集群可再生能源发电协同调度技术及应用分析

国网湖南省电力有限公司邵阳供电分公司 阮驰骋

能源不仅是工业发展的基础，同时也直接影响大众的日常生活。随着科技水平的不断进步和发展，当前，清洁能源成为支撑行业发展的主流。大面积应用和推广清洁能源，不仅可以有效缓解我国经济迅速发展和能源利用之间的矛盾，同时也符合我国未来几十年的发展纲要规划。在我国的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006~2020年）》中，已经明确提出了我国要大量发展可再生能源，通过开发集群电网以及优化并网技术来有效缓解我国电力供应质量下降的问题。

当前，应用规模较大且渗透率较强的分布式发电并网技术已成为国际社会的研究重点。但考虑到分布式电网系统的波动性较强，无法有效迎合我国的大规模发电需求。在此基础上，有必要大规模推广和发展分布式发电集群技术，应用该技术来有效提升电网并网质量，迎合我国的大规模供电需求。进而在此基础上产生了分布式发电集群概念，应用该技术，不仅可显著提升电网发电质量，同时也可充分利用可再生能源。

分布式可再生能源发电集群可实现灵活并网，通过提升电网的接入质量和对电网系统进行优化调度，可进一步提升电网系统的渗透率。借助分布式集群发电项目，可解决过去并网过程中接入困难的问题，还可有效提升变流器的效率，进一步提升电网的并网性能。此外分布式集群发电项目还可实现电网的群控群调，在我国多个省区市内都有着广泛的应用，对促进我国电力行业进步和发展具有显著意义[1]。

1 分布式发电集群和微电网的比较

微电网技术最初是由美国威斯康辛大学莱斯特教授提出的，之后很多学者都对其展开了深入研究和分析。当前微电网技术凭借其灵活性强、高效以及容易扩张等优势，为电力新技术的应用创造力了有效环境。根据微电网技术的含义可知，所谓的微电网技术实质上可将其看作是由分布式发电、负荷、储能装置构成的，接近用户侧可为非用户提供稳定电力供应的电网集群。虽然微电网也属于电网集群，但是和分布式发电机集群进行对比和分析发现，双方依然存在一定的差异。

构成元素差异分析。分布式发电集群核心构成元素为分布式发电单元，在分布式集群内部除储能装置外还拥有负荷以及控制装置。但负荷和控制装置都不占据主导地位，占据主导地位的装置为分布式发电系统，其作为集群的主体是核心的控制对象。而微电网是由能源、储能、负荷装置构成的整体，接近用户侧，为用户提供稳定电能[2]。

划分原则差异。就微电网来说，其距离相对接近。主要借助一些公共连接点和上级网络相连接，可将微电网视作一个小型的电力供应系统。但分布式发电集群在进行集群划分的过程中，除要考虑不同单元区域的地理位置，还要考虑空间和时间等因素。分布式发电集群可显著提升电网供能质量和稳定性。

运行模式差异分析。分布式发电集群可对分布式发电单元进行有效整合，从而提升电网集群调度和管控难题，基于此导致集群工作须在并网运行状态下开展。但微电网不同，凭借自身的自治性特征可实现发电和用电的平衡。

能量流动方向的差异。无论是分布式发电集群还是微电网都非常注重功率平衡，从而实现对可再生能源的高效率消耗。但分布式发电集群核心运营方向在发电，由此导致在一定条件下，分布式发电装机容量要显著超过区域最大负荷，进而出现各类问题。因此，对于上一级的电网系统，分布式发电集群的电源功能更加显著。微电网系统的核心在于满足用户的用电需求，但其整体负荷是较低的。

2 分布式发电集群的划分指标

对分布式发电集群进行划分，其核心目的在于实现对分布式电源的有效调度和灵活并网。应用分布式电网集群来进行电网控制的过程中，要重点考虑电网运行模式、响应特征及调节速度等因素。在电网系统中，电压的灵敏度等因素非常容易受到时间动态变化的影响，鉴于此需对集群划分指标进行研究。通过对集群划分指标的研究和分析，可有效减少存储空间、减轻工作人员建模所需时间。鉴于此，在划分分布式发电集群的过程中，要综合考虑分布式电源的空间分布、调控能力、响应特征及运行方式等特征。

2.1 有功和无功调节容量

在进行有功和无功调节容量的过程中，主要依靠对容量的调节来检验分布式电源的调节能力，进而对进入到集群内的分布式电源进行挑选[3]。则其公式如下其中的表示在某一时刻分布式电源的最大有功和最大无功。

2.2 集群综合评估指标

图1为集群综合评估指标体系，该框架体系共有四个不同层级，其中最高层称为总目标层，在该目标层可实现对集群的综合评估。第二层为对象层，其目的在于明确评价对象为分布式电源集群并网后的系统自身或分布式电源。第三层作为准则层，对指标体系整体构架决策具有重要意义。第四层处于最低层级，称为措施层，其核心目的在于对应综合评价指标的具体评价指标[4]。

根据分布式电源集群并网的核心要求分析可知，一般处于电网侧的指标主要由集群特征指标、经济性指标及电能质量指标。其中集群调整指标的核心功能为评价和分析分布式电源的整体利用情况，对其波动性等特征因子进行分析。其具体评价指标包含集群式电力均衡、能量渗透率、容量渗透率；经济性指标是对集群网网损进行综合评价的具体指标，其中以集群网损为主要指标、以集群网的网损为标准。位于电源侧的准则层则更加注重经济因素，重在确保分布式电源投资人的收益，其评价指标由内部收益率和动态投资回收期构成[5]。

3 集群可再生能源发电协同调度技术及分布式可再生能源发电集群示范应用

3.1 集群灵活并网群控群调技术

欧美各国都在进行分布式并网协调控制方面的工作。近年来在配电网中引入分布式电源后，如何进行区域最优调节已成为国内外学者和机构关注的焦点。丹麦奥尔堡大学、西班牙加泰罗尼亚理工大学开展了一项关于分布式电力系统的自主控制的研究工作，并在此基础上搭建了一个支持分布式自主控制的智能试验平台。英国爱丁堡大学在电力系统的基本原理和区域协调优化等领域进行了大量具有代表性的研究。

在我国，清华大学已进行了大量有源电力系统的区域协同调节和集群化的自主管理，及电力系统先进应用软件的研制。中国电科院和清华大学联合研制了大规模太阳能发电及风力发电的群控系统。但现有电力系统控制策略不能很好地解决电力系统单机控制能力和集中控制通信负荷的问题，因此如何利用自治—协作的群控群调技术、实现电力系统的灵活并网和高效率的消纳是今后的重点研究方向。

3.2 群控群调技术

现阶段的群控群调技术主要存在以下问题：电力相对分散。波动性强及极高的电网投退和脱网风险。针对以上问题，学者通过建模提出构建以“自治、协作”为核心的分布式电力系统分层和分级群控群调系统。在该系统中主要采用主配—配网—集群三层协调调控架构，有效打破了区域性高渗透率分布式发电集群灵活性较差等问题，对提升并网灵活性和协调控制稳定性具有重要的意义和作用。

此外有学者发现，针对分布式发电集群网络可应用时空技术来实现电网系统的实时响应，即根据电力系统的时间－空间相关对电力系统进行电力系统的实时动态控制。应用该技术，从而为分布式发电集群的自主控制提供了预测数据。针对分布式集群电力系统来说，通过局部快速控制可显著提升集群系统的运行控制能力，对提升并网接入能力非常重要。此外针对用户电源型集群，可通过少量的信息优化算法来进一步提升集群运行效果和质量。

通过集群自治控制方法和技术可显著提升电力系统的稳定性，避免电力系统出现大规模的波动，降低其脱网风险。在开展集群内部协同控制的过程中，为显著降低电网系统的成本费用，对并网容量进行扩容，技术人员构建了一种以不同特征为核心的集群有功-无功调度模型，并利用二阶锥松弛技术对潮流方程进行了凸化松弛。

3.3 国外示范应用现状

现阶段，在全世界范围内应用太阳能等可再生能源进行发电已成为必然趋势。以美国为例，美国政府鼓励和倡导地方各州的家庭应用家庭太阳能进行发电。在上世纪九十年代美国已发展了近百万的太阳能家庭电站。到上世纪90年代日本开始逐步推广和应用屋顶太阳能工程，截至目前已安装近7600兆瓦太阳能，在2002~2008年由日本新能源与产业技术发展组织（NEDO）进行的一次关于2MW以上的分布式光伏系统的示范试验，其中3~5kW的太阳能电池被连接到200V的低电压线路上。德国自从推行100000个太阳能屋顶发电工程项目后，已得到广泛应用，在发电量最大时可满足当地家庭大部分的电力需求。现阶段德国已建成占地40000多平方公里、年发电量达450万千瓦/小时的屋顶太阳能光伏系统，其规模和技术水平都是世界上最先进的。

3.4 国内集群示范应用发展情况

我国也是分布式集群电力产业发展的重点国家，随着政府部门出台一系列的相关政策，大幅度促进了分布式可再生能源发电项目的发展。当前我国已充分具备分布式发电集群应用的条件，尤其是我国政府在出台乡村振兴战略后，我国农村区域的分布式发电量需求呈现不断攀升态势，进而为我国的电网运营提出了全新的要求。

以安徽金寨县为例，是我国开展分布式发电集群的重要示范县，该区域充分利用风能、光伏能源及生物能源进行发电，利用农村家庭屋顶构建各类小型发电站。据不完全统计，金寨县用户光伏发电数量可达到26.02兆瓦，村集体的光伏发电站发电量可突破30兆瓦。但金寨县整体的分布式集群发电产业却存在接入相对分散及供应协调性不足等问题。鉴于此，当地电力产业应用群控群调技术，通过增加并网设备、完善电力质量监控管理水平等方式提升金寨县的用电集群规划效果，实现灵活并网，同时也针对该区域的电力潮流分布情况进行了完善，显著提升了当地的供电稳定性和效果。在应用上述技术后该区域的低压台区线路损耗率显著下降，同比下降4个百分点。

综上，当前正处于我国可再生分布式集群技术飞速发展的关键时期，政府部门为更好地促进我国电力产业的进步和发展，通过出台各类利好政策，使得分布式发电技术在区域化、园区化、规模化、集群化等方面得到了迅速发展。和传统发电技术对比，应用分布式可再生集群技术进行发电，可在提升供电质量和供电效果的同时促进电力行业全面发展。在不久的将来，分布式可再生集群发电技术将成为发展趋势。应用该技术可有效支撑高密度分布式能源消纳最大化，真正推动智能电网技术创新、支撑能源结构清洁化转型和能源消费革命，助力我国智能电网技术领域的发展和进步。