分布式能源提供未来辅助服务的技术能力

宁玉琳，赵 峰，徐劲松

（1.兰州交通大学自动化与电气学院，甘肃 兰州 730070；2.中铁七局电务公司，甘肃 兰州 730070）

1 引言

近年来，分布式能源系统在我国有了较大的发展，以可再生能源为主的分布式发电技术也得到了快速发展。分布式能源系统与集中发电、远距离输电和大电网供电的传统电力系统相比，克服了传统系统的一些弱点，成为传统电力系统不可缺少的有益补充，二者的有机结合，是新世纪电力工业和能源产业的重要发展方向。电力供应越来越多的基于来自可再生能源（RES）的分布式发电机（DGs）。目前，它们仅仅只是把可得到能源注入到相互关联电力网络中。如果没有一个一体化的网络管理，基于间歇性能源基础上的DGs（如：风力涡轮发电机（WTGS）和光伏太阳能系统）可能危害更高，突破水平的电力网络的稳定性。在更精密的方法中，它们必须参与网络运营，以保证可持续的和安全的电力供应。目前，大型中央传统发电厂操纵着这种电力网络的运营。DGs通常没有集成在网络的运营中，如果仅仅把它们当作个体来对待，它们比较小，且是不可靠的和昂贵的。随着虚拟发电厂概念（VPPS）的提出，DER系统的集成创造了许多小实体之外的大市场份额，且利用综合风险管理增加系统的联合可靠性。因此，集成在VPPS的分布式能源资源（DER）希望能为未来可持续的电力供应和未来电力网络的运作建立一个平台。

2 分布式能源（DER）

2.1 分布式能源（DER）简介

分布式能源系统，是相对于能源集中生产（主要代表形式是大电厂加大电网）而言的。分布式能源系统直接安装在用户端，通过在现场对能源实现梯级利用，减少中间输送环节损耗，实现资源利用最大化。分布式能源系统的一次能源以气体燃料为主，可再生能源为辅，利用一切可以利用的资源。其二次能源以分布在用户端的热、电、冷联产为主，其它能源供应系统为辅，将电力、热力、制冷与蓄能技术结合，以直接满足用户多种需求，实现能源梯级利用，并通过公用能源供应系统提供支持和补充。各系统在低压电网和冷、热水管道上进行就近支援，互保能源供应的可靠性。分布式能源系统将能源利用效率发挥到最大状态，从而节约了能源、保护了环境。

根据燃料类型不同，分布式能源系统可分为燃用化石能源、燃用可再生能源和燃用二次能源及垃圾燃料等几种形式。燃用化石能源的动力装置有：微型燃气轮机、燃气轮机、内燃机、常规的柴油发电机、燃料电池；利用可再生能源发电技术有太阳能发电、风力发电、小水力发电、生物质发电等；利用二次能源的有氢能发电技术。根据用户需求不同，分布式能源系统又可分为电力单供、热电联产方式（CHP）和热电冷三联产（CCHP）等方式。

根据燃料类型不同，主要分为以下几种：

①利用常规矿物燃料的系统。燃煤锅炉/气轮机系统、活塞式内燃机系统、微型燃气轮机系统、工业燃气轮机系统、各种燃料电池系统、燃料电池与燃气轮机的混合系统等。

②利用太阳能、风能、水能、生物质能发电等可再生能源的系统。

③利用二次能源氢能的系统。相对于可再生能源能流密度低，分散性强，且受气候、地理条件及当前技术水平等因素限制和燃煤、燃油系统污染严重，燃用天然气的分布式能源系统更具优势。

对分布式能源系统而言，其关键技术是小型动力装置、新型制冷方法和系统的集成。正是由于近年来小型动力装置性能的大幅度提高，才使得分布式能源系统有比分产系统更高的能源利用率和更好的经济效益，才能在节能和科学用能中发挥日益重要的作用。

2.2 分布式能源（DER）的优势

虽然分布式能源在国内的发展应用还只是刚开始，但和传统的集中式能源相比，其独特的优势将是传统能源不可比拟的。

能效高。实现了能源梯级合理利用，分布式能源系统能效可达80%以上。

损耗小。安装在用电侧，分布式能源系统供应与需求在最短的距离内平衡，输配电损耗很小。

污染少。多采用清洁、高效的天然气和可再生能源发电，分布式能源系统污染排放量很低。同时，由于分布式能源系统发电的电压等级比较低，电磁污染比传统的集中式发电要小得多。

运行灵活，安全性好。分布式能源系统发电方式灵活，在公用电网故障时，可自动与公用电网断开，独立向用户供电，提高了用户自身的用电可靠性；当所在地的用户出现故障时，可主动与公用电网断开，减小了对其他用户的影响。

电能质量高。由于分布式能源系统发电设施通常可以就地调整电压和电流波形，保证了较高的电能质量。

系统经济性好。由于高效、低损耗和低污染排放，分布式能源系统具有明显的经济性。

将分布式能源系统接入传统的电力系统，既可以满足电力系统和用户的特定要求，又可以提高系统的灵活性、可靠性和安全性。

3 DER提供的辅助服务的技术能力

3.1 DER提供的辅助服务

3.1.1 辅助服务（AS）的定义和描述

辅助服务是指从生产者到购买者，支持电能传输必要的发电、输电和控制设备提供的那些服务。这些服务需要确保系统操作员的职责，其职责就是满足相互连接的电力系统和安全、可靠的操作。这些服务包括强制性服务和服从竞争的服务。

辅助服务（AS）可分为两大类：

①当地执行且必须被当地（或地方性的）提供的AS，它们是必须的（如电压控制）；

②在电力系统到处都可提供的广泛的系统AS（如频率控制和有功功率储量）。

另一个区别在于它们供应的方式：

①快速，地方和一般自动控制（如初级电压或初级频率控制）；

②远程，集中（例如在一个地区级）和协调（例如地区之间）控制（例如二级电压控制或三级频率控制）。

3.1.2 辅助服务的构造

本文设计的总体目标是：设计与展示一个技术架构和商业框架，这将使基于电力系统的DER成为未来电力供应系统节约成本、安全、可持续的解决方案。通过对电力系统的贡献最大化而改进DER，使其集中到大型虚拟电厂（LSVPP）并进行分散管理。其重点集中在DER参与系统运行的能力。集中提供以下辅助服务：

（1）频率控制

最初控制的目标就是在同时发生的地区内，保持使用涡轮机或者涡轮调速机的生产和消费之间的平衡。通过所有相互连接任务的共同作用，初级控制是以同区域的电力系统的使用可靠性为目标的，同时在几秒钟的时间范围内发生干扰或者事故后稳定平稳值的系统频率，但是不能修复系统频率和功率交换的参考值。

次级控制就是维持在每个控制区域的生产和消费之间，以及在同时发生的区域内的系统频率的平衡，考虑控制程序，而不削弱在同时发生的地区和在几秒钟的时间内平行的初级控制。包括：①频率响应（初级频率控制）；②热备用（二级和三级的频率控制）；③负荷跟踪。

（2）电压控制

在任何交流电力系统中电压和电流，在正常情况下，是不同相的。因此，将有无功功率流动。无功被认为是被感应元件吸收（例如变压器，架空电缆，感应电机）和电容元件所产生的（例如过励磁的同步电机和电容器）。

在高压电网，其阻抗超出其电阻，无功功率流动主要取决于电压程度。它从高电压侧向低电压侧进行传递。无功功率不能长距离传输，因为它这样做需要较大的电压梯度。因此，电压控制必须被当地分配。

无功功率流可以用无功功率源和无功功率设备得到赔偿，如同步发电机、并联电容器、并联电抗器、同步电容器 、和静止无功补偿器（SVCs）、以及线性电抗补偿等如串联电容器。这种无功功率的补偿降低了压降。此外，由有功功率流动引起的电压下降能通过接负电的无功功率流（通过变化的系统电抗）得到补偿，因为当感性电流导致电压下降时，容性电流能引起电压升高。因此，双向控制是可能的。

电压控制履行两个基本的原理：由发电单元和抽分接头转换的变压器预留的直接电压控制；通过改变功率吸收/注入引起的间接电压控制。

（3）拥塞管理

如果输电网元件的电流极限在某一时间段内被超越的话，供电的安全性将处于危险中。拥塞管理试图找到这些处于观测中电网的关键元器件，并且寻求系统重构防止这些关键元件的损耗。

（4）电能质量的改进

电力供应的服务质量有3个主要尺度：①商业特性（供应者和使用者之间的商业关系）；②供电的连续性；③电压质量。

供电的连续性是以中断的次数和持续时间为特点的。不同的记录器被用来评估供电的连续性，如中断频率［1/year］，中断时间［min］和供电的无效期［min/year］。

由于终端用户设备的敏感性，电压质量是一个重要的问题。工业设备被认为已使电能质量变得更加脆弱，同时家用的和小企业电子设备的使用也增加了更多用户产品的敏感度。电压质量的主要参数是频率、电压大小及其变化、电压突降、暂时或瞬态过电压和谐波失真。

（5）电网修复（黑起动）

黑起动就是从全国各地的国家传输系统或供应配电网的全部或部分关闭的电器用品中修复的一种程序。许多发电站开始起动都需要供应电力。为了能够黑起动，当主发电机准备运行的时候，这样的发电站必须有足够的能力供应辅助单元的独立辅助电源的某种形式。这种额外的电源通常由一个较小的周边黑起动的发电设备提供的，这最初是以电池或其他能源储存装置开始的。一旦投入使用，发电厂可以给它当地的部分网络供电，为在此区域的使用它们起动的其他发电厂提供电源。

黑起动能力就是发电单元从关闭状态到运行状态进行转换，且在没有援助的情况下从系统开始传输能量的一种能力。

目前，能提供黑起动服务的DER的突破能力能给电力网供电还不是很可靠。然而，他们也许能给在孤岛模式下运作的分布式电网供电。在将来，随着这种孤岛电网越来越多的架设，那么相互连接这些孤岛的电网并且给越来越多的配电网供电将是可能的。随着DER渗透能力的增加，在长远的未来对电网来讲此功能可能被增强。

黑起动程序需要一个协调发电机起动和在稳定程序下连接负载的监督者。这种监督可以集成在 large-scale virtual power plants（LSVPP）。

（6）孤岛操作

当发出的电力需量只在本地执行和在没有功率注入的情况下（主电网）能运行的部分输电网被确定的时候，如果有相当多的DER的突破，那么孤岛操作将是最具有吸引力的。

这种情况显著地增加了本输电网区域的供电连续性，同时其它输电网区域的停电对考虑的输电网部分的供电连续性没有任何影响。

电网必须能被改装而允许孤岛操作：保护系统都必须能适应当地发电，当地的发电机必须能控制一个孤立电网，且必须在主电网连接点安装同步和切断设备。

这些孤立电网可以被定义为微电网。微电网包括具有分布式能源的低压配电系统，如微型燃气轮机、燃料电池、PVs等，以及存储设备、调速机，能源电容器和电池，和在电网运行中提供了相当大的控制能力的可控负载。这些系统被相互连接成中压配电分布式网络，但它们也可以分离主电网而孤立运转，如果故障在上游的电网中。从客户的角度来看，微电网提供了热能和电能，另外增强了本地的供电可靠性，减少废气排放，通过支撑电压和减少电压突降提高了电能质量，并有可能降低供电成本。

微电网的概念仅需要减少电网的修复能力，因为许多运行网络的微电网并不受停电的影响。

（7）电网损耗的优化

电网损耗的优化，即降到最小的主要的目标就是减少电能运送和分配的费用。按以下公式（1）计算电网损耗是可能的：

该方程包括以长度为单位由线路的特点决定的电阻，和在此电阻上流动的电流。最后，这个电流由在长度单位的线性元素上的有源功率流和无功功率流表示。

提出的公式表明线路损耗基本上依赖于：①线路电阻；②线路长度；③线路的有功功率；④线路的无功功率；⑤线路的电压。

3.2 DER技术提供辅助服务的技术能力

在过去的十年里，欧盟为应对气候变化的挑战和增加燃料的多样性的需求已部署了各种技术的大量DER，但迄今为止的重点仍是DER与电网的连接而不是将他们融入整个的系统操作中。本文在没有考虑可能会在单个的系统配置和系统环境中发生的多方面限制的情况下，对DER提供辅助服务的技术能力给出了全面概述。此外，此技术能力首先关注通常是可交换的且被本身决定的具有很多能力的DER系统的电网连接技术（感应发电机、双馈感应发电机、同步发电机和逆变器）；其次关注的是能受到电网连接技术的限制的整个DER系统（风力涡轮发电机、光伏系统、水力发电厂和联合冷却、热电厂）。

DGs提供AS的技术能力的评估分为两个步骤执行：

首先，电网连接技术被核定为提供AS的技术能力，AS能给电网提供电能作为DG系统能量转换器的链末单元。这些电网连接技术包括：①直接耦合感应发电机（IGs）；②直接耦合同步发电机（SGs）；③双馈感应发电机（DFIGs）；④逆变器。

其次，具有代表性的DG被当作进行分析和评估DER提供AS的能力的系统。

在第二个步骤中的能力直接取决于第一步中的能力。仅仅如果连接能支持这个服务，整个系统或许能够提供这种服务。然而，对整个DG系统的考虑通常会导致额外的一些限制。在第二步骤被核定的具有代表性的DG系统包括：①风能系统；②光伏系统；③冷热电联系统；④蒸汽轮机（燃气涡轮机、微型涡轮机、活塞内燃机、斯特林发动机、燃料电池）；⑤水利发电系统。

3.2.1 输电网连接技术的技术能力

本文主要讨论的是输电网连接技术的技术能力。如前所述的电网连接技术，由于这些能源转换器仅仅把有效功率输入转换成具有不同特点的功率输出，有功功率是由DG系统提供的。因此，电网连接技术可相应地改变被控的有功功率。

因此，只有无功功率控制、直接电压控制、黑起动和电能质量的改善被分析。除了有功功率，无功功率的控制对拥塞管理和电网损耗的优化都是非常重要的。电压可被有功功率、无功功率，或直接电压控制所执行。最后，孤岛操作需要有功、无功功率，电压和频率的可控性。定性结果在表1中进行了概括。

表1 电网连接技术的技术能力

3.2.2 分布式发电机系统的技术能力

上一小节给出了电网连接技术提供无功功率控制、直接电压控制、电能质量的改进和黑起动的技术能力。如果DG系统也使用这些电网连接技术中的一种进行分析的话，由于其它系统的原理，可能会有好多限制发生。特别是，在最后的变化之前，通过输电网连接技术的有功功率控制能力主要依赖于能量的可用性和转换。主要是，在实用性和可靠性结构中的功率斜率、部分负载运行能力和有功功率的限制（最大和最小）将在提供各种各样时间尺度的有功功率控制的系统能力的评估方面发挥关键的作用。

本小节简单介绍了DG系统的理论分析和它们提供有功功率控制的技术能力。而且，有以下几种的技术能力：①风力涡轮机（WTGs）；②PV系统；③水电厂；④冷热电联厂（CCHP）。

在表2中介绍了依赖于不同的电网连接技术提供未来辅助服务的能力。

表2 DG系统的技术能力

3.3 DER提供辅助服务技术能力的简化模型

为了输电网连接技术而开发了简化模型，这种输电网耦合技术包括来自于DG系统的限制和动力学的单元。

对于发电机来讲，有不同的控制原则：PQ控制、PV控制和VF控制。

PQ控制对于控制装置输出的有功和无功功率是合适的。如果是IGS，这种控制就降低到P控制，因为他们无法控制无功功率。

如果是SGs，主要应用PV控制，SGs控制励磁电压跟踪目标电压，而不是跟踪目标无功功率。然而，也许对DFIGs和逆变器也是适用的。总而言之，电压是由无功功率电源控制的。电压由有功功率输出控制这也可以理解，但这种可能性不能被视为一个必然的本地控制功能，而是被VPP视为是中心控制的可能性，因VPP能改变目标有功功率值。

对于SGs和逆变器来讲，主要应用的是VF控制来直接控制输电网相应的电压和频率。如果是黑起动、微型电网和孤立电网，这种控制必须得考虑。由于在控制领域里固定偏差的应用，不同的VF控制的发电机在没有额外的通信要求的情况下能使它们自己同步运行。

（1）感应发电机（IGs）

拥有测量单元和DER系统特征的IG系统在图1中展示出来。这个IG模型的有功功率被已描述的控制系统所定义。

图1 与IG连接的简化DER系统的PQ控制模型

（2）双馈感应发电机（DFIGs）

拥有测量单元和DER系统特征的DFIG系统在图2中展示出来。这个DFIG模型的有功功率和无功功率被已描述的控制系统所定义。

图2 与DFIG连接的简化DER系统的PQ控制模型

除了PQ控制，PV控制被用来进行电压控制，代替了在输电网连接点的无功功率控制，如图3所示。同样，VF控制也是可能的，但必须在此模型描述的更宽的范围内进行更加细节的分析。

图3 与DFIG连接的简化DER系统的PV控制模型

（3）同步发电机（SGs）

拥有测量单元和DER系统特征的SG系统在图4中展示出来。这个SG模型的有功功率和无功功率被已描述的控制系统所定义。从机械轴节开始的DER系统的驱动系统，被用它的控制动力学和限制所描述。两个主要的限制必须被考虑：一方面，有功功率被驱动元件所限制；另一方面，无功功率被励磁系统所限制。万一过励磁，系统会产生无功功率，而欠励磁，系统会吸收无功功率。这种动态特性在第一段时间间隔内被描述。

图4 与SG连接的简化DER系统的PQ控制模型

除了PQ控制，PV控制被用来进行电压控制，代替了在输电网连接点的无功功率控制，如图5所示。

图5 与SG连接的简化DER系统的PV控制模型

最后，一个SG能被VF控制来控制输电网的电压和频率量。频率是由主动件的转子速度控制的，电压是由励磁电压控制的，如图6所示。这种控制对于控制在频率和电压界限稳定的孤岛输电网是必要的。在输电网的连接上，这种控制能得到提供基频和电压控制的中心发电厂的保证。

（4）逆变器

如果是逆变器连接的DER系统，一个基本的假定就是三相耦合。目前，许多微型DER装置也有用单相耦合（如光电系统）到的0.4kV低电压网络运转的。

图6 与SG连接的简化DER系统的VF控制模型

通过一个逆变器的连接可以由以下系统结构来描述。直流源被定义为能量来源的系统。它以直流产生原始来源的方式通过一个转换器使适应直流电压（如光电、燃料电池或电池组）直接反馈，或者通过整流器反馈，这个整流器把被驱动的旋转发电机（如风力发电机或柴油发动机）的交流电流转换成直流电。直流源给逆变器提供电源，逆变器把直流电转换成交流电。输电网的系统由耦合感应系统给定。为输电网连接的过滤器和变压器在简化系统中通常被忽视由于没有考虑谐波。

在本文中，逆变器假定为是一个三相逆变器。该逆变器必须能够起到一个电流源（PQ或PV控制）的作用，同时逆变器电压需与电网电压同步，并能作为一个电压源（VF控制）。如果是电压源模式，电压只能直接设置。这对黑起动，备份操作和孤岛操作是必要的，也可能对电压控制是有必要的。

两个控制系统可根据逆变器的控制等级加以区分：开关控制和逆变器的行为控制。该开关控制逆变器的开关产生逆变器输出相应的电流（PQ控制和PV控制）或者电压（VF控制），被作为逆变器行为控制的参考。可以假定该开关控制产生合适的参考信号，因为谐波已被滤除了。转换器的动态性被认为比主要电源控制和行为控制的动态性要快很多。因此，只有缓慢的动态性必须考虑其仿真，因为转换器控制能正常工作而且能足够快地跟踪目标值，并没有很大的延迟。这种假设也是基于这样一个有足够的直流电链接存储的假设。因此，逆变器可被视为一个理想的电流源（PQ和PV控制）或者是一个理想的电压源（VF控制），这种电压源被逆变器的行为控制器控制。

基于这些假设，一个连接DER系统的逆变器的动态性能以取极限时间间隔的方式进行模拟，并在图7中显示出来。

除了PQ控制，在输电网的连接点，PV控制也可以被用来进行电压控制代替无功功率的控制，如图8所示。

最后，一个逆变器连接的DER系统能使用VF控制来直接控制输电网的电压和频率的大小。这个控制在图9中显示出来。对于电压源来讲，输电网的相角被有功功率/频率变化和额外的关于稳定性问题的相控设备所定义。

4 结束语

在此论文中通过对分布式能源技术的介绍，分析了DER提供辅助服务（频率控制、电压控制、拥塞管理、提高电能质量、网络恢复、孤岛操作和电网损耗的优化）的技术能力。此外，主要通过对DER系统与电网连接技术的技术能力进行了详细的分析，表明为了确保电力系统的安全和可持续供电，基于分布式能源把DER系统融入电网提供未来辅助性服务是可能的，并给出了DER系统与电网连接的简化模型，将在以后的研究中对此技术进行仿真研究。

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