小、效率高、控制简单等优势[4-6],但是,直流微电网仅仅处于起步阶段且规划设计缺乏成熟统一的标准,大规模推广与发展是一个长期的过程。
 
交直流混合微电网既含有直流母线又含有交流母线,既可以直接向直流负荷供电又可以直接向交流负荷供电,解决了多次换流带来的诸多问题,降低了电力变换带来的能量损耗,具有更高的效率和灵活性[7],是未来最有潜力的配电网形式。其具有直流部分独立运行、交流部分独立运行、交直流部分协调运行3种运行模式,囊括了交流微电网和直流微电网的优点,对交直流分布式电源皆有较好的兼容性。
 
2 微电网中的储能技术
 
以风能、太阳能等新能源为主的分布式电源大规模集成渗透使微电网在供电质量、连续性、稳定性等方面面临严峻挑战。高效可靠的储能系统通过控制供需能量提供类似惯性的功能,是以新能源为支柱、低惯性电力电子装置为主导的微电网正常运行的保证。微电网中储能技术应用如下[8-10]:①通过合理有序的储能系统控制策略,弥补分布式电源随机性、间歇性和不可控性缺陷,增强分布式电源的稳定性与可调度性;②在负荷低谷时充电,在负荷高峰时放电,作为微电网能量缓冲环节实现负荷的削峰填谷;③基于储能系统的快速响应特性,减缓模式切换过渡的暂态冲击,实现微电网无缝平滑切换,并为微电网的孤岛运行提供电压和频率支撑;④为微电网提供有功功率支撑或无功功率补偿,平滑微电网电压波动,改善微电网的电能质量。
 
储能系统分类标准很多,根据电能供应速度储能系统可分为3类[10]:①服务于能量管理体系的小时级电能供应储能系统;②处理电力瞬时短缺的分钟级电能供应储能系统;③用于有功或无功功率补偿的秒级电能供应储能系统。为了充分发挥储能系统的优势,通常将不同性能的储能装置进行互补组合。能量密度大的蓄电池和功率密度大、循环寿命长的超级电容组合成的混合储能系统可以提高功率输出能力,延长使用寿命[11];超级电容与压缩空气储能优化组成的混合储能系统在大容量存储的条件下具有高动态响应性能[12]。在微电网运行过程中,需要整合不同的储能装置以达到特定的运行目标,混合储能系统是储能技术发展和应用的趋势。
 
3 基于分层理念的微电网控制策略
 
稳定可靠的控制策略是微电网良好运行的保证,也是其优势充分发挥的关键。基于分层理念形成的微电网系统控制策略是当前最常用的控制架构,也是微电网控制技术不断发展完善的方向,利用分层控制架构可以在不同的时间尺度上实现对微电网电气量的控制,分层控制包括第一层、第二层及第三层控制三部分。
 
3.1 第一层控制
 
第一层控制为分布式电源和负荷本地自主控制,主要通过分布式电源控制器和负荷控制器实现有功功率和无功功率特定分配、维持微电网孤岛过程中电压和频率的稳定,提高微电网的稳态和暂态性能,其需要最快响应分布式电源供能和负荷需求的变化。分布式电源的控制是第一层控制的关键,目前多采用双环控制模式:内环动态响应较快,通过不同的控制算法提高逆变器输出信号的质量;外环动态响应较慢,通过不同的控制策略达到特定控制目的。内环控制算法中最常用的是经典PI调节器,其是适用于线性时不变、单输入单输出系统的线性控制器,由于对直流量具有较好的调节效果,而调节交流量时存在稳态误差,往往用于旋转坐标系控制,具有控制结构清晰简单的优点,可以实现大部分的控制目标[13]。比例谐振控制器(proportional resonant ,PR)可以实现交流量的有效控制,同时具有较高的动态性能和低次谐波控制效果,但是不能解决高次谐波问题,且控制器参数设计复杂性较高,其通常运用于静止坐标系的控制[14]。另外,滞环控制和无差拍控制可以实现非线性控制,而预测控制、滑模控制等算法在文献[13-14]中被详细说明,这些算法可以通过不同的控制方式实现各自的控制目标。外环控制策略常见的有:恒功率控制、恒压/恒频控制和下垂控制。
 
恒功率控制利用电网电压和频率作为支撑,通过有功功率和无功功率解耦控制实现分布式电源功率输出的恒定,一般应用于微电网并网运行状态。恒压/恒频控制主要应用于微电网孤岛运行状态,通过调节分布式电源输出的有功功率和无功功率实现系统频率和电压的稳定。下垂控制模拟发电机功频特性,通过对逆变器输出电压的幅值和频率的调节来实现有功功率和无功功率的特定分配,不需要额外的通信线路,既可以应用于孤岛模式也可以应用于并网模式,是目前最有发展和应用潜力的分布式电源控制策略。传统下垂控制有一定缺陷:低压线路呈阻性,导致逆变器间环流大,功率分配不精确;孤岛模式下,电压和频率会随着负荷变化而波动;为有差控制,会有频率和电压的偏差;下垂系数过大会导致电压和频率波动剧烈,下垂系数过小又会导致功率分配不精确。因此,许多改进下垂控制被提出。为消除线路阻抗对下垂控制的影响,通常有两种改进方法[15-17]:①通过分析和补偿线路阻抗对有功和无功功率的影响实现电压和频率下垂控制的解耦;②通过逆变器合理控制输出虚拟阻抗。为了减小下垂系数的影响,改进的自适应调节下垂系数控制方法被提出[18-19],提高了系统稳定性和可靠性。另外,通过二次调压调频[20-21]维持系统电压和频率的稳定也是改进下垂控制的方向之一。
 
主从模式和对等模式是微电网分布式电源控制最常用的两种结构。当微电网采取主从控制时,并网状态下的分布式电源通常采取恒功率控制,而在进入孤岛状态后,输出稳定的分布式电源或储能系统作为主控单元需切换至恒压/恒频控制策略,并为从控制单元提供电压和频率的参考[22]。微电网采取对等控制时,分布式电源通常选择下垂控制且无主从之分,孤岛状态下自主参与系统电压和频率的整定,易于实现“即插即用”和“无缝切换”[23]。
 
3.2 第二层控制
 
第二层控制为微电网管理层的控制,通过对系统中的负荷和分布式电源进行整体控制,使微电网处于源荷协调状态,同时补偿第一层控制造成的电压幅值和频率的偏差,使微电网与主电网处于同步状态。另外,第二层控制负责微电网安全稳定运行,应具备故障检测、孤岛并网无缝切换等功能,并根据上级控制的经济化目标实现微电网经济运行[24]。第二层控制可以分为集中式和分布式两种架构。
 
集中控制通常依赖安全可靠的通信系统,中央控制器设定系统的运行模式,实时监控系统的运行状态,并统筹第一层控制中的本地控制器。中央控制器通过通信线路接受配电网运营商和电力市场的指令,并根据目标约束函数与微电网本地控制器交换信息,利用安全、高速的通信网络进行分布式电源、储能系统及负荷的实时调度和控制,是微电网运行的中枢[25]。第二层控制时间响应速度慢于第一层控制,因此可以通过采样测量微电网变量减少通信带宽,并实现第一层控制和第二层控制的解耦,同时为中央控制器进行复杂的计算和信息处理争取时间[26]。对通信容量和计算能力的高要求与过分依赖是集中控制的一大弊端。
 
在分布式的微电网能量管理架构中,分布式电源控制器和负荷控制器都具有实时测量监控并自主运行的能力,本地控制器可以相互交换实时信息并完成潮流计算分配和电压频率整定,配电网管理部门也只要与周边局部器件进行通信即可掌握微电网的运行状态[27]。这样,微电网不必过分依赖安全高速的通信网络,中央控制器也不必进行繁杂且高度集中的实时信息处理计算,当中央控制器发生故障时系统其它部分还可以正常运行。因此,分布式控制架构使微电网更加灵活可靠、安全方便。
 
3.3 第三层控制
 
第三层控制为配电网管理层的控制,以安全可靠、经济稳定为原则实现微电网间及微电网与配电网间的协调运营。第三层控制是微电网的上层能量优化及调度环节,根据分布式电源的出力预测、市场信息、经济运行及环境排放要求等优化目标和约束条件,微电网得到运行模式、调度计划、需求侧管理命令,从而统筹最佳运营的措施。第三层控制还可以协调多个微电网的运行,能够处理集群化多微电网系统的能量调度。因此,第三层控制作为分层控制中的最高级别时间响应速度最慢,需要提前设定控制目标并进行适当的信息预测。
 
微电网能量优化调度需要多能源优化互补、多环节可靠稳定、多变换流畅高效、多模式供需均衡,从而达到源-荷-储的动态平衡,实现能源的分层梯级和有序高效利用。微电网能量优化调度架构有集中式和分布式两种。集中式架构中的中央控制器是调度的核心,通过分布式电源与负荷等实时信息的反馈对调度进行全局统筹规划,但降低了系统的灵活性且过分依赖系统的通信和计算能力[28];分布式架构[29]中每一个部件都是一个具备自主决策和独立管理能力的代理,通过各代理之间信息的互动与状态的协调实现能量优化目标,有利于实现微电网“即插即用”。微电网能量优化调度系统需要随着微电网的成熟与用户需求的提高而变得更加灵活、全面、智能、开放,能够适应可再生能源出力的间歇性和随机性,平衡分布式电源、储能装置及负荷的接入与切除,兼容未来智能家居设备、先进电价政策与能源互联网规划,协调经济、技术与环境目标,从而为真正实现微电网“即插即用”的灵活性和坚强可靠的鲁棒性特点奠定基础。
 
第三层控制是微电网安全稳定、经济高效运行的关键,是微电网系统充分发挥其优势和特点的保证。目前对于微电网控制策略的研究多集中在前两层,而第三层控制的功能往往比较单一,控制目标设定的针对性和局限性较强,从而导致控制策略的适用性和推广性效果较差。另外,不同于传统的配电网调度,微电网系统中还需要考虑分布式电源的间歇性和随机性,而精确的间歇性能源预测技术和配电网管理层能量调度技术的结合程度还远远不够,这样就无法实现能量的实时优化和精确分配,也就不能对可再生能源进行充分利用。同时,随着负荷形式的多样化,终端用户具有更高的主动性、灵活性与可控性,微电网需求侧时间和空间上的不确定性大大增加,提高了对需求侧管理策略的要求。第三层控制策略的设计需要充分考虑微电网中分布式电源间歇性和随机性特点、终端负荷的多样性和可控性发展趋势、多储能设备的能量双向性及协调配合,同时兼顾微电网的特定拓扑架构、运行模式、实时电价等特点。因此,可再生能源出力和负荷预测、分布式能量优化调度算法、多微电网协调运行等技术是未来研究的重点,配电网管理层需要实时地收集并处理各种数据信息,在系统各单元发生变化时可以准确地响应,从而实现能量的最优调度和系统的经济运行。
 
4 微电网规划设计
 
微电网规划设计是微电网经济运营的前提,目的是通过充分的技术可行性、经济合理性及环境友好性分析,结合准确的电力负荷预测、特定的系统规划目标及运行约束条件,建立完整的规划设计模型,寻找分布式电源与储能系统容址最优配置和微电网控制策略、网架结构、安全保护机制、能量管理等的最佳组合。微电网规划设计是一个多目标、多变量的混合非线性问题,具有很大的随机性和不确定性。文献[30]从建模方法、求解算法和设计软件三方面介绍了微电网规划设计研究现状,阐述了可再生能源与负荷需求分布特性的确定性和不确定性两种分析方法,总结了微电网规划设计中可能的优化变量、运行目标、资金投入、项目收益和约束条件,对比说明了枚举法、混合整数规划法、启发式算法和混合算法等微电网规划设计问题的求解优化算法。文献[31]深入阐述了37种可再生能源整合集成的分析软件,包括HOMER, MARKAL/TIMES, RETScreen 和H2RES等兼容的微电网规划软件。文献[32]对微电网规划的优化算法进行全面阐述,并从分布式电源定容、选址及微电网调度3个角度进行微电网规划的介绍。
 
目前,微电网规划设计方面的研究不够深入且理论不够全面。因此,今后要逐步建立科学、完整的微电网规划设计评价体系,寻找全面、准确的微电网规划设计优化算法,开发实时、系统的微电网规划设计分析软件,从而形成一套综合成熟的微电网规划设计理论。
 
5 微电网安全保护机制
 
微电网具有并网与孤岛两种运行模式,且容量小惯性低、电力潮流双向流动,这使得微电网保护需要具备更强的多模式兼容能力、更全面的故障识别算法和更快的故障切除速度。传统的三段式过流保护已无法满足微电网的运行需求,新的改进保护策略包括自适应保护、差动保护、距离保护、基于电压量的保护等[33-34]。文献[33-34]描述了微电网安全保护机制的特点,分析了微电网保护领域内的研究成果,总结了适用于微电网的保护方法,比较阐述了各个保护方法的优缺点,并指出了微电网保护未来的发展方向。文献[35]提出了一种基于数字中继和高级通信的集中式架构的微电网自适应保护系统,当系统的运行状态或需求发生变化时自适应保护可以在线即时修改保护响应,并且具备离线故障分析的能力。文献[36]利用基于同步相量测量原理的数字继电器构建了由主保护、后备保护和三级保护组成的差动保护方案。
 
微电网自主并网、孤岛和主动投切负荷的能力使其拓扑架构与潮流分布处于动态变化之中,在孤岛和并网运行时短路电流水平差异明显。微电网安全保护机制还应更进一步:①识别微电网各个类型的故障特征,有效地保护微电网孤岛与并网运行状态;②研制新型的断路器,保证微电网故障及时切除;③构建针对微电网的保护标准,形成系统的微电网保护理论;④开发先进的微电网孤岛检测算法与黑启动策略,保证微电网故障不影响主电网安全稳定地运行。
 
6 微电网——能源互联网的新能源接口
 
能源互联网是传统的能源技术与新兴的互联网技术相互渗透、相互融合的结果,是信息流与能源流深入交叉、高度耦合的必然产物,将是新一代工业革命浪潮的重要标志之一。虽然能源互联网正处于萌芽阶段,且相关的概念还没有达成一致的共识,但无论是国家层面还是企业层面都开始提前布局,争取在全新的能源经济模式中占据主动。目前,关于能源互联网的讨论持续升温,相关的研究也如火如荼[37-39]。能源互联网的核心是电力系统,其重要特征是对高渗透率、种类多元的可再生能源的高效消纳与对等共享。微电网是能源互联网中可再生新能源的载体与接口,是未来能源模式与架构下新型电力网络的重要组成部分。能源互联网将对现有的电力系统产生多层次、全方位的影响,微电网也将在互联网的浪潮下被赋予新的功能与内涵,在能源互联网下的整体电力系统“骨干网”中,微电网可以作为“局域网”灵活地发挥作用。能源互联网系统下的微电网单元,在现有的发展模式与规划思路下,利用“互联网+”的思维,同时借助大数据、云计算、物联网、互联网等技术和平台,必将取得质的升级和飞跃。
 
目前能源互联网作为新兴技术,尚无明确严格的定义,但对于可再生能源的有效利用是其重要内容之一。以可再生能源为主的分布式电源单机入网时会出现许多问题,微电网技术的出现和完善为可再生能源的利用提供了途径。在能源互联网的宏观框架之下,微电网作为新能源接口将承担着可再生能源的供给、转换和分配的任务。微电网清洁高效、灵活智能的发展思路与能源互联网是高度一致的,微电网以电力“局域网”的身份参与能源互联网的运行,微电网中的电力路由器负责电力流的控制和分配,而能源互联网下先进的信息传输和处理能力、综合的能源大数据分析方法、快速的功率变化响应技术将使微电网系统能量的优化、调度和分配更加地合理准确。微电网和能源互联网的相互支撑、相互融合、相互促进,将推动新能源利用技术的进一步发展,最终将形成多信息、多层次、多功能的复合能源互联网络。
 
7 微电网发展建议
 
在全球能源危机、环境问题日益严峻的背景下和国内电力体制改革、能源互联网持续升温的浪潮中,微电网技术将快速发展。结合前述内容,对微电网未来发展建议如下:
 
① 规范的技术标准体系。根据国内外微电网理论与实践,结合电力系统相关标准,建立包含微电网规划设计、拓扑架构、模式转换、负荷投切、电能质量、控制保护等系统全面的标准体系。
 
② 适当的初期支持政策。尽快研究出台相关的微电网补贴政策和电价政策,完善微电网建设机制,支撑微电网初期发展。
 
③ 完备的规划设计思路。确定合理的网络拓扑架构,寻找恰当的微电网规划设计建模方法与优化算法,开发实时的微电网规划设计分析软件,在微电网与现有配电网协调互动条件下形成完备的规划设计思路。
 
④ 先进的智能控制策略。与能源管理系统结合,真正实现微电网的“即插即用”与“无缝切换”,同时满足互联多微电网能量交换;在分层理念的引导下,合理安排每层控制的目标与任务,加强各层控制间的联系,同时优化每层控制算法。
 
⑤ 可靠的安全保护机制。研制适应微电网特点的安全保护装置与故障检测设备,建立详细的微电网故障模型和系统的故障识别算法,形成同时满足微电网并离网运行模式的保护策略。
 
⑥ 全面的运营评估理论。深入挖掘微电网的经济、技术、环境与社会效益,合理地设置各评估指标权重,建立兼容多目标、多约束的全面的运营评估体系。
 
8 结束语
 
微电网有效地整合了间歇随机的可再生能源,构建了全新的能源技术公平竞争体系,促进了电力技术改革与电网规划技术的发展,在提高供电稳定性、降低温室气体排放的同时为主电网提供了必要的支撑辅助服务,为电力系统稳定、安全、高效、快速的发展提供了新思路,具有长久的经济、技术、环境和社会效益,是实现智能电网和能源互联网的关键环节。未来的电网将是交直流混合、微电网与主电网共存、各种可再生能源合集的动态智能系统,随着时间的推移,微电网技术的优势与效益将被充分发掘,越来越多的用户也会因此受益。
 
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孟明,陈世超,赵树军,李振伟,卢玉舟
【作者机构】 华北电力大学电气与电子工程学院;国网邯郸供电公司
【来    源】 《现代电力》 2017年第1期P1-7页

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