基于能源局域網的園區(qū)型微電網優(yōu)化規(guī)劃

趙長樂，劉天羽，江秀臣，盛戈皞，宋學偉，范亞楠

(1.上海電機學院電氣學院，上海 浦東新區(qū) 200120； 2. 上海交通大學電氣工程系，上海 閔行 200240)

0 引言

隨著能源消耗不斷增加，霧霾等污染天氣、生態(tài)環(huán)境的日益惡化，國家大力推進可再生能源的開發(fā)與利用。分布式新能源并網滲透率的提升一方面依靠堅強穩(wěn)固的配電網架構和科學的運行管控，另一方面，超前合理地規(guī)劃電網電源容量、站點選址、接入方式以及冷熱電聯(lián)產(combined cooling heating and power)的多能互補的產出利用也是未來提升新能源利用率的重要方式。微電網屬于區(qū)域電網能源管控的子中心，并網運行和孤島運行的雙工方式增加了其能源主動管理的活動裕量，園區(qū)型微電網是多能互補、多源協(xié)調、集中與分布式結合、供需友好互動新型能源的消費平臺，為未來配電網規(guī)劃建設的重要領域。

對于微電網內部電力設施配置，文獻[1]給出了分布式電源和儲能配置，一次系統(tǒng)網架方案、微電網保護配置、二次監(jiān)控系統(tǒng)等領域的可行的解決方案。文獻[2]針對現(xiàn)有新能源電站穩(wěn)定運行控制難、配電網協(xié)調控制靈活性較差以及發(fā)電利用效率低等問題，提出了新能源電站保護控制層、配電網調度控制層和新能源電站并網接入層的層次化結構研究模式和整體解決方案。文獻[3]提出一種含分布式電源的配電網中儲能系統(tǒng)和需求側可中斷負荷響應相互配合的優(yōu)化規(guī)劃模型，用于傳統(tǒng)被動配電網向主動配電網的過渡。文獻[4]采用國際組織及機構的先進理念、方法和工具，描述了全球能源互聯(lián)網概念模型和參考框圖。文獻[5]在復雜網絡理論的基礎上，提出了一種更符合能源互聯(lián)網本質的拓撲模型。

由上述分析可看出現(xiàn)有文獻對微電網內容規(guī)劃、過渡實施以及組建以微電網為基礎的能源互聯(lián)網進行了大量的研究論證，但缺乏對微電網轉化到綠色能源網最終過渡到能源互聯(lián)網這個過程中系統(tǒng)的資源配置分析和可行的指導方法。本文借助“能源路由器”、混合儲能系統(tǒng)、交直流混合配電網以及源-網-荷-儲協(xié)調控制技術對園區(qū)型微電網規(guī)劃階段展開分析討論，綜合目前國內外對微電網理論技術研究的成果和國內微電網示范工程實施的情況，給出園區(qū)型智慧微電網一般的優(yōu)化配置方法。

1 園區(qū)型微電網概況

園區(qū)型微能源網概念[6]：靈活接納MW級多點接入的分布式電源和各種能源形式，全面整合分布式的電源、儲能、冷熱源等多種分散能源形式的能量信息，實現(xiàn)多種能源協(xié)調控制和綜合能效管理，達到能源的分散供給和網絡共享的園區(qū)型微網。園區(qū)型微電網是城市主要建筑群、中大型產業(yè)園的集中發(fā)輸變配電的重要供電系統(tǒng)打造智能、綠色、節(jié)能型的園區(qū)型微電網，滿足高可靠性、高質量的供電需求，在區(qū)域內建設高可靠性的能源供給、多種能源的綜合經濟利用和園區(qū)高比例的清潔能源接入。傳統(tǒng)能源利用率低，供能方式單一，傳統(tǒng)能源的補給不能滿足綠建區(qū)建設理念。只有建設園區(qū)型微能源網通過對園區(qū)能源綜合調度、能量管理及信息流驅動能量流的方式才能在能源方面滿足綠建區(qū)建設提出的高定位及目標，高可靠性地實現(xiàn)能源供應的安全性、經濟性和示范性。

2 資源配置基礎

2.1 總體設計思路

在社會發(fā)展所需的負荷變化的基礎上，采用多分段適度聯(lián)絡的接線完善傳統(tǒng)配電網的網架結構，提高供電可靠性。建設高性能的開關站和柔性直流換流站，引入柔性直流與交流混合的配電網和可應對多種不同類型能源接入的“即插即用”裝置，讓可再生能源網和配電網互聯(lián)互供。把太陽能、風能、儲能系統(tǒng)和電動汽車柔性負荷等資源整合成微電網[7]。采用“源-網-荷-儲”協(xié)調控制技術讓分布式的儲能、柔性負荷、光伏、風電能通過即插即用裝置更好地參與電能的整合與分配，讓“虛擬發(fā)電機”更好地配合電力微系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。引入光伏發(fā)電、太陽能空調、地源熱泵等清潔能源，利用冰蓄冷、液流電池、鋰離子電池、鉛酸電池進行能量調節(jié)，通過合理布局建立基于綜合能源的園區(qū)型微網。通過園區(qū)綜合能源管理系統(tǒng)對分布式冷、熱、電能進行監(jiān)控管理和合理調度，提升公共服務能力，實現(xiàn)綠建區(qū)內多種能源的經濟運行[8]。利用綜合能源調度系統(tǒng)實現(xiàn)能源的可視化監(jiān)控，一方面切實提升園區(qū)能量管理水平，營造和諧舒適的辦公、生活環(huán)境；另一方面全面提升綠建區(qū)的綜合能源協(xié)調控制能力，通過多類供電方式的互補，提高綠建區(qū)內重要負荷的用能安全性和經濟性，打造高示范性、實用性、可復制的基于綜合能源的園區(qū)型微能源網。

2.2 改善基礎網架

中壓電網規(guī)劃分近期和遠期規(guī)劃。近期規(guī)劃側重于電網現(xiàn)狀評估和供電可靠性指標評估(線路負載率、供電半徑、線路間聯(lián)絡率)，找出配電網薄弱環(huán)節(jié)，分析網絡接線方式，提出改造建議。遠期規(guī)劃主要目的是確定目標網架、預留站點、通道和管廊，為近期規(guī)劃確定目標。

規(guī)劃的主要步驟：對所在區(qū)域內現(xiàn)狀配電網進行綜合評估，指出存在的問題，指導近期規(guī)劃和建議。根據社會經濟發(fā)展和城市總體規(guī)劃，在負荷調查的基礎上，進行近景和遠景負荷預測。根據建設需要，確定配電網的基本目標和主要技術導則。確定近期和遠期的目標網架，考慮在負荷增長過程中網架的適應性和過渡方式，從而具體指導配電網的建設。

3 資源配置提升技術

3.1 構建主動配電網

包括具有分布式可控資源，有較為完善的可觀可控水平及具有實現(xiàn)協(xié)調優(yōu)化管理的管控水平及可靈活調節(jié)的網絡拓撲結構[7]。采用交直流互聯(lián)的配電系統(tǒng)、混合儲能系統(tǒng)、即插即用裝置以及源網荷儲協(xié)調控制平臺等多種方式把風、光、微然機等供給側和需求側的用戶有效連接，實現(xiàn)能源最大化利用。

3.2 光儲一體化能源路由器

在分布式發(fā)電滲透率高、重要負荷密集的區(qū)域設置基于光儲一體化系統(tǒng)的能源路由器，實現(xiàn)電能的匯集、存儲和消納，降低區(qū)域內分布式電源所帶來的功率波動，提高供電可靠性[9-12]。

能源路由器是具備多種能源信息交互中轉的統(tǒng)一信息接口，是對應于園區(qū)型微電網內部能源結構特征和種類多樣性的量化統(tǒng)一。從分布式電源接入到能量的傳輸，都必須具備能量傳輸途徑和控制回路。園區(qū)型微電網的分布式能源種類多樣，主要包括光伏發(fā)電、風力發(fā)電、小型燃氣輪機和儲能裝置，能源路由器的總體架構如圖1所示。

圖1 能源路由器總體架構Fig.1 Energy router overall architecture

基于多端口柔性直流技術和虛擬發(fā)電機技術的能源路由器可實現(xiàn)不同交流電源合環(huán)運行，在配電網發(fā)生故障時，通過“柔性直流電網+高可靠性開關站+光儲一體化主動配電網”三道防線來靈活應對、并快速恢復供電。

3.3 柔性直流與交流混合主動配電網

圖2 交直流混合微電網系統(tǒng)結構Fig.2 Hybrid AC/DC microgrid structure

圖2為交直流混合微電網拓撲結構圖[13]。交直流混合電網是通過雙向功率變換器連接多種不同種類能源，包括雙饋風電、燃氣輪機和交流負載的交流微電，光伏電池、超級電容、變頻負載通過逆變器組成了直流微電網，兩個子系統(tǒng)通過雙向交流功率變換器連接DC母線和AC母線，同時通過公共連接點與大電網連接，可孤島運行也可并網運行。

3.4 柔性智能充電站

通過柔性智能充電站來構建主動配電網的新型建設模式，以“互聯(lián)網+”和電力大數據技術為支撐，實現(xiàn)電網與用戶“電力流、信息流、業(yè)務流”的高度融合與實時互動，構建客戶廣泛參與的新型供用電模式。

建設分布式電源、多樣化負荷、儲能等設備構成的新一代柔性智能充電站，應用不確定性電力負荷預測技術、需求側響應技術、分布式電源接入的運行控制技術及儲能系統(tǒng)的能量管理技術。

3.5 源-網-荷-儲協(xié)調控制平臺

主動配電網網源荷(儲)協(xié)調控制系統(tǒng)基于配電自動化系統(tǒng)開發(fā)實現(xiàn)，是其的一個擴展，主要起到輔助調度人員進行配網調控的目的，進而實現(xiàn)配網的安全可靠運行。系統(tǒng)實現(xiàn)分為設備層、分布控制層和集中決策層3個層次，分布式電源、電網設備、分布式儲能、柔性負荷設備狀態(tài)數據和運行數據通過分布式控制層從下而上送到主站層，經過主站的集中決策，將控制命令經過分布式控制層的監(jiān)控系統(tǒng)從上而下到達設備層，完成分布式電源功率預測、柔性負荷預測、可調度容量分析、協(xié)調控制策略優(yōu)化等，有效提高配電網對可再生能源的消納能力，降低電網峰谷差，提高設備利用率，降低配電網損等，提升電網的安全可靠運行水平和經濟性。系統(tǒng)總體架構如圖3所示[14]。

圖3 主動配電網網源荷(儲)協(xié)調控制系統(tǒng)總體框架Fig.3 Overall framework of coordinated control system for active power distribution network

3.6 高電能質量的配電網

以構建高電能質量配電網為目標，在對園區(qū)用戶電能質量差異化需求分析和電能質量等級劃分的基礎上，通過開展電能質量補償設備配置、補償設備的協(xié)調控制，總體技術路線如圖4所示。

圖4 總體技術路線Fig.4 Overall technical route

對于園區(qū)內普遍存在的主要敏感用戶，提取并分析其中的用電設備工作機制，據此分析其在不同電能質量問題下的動作過程和反應特性，給出不同類型敏感用戶對于穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電能質量的差異化需求，如對于各電能質量指標上下限閾值；重點將考慮敏感設備實際正常工作需要，結合目前確定的敏感設備的電壓暫降敏感曲線開展不同類型敏感用戶對電壓質量，尤其是電壓暫降的差異化需求分析。如圖5所示[15]。

圖5 技術路線1Fig.5 Technical route 1

園內不同類型用戶的電能質量需求不盡相同，根據負荷敏感類型劃分為電壓敏感型、諧波敏感型等；根據敏感程度劃分為輕度敏感、一般敏感、嚴重敏感等。在對用戶的電能質量差異化需求分析的基礎上，對不同類型不同層次的電能質量要求進行統(tǒng)一的等級劃分，進而確定用戶的電能質量等級。用戶電能質量等級劃分綜合考慮諧波、電壓波動與閃變、三相不平衡等穩(wěn)態(tài)指標和電壓暫降、暫升、短時電壓中斷等暫態(tài)指標，重點考慮目前開發(fā)區(qū)內用戶關注的電壓質量問題，同時結合用戶的負荷容量，依據用戶對電能質量指標的要求，定量劃分出各指標數值不同的區(qū)間，對用戶的電能質量等級進行劃分，確定用戶屬于哪種電能質量等級的負荷。如圖6所示。

1) 電能質量補償設備配置。

圖6 技術路線2Fig.6 Technical route 2

基于現(xiàn)有典型的電能質量補償設備模型，對不同類型的電能質量補償裝置進行數學建模和仿真建模，量化電能質量補償設備對電能質量的具體作用效果；針對不同類型的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電能質量問題，確定在配電網中出現(xiàn)各種電能質量問題時配置電能質量補償設備的具體方法；武進開發(fā)區(qū)的工業(yè)負荷對于電壓質量要求嚴格，電壓波動與電壓暫降對于用戶的影響嚴重，重點考慮在園區(qū)內變電站(配電所)母線上配置靜止無功補償裝置(static var compensator，SVC)、靜止無功發(fā)生器(static var generator，SVG)和固態(tài)切換開關(solid-state transfer switch,SSTS)等補償設備，提高供電的電壓質量，保證電能質量滿足用戶需求；如圖7所示，通過補償設備的建模仿真來推及其柔性的配置方法包含對于穩(wěn)態(tài)問題和暫態(tài)問題兩種使用場景中，最后以園區(qū)型工程示范為基礎，從理論和實際的角度分析設備配置帶來的補償效果及電能質量的提升。

圖7 技術路線3Fig.7 Technical route 3

2) 電能質量補償設備的協(xié)調控制。

一種補償設備可提升配電網中多項電能質量指標，但僅僅1種補償設備常常無法使補償效果達到既定的要求，不同補償設備之間具有互補性，如針對電壓波動通?？煽紤]將SVC、SVG和SSTS配合使用，SVC用于補償無功，SVG起輔助補償作用。園區(qū)內敏感用戶針對自身情況配置了相應的補償設備來應對電網側的電能質量問題，通過建模仿真，利用電網側SVC、SVG等電壓治理設備之間的協(xié)調控制來更有效地提升電壓波動和電壓暫降等指標；同時，利用電網側設備與用戶側的補償設備(包括不間斷電源(uninterruptible power system，UPS)和動態(tài)電壓恢復器(dynamic voltage regulator，DVR))之間的協(xié)調控制來提升電能質量。

4 綠色能源網建設

建設由分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、混合儲能系統(tǒng)、光熱太陽能空調、地源熱泵等組成的微能源網。

4.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

根據規(guī)劃區(qū)域控規(guī)，光伏發(fā)電項目所在區(qū)域內以工業(yè)用地、生產研發(fā)用地為主，用戶負荷特性與光伏發(fā)電曲線吻合度較高，在功率配置合理的情況下能較好實現(xiàn)光伏發(fā)電就地消納，實現(xiàn)清潔可再生能源的有效利用。建設包含儲能系統(tǒng)和能量調配系統(tǒng)的能源中心站，對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行疏導和管理，在充分利用光伏發(fā)電的同時大大降低其對電能質量的影響。

4.2 混合儲能系統(tǒng)

在園區(qū)內建設混合儲能系統(tǒng)，根據需要，系統(tǒng)可由不同類型的電池儲能子系統(tǒng)組成。各儲能子系統(tǒng)可分別用于平抑光伏發(fā)電波動，存儲光伏發(fā)電剩余電量，作為重要負荷的后備電源以及削峰填谷。

4.3 冷熱源系統(tǒng)建設

建設集中冷熱源系統(tǒng)負擔的是辦公、公寓及配套服務用房的舒適性空調，根據冷熱負荷需求，合理搭配全熱回收型水源熱泵機組、離心式冷水機組及鍋爐系統(tǒng),使冷熱源達到最佳配比,盡量保證各機組在最佳效率下運行。

4.4 微能源網綜合能源調控系統(tǒng)建設

園區(qū)微能源網綜合能源調控系統(tǒng)采用多代理模式，公共服務樓能源站建設監(jiān)控中心，各能源子項配有就地監(jiān)控系統(tǒng)，用于負責就地監(jiān)測、策略控制及狀態(tài)控制等功能。監(jiān)控中心能夠監(jiān)測、采集各子系統(tǒng)運行數據，掌握運行工況，應用智能分析技術及園區(qū)實際情況對各系統(tǒng)進行能源調度與管控，實現(xiàn)系統(tǒng)運行最優(yōu)化、能源利用率最佳化。實現(xiàn)合理對監(jiān)控中心與就地子系統(tǒng)協(xié)調控制與數據交互，形成園區(qū)內能源系統(tǒng)有機統(tǒng)一、高度融合，最終確保園區(qū)內系統(tǒng)高可靠性運行。

微能源網是相對獨立的可控單元，是對主電網的有力補充。微能源網可有效提高微網內可再生能源的發(fā)電容量，提高利用效率，減少可再生能源發(fā)電間歇性的功率波動對主電網的影響，同時控制混合儲能系統(tǒng)運行策略，實現(xiàn)微能源網與主電網電力流友好運行及微能源網內部能量控制最優(yōu)。實現(xiàn)冰蓄冷空調與地源熱泵制冷量的有機配合，達到經濟效果，同時通過微能源網調控系統(tǒng)實現(xiàn)以電制冷、以電制熱、儲冷等多能源優(yōu)化運行的目標。采用合理的協(xié)調控制技術，實現(xiàn)太陽能光伏與儲能協(xié)調控制、混合儲能系統(tǒng)間協(xié)調運行控制、儲能系統(tǒng)與負荷協(xié)調控制、儲能系統(tǒng)與冰蓄冷空調優(yōu)化運行、冰蓄冷空調與地源熱泵系統(tǒng)協(xié)同運行、地源熱泵系統(tǒng)與太陽能熱水共同出力等多能源間相互轉換、相互協(xié)調的功能。

5 結語

本文介紹了園區(qū)型能源微電網的整體規(guī)劃設計，為高新產業(yè)園、經濟技術開發(fā)區(qū)等園區(qū)新建配電網構建綠色能源網提供參考。在優(yōu)化綠建區(qū)冷、熱、電等多種資源布局的基礎上，搭建靈活的供能網絡架構和堅強的能量信息通道；在綠建區(qū)能源信息實時采集、高度融合和深入分析的基礎上，利用網-源-荷的協(xié)調控制形成園區(qū)內部能源優(yōu)勢互補、互聯(lián)共享局面，使區(qū)內供電網絡成為間歇性清潔能源的接納器及高效可靠的能量發(fā)生器，實現(xiàn)了區(qū)域內多種能源分散供給和網絡共享。