微電網智能運行策略研究*

賈景姿 曾 鳴

1.海南師范大學 經濟管理學院 ?？?570125 2.華北電力大學 經濟管理學院 北京 102208

1 研究背景

進入21世紀以來,世界經濟高速發展,能源需求持續增加。煤炭、石油、天然氣仍然占據能源供應的主力地位,并帶來化石能源短缺及環境污染問題,威脅到人類社會的可持續發展。為滿足快速增長的能源需求,發展可再生能源,提高其消費占比已成為各國主要的能源轉型策略。在我國西部偏遠省份遠離大電網的無電、缺電地區,具有較好的水、風、光等可再生能源資源條件,同時存在資源分散、單體規模小、穩定性較差等問題,電力開發和輸送較為困難,嚴重影響了可再生能源的應用。我國一些地區具有特殊的政治、軍事地位,在大電網因為異常事件切斷后,常態化保供電的場景眾多,而傳統采用配置柴油發電機,派駐應急發電車等保供電模式,同樣存在環境污染問題,也不符合國家實施碳中和的戰略要求。由此可見,利用可再生能源建設微電網,并保障微電網順利運行,對于我國經濟發展、環境保護、國家安全、民生改善而言具有非常重要的意義。筆者就此對微電網智能運行策略進行研究。

2 微電網能量管理系統

2.1 作用

微電網是一種電能自發自用的獨立主體,包括電能供應方,如小水電、光電、風電、柴油發電機、礦物燃料、儲能設備等分布式電源,以及電能用戶,即負荷,同時還包括對電能供應方和電能用戶進行監測、控制、保護的相關設備,以實現電能供需平衡。微電網可以獨立自主運行,也可以作為一個整體平滑接入大電網。對于外部大電網來說,微電網可以是單一的供電單元,也可以是單一的負荷單元,內部通過自我管理實現自治,能夠充分滿足用戶對電能質量、供電可靠性和安全性的要求[1]。

分布式電源最大的缺點是隨機性和間歇性。要充分利用分布式電源,就需要對其進行優化配置,實現能源梯級利用。比如在光伏和風力發電停歇期,由儲能設備、相應功率的柴油發電機、小水電、電動汽車充轉放,甚至外部大電網等進行補充,并利用無功補償裝置實時調節,以保障供電功率和電壓穩定,滿足用電需求。要實現各種特性不同、出力不同的分布式電源的運作一致,滿足不同時段不同功率和電壓的用電需求,還需要能量管理系統進行協調控制,以實現模塊化整合,平滑系統的功率波動和電壓波動,維持微電網內部的發電和用電動態平衡?？偠灾?接入微電網,需要增強電網接納多樣性分布式能源的能力,離不開能量管理系統。

能量管理系統是微電網能源與信息的重要融合點,如同微電網的大腦,除了控制內部眾多分布式電源的接入,還協調內部用電與供電的平衡,以及與外部大電網供用電的無間隙切換[2]。

2.2 結構

微電網控制體系包括遠程控制和本地控制。遠程控制主要由一套能量管理系統及其通信單元構成微電網中央控制器,在頂層實現微電網的效益最大化,在底層協調地方微源控制器的不同功能。

本地控制主要通過微源控制器實現,微源控制器負責監控分布式能源,如分布式電源、儲能設備、負荷等。微源控制器可以是獨立的硬件設備,也可以是安裝在電表、分布式電源電子接口或任何具有足夠處理能力的現場設備中的軟件。微電網拓撲如圖1所示。

圖1 微電網拓撲

2.3 控制方式

微電網運行控制方式主要有兩種:主從控制和對等控制,需要在設計能量管理系統時根據接入電源的不同進行選擇[3]。

主從控制的微電網,通常選取一個或幾個微電源作為主分布式電源,采用恒壓或恒頻控制,可以穩定微電網電壓頻率。系統中其它微電源采用恒功率控制,配合實現微電網安全可靠運行。主從控制中,包含能量管理系統的微電網中央控制器承擔微電網效益最大化和微電網優化運行的責任,需要充分考慮分布式電源實際出力情況、系統安全、大電網電價,來確定各分布式電源的發電量,實現全網利益最大化,同時在出力不足的情況下削減非關鍵可調負荷。主從控制的技術難度低,風險比較小,在目前的微電網系統項目中得到廣泛應用。

在采用對等控制的微電網中,所有微電源不分主次,地位相同。在對等控制微電網中,微電源依靠本地信息就地控制,實現具有電壓源輸出特性的微電源基于本地信息的功率自動分配。在微電網運行模式切換時,不需要改變控制策略,可以實現微電源接入微電網的即插即用。在對等控制中,各微電源控制器承擔主要責任,通過競爭與合作來優化各自輸出電量,以滿足微電網的自身需求,并在保證微電網安全可靠運行的情況下,控制微電源盡可能多向主網輸送電能。由于對等控制中所有微電源都能夠自主參與微電網電壓和頻率的維持,因此對等控制下的微電網更加堅強可靠。

3 微電網運行策略

3.1 概述

根據上述微電網系統結構設置和控制模式的選擇,微電網孤島運行時,需要保證系統內發電與用電的動態平衡,必然會存在部分時間段發電量超出用電量或用電需求大于發電量的情況。此時,為了保證系統穩定安全運行,需要限制部分電源發電或者暫時中斷部分負荷[4]。在此過程中,一般會最大化利用光伏發電,應用鉛碳電池儲能系統充放電進行調節。如果有柴油發電機組,可將其作為備用與調峰電源。如果水電站出力恒定,則以水電優先保證如醫院、交通信號燈等重要負荷供電,必要時切除可中斷負荷,如廣告照明等。

并網運行時,在微電網內部經濟運行的基礎上,還需要發揮對外部大電網的削峰填谷作用。一般而言,白天光伏和風力發電運作正常,同時大電網負荷量較大,微電網可采取全功率發電模式,最大限度發揮分布式電源作用,超過微電網內部負荷需求的電量可提供給大電網。夜間則相反,風力和光伏發電幾乎不工作,大電網可供電給微電網,以滿足夜間微電網的負荷需要。

基于以上分析,微電網運行策略可以分為三個部分。第一部分為孤島運行策略,第二部分為并網運行策略,第三部分為模式切換運行策略。

3.2 孤島運行策略

微電網內分布式電源快速調節接入及接入后波動都需要依靠實時協調控制應對。這種實時性不僅要求微電網基于小時級控制形成日前出力和調度計劃,而且需要進行分鐘級、秒級,甚至毫秒級就地分散控制,實現能量管理的動態執行。

第一,通過對光伏、風力發電、負荷的歷史數據分析,進行發電及用電預測。在此基礎上,針對風電、光電、儲能、柴油發電、小水電等分布式電源,建立可以實現最低發電成本的經濟調度模型。在各種安全性約束條件限制下,制訂日前出力計劃和調度計劃。

第二,基于小時級控制的日前計劃,進一步細化到分鐘級控制。在電能質量監測模塊的配合下,通過對不同干擾源的定位分析,預判故障,建立可保障電能質量的優化調度模型,制訂超短期計劃及故障預防控制方案。超短期計劃和故障預防控制方案在分布式電源出力小于日前計劃功率時觸發,一方面滿足總負荷需求,另一方面提高分布式電源節點的電能質量滿意度[5]。

第三,在觸發超短期計劃調度時,若仍檢測到電能質量不合格,則需要考慮系統是否發生故障或者因天氣原因風光發電出現較大波動。系統將立即自動轉換為秒級或毫秒級控制,實時采集各分布式電源發電功率和負荷需求情況,通過可控電源控制,如儲能充放電轉換、柴油機啟停轉換,來維持系統安全穩定運行,并在可控電源控制無法實現功率平衡的情況下,通過快速切斷可中斷負荷來保障系統安全。在這一過程中,進行故障識別及隔離。

第四,如果電能質量持續降低到一定閾值,則進行系統停機檢修,并在故障隔離或解決后,自行或人工重新啟動運行,恢復供電。

3.3 并網運行策略

在并網運行時,微電網可以基于自身利益最大化的目的,在綜合考慮電價的基礎上,作為電源或負荷接入大電網[6]。此外,微電網還可以配合削峰填谷的需要而接入大電網。

以自身利益最大化為目的接入大電網時,耗費成本較高的柴油機停運,風力發電與光伏發電在最大功率點運行,儲能的運行以電價高低確定。如果預測電價較高,則儲能放電。如果預測電價較低,則儲能充電。無論儲能充電還是放電,當微電網總發電功率大于總負荷需求時,作為電源接入大電網,否則作為負荷接入大電網。

因削峰填谷需要接入大電網時,風力發電和光伏發電在最大功率點運行。如果滿足負荷需求且有功率剩余,則可以向大電網輸出功率用于削峰。如果沒有功率剩余,則儲能放電,滿足削峰需要,反之儲能充電,滿足填谷需要。如果儲能放電不能滿足微電網內負荷需求,則再啟用柴油發電機,以配合削峰需要。

在并網條件下系統發生故障時,無論是微電網故障還是大電網故障,都應先斷開微電網,以避免故障特性復雜化,導致損失擴大,并擴展到大電網上的其它用戶[7]。

3.4 模式切換運行策略

除并網與孤島常態下運行外,并網轉孤島、孤島轉并網暫態下的優化協調也非常重要,是否順利平滑轉換決定了電能質量的高低和供電的可靠性[8]。

并網轉孤島暫態可分為計劃內轉換和計劃外離網。當進行計劃內轉換時,能量管理系統接收到并網轉孤島指令,調節微電網內主要出力電源,使并網點交換功率降低到一定閾值,斷開并網開關,根據經濟調控模型進行分布式電源出力優化,進行孤島狀態下能量管理的動態執行,保證平滑切換。當監測到大電網異常時,啟動計劃外離網程序,進入孤島運行模式。

孤島轉并網暫態下,能量管理系統接收到轉換指令,系統實時監測大電網的電壓、頻率等,對微電網正在運行的電源輸出電壓、頻率等進行調節,必要時啟動其它電源,進行并網條件判斷。一旦條件滿足,則打開并網開關,實時調整電源出力,避免因切換電流沖擊過大而導致系統自動保護程序啟動,從而實現平滑切換。

4 微電網運行互動

4.1 互動模式

隨著分布式電源、微電網、電動汽車等新興元素的不斷發展,居民用戶、工商業用戶、大用戶等不同電力用戶均提出了更高的互動需求,同時微電網中的用戶需要在電源側與用電側之間來回轉換,互動更加頻繁、復雜[8]。由此,微電網目前迫切需要貫徹互聯網+的思維,在運行中不僅需要實現自身的調度與控制,以及對用戶側和電源側的簡單管理,還需要考慮不同用戶的特定互動需求,使能源與信息深度融合,實現電力公司和用戶之間深層次的信息互動、業務互動、能量互動[9]?；幽Ｊ饺鐖D2所示。

圖2 互動模式

4.2 信息互動

微電網運營商可以借助互聯網開通網上營業廳業務,開發手機應用程序,為用戶提供網上服務、手機服務等終端在線信息互動服務,滿足用戶基本繳費、查詢用電情況、咨詢節能方式、投訴等信息互動需求,以及工業園區生產、用戶安全防護、醫療等不同負荷的調度信息互動需求[10]。通過信息互動,運營商可以基于集中抄表模塊,為用戶提供基礎的發電與用電數據,及時掌握用戶基本用電信息,并通過進一步的能效分析,為用戶提供節能建議,為有效的業務互動奠定基礎。用戶也可以通過界面友好的環境及時便捷了解運營商推出的最新套餐及其它優惠活動,同時獲取實時電價變動等信息,規劃自身的用能行為,并在與運營商密切溝通的基礎上調整發電計劃,以實現整體利益最大化[11]。

4.3 業務互動

業務互動需要建立在信息互動的基礎上,主要包括用戶側分布式電源及儲能裝置接入申辦、用電報裝服務、故障搶修服務、電動汽車充電設施申辦、能效管理服務申請、能效合同簽訂等,滿足用戶線損管理、多渠道繳費等傳統業務的互動需求,以及能耗監測與能效診斷等增值業務的互動需求[12]。微電網運營商可以利用大數據技術分析各類用戶的用電特點,針對用電特點設計并提供不同的個性化綜合能源解決方案。通過業務互動,運營商可以健全服務套餐業務,滿足客戶群體的不同需求,提供人性化服務,提高服務水平和質量。用戶可以在運營商的指導和建議下自主選擇符合自身需求的服務產品和服務套餐,有利于用戶在有序、安全用電的基礎上實現便捷用電和經濟用電。

4.4 能量互動

能量互動建立在信息互動和業務互動的基礎之上,指各類不同客戶個體和微電網之間的能量交互,主要包括分布式電源業務和充放電設施業務兩個部分,可以滿足分布式電源接入、儲能接入等用戶側互動需求,以及智能化虛擬電廠、綠色電力認購等電源側互動需求。通過能量互動,在分布式電源方面,用戶可以實現自發供電,在滿足自身需要的基礎上獲取售電盈利,同時靈活用電,避開用電高峰時段,降低用電成本。在充放電設施方面,用戶不僅可以隨時隨地便捷充放電,而且可以通過電動汽車等放電出售電力獲得收益[13]。

總之,通過信息互動、業務互動、能量互動,可以為用戶提供電價、能耗等用電和供電信息,為用戶辦理用電與供電便捷轉換,實現能量的有序輸送,優化調度,滿足用戶多樣化需求,在經濟、安全用電的基礎上,獲取售電利益。

5 結束語

微電網的建設與運行需要在明確建設目標的基礎上,進行物理架構,尤其是對微電網能量管理系統的設計,充分利用可再生能源,建立有秩序的拓撲結構。根據接入的不同能源類型,選擇主從控制或對等控制,實現微電網在孤島、并網常態下,以及孤島轉并網、并網轉孤島暫態下的無間隙切換與經濟安全運行。

為滿足不同用戶的用電需求及用戶不斷提高的互動服務需求,通過能源與信息的深度融合,拓展微電網的信息互動、業務互動、能量互動等,實現微電網的智能運行。

通過微電網的建設與運行,可以在大電網無法延伸地區,充分利用當地可再生能源資源,滿足當地用電需求,實現電量自我平衡。未來大電網延伸到達之后,與大電網互聯,形成輸配分開的現代電力模式。這樣不僅可以減少電網建設的大量投資,提高電網資產的利用水平,使建設周期大大縮短,而且可以提高電網整體抗災能力和災后應急供電能力,提高保供電水平。

下一步,可以在深化微電網市場運行機制方面開展進一步研究,設計售電側放開下的微電網新型盈利模式,以更進一步促進微電網的不斷建設和順利運行。