智慧微电网关键技术及项目案例探讨

来源:能源生态圈

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关键词:微电网 智能微电网 微网

    微电网是由光伏、风力、柴油发电机、生物质能等分布式电源、用电负荷、监控保护、储能等自动化装置组成的能够实现内部基本用电量平衡的小型供电系统,该系统可以并网和离网运行。本文介绍了微电网与虚拟电厂、虚拟同步机的异同点,选取规划因子建立分析模型,解析了微电网中的稳态问题、谐波原因,采用分层控制技术调整优化系统的运行,最后结合案例来综合了解微电网建设中的关键技术与难点。


    1、 热点对比


    虚拟电厂:VPP,是聚合多种分布式能源资源构成的特殊类型的发电厂,通过先进的控制、通信等技术实现分布式电源、储能系统、柔性负荷、电动汽车等分布式单元的协调控制和优化运行。


    能效电厂:EPP,通过实施一揽子节电技术和能效项目,获得需方节约的电力资源,国际能源界将实施电力需求侧管理,开发、调度需方资源所形成的的能力,形象地命名为能效电厂,能源电厂是虚拟电厂的一种模式。


    虚拟同步机:VSG,借鉴同步发电机的机械方程和电磁方程来控制并网逆变器,使得并网逆变器在机理上和外特性上能与同步发电机相媲美的控制策略,尤其是模仿同步机的惯性时间常数。


    简单来说,虚拟电厂包括了电源、负荷;而虚拟电厂是对负荷进行控制。常规所认为的并网型微电网是虚拟电厂的一种存在状态。个人认为,未来,和大电网相连的并网型微电网的终极状态将是虚拟电厂的一个节点。


    虚拟同步机是目前微电网控制技术中比较重要的一项技术,在微电网方程控制技术中处于中低层。VSG在并网或离网情况下都可以做,和电力电子这种跟随型的控制技术相比,它是一种主动型的控制技术。在配电网侧,它也是一项非常好的技术,像光伏、风电等只呈现出发电的属性,并没有体现出配电网的调节属性。配电网侧新能源接入比例逐渐增大后,对电源具备配电网调节的能力要求将越来越高。




    相同点:


    都是由各类分布式电源和负荷构成,接入配电网。


    不同点:


    微电网可以并网和孤岛运行,虚拟电厂只能并网运行,


    微电网的产权所有者只有一个,虚拟电厂的产权所有者可以是多个,但是它的运营方式只有一个,


    微电网只有一个PCC点,虚拟电厂有多个接入点,


    目前微电网更侧重于技术问题,如分层控制技术、渗透率控制技术等,随着电力体制改革和能源战略结构来看,虚拟电厂更加侧重于技术基础和商业模式的探讨。




    相同点:


    被控主体是分布式电源,都在模拟发电厂的某些外部特性。


    不同点:


    虚拟电厂主要控制发电量和用电量,虚拟同步机主要控制PCS等电源,


    在大电网或者微电网的分层控制中,越底层速度越高,虚拟同步机动态时间域在毫秒到秒级之间,而虚拟电厂稳定时间域在分钟级以上,


    虚拟电厂是多电源和多负荷协调控制,不需要在同步的控制周期下,虚拟同步机对控制的带宽要求比较高,


    虚拟同步机主要是基于电力电子技术和通信技术,虚拟电厂目前主要是考虑商业运营模式的综合性技术,或者是商业化的总包服务或者资产管理、资产交易等。


    2、规划因子




    规划因子是微电网选择的约束模型,基于这个模型可以选择比较优质的项目。规划因子主要分为组成潜力评估、电网接入评估、电力市场政策和相关能源政策四部分。


    3、源荷储发电特性契合度




    微电网的控制和分析需要先建立模型,知道源网荷储之间的发电契合度,如上图,在这个物理架构的基础上做一些控制仿真。


    4、微网稳态典型问题




    在微电网控制中有一个非常常见的问题,即系统的震荡、保护,这是在稳态过程中出现的一些暂态问题。从物理上讲微电网系统存在固定和非固定的谐振带,且非固定谐振带随电源数量增多而向低频偏移。电网阻抗增大,电源数量变多和锁相环带宽增大都会导致系统稳定性变差。


    目前基本上所有的电源都能满足并网标准,但是并不完全满足配电网的用户需求,配电网的用户需求需要电源有一定的调节能力,而目前的电源都是跟随型的控制策略,需要锁定和跟踪电网的相位和频率,所以把跟随型的控制策略变成主动型的控制策略,主动调节配电网中的电压、频率以及多个电源之间有功、无功的分配。


    微电网多电源运行有下面两种情况:


    电压幅值不等时,产生有功环流,有功环流与幅值差值成正比;


    电压行为不等时,产生无功环流随相位差的增大非线性增大。

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    5、微网谐振原因


    从电源发射特性看:


    逆变器自身的非线性与死区等


    负荷的非线性和冲击性


    电网背景谐波


    从多电源并联谐振看:


    多电源之间存在阻抗耦合


    控制方式会影响到电源之间的阻抗耦合


    电网电抗与逆变器直接存在阻抗耦合


    电源自身的固有谐振频率


    6、微电网谐振抑制结论


    系统谐振带为叠加谐振带,包含自身谐振带,并联谐振带和串联谐振带,合理选择虚拟阻尼电阻可以有效衰减谐振效果。


    采用频域阻抗法可以分析新能源发电接入电网的稳定性,但Dq坐标系下阻抗建模的物理意义模糊,阻抗难以直接测量,建议在abc坐标系下进行阻抗建模。


    基于这些仿真分析和实验看,多负荷多电源的微电网系统采用VSG+虚拟阻抗技术可以保证系统的稳定性,有效平衡各个电源之间的出力情况,VSG和虚拟阻抗的相关参数可以通过计算、仿真得出。


    7、微电网分层控制技术




    微电网不同于单个变流器,需要基于分层控制技术。上层主要是发电计划、运行模式、负荷预测、发电预测和机组组合的控制,中间层主要是孤岛检测、联络线功率控制、二次电压和频率控制,底层即电源层,主要是进行一些VSG控制,阻尼阻抗、谐振抑制、功率分配等。


    中间层向底层不同电源分配指令时基于很多的控制算法,例如不同电源之间的特性。在孤岛运行时,微电网中的负荷不平衡,尤其新负荷、非线性负载比较多的时候,容易造成谐波污染,这时就需要按照不同的电源特性分配不同的指令,例如当负载不平衡时,需要针对性的发出零序分量和负序分量,如果这些不平衡电流由储能发出,那在储能电源的直流侧就会形成直流电压纹波,对很多电池就会造成损坏。




    目前常见的控制方式主要是有线通信和无线通信两种,不同的通信方式有不同的特性。一般情况下,越往底层的通信,要求的控制带宽越高,通信速率也就越高。从系统的控制上看,有效的控制带宽越高,有效的控制速度越高,整个系统的稳定性越高,这主要取决于通信协议和控制策略,并不是说选用的物理介质允许通信速率高,控制带宽就高。


    8、系统同步信号载波移相




    上图的中间层和光伏逆变器、风电变流器之间通过光纤通讯连接,通过同步信号控制电源载波。载波移相可以有效的提高并网点的等效电频,电频数量随设备的增加而增多,电能质量也随之越好。


    在微电网中,设备之间并的电源越多,系统越容易震荡,这时候可以增加虚拟阻抗策略、VSG策略以及提高并网端的等效电频等,目的都是为了保证整个系统的控制增益不随并联设备的数量变多而降低。当然这都是基于VSG+虚拟阻抗的前提而言。


    9、优化系统控制




    上图基于分层控制和快速通信技术,有效提高系统VF节点的容量,同时能针对不同电池的特性分配不同的指令,系统会分解出调节系统频率和电压所需要的有功、无功。根据直流对直流纹波电压的敏感程度分配指令,既可以保证系统的容量增大,也可以保证系统相关器件寿命的延长。


    10、微电网上层和底层关键技术




    微电网中,越接近底层越接近于控制技术,越接近上层越接近于商业模式。


    大数据在交互级或者交易平台级别都能用到,主要用来预测、数据增值、智能化运维、智能化服务、资产定价、资产交易等。


    个人认为,区块链和分布式发电或微电网有天然的契合度,在分布式发电或微电网的电力交易支付、资产交易记录、征信等方面的应用有很大前景。


    微电网底层相关技术主要包括IOT、储能等。储能在微电网中扮演着稳定源的角色,因为大部分新能源属于不稳定源,如果整个系统要去发电和供需平衡,不稳定源就需要储能来补偿调节。

    11、案例


    智能控制:DF项目并离网无缝切换(DO反馈)




    上图是某项目的并离网切换实验。它是计划性的并离网切换,离网转并网,同期跟踪电网相位,然后基于VSG的同期分层控制,并网开关闭合,完成了离网向并网的转换,这个过程中并离网信号通过DO来反馈,速度比较快。


    智能控制:并离网无缝切换(RS485)




    上图也是计划性的并离网切换,它的整个系统中有多个电源,选择RS485通信,实现了多个电源之间的功率分配及并离网无缝切换的稳定运行。


    智能控制:VSG模式并离网无缝切换(RS485)




    上图是基于RS485的多VSG模式的并离网切换,放大并离网切换时刻可以看到电流有一定变化,因为在并网时响应发电指令,离网时需要调节系统电压和频率,进行二次调频/调压,功率会发生一点变化,但是整个系统的电压保持不变。




    上图是并网情况下,以VSG控制策略在运行的情况。电流突然变大,频率下降,说明在VSG的情况下,电源是有配电网调节能力的。


    微电网案例


    1、金风科技全球总部智慧能源示范项目




    项目意义:


    国内首个MW级工业区智慧能源项目


    北京市首家返送电微电网示范项目


    国家863主动配电网1MW支撑电源项目


    IEC微电网标准试验基地


    中法国家级测试验证基地


    孤岛—并网双模式运行


    项目价值:


    年发电量392万度


    可再生能源占比为32%


    能耗总量下降约15%


    节能率(折合标煤)为14.3%


    年减排二氧化碳3491吨


    预期内部收益率10.28%


    一期渗透率:32%


    二期渗透率:>100%


    (2MW风机+600k燃气轮机+绿证,新能源占比接近100%)


    项目参数:


    2.5MW风机


    1067Kwp光伏(多晶硅990KW、单晶硅5KW、72KW碲化镉薄膜)


    65kW*2+600kW微燃机


    钒液流:200 kW *4h


    锂电池:100 kW *1.5h


    超级电容:200kW*10s


    项目功能:


    黑启动


    削峰填谷,复用备用电源


    多能互补


    需求侧相应


    冷热电三联供


    解决方案:


    光伏发电+风力发电+储能系统+节能改造+智慧能源管理平台


    运行实时数据:




    上图是通过钒液流储能来平抑风电的情况,蓝色是风电的出力曲线,红色是储能的出力曲线,绿色是两者设备平滑后总的出力情况。


    2、江苏大丰风电产业园智慧能源项目




    项目意义:


    国内首个商业化并网型工业区微电网项目


    项目价值:


    年发电量433万度


    可再生能源占比为21%


    Co2减排4300吨/年


    预期内部收益率:9.5%


    降低增容费:4.8万元/月




    项目参数:


    2.0MW+100kW风机


    96kWp光伏


    540kWh铅炭储能系统


    解决方案:




    风力发电+光伏发电+储能系统+能源管理系统+智慧能源管理平台


    微电网电力供客户生产使用,年耗电1970万度左右。投资回收期:8.78年。


    3、宁夏嘉泽智慧能源示范项目




    项目意义:


    国内首个商业化MW级风光燃储多能互补项目


    项目价值:


    预计年发电量512万度


    可再生能源占总用电量的31%


    未来规划发展清洁能源占比60%


    年减排co2:4560.9吨


    年收益约6.11%


    项目参数:


    2.0MW低风速风机


    375KW太阳能光伏


    钒液流电池储能:125kw*5h


    65kw微燃机


    暂态稳控系统


    电力智能调度系统


    微电网发电侧及负荷侧全覆盖监控系统


    2台充电桩


    解决方案:


    风力发电+光伏发电+微燃机/储能/充电桩+智慧能源管理平台


    4、岳阳高澜智慧能源项目


    项目意义:


    湖南首个MW级智能微网项目


    项目价值:


    年发电量预计145万度


    减少碳排放1291余吨


    项目参数:


    1.7MW光伏


    600kWh铅炭储能


    运行方式:


    峰谷套利


    5、安徽无为国家级智慧能源示范点


    项目意义:


    国家首批“互联网+”智慧能源示范项目


    全国首家县级城市智慧能源示范


    智慧能源产业的里程碑,可推广复制


    项目价值:


    新能源发电量6434万度


    项目参数:


    60MWp分布式光伏


    6MW分布式风机


    20MW*2h压缩空气储能


    应用场景:


    峰谷套利


    电能质量优化


    降低增容费


    降低可再生能源波动,提高渗透率


    关键负荷备用电源


    解决方案:


    光伏发电+风力发电+空气储能+供热供冷+管网系统+智慧能源管理平台

    (审核编辑: Doris)