微电网智能运行策略研究*

贾景姿 曾 鸣

1.海南师范大学 经济管理学院 海口 570125 2.华北电力大学 经济管理学院 北京 102208

1 研究背景

进入21世纪以来,世界经济高速发展,能源需求持续增加。煤炭、石油、天然气仍然占据能源供应的主力地位,并带来化石能源短缺及环境污染问题,威胁到人类社会的可持续发展。为满足快速增长的能源需求,发展可再生能源,提高其消费占比已成为各国主要的能源转型策略。在我国西部偏远省份远离大电网的无电、缺电地区,具有较好的水、风、光等可再生能源资源条件,同时存在资源分散、单体规模小、稳定性较差等问题,电力开发和输送较为困难,严重影响了可再生能源的应用。我国一些地区具有特殊的政治、军事地位,在大电网因为异常事件切断后,常态化保供电的场景众多,而传统采用配置柴油发电机,派驻应急发电车等保供电模式,同样存在环境污染问题,也不符合国家实施碳中和的战略要求。由此可见,利用可再生能源建设微电网,并保障微电网顺利运行,对于我国经济发展、环境保护、国家安全、民生改善而言具有非常重要的意义。笔者就此对微电网智能运行策略进行研究。

2 微电网能量管理系统

2.1 作用

微电网是一种电能自发自用的独立主体,包括电能供应方,如小水电、光电、风电、柴油发电机、矿物燃料、储能设备等分布式电源,以及电能用户,即负荷,同时还包括对电能供应方和电能用户进行监测、控制、保护的相关设备,以实现电能供需平衡。微电网可以独立自主运行,也可以作为一个整体平滑接入大电网。对于外部大电网来说,微电网可以是单一的供电单元,也可以是单一的负荷单元,内部通过自我管理实现自治,能够充分满足用户对电能质量、供电可靠性和安全性的要求[1]。

分布式电源最大的缺点是随机性和间歇性。要充分利用分布式电源,就需要对其进行优化配置,实现能源梯级利用。比如在光伏和风力发电停歇期,由储能设备、相应功率的柴油发电机、小水电、电动汽车充转放,甚至外部大电网等进行补充,并利用无功补偿装置实时调节,以保障供电功率和电压稳定,满足用电需求。要实现各种特性不同、出力不同的分布式电源的运作一致,满足不同时段不同功率和电压的用电需求,还需要能量管理系统进行协调控制,以实现模块化整合,平滑系统的功率波动和电压波动,维持微电网内部的发电和用电动态平衡。总而言之,接入微电网,需要增强电网接纳多样性分布式能源的能力,离不开能量管理系统。

能量管理系统是微电网能源与信息的重要融合点,如同微电网的大脑,除了控制内部众多分布式电源的接入,还协调内部用电与供电的平衡,以及与外部大电网供用电的无间隙切换[2]。

2.2 结构

微电网控制体系包括远程控制和本地控制。远程控制主要由一套能量管理系统及其通信单元构成微电网中央控制器,在顶层实现微电网的效益最大化,在底层协调地方微源控制器的不同功能。

本地控制主要通过微源控制器实现,微源控制器负责监控分布式能源,如分布式电源、储能设备、负荷等。微源控制器可以是独立的硬件设备,也可以是安装在电表、分布式电源电子接口或任何具有足够处理能力的现场设备中的软件。微电网拓扑如图1所示。

图1 微电网拓扑

2.3 控制方式

微电网运行控制方式主要有两种:主从控制和对等控制,需要在设计能量管理系统时根据接入电源的不同进行选择[3]。

主从控制的微电网,通常选取一个或几个微电源作为主分布式电源,采用恒压或恒频控制,可以稳定微电网电压频率。系统中其它微电源采用恒功率控制,配合实现微电网安全可靠运行。主从控制中,包含能量管理系统的微电网中央控制器承担微电网效益最大化和微电网优化运行的责任,需要充分考虑分布式电源实际出力情况、系统安全、大电网电价,来确定各分布式电源的发电量,实现全网利益最大化,同时在出力不足的情况下削减非关键可调负荷。主从控制的技术难度低,风险比较小,在目前的微电网系统项目中得到广泛应用。

在采用对等控制的微电网中,所有微电源不分主次,地位相同。在对等控制微电网中,微电源依靠本地信息就地控制,实现具有电压源输出特性的微电源基于本地信息的功率自动分配。在微电网运行模式切换时,不需要改变控制策略,可以实现微电源接入微电网的即插即用。在对等控制中,各微电源控制器承担主要责任,通过竞争与合作来优化各自输出电量,以满足微电网的自身需求,并在保证微电网安全可靠运行的情况下,控制微电源尽可能多向主网输送电能。由于对等控制中所有微电源都能够自主参与微电网电压和频率的维持,因此对等控制下的微电网更加坚强可靠。

3 微电网运行策略

3.1 概述

根据上述微电网系统结构设置和控制模式的选择,微电网孤岛运行时,需要保证系统内发电与用电的动态平衡,必然会存在部分时间段发电量超出用电量或用电需求大于发电量的情况。此时,为了保证系统稳定安全运行,需要限制部分电源发电或者暂时中断部分负荷[4]。在此过程中,一般会最大化利用光伏发电,应用铅碳电池储能系统充放电进行调节。如果有柴油发电机组,可将其作为备用与调峰电源。如果水电站出力恒定,则以水电优先保证如医院、交通信号灯等重要负荷供电,必要时切除可中断负荷,如广告照明等。

并网运行时,在微电网内部经济运行的基础上,还需要发挥对外部大电网的削峰填谷作用。一般而言,白天光伏和风力发电运作正常,同时大电网负荷量较大,微电网可采取全功率发电模式,最大限度发挥分布式电源作用,超过微电网内部负荷需求的电量可提供给大电网。夜间则相反,风力和光伏发电几乎不工作,大电网可供电给微电网,以满足夜间微电网的负荷需要。

基于以上分析,微电网运行策略可以分为三个部分。第一部分为孤岛运行策略,第二部分为并网运行策略,第三部分为模式切换运行策略。

3.2 孤岛运行策略

微电网内分布式电源快速调节接入及接入后波动都需要依靠实时协调控制应对。这种实时性不仅要求微电网基于小时级控制形成日前出力和调度计划,而且需要进行分钟级、秒级,甚至毫秒级就地分散控制,实现能量管理的动态执行。

第一,通过对光伏、风力发电、负荷的历史数据分析,进行发电及用电预测。在此基础上,针对风电、光电、储能、柴油发电、小水电等分布式电源,建立可以实现最低发电成本的经济调度模型。在各种安全性约束条件限制下,制订日前出力计划和调度计划。

第二,基于小时级控制的日前计划,进一步细化到分钟级控制。在电能质量监测模块的配合下,通过对不同干扰源的定位分析,预判故障,建立可保障电能质量的优化调度模型,制订超短期计划及故障预防控制方案。超短期计划和故障预防控制方案在分布式电源出力小于日前计划功率时触发,一方面满足总负荷需求,另一方面提高分布式电源节点的电能质量满意度[5]。

第三,在触发超短期计划调度时,若仍检测到电能质量不合格,则需要考虑系统是否发生故障或者因天气原因风光发电出现较大波动。系统将立即自动转换为秒级或毫秒级控制,实时采集各分布式电源发电功率和负荷需求情况,通过可控电源控制,如储能充放电转换、柴油机启停转换,来维持系统安全稳定运行,并在可控电源控制无法实现功率平衡的情况下,通过快速切断可中断负荷来保障系统安全。在这一过程中,进行故障识别及隔离。

第四,如果电能质量持续降低到一定阈值,则进行系统停机检修,并在故障隔离或解决后,自行或人工重新启动运行,恢复供电。

3.3 并网运行策略

在并网运行时,微电网可以基于自身利益最大化的目的,在综合考虑电价的基础上,作为电源或负荷接入大电网[6]。此外,微电网还可以配合削峰填谷的需要而接入大电网。

以自身利益最大化为目的接入大电网时,耗费成本较高的柴油机停运,风力发电与光伏发电在最大功率点运行,储能的运行以电价高低确定。如果预测电价较高,则储能放电。如果预测电价较低,则储能充电。无论储能充电还是放电,当微电网总发电功率大于总负荷需求时,作为电源接入大电网,否则作为负荷接入大电网。

因削峰填谷需要接入大电网时,风力发电和光伏发电在最大功率点运行。如果满足负荷需求且有功率剩余,则可以向大电网输出功率用于削峰。如果没有功率剩余,则储能放电,满足削峰需要,反之储能充电,满足填谷需要。如果储能放电不能满足微电网内负荷需求,则再启用柴油发电机,以配合削峰需要。

在并网条件下系统发生故障时,无论是微电网故障还是大电网故障,都应先断开微电网,以避免故障特性复杂化,导致损失扩大,并扩展到大电网上的其它用户[7]。

3.4 模式切换运行策略

除并网与孤岛常态下运行外,并网转孤岛、孤岛转并网暂态下的优化协调也非常重要,是否顺利平滑转换决定了电能质量的高低和供电的可靠性[8]。

并网转孤岛暂态可分为计划内转换和计划外离网。当进行计划内转换时,能量管理系统接收到并网转孤岛指令,调节微电网内主要出力电源,使并网点交换功率降低到一定阈值,断开并网开关,根据经济调控模型进行分布式电源出力优化,进行孤岛状态下能量管理的动态执行,保证平滑切换。当监测到大电网异常时,启动计划外离网程序,进入孤岛运行模式。

孤岛转并网暂态下,能量管理系统接收到转换指令,系统实时监测大电网的电压、频率等,对微电网正在运行的电源输出电压、频率等进行调节,必要时启动其它电源,进行并网条件判断。一旦条件满足,则打开并网开关,实时调整电源出力,避免因切换电流冲击过大而导致系统自动保护程序启动,从而实现平滑切换。

4 微电网运行互动

4.1 互动模式

随着分布式电源、微电网、电动汽车等新兴元素的不断发展,居民用户、工商业用户、大用户等不同电力用户均提出了更高的互动需求,同时微电网中的用户需要在电源侧与用电侧之间来回转换,互动更加频繁、复杂[8]。由此,微电网目前迫切需要贯彻互联网+的思维,在运行中不仅需要实现自身的调度与控制,以及对用户侧和电源侧的简单管理,还需要考虑不同用户的特定互动需求,使能源与信息深度融合,实现电力公司和用户之间深层次的信息互动、业务互动、能量互动[9]。互动模式如图2所示。

图2 互动模式

4.2 信息互动

微电网运营商可以借助互联网开通网上营业厅业务,开发手机应用程序,为用户提供网上服务、手机服务等终端在线信息互动服务,满足用户基本缴费、查询用电情况、咨询节能方式、投诉等信息互动需求,以及工业园区生产、用户安全防护、医疗等不同负荷的调度信息互动需求[10]。通过信息互动,运营商可以基于集中抄表模块,为用户提供基础的发电与用电数据,及时掌握用户基本用电信息,并通过进一步的能效分析,为用户提供节能建议,为有效的业务互动奠定基础。用户也可以通过界面友好的环境及时便捷了解运营商推出的最新套餐及其它优惠活动,同时获取实时电价变动等信息,规划自身的用能行为,并在与运营商密切沟通的基础上调整发电计划,以实现整体利益最大化[11]。

4.3 业务互动

业务互动需要建立在信息互动的基础上,主要包括用户侧分布式电源及储能装置接入申办、用电报装服务、故障抢修服务、电动汽车充电设施申办、能效管理服务申请、能效合同签订等,满足用户线损管理、多渠道缴费等传统业务的互动需求,以及能耗监测与能效诊断等增值业务的互动需求[12]。微电网运营商可以利用大数据技术分析各类用户的用电特点,针对用电特点设计并提供不同的个性化综合能源解决方案。通过业务互动,运营商可以健全服务套餐业务,满足客户群体的不同需求,提供人性化服务,提高服务水平和质量。用户可以在运营商的指导和建议下自主选择符合自身需求的服务产品和服务套餐,有利于用户在有序、安全用电的基础上实现便捷用电和经济用电。

4.4 能量互动

能量互动建立在信息互动和业务互动的基础之上,指各类不同客户个体和微电网之间的能量交互,主要包括分布式电源业务和充放电设施业务两个部分,可以满足分布式电源接入、储能接入等用户侧互动需求,以及智能化虚拟电厂、绿色电力认购等电源侧互动需求。通过能量互动,在分布式电源方面,用户可以实现自发供电,在满足自身需要的基础上获取售电盈利,同时灵活用电,避开用电高峰时段,降低用电成本。在充放电设施方面,用户不仅可以随时随地便捷充放电,而且可以通过电动汽车等放电出售电力获得收益[13]。

总之,通过信息互动、业务互动、能量互动,可以为用户提供电价、能耗等用电和供电信息,为用户办理用电与供电便捷转换,实现能量的有序输送,优化调度,满足用户多样化需求,在经济、安全用电的基础上,获取售电利益。

5 结束语

微电网的建设与运行需要在明确建设目标的基础上,进行物理架构,尤其是对微电网能量管理系统的设计,充分利用可再生能源,建立有秩序的拓扑结构。根据接入的不同能源类型,选择主从控制或对等控制,实现微电网在孤岛、并网常态下,以及孤岛转并网、并网转孤岛暂态下的无间隙切换与经济安全运行。

为满足不同用户的用电需求及用户不断提高的互动服务需求,通过能源与信息的深度融合,拓展微电网的信息互动、业务互动、能量互动等,实现微电网的智能运行。

通过微电网的建设与运行,可以在大电网无法延伸地区,充分利用当地可再生能源资源,满足当地用电需求,实现电量自我平衡。未来大电网延伸到达之后,与大电网互联,形成输配分开的现代电力模式。这样不仅可以减少电网建设的大量投资,提高电网资产的利用水平,使建设周期大大缩短,而且可以提高电网整体抗灾能力和灾后应急供电能力,提高保供电水平。

下一步,可以在深化微电网市场运行机制方面开展进一步研究,设计售电侧放开下的微电网新型盈利模式,以更进一步促进微电网的不断建设和顺利运行。