基于分布式儲(chǔ)能的微網(wǎng)與主網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的應(yīng)用

楊 洲，劉世嵩，宮 俊

（國(guó)網(wǎng)天津?yàn)I海供電分公司,天津 300450）

基于分布式儲(chǔ)能的微網(wǎng)與主網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的應(yīng)用

楊 洲，劉世嵩，宮 俊

（國(guó)網(wǎng)天津?yàn)I海供電分公司,天津 300450）

針對(duì)可再生能源發(fā)電波動(dòng)性和隨機(jī)性大的特點(diǎn)，有必要發(fā)展配合新能源發(fā)電的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。為了滿足主網(wǎng)電能質(zhì)量要求，基于分布式儲(chǔ)能的微網(wǎng)可以有效地達(dá)到削峰填谷和平抑微網(wǎng)功率波動(dòng)作用，配合可再生能源發(fā)電。通過(guò)調(diào)度系統(tǒng)合理安排儲(chǔ)能系統(tǒng)和可再生能源出力，達(dá)到微網(wǎng)與主網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，并用天津生態(tài)城作為算例驗(yàn)證了基于分布式儲(chǔ)能的微網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用的效果。

微網(wǎng)；分布式電源；儲(chǔ)能；運(yùn)行控制

0 引言

可再生能源（風(fēng)能，太陽(yáng)能）分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，有效地緩解了環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題；但是可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性和隨機(jī)性，不能滿足主網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的要求，給并網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)了問(wèn)題?，F(xiàn)在大力建設(shè)的風(fēng)電和光伏發(fā)電基地就需要配套建設(shè)輔助的儲(chǔ)能系統(tǒng)保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。基于分布式儲(chǔ)能的微網(wǎng)技術(shù)（平滑輸出、計(jì)劃發(fā)電、削峰填谷）[2-4]為實(shí)現(xiàn)與主網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行提供了可能。

1 基于分布式儲(chǔ)能的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

基于分布式儲(chǔ)能的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)主要包括異儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置、光伏發(fā)電系統(tǒng)、異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、保護(hù)裝置系統(tǒng)和負(fù)荷等。三路發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)3條饋線供電給負(fù)荷，系統(tǒng)運(yùn)行方式是輻射狀運(yùn)行，系統(tǒng)供電的負(fù)荷類(lèi)型也不同，分別為阻性負(fù)荷、電動(dòng)機(jī)負(fù)荷和整流負(fù)荷。微網(wǎng)通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)Sgrid與主網(wǎng)連接，連接點(diǎn)名稱(chēng)設(shè)置為公共連接點(diǎn) PCC（Point of Common Coupling）。

圖1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置在微網(wǎng)中擔(dān)任著組網(wǎng)和運(yùn)行控制的基本功能。儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)中主要采用電壓原型換流器控制系統(tǒng)。電壓原型換流器控制系統(tǒng)的主要構(gòu)成包括電感—電容—電感串聯(lián)型濾波器、三相四線制的接線方式和三相半橋式逆變電路。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的中線設(shè)置是按照連接起逆變器輸出中點(diǎn)和直流母線電容中點(diǎn)的方式構(gòu)成，這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于直流母線電壓比較穩(wěn)定，而且逆變器控制方法更為靈活。電感—電容—電感串聯(lián)型濾波器的優(yōu)點(diǎn)在于在較小的經(jīng)濟(jì)投入下可以獲得較好的濾波效果，性?xún)r(jià)比比較高，抑制諧振頻率波動(dòng)的能力比較強(qiáng)。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置

光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括并網(wǎng)逆變器和光伏陣列模擬器。光伏系統(tǒng)的輸出特性是通過(guò)光伏陣列模擬器進(jìn)行模擬，模擬系統(tǒng)中采用了DC／DC斬波技術(shù)?？刂圃砉庹諒?qiáng)度和環(huán)境溫度條件等影響光能輸入的因素通過(guò)隨機(jī)發(fā)生器產(chǎn)生，并且模擬仿真出光伏陣列I-U曲線；再通過(guò)DC/AC逆變器將直流轉(zhuǎn)換成交流輸出，通過(guò)升壓變壓器并入微電網(wǎng)系統(tǒng)；本發(fā)電系統(tǒng)在斬波器與逆變器之間同時(shí)接有最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（Maximum Power Point Tracking）裝置，能夠模擬跟隨光照強(qiáng)度最強(qiáng)的功率點(diǎn)，其發(fā)電系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)

異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成部分主要包括風(fēng)機(jī)、鼠籠式異步發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)裝置以及槳距控制系統(tǒng)。系統(tǒng)如圖4所示，風(fēng)速—功率模擬器模擬出風(fēng)速捕捉系統(tǒng)將風(fēng)速傳送到發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，并通過(guò)異步發(fā)電機(jī)發(fā)電。

圖4 異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)、采集、分析、協(xié)調(diào)、控制微網(wǎng)內(nèi)各個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的順利并網(wǎng)和可靠運(yùn)行，能量管理系統(tǒng)EMS（Energy Management System） 結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括4部分，分別是高級(jí)自動(dòng)管理接口系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）接口系統(tǒng)、預(yù)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)系統(tǒng)。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的實(shí)施過(guò)程簡(jiǎn)述如下：微網(wǎng)內(nèi)發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)載的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集到功率測(cè)量模塊，再通過(guò)高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸；完成對(duì)狀態(tài)變量的觀測(cè)和估計(jì)，綜合輸出功率及當(dāng)?shù)刎?fù)荷等指標(biāo)，制定合理的“調(diào)度”計(jì)劃，控制好系統(tǒng)的發(fā)電質(zhì)量和功率量，維持電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定，輔助制定合理的事故預(yù)案。

圖5 協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)

2 基于分布式儲(chǔ)能的微網(wǎng)控制方式

基于分布式儲(chǔ)能的微網(wǎng)控制方式主要包括兩種方式：第一種是恒功率控制方式，第二種是功率差控制方式。

其中，恒功率控制方式是指儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率保持恒定。根據(jù)日負(fù)荷曲線和儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，可以得出：每天的早上2點(diǎn)到8點(diǎn)為充電區(qū)間，充電時(shí)間6 h；每天的下午2點(diǎn)到10點(diǎn)為放電區(qū)間，放電時(shí)間8 h。

功率差控制方式是指充放電功率隨著負(fù)荷曲線和蓄電池組容量變化而變化，根據(jù)實(shí)際確定每個(gè)時(shí)段的充放電功率。

兩種功率控制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是恒功率方式實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，但是從更好的控制效果、平滑負(fù)荷曲線、減小負(fù)荷系數(shù)衡量的角度講，功率差控制方式更為合理。

3 應(yīng)用情況

本文將基于分布式儲(chǔ)能的微網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于天津生態(tài)城分布式發(fā)電系統(tǒng)。生態(tài)城分布式發(fā)電系統(tǒng)的主要構(gòu)成是薊運(yùn)河口風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、中央大道綠帶光伏組，北部高壓帶光伏組和永定儲(chǔ)能站?；谏鲜鑫⒕W(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，天津生態(tài)城1 d內(nèi)的儲(chǔ)能系統(tǒng)有功出力波動(dòng)曲線如圖6所示，圖中儲(chǔ)能為負(fù)數(shù)時(shí)表示處于放電過(guò)程，為正數(shù)表示處于充電過(guò)程。

圖6 儲(chǔ)能系統(tǒng)有功出力曲線

通過(guò)結(jié)合圖7和圖8的光伏發(fā)電特性和風(fēng)電出力特性，可以發(fā)現(xiàn)，白天太陽(yáng)能和風(fēng)能都比較豐富，可再生能源有功出力比較大，甚至超過(guò)生態(tài)城負(fù)荷需求，所以多余的電能可以通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，儲(chǔ)存起來(lái)多余的電能。到下午15點(diǎn)30分以后，太陽(yáng)能和風(fēng)能逐漸減少，可再生能源有功出力減少，但是生態(tài)城負(fù)荷需求仍然較大，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行放電，彌補(bǔ)負(fù)荷缺額。到了夜晚，太陽(yáng)能發(fā)電幾乎為0，風(fēng)能發(fā)電出力比較少，但是夜晚負(fù)荷也減小，基本通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的平滑作用和適當(dāng)放電可以滿足夜晚的負(fù)荷要求，從而達(dá)到削峰填谷的作用。盡可能達(dá)到與主網(wǎng)保持0功率交換的目的，維持主網(wǎng)穩(wěn)定和當(dāng)?shù)刎?fù)荷需求。

綜合圖6、圖7和圖8的結(jié)果，結(jié)合本地的日負(fù)荷曲線，再進(jìn)行仿真模擬。只要調(diào)整好儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電時(shí)間、可以達(dá)到滿足負(fù)荷需求、平穩(wěn)輸出功率、減少電能浪費(fèi)以及利用不合理的目的，改進(jìn)了微網(wǎng)的負(fù)荷曲線特性?？紤]到儲(chǔ)能系統(tǒng)的自身性能，不宜多次進(jìn)行充放電操作，會(huì)縮短使用壽命，通過(guò)嚴(yán)格控制充放電次數(shù)可以達(dá)到提高儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的目的。

圖7 光伏有功出力曲線

圖8 風(fēng)電有功出力曲線

除此之外，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以起到平抑微網(wǎng)功率波動(dòng)的作用，減少微網(wǎng)對(duì)主網(wǎng)的沖擊，在利用可再生能源發(fā)電的前提下，保證主網(wǎng)的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于分布式儲(chǔ)能的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)和控制方式是建立在天津?yàn)I海生態(tài)城分布式發(fā)電的實(shí)際情況基礎(chǔ)上，應(yīng)用于當(dāng)?shù)氐姆植际桨l(fā)電。項(xiàng)目投入運(yùn)行后，有效地達(dá)到削峰填谷的作用，使電網(wǎng)的峰谷差減低40%，保證電網(wǎng)負(fù)荷率90%以上，減低了電網(wǎng)損耗，保證電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；同時(shí)，項(xiàng)目的投入運(yùn)行實(shí)現(xiàn)限電不拉閘，提高了供電可靠性，避免了由于拉閘限電而造成電量損失，具有實(shí)際的推廣價(jià)值。

[1]J.P.Barton and D.G.Infield.Energy storage and its use with intermittent renewable energy[J].IEEE Trans.Energy Convers，2004，19（2）：441-448.

[2]Jia Y，Shibata R，Yamamura N，Ishida M.Smoothed-Power Output Supply System for Battery of Stand-alone RenewablePower System Using[J].Power Electronics and Motion Control Conference，2006，（2）：1-5.

[3]Asari M，Nanahara T，Maejima T，Yamaguchi K，Sata T.A study on smoothing effect on output fluctuation of distributed wind power generation[J].Transmission and Distribution Conference and Exhibition，2002（4）：938-943.

[4]Chowdhury B.H.Central-station photovoltaic plant with energy storage for utility peak load leveling[J].Energy Conversion Engineering Conference，1989（2）：731-736.

App lication of Coordination between Distributed Energy Storage Based

M icro-grid and Main Grid

YANG Zhou,LIU Shisong,GONG Jun
（State Grid Tianjin Binhai Electric Power Supp ly Com pany,Tianjin 300450,China)

It’snecessary to develop distributed energy storage to dealwith the volatility and uncertainty ofdistributed generation.In order tomeet the demand ofmain grid on powerquality,themicro-grid based on distributed energy storage accomplished the goalofpeak load shifting and disturbance stabilizing.In thisway,the distributed energy storage can coordinatewith distributed generation.Finally,the active power output of distributed generation and energy storage system are arranged reasonably through dispatching system so that the micro-grid andmain grid can operate coordinately.Theeffectischecked by practicalapplication.

micro-grid;distributed generation;energy storage;operation control

TM712

A

1671-0320（2016）03-0019-04

2016-03-07，

2016-03-25

楊 洲（1985），男，山西忻州人，2008年畢業(yè)于太原科技大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，工程師，從事配電系統(tǒng)分析、變電站規(guī)劃運(yùn)維工作；

劉世嵩（1989），男，天津大港人，2015年畢業(yè)于天津大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，工程師，從事配電系統(tǒng)分析、變電站規(guī)劃運(yùn)維工作；

宮 ?。?982），男，遼寧海城人，2005年畢業(yè)于東北電力學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師，從事配電系統(tǒng)分析、變電站規(guī)劃運(yùn)維工作。