基于源/储/荷的主动配电网协调控制策略研究
第 1 章 绪论
1.1.1 课题的背景
随着人类需求的能源日益减少和化石燃料造成的环境污染日益严重，可再生能源的利用已经得到国家政策的大力支持。数据显示，2013 年我国能源使用量达到 37.6 亿吨标准煤，其中，核电和可再生能源总和还不到总能源使用量的 10%。在 2014 年 11月的 APEC 会议上，中美双方颁布了《中美气候变化联合声明》，中方首次正式提出到2030 年将清洁能源占总能源消费量的 10%提高到 20%，美国承诺到 2025 年温室气体年排放量比 2005 年减少 26%~28%，刷新了美国之前承诺的 2020 年碳排放比 2005 年减少 17%的数据；并且中美双方讨论建立中美气候变化工作组，并启动关于汽车、智能电网、能效等的行动倡议。欧盟制定了“20-20-20 政策”，该政策规定：到 2020 年，温室气体排放量减少 20%、能源消耗减少 20%、可再生能源占 20%。在这样的背景下，习近平在 APEC 会议上提出“能源革命蓄势待发！”
风能、太阳能等可再生能源（Renewable Energy Resources，RES），热电联产、燃气轮机等分布式电源（Distributed Generation，DG），储能系统（Energy Storage System，ESS），电动汽车（Electrical Vehicle，EV）等这些分布式能源（Distributed Energy Resources，DER）的接入与并网，对配电网系统产生的影响有：电压水平升高、短路电流增大、供电可靠性降低及电能质量恶化[1]。因此，为了更好地解决以上问题，2008 年国际大电网会议（CIGRE）C6.11 项目组提出了主动配电网（Active Distribution Network，ADN）的概念[2]。
1.1.2 课题的意义
国际大电网会议（CIGRE）C6.11 将主动配电网定义为：综合控制分布式能源（RES、DG、ESS 和可控负荷）的配电网，运用灵活的网络技术对配电网潮流进行有效的管理，并对分布式能源设置合理的监管和接入准则，以使其对系统具备一定的支撑作用[3]。主动配电网利用先进的信息、通信以及电力电子技术对分布式能源进行主动的协调控制，并具有对 RES 主动消纳、分布式能源的调度、保护、监控以及需求侧负荷的主动调度等特征，同时还可以消纳间歇式能源过剩的电力，将 DER 作为可控可调度机组参与最优潮流的运行调度，，以及对 DER 的保护与监控[4]。主动配电网的典型结构如图 1.1 所示。
......
1.2.1 主动配电网的国内外研究现状
我国已将 ADN 作为国家高技术研究发展计划（863 计划）的研究方向[15]。目前北京未来科技城在建的 ADN 示范工程[16]，涵盖了最大负荷至少为 200MW，清洁能源种类不低于 4 类，储能规模不小于 500kW/（1MW·h）等多种设备，该示范工程完成后的可再生能源消纳达到 100%。福建海西厦门岛建设的 ADN 示范工程[17]，系统最大负荷至少为 120MW，间歇式能源种类不低于 3 类，电动车规模不小于 1MW（/2MW·h）。贵州电网在清镇市建设的 ADN 应用示范及教学示范系统，该系统包含分散风电、分散光伏发电与冷热电三联供，通过多种类型的能源供给方式，将风电、光伏发电、水电、燃气轮机、储能系统、充电设施结合起来，以改善现有能源结构，达到节能减排，提高能源利用率的作用[18]。
1.2.2 源/储/荷协调控制的国内外研究状况
大规模的间歇式能源发电具有随机、间歇、波动、难以控制的特点，当其连接到10kV 以下的配电中，会造成配电网的功率双向流动。如果各种间歇式能源协调不当，会对配电网造成电压稳定性减小、供电质量下降，电网消纳间歇式能源的能力受到限制等影响[19]，因此传统的控制策略需要做出根本性的改变。在 ADN 间歇式能源、储能系统及可控负荷协调控制方面，目前国内外研究主要有：文献[20]提出基于最优潮流（OPF）法的全局优化控制策略，以解决主动配电网对多个可再生能源的协调控制，但没有考虑储能系统在主动配电网中与可再生能源的协调作用；文献[21]提出了以 24h为长周期的优化计算与以 15min 为短周期的优化调整相结合的 DER 优化运行方案，通过多时间尺度的分析，使配电网全局优化更加完善，但没有涉及DER之间的协调控制；文献[22-24]介绍了储能系统在参与主动配电网协调控制中的积极作用，重点阐述了风光储联合发电系统及其运行模式以及储能在支撑系统动态频率协调控制中的作用，但这些文献都是短时间下分析，没有全局优化；文献[25]提出了 ADN 分层能量管理下的DER 协调控制体系，通过将 ADN 中母线电压分层控制，并设置自治区域与协调区域，通过 DER 的协调，减少母线电压的振荡，但是该文献没有充分利用储能装置在主动配电网中 DER 协调控制中的作用；文献[26-28]分别研究了分布式光伏发电、柔性负荷以及储能系统与 ADN 的协调发展，这些文献都仅仅考虑了一种 DER，没有考虑这些 DER的相互协调作用；文献[29，30]在分布式能源协调控制的基础上对主动配电网的谐波特性与治理问题上进行分析，建立了分布式电源的 Detail 模型、Average 模型和等效谐波模型，从不同的模型分析了分布式能源协调控制在减少主动配电网谐波上的有效性；
......
第 2 章 基于源/储/荷的主动配电网建模
配电网接入分布式能源后，其主动控制系统必须对各间歇式能源、储能系统进行有效的协调控制并对配电网运行方式的主动调节。与传统配电网相比，主动配电网运用先进的信息、通信以及电力电子技术，主动管理接入配电网的间歇式能源、储能系统，并对它们进行自主协调控制，积极消纳出力过剩的间歇式能源以确保主动配电网的稳定经济运行[38]。因此与传统配电网相比，主动配电网具有以下特征：
由于风力发电和光伏发电的间歇性，当风机和光伏电池出力过大，储能系统就将过剩的电能转化成化学能或者飞轮储存动能。储能系统可以平衡配电网中可再生能源的波动，是电能生产和消费之间的桥梁，是主动配电网的必要组成部分。目前常见的储能设备有超导储能、超级电容储能、飞轮储能、蓄电储能等[41]。超导储能响应速度快，而且功率密度高，但是维护成本高，技术也不成熟。超级电容和飞轮储能使用寿命长，功率密度大，但是储能容量低，自放电率高。蓄电池作为比较常用的储能设备，不仅放电效率高、动态特性好，可以在非常短的时间内对配电网提供较大的冲击电流，而且使用寿命长，可以使电能长期储存。本文考虑到蓄电池这些优点，并结合主动配电网对储能系统的要求，选取蓄电池作为储能装置。主动配电网的储能装置不仅要在电量过剩时快速的吸收功率，在电量紧缺时快速的释放功率，而且还要在主动配电网离网运行时，可以快速的调节配电网频率波动、保持功率平衡。
......
2.2.1 风力发电机建模
双馈感应电机（Double Fed Induction Generator，DFIG）和永磁直驱风力发电机（direct drive permanent magnet wind generator）是现今两种主要的风力发电机。由于DFIG 对转子进行交流励磁，和配电网之间构成"柔性连接"，励磁电流可以通过检测电网电压、电流及发电机的转速调节，精确调节 DFIG 输出电压，因此本文风力发电机采用 DFIG。DFIG 的定子直接连接电网，转子与电网是通过交-直-交变换器连接的，定子与转子都可以与电网实现功率交换，DFIG 与变换器结构模型如图 2.1 所示。
根据风速的不同，双馈风机有三种运行状态：亚同步运行状态，同步运行状态，超同步运行状态[39]。当风速低于额定风速时，发电机处于亚同步运行状态，此时，电网有功功率通过励磁变流器输送给转子；当风速为额定风速时，发电机为同步运行，电网和转子绕组之间不存在功率交换；当风速高于额定风速时，发电机为超同步运行，转子通过励磁变流器向电网输出有功功率。
（1）三相静止坐标系下DFIG的数学模型
为了便于分析和建模，现考虑以下假设：
1）、设 DFIG 定转子绕组三相对称，忽略空间谐波，磁势正弦分布于气隙圆周；
2）、忽略磁路饱和，DFIG 定转子绕组的自感和互感都是线性的；
3）、忽略铁芯损耗；
4）、忽略频率和温度对绕组的影响；
5）、转子参数均折算至定子侧，并使定子和转子绕组的匝数相同。
......
3.1 引言.................................................. 15
3.2 DFIG 双 PWM 变换器及其控制策略........................... 15
第 4 章 多时间尺度下源/储/荷协调控制策略研究..................29
4.1 引言 ........................................................... 29
4.2 多时间尺度下的主动配电网源/储/荷协调控制框架 ............... 29
第 5 章 仿真分析...............................................35
5.1 引言 ........................................................ 35
5.2 DIgSILENT 软件介绍 ....................................... 35
第 5 章 仿真分析
DIgSILENT 具有全面的电力系统元件模型，如风力发电机、光伏发电、储能系统、控制器、负荷、线路、变压器等模型。本文所用到的 DFIG 的变换器、储能系统的变流器和光伏电池的逆变器已经嵌入到这些模型中了。第二章分析的分布式能源的数学模型及第三章的所述的分布式能源变换器的控制策略都可以采用 DFIG 中的 DSL 仿真语言搭建。该软件的数据存储方式以数据库为基础，具有逐级面向对象的数据管理器，同时项目管理系统非常灵活，并且具有图像模型一体化的简洁处理方式，参数描述方式多样化，电力电子运用等特点。可以实现 AC/DC 潮流计算分析，故障分析，动态仿真，谐波分析，保护分析，可靠性分析，最优潮流计算，配网优化，低压网络分析等功能。本文采用 DIgSILENT 搭建主动配电网等效模型，验证所提多时间尺度下源/储/荷协调控制策略。
因为日落后，光伏发电出力减少至 0，而21:31 22:00时配电网需求功率增大，分布式能源及储能系统不能满足主动配电网的功率需求，在不考虑上级配电网输入功率的情况下，以30min为长时间周期按照可控负荷的控制策略对主动配电网进行全局优化，同时，由于自治区域 2 没有连接调压器，因此只对自治区域 1 和自治区域 3 进行了仿真。节点 6 和 26 分别为自治区域 1 和 3 连接电网的第一级节点，并与调压器相连，因此以节点 6 和 26 上有功功率分析全局优化控制，其仿真结果如图 5.2 和图 5.3。
由图 5.2 和 5.3 可以看出，在可控负荷参与控制的情况下，有区域协调自治时，自治区域1和自治区域3内的母线功率波动分别为6.67%和2.22%，没有可控负荷参与时，自治区域 1 和自治区域 3 的母线功率波动分别为 13.33%和 4.44%；而无区域协调自治时，自治区域 1 和 3 的母线功率波动分别为 30%和 11.11%。因此可以得出，在可控负荷参与控制的区域协调自治情况下，自治区域 1 和 3 的全局优化效果最好。因此，在自治区域内的分布式能源和储能系统无法满足负荷需求时，对其内的可控负荷进行控制，可以有效的抑制主动配电网功率波动，并使其在最优的状态下运行。
......
第 6 章 结论与展望
本文根据主动配电网的主要特征，对主动配电网中的 DFIG、光伏发电、储能系统建立了数学模型及其并网变换器建模并提出了控制策略，在风力发电、光伏发电、储能系统和可控负荷的多时间互补下，对主动配电网采用长时间全局优化控制和短时间区域协调自治控制。运用 DIgSILENT 对多时间尺度下的主动配电网源/储/荷协调控制策略进行了仿真分析，得出了以下主要结论：
（1）长时间周期按照可控负荷的控制策略对主动配电网进行全局优化，仿真结果显示本文所提方法有效的抑制主动配电网功率波动，并使其在最优的状态下运行，同时也降低了主动配电网全天运行成本，降低了馈线有功网损。
（2）通过从区域外负荷增大时自治区域间的协调控制、区域内突然加入一台 DFIG时自治区域间的协调控制及间歇式能源出力不足时的自治区域内的协调控制三方面分析了短时间尺度下源/储/荷协调控制策略，仿真结果显示本文所提方法充分的发挥了储能系统的功率快速吞吐能力，可控负荷的调节能力，提高主动配电网的主动性、自治能力，并使主动配电网馈线功率趋于稳定，降低了母线电压的波动，提高了主动配电网的鲁棒性。
......
参考文献（略）
本文编号：369883
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/369883.html
