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多能互补主动配电网技术方案及工程应用

作者:李瑞生,李献伟 来源:供用电杂志 发布时间:2018-07-12 浏览:
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多能互补主动配电网技术方案及工程应用

李瑞生,李献伟,张超

(1.许继集团有限公司,河南 许昌  461000;2.亿利资源集团有限公司,北京  100026)

摘 要:

能源供给的联动协调与互补配合可实现输送和利用效率的提升,多能互补主动配电网能够充分发挥电力系统在能源供给中的基础配置作用,将各种能源供给通过电网协调实现互补运行,从而缓解能源供需矛盾,促进新能源消纳,最终达到发挥综合效益的目标。文章提出能源变革是持久战,分析了多能互补主动配电网的优势,明确了建设原则和技术要求,提出了多能互补主动配电网技术方案,并在内蒙古库布其“多能互补主动配电网示范项目”中进行应用,该项目实现了以电力供应为中心的电、热、冷的联合优化供给,满足提高分布式发电渗透率、供能经济灵活及可靠性等目标。

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引言

能源的联合供给与互补配合可实现输送和利用效率的提升,将能源需求和开发的多样性要求与电力系统作为电力开发、配置和利用的基础平台属性有效整合,发挥电网在能源供给的基础配置作用,将各种能源供给通过电网协调实现互补运行,取长补短,缓解能源供需矛盾,促进新能源消纳,发挥综合效益。通过多能互补理念改造配电网,将其打造为集电能收集、传输、存储分配、转化和传输为一体的能源供求互动网络,充分发挥电网的能源供给配置作用,实现了多种能源输入(太阳能、风能、天然气、浅层地热能等)、多种供能方式输出(冷、热、电等)、多种能源转换(光伏、燃气轮机、内燃机,储能系统等),使配电网既满足可再生能源开发利用,同时又保证电能质量、供电可靠性以及区域冷热的综合供应,对于建设清洁低碳、安全高效现代能源体系具有现实意义。

1、多能互补主动配电网

1.1 多能互补

多能互补是指可按照不同资源条件和用能对象采取多种能源互相补充构建能源供给体系,提高输送和利用效率,缓解能源供需矛盾,实现综合利用,合理保护自然资源,促进生态环境良性循环。

多能互补是能源可持续发展大趋势。首先,有利于促进新能源消纳和增加可再生能源利用比重风能、水能、太阳能等在时间和空间上具有互补性,可因地制宜地选择相应类型进行取长补短,发挥各类能源优势,有利于能源与环境全面协调可持续发展。其次,有利于充分发挥电力系统在能源供给中的配置地位,能源消费上实施以电代煤、以电代油,推广应用电锅炉、电采暖、电制冷、电炊和电动交通等,提高电能在终端能源消费的比重,减少化石能源消耗和环境污染。再次,有利于能源供给的横向互补、纵向优化,实现多能协同供应和能源综合梯级利用,提高能源效率。

目前多能互补的示范工程分为两类:第一类针对电源侧多能互补,利用大型综合能源基地风能、太阳能、水能、煤炭、天然气等资源进行互补组合,通过时间和空间的打捆送出,降低新能源电站出力变化率以及提高线路利用率等;第二类主要针对用户侧的多能互补,也是本文论述的类型,是面向终端用户电、热、冷、气等多种用能需求,优化布局建设一体化集成供能基础设施,实现多能协同供应和能源综合梯级利用。

1.2 主动配电网

配电网是电力系统中直接与用户相连并向用户分配电能的环节。主动配电网是相对于传统配电网而言,传统配电网潮流是单向的,由发电厂流向用户,分布式发电接入配电网后改变了潮流流向,由单向潮流改变为双向潮流;2003年国际大电网会议(CIGRE)配电系统和分布式发电专业委员会(C6)工作组启动项目7“有源配电网的开发与运行(development and operation of active distribution networks)”,2008年CIGRE C6重点关注配电网从单纯的被动配电网向有源配电网转变,并提出Active Distribution Network(ADN)技术,国内学者将ADN翻译为“主动配电网”(注:也有部分学者将其翻译为“有源配电网”),传统配电网称为被动配电网(passive distribution network,PDN)。

图1  主动配电网潮流变化示意图

AND是分布式或分散式能源且具有控制和运行能力的配电网,它不仅需要提高接纳风能、太阳能这类发电出力具有间歇性、随机性和波动性的特点电源并网运行控制,还要考虑电动汽车等多元负荷互动以及配电网自身的安全稳定及经济运行,通过对现有配电网的升级,提高自身的调节能力,实现配电网—电源—负荷协调控制和优化运行,实现配电网主动自愈、分布式电源即插即用和多元化负荷的灵活、高效接入,提高配电网调控能力、运行效率以及供电安全可靠性和电能质量。

1.3 多能互补主动配电网

多能互补主动配电网如图2所示,多能互补主动配电网以信息技术、互联网技术为核心,以配电网为基础,将分布式发电,分布式能量和各种类型负载构成的冷、热、气、水、电等能源网络节点互联起来,通过优化组合配置,在电力系统内互补运行,取长补短,提高用能效率,更好地满足用能要求同时保障电网安全稳定运行。

图2 多能互补主动配电网示意图

多能互补主动配电网能够综合利用风能、太阳能、水能、煤炭、天然气等资源,通过热、电、冷等能源联合一体化供给实现经济性,通过能源需求侧管理,推动能源就地清洁生产和就近消纳,减少弃风、弃光、弃水及限电等,为用户提供高效智能的能源供应,发挥综合效益。

建设多能互补主动配电网可充分发挥发挥电网对能源供给的优化作用,对于建设清洁低碳、安全高效现代能源体系具有重要的现实意义和深远的战略意义,是“新能源电网互联网”最佳实践方式,是提高能源系统综合效率的重要抓手,有利于提升配电网消纳新能源能力,对我国智能配电网建设以及分布式电源发展会起到积极推动作用。

2、建设原则

建设多能互补主动配电网需要综合考虑,能够将区域内包括供能系统等进行优化整合,通过将供电网络、供热网络、供气网络等进行联动,提高绿色用能,实现能源的高效利用,有利于多能互补主动配电网的推广建设。

2.1 提高分布式发电的渗透率

满足各种分布式电源可靠并网,同时提高分布式电源利用效率及电能质量。通过将储能进行分层设计,分布式储能进行平滑分布式电源出力及降低负荷侧的大功率扰动导致的电压不稳定等问题,改善电能质量;通过集中储能进行削峰填谷满足需求侧响应,实现基于分层储能的主动配电网能量优化管理要求,提高分布式电源的利用率。

2.2 提高能源供给的灵活性及经济性

考虑面向多应用场景的冷、热、电等多能源的综合供应,通过对包括光、储、电动汽车充电、水源热泵、水蓄热等综合优化控制实现多能互补,实现不同能源备用或互换的补充,满足不同季节供能形式要求,实现能源供给的经济性。

2.3 提高供能可靠性

提高重要负荷的供电可靠性要求。单个微电网节点离网运行满足离网能量平衡,提高分布式电源的利用效率并延长离网的供电时间。微电网并网转离网(计划和非计划)满足无缝切换要求,实现重要负荷的连续供电。微电网离网转并网满足零冲击并网要求,减少对电网的影响,保证重要负荷供电可靠性。

3、技术要求

多能互补主动配电网络复杂、设备类型多、存在用能预测困难等,需要科学规划设计才能充分发挥多能互补作用,且不对配电网的运行产生负面影响,做到真正互补,实现低碳生态的能源供给及经济性。技术上需要重点考虑区域就地平衡、运行经济智能,要做好用能预测和供给预测,实现供和用的匹配,实现多种能源供给形式的匹配,实现能源供给和相互转化的匹配;做好与用户互动,实现用能和供能的智能互联,促进可再生能源建设利用,推动发电汽车发展,发挥供能联动的经济和高效,需要重点开展以下技术研究:

1)综合用能负荷模型建立:多能互补主动配电网综合考虑冷、热、电等多种能源形式需求,将区域内能源生产与消费进行统一,需要设计分布式发电、用电、冷热一体的综合用能负荷模型,实现用能有机互补。

2)多能互补供能网络设计:在传统配电网的基础上,增加光伏、风电、储电等分布式电源,以及可控的冷热源、电力和冷热负荷、交直流充电桩,设计最优的电力和热力网络结构,满足最优的电源、热源和负荷接入。

3)基于区域能源、经济和环境最优的多能协同控制策略:针对不同场景的多电源、多热源、以及电力和热力需求侧响应要求,研究多能协同控制策略,发挥主动配电网的用能配置作用。

4)集中式和分布式储能的优化配置方法和控制策略;根据不同的用能特性,通过集中式和分布式储能对分布式发电和负荷波动进行互补调节,降低用能的波动,满足主动配电网的稳定运行要求。

4、示范工程

多能互补主动配电网示范基地是国家能源技术研究及工程示范项目,位于内蒙古鄂尔多斯杭锦旗独贵镇库布其沙漠公园内,目标是针对公园内的七星湖国际酒店、库布其沙漠论坛会议中心两种建筑供能要求,以电力供应为中心并综合考虑冷、热能供给,通过建设3个不同目标的380 V微电网和升级改造个园区10 kV供电网络实现多能互补,验证多能互补主动配电网的规划、设计和优化控制方法,满足高渗透率分布式发电的接入、能源供给形式的灵活经济以及供能可靠性,提高区域内多种能源的安全稳定供应及经济高效运行。

4.1 工程方案

本项目包含光伏发电、燃油发电、集中式和分布式储电等,热源包含余热回收装置、电制冷、热泵机组等,可控负荷包括涵盖电动汽车等各种类型交直流充电桩、电力和热力需求侧响应系统等,其中光伏400 kWp,内燃机发电1600 kW,集中式储电和分布式储电容量共计600 kWh;冷热源包括地源热泵、热水锅炉、余热回收装置、水蓄热等6500 kW,交直流充电桩15台,满足超过5万m建筑冷、热、电及电动汽车用能需求。

亿利多能互补主动配电网结构示意如图3所示,由911和912两条外部供电线路,供电范围设计设计了1号、2号、3号微电网,分别实践交直流混合供电、接纳高渗透率的分布式发电、保证重要负荷的无缝供电等功能;集中储能接入10 kV配电网,并网运行时作为柔性负荷降低配电网功率波动、削峰填谷、经济优化调度等,离网时作为3号微电网的备用电源延长离网供电时间。另外,根据酒店、会议中心和电动汽车的用电特性,综合考虑冷、热及电需求供应,设计燃油发电、光伏发电及水蓄热等互补调峰策略,实现区域内多种能源的安全稳定供应及经济高效运行等目标。

图3 亿利多能互补主动配电网结构示意图

亿利多能互补主动配电网系统功能如图4所示,通过对光、柴、储、负荷等各个环节统一的监视、控制、管理与调度等,并网运行时最大限度消纳分布式电源、提高供能经济性及电能质量要求,离网运行时保证负荷供电及稳定运行,同时能够监控热泵机组的运行状态、机组负荷、供回水温度、流量、水源侧进出温度、机组耗电量等,实现供能优化。

图4 亿利多能互补主动配电网系统功能图

1)1号微电网。

1号微电网包括柴油发电机组、光伏发电、储能、充电桩及负荷,柴油发电机组接入1号微电网,并网运行时柴油发电机主要作为用电高峰时的电源补充,当外部供电系统断电时,柴油发电机对1号、2号及3号供电,柴油发电机组加装余热回收系统。

1号微电网接线如图5所示,1号微电网采用交、直流混合供电方式,接入配电网的公共连接点(point of common coupling,PCC)为PCC1,交流电压400 V,直流电压750 V,光伏发电(55 kW)、储能(50 kW,30 kWh)、直流充电桩(30 kW)经过DC/DC变换器接入直流微电网,直流微电网通过交直流混合微电网潮流控制器(hybrid microgrid flow conditioner,HMFC)与交流微电网连接,实现交流微电网和直流微电网的混联,另外4台7 kW交流充电桩接入1号微电网。

图5  1号微电网接线示意图

2)2号微电网。

2号微电网包括光伏发电、储能、充电桩及负荷,重点验证高渗透率分布式光伏接入的稳定控制。2号微电网接线如图6所示,2号微电网通过PCC2并网,光伏发电250 kW,储能60 kWh,储能变流器100 kW,2台30 kW直流充电桩,8台7 kW交流充电桩。

图6  2号微电网接线示意图

3)3号微电网。

3号微电网包括光伏发电、储能、重要负荷和可控符合,重点验证重要负荷的无缝供电。3号微电网接线如图7所示,3号微电网通过PCC3点并网,光伏发电145 kW、储能60 kWh,储能变流器100 kW,满足重要负荷无缝供电。

图7  3号微电网接线示意图

4)集中储能系统。

集中储能系统500 kWh,输出电压为400 V交流电,经过变压器升压接入10 kV环网柜,同时与3号微网连接,10 kV与400 V接入要求互锁,并网运行满足主动配电网的协调控制和优化调度要求,离网运行时接入3号微电网,提供供电支撑。

图8  3号微电网接线示意图

4.2 关键技术应用

1)模块化并联技术。

分布式光伏、风机、储能以及充电机等都通过电力电子变换器接入配电网,从维护方便角度将变换器统一采用标准化的三电平DC/DC及DC/AC功率模块构成不同容量的转换装置,根据应用场景不同,植入了对应的控制软件,功率模块通过自主并联实现不同接入需求,减少装置类型方便维护。

2)注入式主动孤岛检测技术。

通过外置小功率的低频电源模块,把相当于零序分量的20 Hz分量注入380 V系统,根据孤岛发生前后20 Hz分量的变化特征识别孤岛,实现不依赖逆变器、不依赖通信的主动式孤岛运行状态感知,解决现有方法存在检测盲区、速度慢、易引起电能质量问题等问题,满足分布式电源与配电网的电气互联安全。

3)虚拟同步发电机技术。

电力电子类型的分布式电源采用数字电路控制,暂态响应速度快,不能参与电网的调频及调压;虚拟同步机技术使得电力电子类分布式电源可根据系统频率扰动大小,自适应调整惯性,以防止转动惯量过大或过小造成的系统动态响应过慢或过快,阻尼过大或过小造成的暂态过程过长或过短,提高新能源发电系统的并网稳定域,实现变流器“电网友好型”特征和组网特性。

4)P/U控制技术。

P/U控制技术可实现分布式电源根据接入点电压情况自动进行出力调节,解决由于有功过多引起电压升高、使分布式发电退出运行、不能有效发电的问题,实现发电量渗透率最大。

5)无通信微电网自主运行控制技术。

通过微电网的基波频率调制进行信息传递,不依赖通信、不增加控制设备,取消微电网集中控制单元,实现储能系统与分布式发电实现自主并联稳定运行,构建一种简单物理结构的高可靠、低成本微电网,满足微电网即插即用商业应用。

6)预同步并网技术。

微电网离网转并网时无法保证两侧电压幅值和相位完全一致,合闸时可能引起较大冲击电流导致并网失败和设备损坏,预同步并网技术通过幅值和相位逐步逼近保证微电网电压幅值、相位与配电网电压的幅值、相位一致,实现“零冲击”并网。

4.3 微电网运行

4.3.1 并网运行

并网运行时,综合优化分布式光伏、分布式储能、集中式储能及电动汽车,提高分布式电源的利用率,验证3个不同类型微电网的平滑功率控制、联合优化控制以及需求侧响应等能量管理策略;通过集中储能降低配电网功率波动并进行削峰填谷控制,并根据酒店、会议中心和电动汽车的用电特性,综合考虑冷、热及电需求供应,设计燃油发电、光伏发电及水蓄热等等互补调峰策略,实现区域内多种能源的安全稳定供应及经济高效运行。当911/912某一供电线路停电时导致单个微电网上级电网失电时通过负荷转移恢复微电网供电。

1)PCC1上级电网故障与恢复。

PCC1上级电网故障,断开PCC1开关,1号微电网供电中断,1号微电网光伏和储能脱网,合上1号微电网与2号微电网的联络开关,1号微电网通过2号微电网恢复供电,1号微电网光伏、储能恢复并网。PCC1上级电网恢复供电,断开1号微电网与2号微电网的联络开关,1号微电网供电中断,1号微电网光伏和储能脱网,合上PCC1开关1号微电网恢复供电,1号微电网光伏、储能恢复并网。

2)PCC2上级电网故障与恢复。

PCC2上级电网故障,断开PCC2开关,2号微电网供电中断,2号微电网光伏和储能脱网,合上1号微电网与2号微电网的联络开关,2号微电网通过1号微电网恢复供电,2号微电网光伏、储能恢复并网。

PCC2上级电网恢复供电,断开1号微电网与2号微电网的联络开关,2号微电网供电中断,2号微电网光伏和储能脱网,合上PCC2开关2号微电网恢复供电,2号微电网光伏、储能恢复并网。

3)PCC3上级电网故障与恢复。

PCC3上级电网故障,断开PCC3开关同时切掉3号微电网非重要负荷,3号微电网储能系统具备虚拟同步发电机功能实现无缝切换至离网运行模式,保证重要负荷的不间断供电,集中储能系统的闭锁开关接入3号微电网母线提供功率支撑,3号微电网通过与2号微电网的联络开关进行“零冲击”并网恢复,3号微电网通过2号微电网恢复并网供电。

PCC3上级电网恢复供电,断开3号微电网与2号微电网的联络开关同时切掉3号微电网非重要负荷,3号微电网储能系统具备虚拟同步发电机功能进行无缝切换至离网运行模式保证重要负荷的供电,3号微电网通过PCC3进行“零冲击”并网恢复供电,集中储能系统的闭锁开关接入10 kV母线。

4.3.2 离网运行

亿利多能互补主动配电网离网运行接线示意如图9所示。当911与912两条供电线路全部停电时,3个PCC点全部断开,进行离网运行模式,柴油发电机组作为主电源,1号微电网、2号微电网及3号微电网并列运行,通过优化光伏发电、分部式储能和集中式储能的功率输出,满足离网时负荷供电需求。

图9  亿利多能互补主动配电网离网运行接线示意图

4.3.3 并网转离网切换

1)计划并网转离网。

计划性并网转离网流程如下:启动柴油机进行同期并网接入1号微电网母线;断开PCC1开关,1号微电网由柴油发电机组作为主电源进行离网供电;1号微电网通过与2号微电网的联络开关进行同期并网;断开PCC2开关,1号微电网与2号微电网并联并由柴油发电机组作为主电源进行离网供电;合上集中储能系统互锁开关,将集中储能系统接入3号微电网;断开PCC3,3号微电网无缝切换至离网运行模式;3号微电网通过与2号微电网的联络开关进行“零冲击”并网恢复;1号、2号及3号微电网并联运行,进行离网运行模式。

2)非计划并网转离网。

当911与912线全部停电时,进行非计划性的并网转离网,为了保证3号微电网(国际会议中心)重要负荷的不间断供电,首先断开PCC3开关同时切掉3号微电网非重要负荷,3号微电网储能系统具备虚拟同步发电机功能实现无缝切换至离网运行模式,集中储能系统的闭锁开关接入3号微电网母线提供功率支撑(3号微电网储能系统离网供电时间要支撑柴油发电机组启动并网及3号微电网与1号、2号微电网的并联)。

1号微电网、2号微电网供电中断,断开PCC1和PCC2开关;启动柴油发电机组并入1号微电网母线,1号微电网恢复供电,1号微电网光伏、储能恢复并网;合上1号微电网与2号微电网的联络开关,2号微电网恢复供电,2号微电网光伏、储能恢复并网;3号微电网通过与2号微电网的联络开关进行“零冲击”并网恢复,3号微电网与2号微电网、1号微电网并联供电,进入离网运行模式。

4.3.4 离网转并网切换

离网运行时,3个PCC点全部断开,柴油发电机组作为主电源,1号微电网、2号微电网及3号微电网并列运行,通过优化光伏发电、分部式储能和集中式储能的功率输出,满足离网时负荷供电需求。能量管理系统下达并网指令,进行计划性离网转并网,流程如下:首先,保证3号微电网(国际会议中心)重要负荷的不间断供电,断开3号微电网与2号微电网联络开关的同时切掉3号微电网非重要负荷,3号微电网储能系统具备虚拟同步发电机功能实现无缝切换至离网运行模式;3号微电网通过PCC3进行“零冲击”并网恢复,集中储能系统的闭锁开关接入10 kV母线;并联运行的1号微电网和2号微电网通过PCC1进行同期并网;断开1号微电网与2号微电网的联络开关,2号微电网供电中断,2号微电网光伏和储能脱网;合上PCC2开关,2号微电网恢复供电,2号微电网光伏和储能恢进行并网,进入并网运行模式。

4.4 多能互补能量管理

本项目应用的多能互补主动配电网能量管理系统由许继集团有限公司研制开发,采用就地控制、区间协同、全局优化,通过采集、控制以电为主的多种能源的信息流,对整个全局能量管理及运行优化实现了供给侧常规能源和可再生能源管理的有序、互补、梯次和优化利用,满足电能调度和热能调度,从发电端和消费端实现多能互补。亿利多能互补主动配电网能量管理如图10所示。通过供电和供热进行互补协调,提高可再生能源发电的利用率和能源供给的经济运行。

图10 亿利多能互补主动配电网能量管理

供电方面:在满足客户用电安全和质量的前提下,以大电网为供电为保障,利用用电调度和储能等手段,尽量提高分布式发电的利用率。当分布式发电功率与微网的电负荷高于设定比例时,能量调度系统通过调度,首先将多余电量储存到储能和电动汽车电池中,当电池储满后,通过提高热泵运行负荷,将多余电能以热(冷)量的方式储存到建筑热(冷)负荷中,当建筑热(冷)负荷达到设定值后,分布式发电功率仍大于配电网电负荷时,限制分布式发电功率输出。整个过程中,分布式发电功率低于用电负荷时,储能调度停止。

供热方面:供热主要由余热、太阳能、电能、燃油等四种能源提供,通过各种热源进行优化调度,优先利用余热和太阳能,其次利用水源热泵,最后利用燃油锅炉,余热是一种免费能源,但只有在柴油机启动时产生,太阳能是可再生能源,但只有天气晴朗的白天产生,两者都是间歇性和不稳定能源,均无法单独作为冷热负荷的主力热源;水源热泵通过消耗少量电能可以为建筑提供大量的热能,作为供热系统的主要热源,保证建筑供热的基本需求;锅炉通过燃烧柴油来产生热能,作为调峰和应急热源,当其他热源故障或功率不足时启用。

5、结语

多能互补主动配电网充分发挥电网的能源供给的基础配置作用,实现了多种能源输入(太阳能、天然气、浅层地热能等)、多种供能方式的输出(冷、热、电等)、多种能源转换单元(光伏、燃气轮机、内燃机,储能系统等),将配电网由原来单一电能分配的角色转变为集电能收集、电能传输、电能存储分配、冷热的转化和传输为一体的新型多能源网络系统,即可充分利用可再生能源,同时又保证系统的电能质量、运行稳定性、供电可靠性以及区域冷热的综合供应,技术验证,具有示范推广价值。  

✎作者简介

李瑞生,男,硕士,教授级高级工程师,研究方向为继电保护、分布式发电接入及微电网运行控制。

李献伟,男,硕士,高级工程师,研究方向为电力系统保护与控制、分布式电源接入及微电网稳定控制运行等。

引文信息

李瑞生,李献伟,张超.多能互补主动配电网技术方案及工程应用[J].供用电,2018,35(7):34-42.

LI Ruisheng,LI Xianwei,ZHANG Chao,et al.Technical scheme and engineering application of multi-energy complementary active distribution network[J].Distribution & Utilization,2018,35(7):34-42.

关键字:多能互补 储能

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