区域综合能源微网协调控制系统研究

2021-09-08季星癸曹宇超龚海华

新型工业化 2021年6期

季星癸，曹宇超，龚海华

（国网江苏省电力有限公司太仓市供电分公司，江苏太仓 215400）

0 引言

作为一个拥有全球五分之一人口的大国，我国对能源的需求位居世界前列，但在能源的生产及供给上存在着不少问题，如资源分布的区域性矛盾、能源利用效率不高、清洁能源占比较低等。能源生产及消费是经济社会发展的战略性问题，对国家的持续稳定发展有着举足轻重的影响。优化能源使用效率，提高清洁能源比重已经成为共识[1]。习近平主席在“十九大”报告中指出，要推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系[2]。目前，我国的能源消费仍以煤炭为主，风电、水电、核电等清洁能源占比亟待提高[3]。在持续推进能源消费升级的背景下，能源互联网的发展形态逐渐受到关注，成为了我国未来能源发展的一个重要方向。

考虑到分布式电源、汽车充电桩及直流负荷的投入日益增加，区域性综合能源微网凭借其独特的优势，成为能源互联网的一个重要组成部分。综合能源微网可以协调风、光、天然气等多种能源的不同比例接入，通过储能系统的参与，实现能源的优化配置。其与外部电网的互联具有很高的灵活性，对分布式发电的渗透也很友好，未来，综合能源微网将成为实现电能替代、多能互补的高效能源系统，引领能源发展的变革[4]。

本文主要介绍、分析多元融合综合能源微电网系统，以交直流互补多站融合示范园区为例，介绍系统的结构及互动模式。结合系统的负荷特性，研究分析区域综合微网协调控制系统的建设思路。

1 区域综合能源微网

1.1 区域综合能源微网特点

区域综合能源微网通过将电、可再生清洁能源、地热等多种形式的能源密切耦合[5]，打造了“以电力为中心”、“以清洁为方向”“以电网为平台”的现代能源体系，达到电能替代、节能环保的目的。

综合能源微网可以实现当地风、光伏、水电等清洁能源的消纳最大化，给区域内厂区供给能源，实现清洁低碳的能源消费模式。厂区采取多样化的用能方式，以当地风、光、地热等可再生能源的最大消纳为目标，可大大提高能源使用效率。通过储能系统的参与，可以将充电桩、交直流负荷以电能为媒介双向传递，实现各种能源灵活接入和综合集成，充分满足供给侧多能输入、消费侧多样用能的需求。

1.2 柔性可控负荷

根据可控负荷的特征和运行特性可以把可控负荷分成如下四类：

第一类负荷：具有共同的能耗时段，且运行消费固定的能量；运行过程可以分为几个阶段，这些阶段可以是分开的。典型的例子如洗衣机等。

第二类负荷：在任何运行阶段消耗几乎固定的能量，即可视为等功率运行。这类负荷包括冷柜、冰箱等。

第三类负荷：消耗的总功率为相对固定的数值，但单位时间的功率可在一定范围变化，如热水器。近年出现的变频电器（变频冰箱、变频空调等）也属于此类负荷。

第四类负荷：消耗的能量总量可控制在一定范围内，当前功率与上一阶段结束时的能量及当前的运行状态有关，典型的该类负荷为电池类，包括电动汽车、手机等。电池类负荷一般具有多种模式：恒压、恒流、快充等。

2 区域综合能源微网互动方式

综合能源微网的优势在于可以灵活调配系统内部的能源流向，提高用能效果。系统内部的互动调控模式可分为5类：源源互补、源网协调、网荷互动、网储互动和源荷互动[6]。源源互补针对风、光、水等清洁能源的随机性及不可控性，采取不同电源之间相互调节的方式，减少系统的电机旋转备用，增强系统调节能力；源网协调旨在通过创新电网调控技术，消减清洁能源在并网时对电网的负面影响，使可再生能源变得“友好”；网荷互动是使负荷具备自我调整的能力，对电网形成一定支撑；网储互动是充分利用储能系统的双向调节能力，使电网运行形式更加灵活；源荷互动使负荷具备柔性可控特性，参与到电网的供需平衡。

区域综合能源微网与外界电网之间应具备灵活可靠的互动模式，主要包括以下三种[7]：

2.1 主动孤网

系统的控制总台收到上级或者外部电网的预警信号，通过微网的控制系统进行内部资源的整理，改变运行方式，将并网处的交换功率降低至零附近，视为系统失去与外部电网的联络，保持孤网运行，维持系统内部稳定。

图1 孤网运行示意图

2.2 应急支撑

当发生紧急情况如特高压直流闭锁、突然失去大电源时，系统对外部电网进行频率响应，通过储能系统放能、调节可控负荷等方式，空出一定功率对外部电网形成支持。

图2 应急支撑示意图

2.3 需求响应

通过调节电价或激励机制，使用户主动进行负荷调节，达到错峰、削峰、填谷的作用，系统运行更加平稳。

图3 需求响应示意图

3 综合能源微网协调控制策略

在区域综合能源系统中，可再生能源的消纳是一个重要课题。在负荷具备可控性的基础上，结合可再生能源随机性、波动性的特点，本文提出了源荷互动策略：根据用户的用电需求和用电紧急度的不同情况，将用户的负荷分为可调节负荷及不可调节负荷，将可调节负荷通过智能化的系统进行分层控制，在平衡用户的需求和可再生能源发电情况的前提下，随着可再生能源发电功率的变化，对负荷进行一定调节，达到使可再生能源深化消纳的目的，从而提高系统可再生能源消费比重。

随着信息通信技术的发展，信息的传递速率已经得到巨大的提升，在此背景下，调整负荷、跟随电源变化的策略具有很强的实际意义。目前而言，第一类及第二类负荷的智能化控制程度不足，负荷调节能力较低，有较大的发展空间。而在以变频空调、电动汽车充电桩为代表的两类负荷上已经具备一定的远程调节能力，可实现该控制策略。

综合以上的分析，提出了以下的综合能源协调控制策略：

（1）用可再生能源功率预测系统对未来一段时间的可再生能源发电进行预测，形成发电功率预测曲线；用柔性可控负荷预测系统对用户用能进行动态分析，形成负荷预测曲线。

（2）将两类功率预测曲线数据传输给综合能源协调控制系统，由控制系统进行分析。

（3）控制系统依据分析结果，分别进行柔性可控负荷用电功率控制、储能系统充放电控制及与外部电网的协调控制。

（4）在各个周期均执行（1）～（3）的控制策略。

综合能源系统的协调控制需要考虑每个部分的动态情况，使系统整体达到最佳平衡。此外，要充分考虑可再生能源的就地消纳，实现清洁低碳的目标。