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揭秘:微电网关键技术研究

作者:中国储能网新闻中心 来源:分布式能源与微电网 发布时间:2014-08-29 浏览:
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中国储能网讯:教育部智能电网重点实验室(天津大学)的研究人员王成山、武震等,在2014年第2期《电工技术学报》上撰文指出,微电网是发挥分布式电源效能的有效方式,具有巨大的社会与经济意义。由于分布式电源的多样性及微电网运行方式的复杂性,使得微电网的规划设计、运行调度、保护控制和仿真实验等方面与传统电力系统有较大区别。本文阐述了微电网中各项关键技术研究中的关键问题与研究现状,并且探讨了对未来微电网研究的方向。

1引言

微电网是由分布式电源、储能系统、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等汇集而成的小型发、配、用电系统[1],是一个具备自我控制和自我能量管理的自治系统,既可以与外部电网并网运行,也可以孤立运行。从微观看,微电网可以看作小型的电力系统;从宏观看,微电网可以认为是配电系统中的一个“虚拟”的电源或负荷[2]。某些情况下,微电网在满足用户电能需求的同时,还能满足用户热能的需求,此时的微电网实际上是一个能源网。

将分布式电源组成微电网的形式运行,具有多方面的优点,例如:①有助于提高配电系统对分布式电源的接纳能力。②可有效提高间歇式可再生能源的利用效率,在满足冷/热/电等多种负荷需求的前提下实现用能优化;亦可降低配电网络损耗,优化配电网运行方式。③在电网严重故障时,可保证关键负荷供电,提高供电可靠性。④可用于解决偏远地区、海岛和荒漠中用户的供电问题。

近年来,微电网的发展在世界各国受到高度重视。欧盟在其发布的“智能电网——欧洲未来电力发展战略及前景”绿皮书中,提出了欧盟电力发展的远景规划:“建立以集中式电站和微电网为主导的供电可靠、少环境污染、高经济效益的智能电网形式”;美国能源部出台的“Grid 2030”发展战略中,制定了美国电力系统未来几十年的研究与发展规划,微电网也是其重要组成之一。在我国,国家能源局发布的《可再生能源发展“十二五”规划》中明确提出:到2015 年,我国将建成30 个以智能电网、物联网和储能技术为支撑的新能源微电网示范工程。在此背景下,关于微电网的研究在全球范围内广泛展开。在“863”、“973”等国家重点项目的支持下,我国也开展了大量相关领域研究工作,取得了丰富的成果。

分布式电源类型的多样性及微电网运行方式的复杂性使得微电网有别于传统电力系统。本文针对图1 所示微电网的规划设计、运行优化、保护控制、仿真实验等关键技术,阐述了关键问题和研究现状,并对未来研究方向进行了展望。

2微电网结构

微电网的构成可以很简单,但也可能比较复杂。例如:光伏发电系统和储能系统可以组成简单的用户级光/储微电网,风力发电系统、光伏发电系统、储能系统、冷/热/电联供微型燃气轮机发电系统可组成满足用户冷/热/电综合能源需求的复杂微电网。一个微电网内还可以含有若干个规模相对小的微电网,微电网内分布式电源的接入电压等级也可能不同,如图2 所示,也可以有多种结构形式[3]。

按照接入配电系统的方式不同,微电网可分为用户级、馈线级和变电站级微电网。用户级微电网与外部配电系统通过一个公共连接点连接,一般由用户负责其运行及管理;馈线级微电网是指将接入中压配电系统某一馈线的分布式电源和负荷等加以有效管理所形成的微电网;变电站级微电网是指将接入某一变电站及其出线上的分布式电源及负荷实施有效管理后形成的规模较大的微电网。后两者一般属于配电公司所有,是智能配电系统的重要组成部分。

按照微电网内主网络供电方式不同,还可分为直流型微电网、交流型微电网和混合型微电网。在直流型微电网中,大量分布式电源和储能系统通过直流主网架,直接为直流负荷供电;对于交流负荷,则利用电力电子换流装置,将直流电转换为交流电供电。在交流型微电网中,将所有分布式电源和储能系统的输出首先转换为交流电,形成交流主干网络为交流负荷直接供电;对于直流负荷,需通过电力电子换流装置将交流电转换为直流电后为负荷供电。在混合型微电网中,无论是直流负荷还是交流负荷,都可以不通过交直流间的功率变换直接由微电网供电。

3微电网规划设计方法

微电网规划设计的目的是在对负荷需求和可再生能源资源情况进行充分分析预测的基础上,依据特定的目标和系统约束条件,确定系统结构及设备配置(包括设备类型、设备容量),尽可能实现系统经济性、环保性及能源利用效率等量化指标的优化。

有别于常规配电网的规划,微电网的规划设计问题与其运行优化策略具有高度的耦合性,规划时必须充分考虑运行优化方法的影响,基于系统全生命周期内的运行信息对微电网进行综合优化规划与设计。微电网规划设计的研究主要包含三个方面:可再生能源与负荷需求分析、建模方法和优化算法。

3.1 可再生能源与负荷需求分析

实现微电网合理规划设计的前提是对可再生能源和负荷需求的分布特性进行准确的分析,主要分析手段包括基于历史数据的方法[4]和概率统计方法[5,6]等。前者简单直接,利用风速、光照强度与负荷等信息的全年历史数据,对微电网的运行情况进行序贯分析。这种方法在获取小时级的现场历史气象信息时的难度较大,特别是对于偏远地区。

在概率统计相关类方法中,一种是基于风、光等的月或典型年历史统计信息和分布特性,结合蒙特卡洛方法对可再生能源的全年变化信息进行随机生产模拟[5]。当在规划时考虑复杂的运行优化策略时,这类方法将增加规划设计时的计算负担。为此,可利用随机过程的方法建立风、光及负荷等的Markov转移模型[6],以较少的状态数替代时序分析,可有效降低计算量。另外,从典型日变化模式的角度出发,结合风、光、负荷等的统计特性,建立它们各自的离散状态集,通过聚类方法从风、光与负荷的历史数据提炼出典型的系统运行场景,针对这些典型日变化模式场景集进行系统规划设计,既可以保证方案的合理性,又可以降低计算负担,同时还可以依据各场景出现的概率进行方案的概率评估[7]。

3.2 规划设计建模方法

针对微电网规划设计的建模工作,主要是在满足用户用能要求的前提下,从技术、经济和环境等不同角度,选定合理的优化变量、目标函数和约束条件。

在优化变量选择方面,主要考虑分布式电源、储能装置与冷/热/电联供系统所含设备等的类型与容量,鉴于微电网规划设计方案与运行优化策略的强耦合性,运行策略及其相关的一些参数也可作为待决策的变量。具体建模时,一种方式是将所有变量统一到同一目标函数下[8];另一种是将各层次的变量区别对待,采用两阶段的建模方式[9],即第一阶段主要确定设备的类型、位置和容量,第二阶段主要确定系统的运行策略及其相关的参数。在第二阶段的研究中,根据可再生能源与负荷的建模方式不同,可采用基于全年历史数据的序贯优化方法[5],也可有采用典型运行场景的优化方法[8,9]。

微电网规划设计目标包含实现系统成本的最小化、投资收益的最大化、污染物排放的最小化、系统供电可靠性的最大化等目标中的单个或者多个[10]。在采用单一目标函数时,主要考虑系统经济性指标的最优化,相关经济性指标由设备初始投资、设备运行维护费用、燃料费用、设备更换费用、因资产处置过程中产生的残值以及卖电收益等构成,覆盖项目的全生命周期。在采用多目标函数时,可以考虑经济性、环保性与可靠性等目标的不同组合。

对于环保性目标,可以直接计算相关分布式电源的污染物排放总量,也可以将计算得到的排放量按一定的排污惩罚折算为经济性指标。而对于系统供电可靠性的评估,需要计及微电网自身的一些特点。

由于微电网含有发、配、用环节,需综合考虑各个环节的系统可靠性指标。发电环节主要倾向于发电容量的充裕度评估[11],可靠性指标主要有缺供电时间期望(Loss of Load Expectation,LOLE)、缺供能量期望(Lossof Energy Expectation,LOEE)等,而配用电环节可借鉴传统配电网的可靠性评价指标[13]。类似配电网的可靠性评估方法,微电网的供电可靠性也主要采用蒙特卡洛模拟法和解析法两种[11,12]。在解析法求解中,主要通过将分布式电源、储能系统等的运行状态离散化,以枚举系统整体的运行方式。类似于对环保性指标的处理,除了直接将可靠性作为目标函数外,也可将其折算为经济性指标。

由于微电网规划设计时需要考虑系统运行优化策略的影响,因而在建立约束条件时,通常需计及系统运行约束条件,主要包括功率平衡约束、设备运行约束(出力上下限限制、爬坡率限制、运行时间限制等)、储能存储容量约束和可靠性约束等。

考虑到储能系统的特殊性,微电网中储能系统容量配置问题可单独采取更加有针对性的优化规划设计方法。例如,为了抑制可再生能源输出波动的影响,可利用离散傅里叶变换对可再生能源输出功率进行频谱分析。基于频谱分析结果,考虑储能系统充放电效率、剩余能量水平及可再生能源发电系统目标功率输出波动率的约束,确定所需储能系统的最佳容量[14]。

综合以上分析,可建立确定性的规划设计模型,或者是不确定性的规划设计模型,并采用合理的优化问题求解算法进行求解。

3.3 优化算法与软件

为求解微电网规划设计问题,既可采用混合整数规划[8]等数学规划方法,也可采用粒子群算法[7]、进化算法[10]等智能算法。数学规划方法对目标函数和约束条件的苛刻要求和微电网规划设计问题的复杂性,这类方法的应用常常受到一定的限制。智能算法通常不依赖于具体的应用问题,建模方式相对宽松,能够方便处理信息的不确定性,在微电网规划设计问题求解中应用更为广泛。

目前,已有多种实用化的规划设计软件。如:HOMER[4]软件,以微电网全寿命周期成本最低为优化目标,采用序贯分析的方式,枚举确定最优的分布式电源配置容量及相关的运行计划;DER-CAM[8]软件,主要面向冷/热/电联供微电网,基于给定的典型运行场景,能够以微电网年供能成本最低为优化目标,以污染物排放最低为目标或约束,运用混合整数规划法进行微电网优化规划设计;PSDG[19]软件,提供了微电网的确定性规划和随机机会约束规划两种模型,采用两阶段建模框架,能满足设备选型与定容,单目标与多目标优化,考虑负荷增长、设备故障率、各种运行控制策略等因素的影响。

目前针对微电网规划设计的研究虽然已有很多,但仍有一些关键问题需要进一步研究解决。例如:现有的成果在考虑分布式电源选址、可再生能源的长期波动性、负荷需求的增长、设备全寿命周期内的经济性、社会效益等方面的研究还相对简单,特别是针对可以满足用户冷/热/电综合能量需求、具有综合能源网特征的微电网的规划设计问题,由于不仅涉及电气设备,还需要考虑各种冷、热设备,当考虑到冷/热管网及电力网络时,相关的优化工作在模型和方法上都还需要进一步深化。

4微电网能量管理与运行优化

微电网的运行优化策略由能量管理系统在已知各种运行信息的基础上制定完成。目的是根据分布式电源出力预测、微电网内能源需求、市场信息等数据,按照不同的优化运行目标和约束条件做出决策,实时制定微电网运行调度策略,通过对分布式电源、储能设备和负荷的灵活调度来实现系统的优化运行。能量管理系统的主要功能如图3 所示。

微电网能量管理系统的任务可分为短期功率平衡和长期能量管理[15]。前者主要用于维持微电网内电压和频率稳定,快速地跟踪负载变化,以及实现微电网模式切换等,与微电网的控制密切相关;后者主要是针对不同运行目标的微电网经济调度和优化运行。

微电网能量管理系统按结构不同主要有集中式和分布式两种模式[16]。集中式能量管理系统由微电网中央控制器(MGCC)实现能量管理功能,统一对系统内所有设备进行优化和控制,需要MGCC和底层设备间进行双向通信,可以及时有效地掌握微电网的全局信息,有利于对微电网的发电调度与设备控制进行统筹规划。目前,集中式能量管理系统发展较为成熟,也更易实现。分布式能量管理系统通过多代理的方式,利用本地控制器对各设备进行独立的决策和管理。其目标函数和约束条件与集中式能量管理系统类似,但需建立不同元件的代理模型,通过代理之间的通信和协调完成系统的优化目标。此结构弱化了MGCC的功能,只利用MGCC与外部进行信息交互并处理特殊情况。

采用分布式能量管理模式有助于实现微电网中分布式电源的“即插即用”和智能化目标,是未来微电网能量管理系统重要的理论研究和技术发展方向。由于微电网集成了多种能源输入、多种产品输出(冷、热、电等)、多种能源转换单元,微电网内能量的不确定性和时变性很强,其能量管理与大电网的优化调度将会有很大不同。这主要体现在对各种信息的预测与优化调度方法两方面。

4.1 预测方法

在微电网中,预测数据的准确性将直接影响调度方案的最终效果,相关研究工作包括发电预测、负荷预测、市场信息、设备故障等不确定性因素,评估不确定性对微电网优化运行结果的影响,并采取相应措施提高系统优化运行的预期效果等。发电预测主要是针对间歇式可再生能源的短、中期输出能量预测,通过对风速、光照强度和环境温度等的预测实现。常用的预测方法包括基于数值天气预报模型的预测方法[17]和基于历史数据的预测方法[18]。

负荷预测包含对微电网内冷、热、电在内的多类型负荷进行短期预测。考虑到需求侧响应、电动汽车充电以及冷热负荷的延时特性,负荷预测的难度会进一步加大,相关技术有待进一步研究[16]。市场信息主要指在电力市场环境下,对电价机制进行研究,把握电价变化规律,有效预测电价信息。

4.2 优化调度方法

微电网的调度策略可划分为优化策略和启发式策略。前者根据优化目标自行决定系统运行方案,后者一般针对有限的系统运行模式按照给定的调度逻辑确定调度方案。优化策略一般能获得比启发式策略更理想的优化效果,但在实际工程实施时,由于各种不确定性因素的存在,可能会弱化优化的效果。由于微电网调度优化问题是一个复杂的实际工程问题,在制定调度策略时要综合考虑系统随机、多目标等自身特性[19],特别是针对冷/热/电联供系统进行优化时还需考虑到策略实施的延时性对优化结果的影响[20]。当在规划设计阶段考虑优化调度策略问题时,需根据规划设计方案制定更合理的优化调度策略[9]。

在微电网运行优化过程中,最常用的目标为经济目标和环境目标。经济目标主要实现微电网的运行成本和设备折旧成本最低;环境目标主要是实现微电网环境效益最大化。微电网运行优化模型中的约束条件包括系统功率平衡方程、设备本身的发电特性约束、资源环境条件约束、微电网与配电网之间的交换功率约束、储能系统荷电状态约束、系统旋转储备约束等。并网型微电网和孤立型微电网的目标函数和约束条件有所不同。并网型微电网中应考虑配电网向微电网的供电费用和旋转储备费用,以及微电网向电网供电的回购收益:约束条件中,功率平衡方程和旋转储备约束中包含配电网的部分。而孤立型微电网中,需要微电网内部电源满足负荷和旋转储备的要求,优化目标和约束条件中不含配电网的部分,优化模型相对简单。

当进行多目标优化时,由于不同目标之间可能存在冲突,这就需要充分根据系统实际情况,因地制宜地对系统优化运行的目标进行协调,实现微电网综合价值的最大化。以经济和环境两个目标为例,可将环保目标转化为经济性目标进行处理,如采用碳关税对二氧化碳排放进行经济惩罚,该方法实际是将多目标问题转化为单目标问题进行处理[21]。对于不能直接转化的目标,可以选取一个基准方案,使用与基准方案目标值的比值,将各目标转化为无量纲的数值,然后通过加权平均的方法转化为单目标问题[22]。另一种方法是采用多目标方法进行处理,要求找到由非占优解空间构成的Pareto 解,采用博弈论方法等找到前沿中适合该问题的最优解[23]。

随着微电网的发展,其能量管理系统的功能也将不断发展和完善。从未来微电网“即插即用”功能的要求出发,微电网能量管理系统还要具备适应新设备接入和系统扩展的能力,因此对其通用性和鲁棒性提出了更高要求。微电网的能量管理系统实际可以看作是智能配电系统能量管理系统的重要组成部分,随着配电网中分布式电源与微电网接入数量的增加,需要更加综合性的能量管理系统,以支持分布式电源、微电网、配电系统的协调优化运行,这也是未来能量管理系统的重要发展方向。

5微电网保护与控制

5.1 微电网保护

微电网保护涉及的故障情况可分为微电网外部故障和微电网内部故障。其中,微电网内部故障在微电网并网运行和孤立运行两种模式下,所呈现的故障特性及所采取的保护方法又有所不同,且与微电网内分布式电源的控制方式紧密相关。

当微电网并网运行时,如果微电网外部或内部发生故障,应首先检测外部故障是否为永久性故障,或内部故障是否导致微电网运行状态不符合IEEE1547 等标准的要求[25],从而判断微电网是否需要从主网解列。若发生内部故障且无需解列时,应快速切除故障部分,减小对微电网内其他部分以及外部电网的影响。当发生永久性外部故障时,为了保证外部系统检修的安全性,微电网必须与外部电网解列。检测外部系统是否发生了永久性故障的工作也称为孤岛检测工作。目前,孤岛检测方法主要有被动式检测和主动式检测两种方法,被动式检测在微电网内分布式电源出力与负荷功率匹配的情况下无法检测出孤岛状态[24];主动孤岛检测方法包括主动频率偏移法[26]、主动电流扰动法[27],以及采用自适应无功功率控制的主动孤岛检测方法[28]等。大多主动检测方法主要针对微电网内仅具有单个分布式电源的情况,且对分布式电源的控制系统依赖性较大,含多个电源的微电网孤岛准确检测算法仍有待深入研究。

在微电网孤立运行模式下,当发生内部故障时,与并网模式下外部电网一般会提供较大的短路电流不同,基于电力电子变换器的分布式电源所提供的短路电流常常被限制在两倍额定电流以内,这可能会给保护装置的参数整定造成困难。一种解决方法是根据微电网运行模式的不同改变保护的整定值。这种方法的优点是保护的整定值计算简单,但要求保护系统具有更高的适应性[29]。采用基于通信的差动保护,通过比较两端保护的电流信息,可以有效实现故障识别和可靠切除[30];针对并网模式下短路电流大的特点,通过合理设计短路电流限制器参数,可以得到较优的方向过电流继电器整定值,从而实现两种模式下的微电网保护[31]。

5.2 微电网控制

微电网中的分布式电源和储能设备按照并网方式可以分为逆变型电源、同步机型电源和异步机型电源,其中大部分为基于电力电子技术的逆变型电源。对于逆变型分布式电源,并网逆变器控制是微电网控制的关键,当微电网中有多个逆变型电源时,需要对其进行协调控制,以满足微电网在并网运行、孤立运行,以及两种运行模式间切换时的不同需求,保证微电网运行的稳定性[32]。微电网一般采用如图4 所示的三层控制结构。

5.2.1第一层控制

依据分布式电源或储能设备在微电网中所起的作用不同,需要采取不同的控制策略,主要分为:恒功率控制(PQ控制)、恒压/恒频控制(V/f控制)和下垂控制(Droop控制)。下垂控制又具有两种基本形式:①f-P 和V-Q 下垂控制方法[33];②P-f 和Q-V 下垂控制方法[34]。前者根据功率的变化决定频率和电压值,后者根据频率和电压的变化决定功率值。

当光伏、风机等分布式发电系统采用最大功率追踪控制时,属于恒功率控制。微电网并网运行时,由电网提供电压和频率参考,各分布式电源一般采用恒功率控制。部分可控型分布式电源也可采用f-P 和V-Q 下垂控制方法,在电网电压幅值和频率降低时,能够支撑电网电压和频率。若主电网发生非永久性故障导致微电网并网点(PCC 点)三相电压跌落或不对称时,通过相应控制方法可提高各分布式电源的故障穿越能力[35],从而增大PCC 点处正序电压分量和减小负序电压分量,降低电网电压的不对称度。

微电网孤立运行时,需由微电网内主电源建立电压和频率参考,该层控制可分为主从控制模式和对等控制模式。在主从控制模式中,微电网内的一个分布式电源(或储能设备)采取V/f 控制,为微电网提供电压和频率参考,而其他分布式电源则采用PQ 控制[36]。负荷功率的变化主要由主电源跟随,因此要求其功率输出应能够在一定范围内可控,且能够足够快地跟随负荷的波动变化。在对等控制模式中,微电网中参与电压、频率调节和控制的多个可控型分布式电源(或储能设备)在控制上都具有同等的地位[37],通常选择P-f 和Q-V 下垂控制方法,根据分布式电源接入点就地信息进行控制。与主从控制模式相比,在对等控制模式中采用下垂控制的分布式电源可以自动参与输出功率的分配,易于实现分布式电源的即插即用。

5.2.2第二层控制

微电网并网运行时,第二层控制的主要目标为降低微电网内可再生能源与负荷的波动对主网的影响,使微电网作为一个友好、可控的负荷接入主网。

通过微电网中心控制器(MGCC)对各分布式电源下发合理的功率指令,通过联络线功率控制可实现这一点。利用功率型和能量型储能组成的混合储能系统,可分别抑制可再生能源输出功率的高频和低频波动分量,但应注意维持各储能设备运行在合理的荷电状态范围,避免过充或过放[30]。通过需求侧响应对可控负荷进行控制,也可实现微电网联络线功率的控制[40]。

微电网孤立运行时,采用主从控制模式能维持微电网电压和频率恒定,负荷的变化主要由主电源跟随,需要通过MGCC 实现各分布式电源间的功率合理分配[41]。采用对等控制模式时,能同时解决电压频率稳定控制和输出功率合理分配,但这是一种有差控制,负载变化前后系统的稳态电压和频率会有所变化。此时,该层控制的目标主要是恢复微电网电压和频率,以保证电压和频率满足负荷可靠运行的要求[42]。

一种可行的方法是采用集中二次控制,由MGCC 根据检测到的电压和频率,调整微电网中各下垂控制器的下垂曲线设定点等控制参数,实现微电网电压和频率恢复控制。其缺陷为过于依赖MGCC,一旦MGCC 出现故障将无法实现电压和频率恢复。

另一种方法为采用分布式二次控制,各分布式电源根据微电网内其他分布式电源出口电压、频率等信息,在本地分布式电源的控制器内通过电压和频率恢复控制算法实现下垂控制参数的调节,使得微电网电压和频率恢复控制系统的可靠性得到提高[43,44]。

微电网运行模式无缝切换控制也在第二层控制中实现,该部分应具备电网故障检测、微电网与电网同步等功能,并对微电网并网静态开关和主电源控制模式切换进行协调控制[36]。当采用主从控制模式时,一种典型的控制时序如图5 所示,包含微电网运行状态切换和主电源控制模式切换。若主电源在微电网并网和孤立运行模式下均采用P-f和Q-V下垂控制方法,则在微电网运行模式切换时,无需切换控制模式[45]。否则,为保证微电网主电源控制模式平滑切换,主电源控制系统在PQ控制和V/f 控制模式之间切换时应尽可能减少切换功率变化量[46]。

如采用图6 所示控制结构,在切换前后,两种控制模式中使用相同的电流内环,模式切换时仅对外环控制器进行切换。在模式切换中,采用合理的补偿控制算法和切换控制逻辑,可有效降低模式切换过程中的暂态冲击[36]。

5.2.3第三层控制

该层主要为微电网能量管理系统层[32],通过相应能量优化算法:①确定微电网并网运行时,与大电网之间联络线输出功率参考值(作为微电网第二层控制目标参考值);②在微电网孤立运行时,调整各分布式电源输出功率参考值或下垂曲线稳态参考点和分配比例系数设定等信息,实现微电网经济运行等功能。

6微电网仿真与实验研究

6.1 微电网数字仿真

数字仿真是微电网研究的主要手段之一,对于研究微电网运行机理、规划设计、优化运行、保护控制等问题提供了必要的工具和强有力技术支撑。

从数字仿真角度看,微电网是化学、热力学、电动力学等行为相互耦合的复杂非线性系统。微电网中不同设备和控制系统的时间常数差异较大,整个微电网系统呈现出强刚性的特点。数字仿真技术应实现对微电网中微秒级快速变化的电磁暂态过程、毫秒级变化的机电暂态过程、秒级到分钟级变化的中长期动态过程和系统稳态运行过程的全过程仿真。

微电网的强非线性、强刚性等特点对数字仿真技术从计算能力、数值稳定性和计算速度方面提出了更高的要求,传统的数字仿真工具有时不能满足各种情况下微电网全过程仿真的需要。目前,相关研究主要从建模和仿真方法两方面对微电网的数字仿真性能进行提升。

6.1.1微电网综合建模技术

对微电网的建模涵盖各个结构层面及不同时间尺度,应针对不同的研究目的,建立各种元件在不同时间尺度下的仿真模型,并根据需要合理选择仿真模型,从而保证仿真精度和效率。此外,对于微电网中非线性部分的化简或降维能够极大地提高仿真速度,如对分布式电源的非线性静态特性通过分段线性拟合化简[48],以及结合自动微分技术降低计算中仿真模型的雅可比矩阵维数[49]等。

6.1.2微电网数字仿真方法

微电网稳态分析是微电网稳定性仿真、规划、调度的基础,与常规配电系统稳态分析相比,其特殊性首先体现在分布式发电系统的建模方面。根据分布式电源的运行方式和控制特性,可将其处理为PV、PI、PQ、PQ(V) 节点等几种类型[50]。此外,还需要考虑交直流混合微电网的特性,发展微电网交直流混合潮流模型,为稳定性仿真提供交直流初始运行点[51]。

在微电网稳定性仿真中,与传统的电力系统机电暂态仿真类似,系统由一组微分和代数方程进行描述。考虑到微电网的特性,在求解过程中,传统的显式算法可能无法满足数值稳定性的要求,而隐式算法较大的计算量可能影响仿真速度。为此,多种改进的算法显示出在仿真速度和稳定性上的优势,如多速率求解算法[52]、显式—隐式混合积分算法[53]、基于数值微分求导的隐式求解算法[54],以及适用于刚性微分方程的投影积分算法等。

在微电网电磁暂态仿真中,大量的电力电子设备要求在仿真中采用更小的计算步长来满足精度需求。对电力电子设备的精确求解涉及计算矩阵时变、步长间开关动作、数值振荡等问题,需通过线性插值结合临界阻尼调整法[55]进行处理,而微电网的强非线性使其精确求解过程又涉及非线性方程迭代求解[56]。这使得微电网暂态仿真的计算规模严重受限于其仿真计算速度。除了高效的稀疏技术外,采用并行仿真算法可大大提高求解效率,其核心是网络分割和并行计算技术,及多节点、多任务之间的数据通信技术。

针对微电网特点,可将电气系统与控制系统的求解过程进行解耦及并行计算[57]。另一种思路是从算法层面研究加快仿真速度的可能性,如基于矩阵指数运算的显式数值积分算法、基于状态空间的网络化简方法等[58],均能在保证算法稳定性的同时改善微电网电磁暂态仿真的计算精度与速度。

微电网暂态实时仿真是与现实时钟同步的暂态仿真,对计算速度要求严格。与传统输电网实时仿真相比,微电网实时仿真应依据研究问题的不同,选择合适的研究部分或环节定义仿真区域,最极端的情况可能需要以整个微电网系统为对象进行实时仿真。因此,实时仿真一般需要通过系统分块、预存矩阵等技术手段保证仿真速度,而且综合考虑仿真实时性以及成本因素,采用PC-Cluster[59]、FPGA等新型底层硬件开发微电网实时仿真系统也成为发展趋势。

6.2 微电网实验研究

与传统电力系统相比,微电网规模较小,其相关研究不仅可以借助真实的物理装置进行实验,甚至可以按1:1的比例构建微电网实验系统,真实地再现研究对象。构建微电网物理模拟仿真实验室或示范性微电网系统的意义在于:

(1)通过微电网实验与仿真结果的对比,验证或修正仿真模型与参数的正确性,为微电网仿真研究提供验证平台。

(2)通过微电网实验发现微电网实际运行中真实存在的问题,为更深入的研究创造条件。

(3)微电网实验系统能够作为微电网的运行、控制、保护、能量管理及相关技术理论的实现载体。

将物理模拟实验与数字仿真结合,形成数字仿真与物理模拟的微电网综合仿真和实验系统,可以扩展已有物理动模实验室的仿真规模,充分发挥现有动模实验室的仿真能力,是未来的发展趋势。

近年来,在欧美、日本等微电网发展较早的国家陆续建立了多个微电网实验平台,早期的微电网实验平台大多结构简单,功能单一,针对性较强。雅典国立大学建立的NTUA微电网是最早一批的欧洲微电网实验平台[60]。该微电网为单相低压系统,其目的主要是对分层控制的微电网结构进行验证。

美国电力可靠性技术协会(CERTS)为验证其微电网概念,在威斯康辛大学麦迪逊分校建立了一个包含3 台分布式电源的微电网实验平台[61]。通过相关实验验证了在微电网中能够利用分布式电源的下垂控制策略,实现微电网的暂态电压和频率调整,以及微电网并网和孤岛模式间的模式切换。

美国国家可再生能源实验室(NREL)建立了包含三个子微电网的交直流混合微电网平台,在此基础上进行了各种分布式发电系统的可靠性测试、并网技术研究,并在此基础上参与了美国分布式发电和微电网相关的导则制定工作[62]。

微电网在全球范围内发展迅速,中国、韩国、新加坡以及部分南美与非洲国家和地区也相继建立了微电网实验平台,近期建设的微电网平台多呈现出结构复杂、电源类型多样、控制和能量管理功能更完善等特点。天津大学在国家973 计划项目“分布式发电供能系统相关基础研究”的支持下建立了天津大学微电网实验平台(Tianjin University MicrogridTestbed, TUMT)。该实验平台主要有以下特点:

(1)分布式电源和储能种类丰富,包括光伏、风机、燃料电池、微型燃气轮机等多种分布式电源,以及铅酸电池、锂离子电池、超级电容、压缩空气、液流电池、飞轮、制氢等多种储能设备。

(2)拓扑灵活多变,运行场景丰富,可根据实验和工程测试的需求改变拓扑结构,模拟数十种不同的运行场景。

(3)保护、监测、控制与能量管理等功能完善。基于该实验平台,在分布式电源和储能运行特性、分布式电源和储能的协调控制、微电网模式切换、故障特性和保护等方向进行了大量实验研究,并取得了一定的成果。

7 结论

随着微电网技术的成熟和发展,微电网将不再局限于实验平台和示范工程,将会在实际应用中发挥更大的价值。未来微电网的结构将趋于复杂,交直流混合型微电网的形式将更为多见,由多个用户级的微电网组成公共微电网并网的情况将成为常态。

微电网从局部解决了分布式电源大规模并网时的运行问题,同时,它在能源效率优化等方面与智能配电网的目标相一致,是智能配电网的重要组成部分。对用户,微电网除了提供电能外,充分发挥其供冷、供热、供气(氢气、合成天然气等)的能力,将进一步提高终端能源的利用效率;对电网,随着电力市场的完善、需求侧响应技术的发展,微电网将更多的参与配电网的调度,提供多种辅助服务。

上述问题都将对未来微电网的规划设计、优化运行、控制保护等多方面提出新的要求,有待进一步研究与探索。

原标题:微电网关键技术研究

关键字:微电网 分布式电源大规模并网 储能

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