集群可再生能源發(fā)電協(xié)同調(diào)度技術及應用分析

國網(wǎng)湖南省電力有限公司邵陽供電分公司 阮馳騁

能源不僅是工業(yè)發(fā)展的基礎，同時也直接影響大眾的日常生活。隨著科技水平的不斷進步和發(fā)展，當前，清潔能源成為支撐行業(yè)發(fā)展的主流。大面積應用和推廣清潔能源，不僅可以有效緩解我國經(jīng)濟迅速發(fā)展和能源利用之間的矛盾，同時也符合我國未來幾十年的發(fā)展綱要規(guī)劃。在我國的《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006~2020年）》中，已經(jīng)明確提出了我國要大量發(fā)展可再生能源，通過開發(fā)集群電網(wǎng)以及優(yōu)化并網(wǎng)技術來有效緩解我國電力供應質(zhì)量下降的問題。

當前，應用規(guī)模較大且滲透率較強的分布式發(fā)電并網(wǎng)技術已成為國際社會的研究重點。但考慮到分布式電網(wǎng)系統(tǒng)的波動性較強，無法有效迎合我國的大規(guī)模發(fā)電需求。在此基礎上，有必要大規(guī)模推廣和發(fā)展分布式發(fā)電集群技術，應用該技術來有效提升電網(wǎng)并網(wǎng)質(zhì)量，迎合我國的大規(guī)模供電需求。進而在此基礎上產(chǎn)生了分布式發(fā)電集群概念，應用該技術，不僅可顯著提升電網(wǎng)發(fā)電質(zhì)量，同時也可充分利用可再生能源。

分布式可再生能源發(fā)電集群可實現(xiàn)靈活并網(wǎng)，通過提升電網(wǎng)的接入質(zhì)量和對電網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)度，可進一步提升電網(wǎng)系統(tǒng)的滲透率。借助分布式集群發(fā)電項目，可解決過去并網(wǎng)過程中接入困難的問題，還可有效提升變流器的效率，進一步提升電網(wǎng)的并網(wǎng)性能。此外分布式集群發(fā)電項目還可實現(xiàn)電網(wǎng)的群控群調(diào)，在我國多個省區(qū)市內(nèi)都有著廣泛的應用，對促進我國電力行業(yè)進步和發(fā)展具有顯著意義[1]。

1 分布式發(fā)電集群和微電網(wǎng)的比較

微電網(wǎng)技術最初是由美國威斯康辛大學萊斯特教授提出的，之后很多學者都對其展開了深入研究和分析。當前微電網(wǎng)技術憑借其靈活性強、高效以及容易擴張等優(yōu)勢，為電力新技術的應用創(chuàng)造力了有效環(huán)境。根據(jù)微電網(wǎng)技術的含義可知，所謂的微電網(wǎng)技術實質(zhì)上可將其看作是由分布式發(fā)電、負荷、儲能裝置構成的，接近用戶側可為非用戶提供穩(wěn)定電力供應的電網(wǎng)集群。雖然微電網(wǎng)也屬于電網(wǎng)集群，但是和分布式發(fā)電機集群進行對比和分析發(fā)現(xiàn)，雙方依然存在一定的差異。

構成元素差異分析。分布式發(fā)電集群核心構成元素為分布式發(fā)電單元，在分布式集群內(nèi)部除儲能裝置外還擁有負荷以及控制裝置。但負荷和控制裝置都不占據(jù)主導地位，占據(jù)主導地位的裝置為分布式發(fā)電系統(tǒng)，其作為集群的主體是核心的控制對象。而微電網(wǎng)是由能源、儲能、負荷裝置構成的整體，接近用戶側，為用戶提供穩(wěn)定電能[2]。

劃分原則差異。就微電網(wǎng)來說，其距離相對接近。主要借助一些公共連接點和上級網(wǎng)絡相連接，可將微電網(wǎng)視作一個小型的電力供應系統(tǒng)。但分布式發(fā)電集群在進行集群劃分的過程中，除要考慮不同單元區(qū)域的地理位置，還要考慮空間和時間等因素。分布式發(fā)電集群可顯著提升電網(wǎng)供能質(zhì)量和穩(wěn)定性。

運行模式差異分析。分布式發(fā)電集群可對分布式發(fā)電單元進行有效整合，從而提升電網(wǎng)集群調(diào)度和管控難題，基于此導致集群工作須在并網(wǎng)運行狀態(tài)下開展。但微電網(wǎng)不同，憑借自身的自治性特征可實現(xiàn)發(fā)電和用電的平衡。

能量流動方向的差異。無論是分布式發(fā)電集群還是微電網(wǎng)都非常注重功率平衡，從而實現(xiàn)對可再生能源的高效率消耗。但分布式發(fā)電集群核心運營方向在發(fā)電，由此導致在一定條件下，分布式發(fā)電裝機容量要顯著超過區(qū)域最大負荷，進而出現(xiàn)各類問題。因此，對于上一級的電網(wǎng)系統(tǒng)，分布式發(fā)電集群的電源功能更加顯著。微電網(wǎng)系統(tǒng)的核心在于滿足用戶的用電需求，但其整體負荷是較低的。

2 分布式發(fā)電集群的劃分指標

對分布式發(fā)電集群進行劃分，其核心目的在于實現(xiàn)對分布式電源的有效調(diào)度和靈活并網(wǎng)。應用分布式電網(wǎng)集群來進行電網(wǎng)控制的過程中，要重點考慮電網(wǎng)運行模式、響應特征及調(diào)節(jié)速度等因素。在電網(wǎng)系統(tǒng)中，電壓的靈敏度等因素非常容易受到時間動態(tài)變化的影響，鑒于此需對集群劃分指標進行研究。通過對集群劃分指標的研究和分析，可有效減少存儲空間、減輕工作人員建模所需時間。鑒于此，在劃分分布式發(fā)電集群的過程中，要綜合考慮分布式電源的空間分布、調(diào)控能力、響應特征及運行方式等特征。

2.1 有功和無功調(diào)節(jié)容量

在進行有功和無功調(diào)節(jié)容量的過程中，主要依靠對容量的調(diào)節(jié)來檢驗分布式電源的調(diào)節(jié)能力，進而對進入到集群內(nèi)的分布式電源進行挑選[3]。則其公式如下其中的表示在某一時刻分布式電源的最大有功和最大無功。

2.2 集群綜合評估指標

圖1為集群綜合評估指標體系，該框架體系共有四個不同層級，其中最高層稱為總目標層，在該目標層可實現(xiàn)對集群的綜合評估。第二層為對象層，其目的在于明確評價對象為分布式電源集群并網(wǎng)后的系統(tǒng)自身或分布式電源。第三層作為準則層，對指標體系整體構架決策具有重要意義。第四層處于最低層級，稱為措施層，其核心目的在于對應綜合評價指標的具體評價指標[4]。

根據(jù)分布式電源集群并網(wǎng)的核心要求分析可知，一般處于電網(wǎng)側的指標主要由集群特征指標、經(jīng)濟性指標及電能質(zhì)量指標。其中集群調(diào)整指標的核心功能為評價和分析分布式電源的整體利用情況，對其波動性等特征因子進行分析。其具體評價指標包含集群式電力均衡、能量滲透率、容量滲透率；經(jīng)濟性指標是對集群網(wǎng)網(wǎng)損進行綜合評價的具體指標，其中以集群網(wǎng)損為主要指標、以集群網(wǎng)的網(wǎng)損為標準。位于電源側的準則層則更加注重經(jīng)濟因素，重在確保分布式電源投資人的收益，其評價指標由內(nèi)部收益率和動態(tài)投資回收期構成[5]。

3 集群可再生能源發(fā)電協(xié)同調(diào)度技術及分布式可再生能源發(fā)電集群示范應用

3.1 集群靈活并網(wǎng)群控群調(diào)技術

歐美各國都在進行分布式并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方面的工作。近年來在配電網(wǎng)中引入分布式電源后，如何進行區(qū)域最優(yōu)調(diào)節(jié)已成為國內(nèi)外學者和機構關注的焦點。丹麥奧爾堡大學、西班牙加泰羅尼亞理工大學開展了一項關于分布式電力系統(tǒng)的自主控制的研究工作，并在此基礎上搭建了一個支持分布式自主控制的智能試驗平臺。英國愛丁堡大學在電力系統(tǒng)的基本原理和區(qū)域協(xié)調(diào)優(yōu)化等領域進行了大量具有代表性的研究。

在我國，清華大學已進行了大量有源電力系統(tǒng)的區(qū)域協(xié)同調(diào)節(jié)和集群化的自主管理，及電力系統(tǒng)先進應用軟件的研制。中國電科院和清華大學聯(lián)合研制了大規(guī)模太陽能發(fā)電及風力發(fā)電的群控系統(tǒng)。但現(xiàn)有電力系統(tǒng)控制策略不能很好地解決電力系統(tǒng)單機控制能力和集中控制通信負荷的問題，因此如何利用自治—協(xié)作的群控群調(diào)技術、實現(xiàn)電力系統(tǒng)的靈活并網(wǎng)和高效率的消納是今后的重點研究方向。

3.2 群控群調(diào)技術

現(xiàn)階段的群控群調(diào)技術主要存在以下問題：電力相對分散。波動性強及極高的電網(wǎng)投退和脫網(wǎng)風險。針對以上問題，學者通過建模提出構建以“自治、協(xié)作”為核心的分布式電力系統(tǒng)分層和分級群控群調(diào)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中主要采用主配—配網(wǎng)—集群三層協(xié)調(diào)調(diào)控架構，有效打破了區(qū)域性高滲透率分布式發(fā)電集群靈活性較差等問題，對提升并網(wǎng)靈活性和協(xié)調(diào)控制穩(wěn)定性具有重要的意義和作用。

此外有學者發(fā)現(xiàn)，針對分布式發(fā)電集群網(wǎng)絡可應用時空技術來實現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的實時響應，即根據(jù)電力系統(tǒng)的時間－空間相關對電力系統(tǒng)進行電力系統(tǒng)的實時動態(tài)控制。應用該技術，從而為分布式發(fā)電集群的自主控制提供了預測數(shù)據(jù)。針對分布式集群電力系統(tǒng)來說，通過局部快速控制可顯著提升集群系統(tǒng)的運行控制能力，對提升并網(wǎng)接入能力非常重要。此外針對用戶電源型集群，可通過少量的信息優(yōu)化算法來進一步提升集群運行效果和質(zhì)量。

通過集群自治控制方法和技術可顯著提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免電力系統(tǒng)出現(xiàn)大規(guī)模的波動，降低其脫網(wǎng)風險。在開展集群內(nèi)部協(xié)同控制的過程中，為顯著降低電網(wǎng)系統(tǒng)的成本費用，對并網(wǎng)容量進行擴容，技術人員構建了一種以不同特征為核心的集群有功-無功調(diào)度模型，并利用二階錐松弛技術對潮流方程進行了凸化松弛。

3.3 國外示范應用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，在全世界范圍內(nèi)應用太陽能等可再生能源進行發(fā)電已成為必然趨勢。以美國為例，美國政府鼓勵和倡導地方各州的家庭應用家庭太陽能進行發(fā)電。在上世紀九十年代美國已發(fā)展了近百萬的太陽能家庭電站。到上世紀90年代日本開始逐步推廣和應用屋頂太陽能工程，截至目前已安裝近7600兆瓦太陽能，在2002~2008年由日本新能源與產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展組織（NEDO）進行的一次關于2MW以上的分布式光伏系統(tǒng)的示范試驗，其中3~5kW的太陽能電池被連接到200V的低電壓線路上。德國自從推行100000個太陽能屋頂發(fā)電工程項目后，已得到廣泛應用，在發(fā)電量最大時可滿足當?shù)丶彝ゴ蟛糠值碾娏π枨蟆，F(xiàn)階段德國已建成占地40000多平方公里、年發(fā)電量達450萬千瓦/小時的屋頂太陽能光伏系統(tǒng)，其規(guī)模和技術水平都是世界上最先進的。

3.4 國內(nèi)集群示范應用發(fā)展情況

我國也是分布式集群電力產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點國家，隨著政府部門出臺一系列的相關政策，大幅度促進了分布式可再生能源發(fā)電項目的發(fā)展。當前我國已充分具備分布式發(fā)電集群應用的條件，尤其是我國政府在出臺鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略后，我國農(nóng)村區(qū)域的分布式發(fā)電量需求呈現(xiàn)不斷攀升態(tài)勢，進而為我國的電網(wǎng)運營提出了全新的要求。

以安徽金寨縣為例，是我國開展分布式發(fā)電集群的重要示范縣，該區(qū)域充分利用風能、光伏能源及生物能源進行發(fā)電，利用農(nóng)村家庭屋頂構建各類小型發(fā)電站。據(jù)不完全統(tǒng)計，金寨縣用戶光伏發(fā)電數(shù)量可達到26.02兆瓦，村集體的光伏發(fā)電站發(fā)電量可突破30兆瓦。但金寨縣整體的分布式集群發(fā)電產(chǎn)業(yè)卻存在接入相對分散及供應協(xié)調(diào)性不足等問題。鑒于此，當?shù)仉娏Ξa(chǎn)業(yè)應用群控群調(diào)技術，通過增加并網(wǎng)設備、完善電力質(zhì)量監(jiān)控管理水平等方式提升金寨縣的用電集群規(guī)劃效果，實現(xiàn)靈活并網(wǎng)，同時也針對該區(qū)域的電力潮流分布情況進行了完善，顯著提升了當?shù)氐墓╇姺€(wěn)定性和效果。在應用上述技術后該區(qū)域的低壓臺區(qū)線路損耗率顯著下降，同比下降4個百分點。

綜上，當前正處于我國可再生分布式集群技術飛速發(fā)展的關鍵時期，政府部門為更好地促進我國電力產(chǎn)業(yè)的進步和發(fā)展，通過出臺各類利好政策，使得分布式發(fā)電技術在區(qū)域化、園區(qū)化、規(guī)?；?、集群化等方面得到了迅速發(fā)展。和傳統(tǒng)發(fā)電技術對比，應用分布式可再生集群技術進行發(fā)電，可在提升供電質(zhì)量和供電效果的同時促進電力行業(yè)全面發(fā)展。在不久的將來，分布式可再生集群發(fā)電技術將成為發(fā)展趨勢。應用該技術可有效支撐高密度分布式能源消納最大化，真正推動智能電網(wǎng)技術創(chuàng)新、支撐能源結構清潔化轉型和能源消費革命，助力我國智能電網(wǎng)技術領域的發(fā)展和進步。