光伏產(chǎn)業(yè)結(jié)合微電網(wǎng) 解決消納難題

　　大家好，很多專家對光伏和微電網(wǎng)在宏觀方面做了很多的解釋，我主要就光伏微電網(wǎng)以及能源互聯(lián)網(wǎng)對于我們清華這邊課題組做的一些研究向大家匯報一下。

　　光伏發(fā)電現(xiàn)在近幾年的發(fā)展來看都是屬于一個快速持續(xù)的發(fā)展過程，在全球的范圍來看，2015年的時候裝機容量能夠達到200GW的裝機容量，我國2015年預計能夠35000千瓦的容量，我國占到全球的18%左右。光伏電網(wǎng)系統(tǒng)，隨著光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的容量越來越大，對電力系統(tǒng)的很多方面都有影響一是功角穩(wěn)定，有功頻率特性，電壓穩(wěn)定、電能質(zhì)量小擾動穩(wěn)定等等。

　　加入電力系統(tǒng)以后，對這個潮流會發(fā)生改變，所以系統(tǒng)的功角穩(wěn)定也會發(fā)生變化。對于我們來講，如果我們按照很詳細的光伏單元，來進行建模，研究對電力系統(tǒng)的影響也是可行的，但是因為大型光伏電站有數(shù)量眾多的電器等等，所以我們有必要建大設(shè)型光伏電站的模型，主要進行了兩部分的研究內(nèi)容，第一部分是靜態(tài)特性建模，第二部分是光伏電站動態(tài)特性建模。

　　在靜態(tài)特性模型方面主要是考慮在局部陰影下面，光伏陣列的輸出特性，這個主要是從兩方面進行研究的，第一是考慮如果我們光伏陣列受到一個靜態(tài)局部陰影影響，輸出特性是什么樣子的？考慮這個云層或者是建筑物的遮擋，這個陰影屬于動態(tài)的話，這個光伏陣列輸出特性又會變成什么樣子的。這個大型光伏電站的動態(tài)模型，主要是從三個方面來進行研究，第一是單元式的光伏系統(tǒng)的等值模型研究，第三是逆變器聚類等值，第三是在前兩個基礎(chǔ)上，進行整個光伏電站的在線分群方法。在不含低電壓穿越的光伏電站的基礎(chǔ)上，我們做一部分含低聚電壓穿越的光伏電站模型。

　　對于光伏電站的靜態(tài)特性模型，在光照非均勻的情況下，伏安特性成階梯狀，P-U特性屬于多峰值，隨著光照的復雜程度，越復雜峰值的數(shù)目會增加，在第二個部分內(nèi)容動態(tài)局部陰影下光伏陣列輸出特性研究方面，分兩步，第一部分是動態(tài)陰影數(shù)學描述下面研究光伏陣列的P-U特性的規(guī)律，在得出P-U特性規(guī)律的基礎(chǔ)上，第二步進行光伏陣列輸入輸出模型的參數(shù)，最終得到光伏陣列的輸出輸入模型。

　　我們從電網(wǎng)的角度來看，可能對于比較關(guān)心的在PCC處有一個外特性，我們進行建模的目標需要擬合公共聯(lián)合處的動態(tài)特性，我們核心建模的思想就是根據(jù)光伏機組有相近程度來分群，關(guān)鍵問題就是如何選取分群指標，選去分群指標的時候滿足兩個條件，第一是準確反映動態(tài)特性，第二是在線計算量小。通過研究發(fā)現(xiàn)逆變器的動態(tài)特性很大程度上決定了光伏機組的動態(tài)特性，逆變器的控制方式和控制參數(shù)決定了逆變器的動態(tài)特性。我們建模的思路就是以逆變器的控制參數(shù)作為特征距離作為分權(quán)的指標進行在線的分群等值建模。

　　這個是我們進行在線分群等值建模的步驟，第一是首先根據(jù)典型工況計算出一個參數(shù)靈敏度的數(shù)據(jù)庫，第二步就是根據(jù)光伏機組出力在線匹配離線靈敏度的數(shù)據(jù)庫，得到逆變器的特征距離，經(jīng)過設(shè)置合適的指標閾值，在線進行一個分群的等值建模，得到這個分群的群數(shù)以后，我們進行一個對于等值參數(shù)的計算，最后通過允許的誤差以及其他的條件進行一個在線模型的校核。不含低電壓穿越的分群等值建模的基礎(chǔ)上，我們想進行下一步的研究，思想是一致的，但是在故障穿越的時候所加的故障穿越模型起主要作用可需要根據(jù)電壓的跌落程度分類討論，而且考慮控制方式的多樣性等等。

　　這個是不考慮低壓穿越時候所做的一個項目當中的必要性和有效性的驗證，任何一個工礦出力均勻、出力不均勻、出力分布不均勻負載改變的情況下，都是非常有效的等值方式。

　　下面我對微電網(wǎng)做一些介紹，剛才吳博士已經(jīng)介紹的很詳細了，我就我們做的一些研究給大家做一個匯報。微電網(wǎng)在很多方面都很有效果，比如說在提高電網(wǎng)對分布式新能源的接納能力，解決電網(wǎng)抗災能力以及解決偏遠地方的供電能力都有效果，對于微電網(wǎng)的定義，每個國家都有不同的側(cè)重點，對于我國來講，微電網(wǎng)的定義主要是分布式電源、儲能和負荷構(gòu)成的可控功能系統(tǒng)可平滑接入主網(wǎng)和獨立自治運行是發(fā)揮分布式電源能效的有效方式之一。

　　微電網(wǎng)的主要特征一是以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，融合儲能、控制和保護裝置的一體化電源。二是靠近用戶終端負荷。三是接入電壓等級是配電網(wǎng)電壓等級。四是能夠工作在并網(wǎng)或孤島兩種模式。

　　微電網(wǎng)的研究內(nèi)容一是分布式電源運行特性、模型構(gòu)建研究；二是微網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計研究；三是微網(wǎng)多分布式電源協(xié)調(diào)運行研究；四是微網(wǎng)分層協(xié)調(diào)控制策略研究；五是微網(wǎng)多元負荷儲能技術(shù)研究；六是微網(wǎng)的電能質(zhì)量控制與治理的研究；七是微網(wǎng)經(jīng)濟運行理論與能量管理研究。

　　下面我著重介紹一下前期所做的微網(wǎng)三層協(xié)調(diào)控制策略研究的成果。這是我們所做的微電網(wǎng)分層協(xié)調(diào)控制的架構(gòu)模型，主要分層三層一個是本地的控制層，也是最底層的控制層，主要是負責負荷實時運行于控制，響應速度快，調(diào)節(jié)周期非常短。第二個層次是微網(wǎng)運行層，負責電壓、頻率及聯(lián)絡(luò)線功率的無差控制，較本地控制層調(diào)節(jié)周期長，該層還包括負荷控制和孤島檢測。最高層控制是分析決策層，負責微電網(wǎng)優(yōu)化運行，調(diào)節(jié)周期是最長的一個。

　　從前面微電網(wǎng)分層協(xié)調(diào)控制架構(gòu)上面可以實施的具體的控制內(nèi)容主要有下面幾大內(nèi)容。第一是最底層的本地控制層，包括微電源控制、負荷控制、并網(wǎng)開關(guān)控制以及信息交互。微網(wǎng)運行層是運行模式控制、二次控制還有信息交互，最高層次的決策層所能實現(xiàn)的功能主要是機組組合、發(fā)電計劃機交換計劃、能量管理、信息交互，這個信息交互和下面的一層所包含的信息交互。在該種控制方案下，微網(wǎng)由并網(wǎng)切換到孤島運行模式的過程中能夠滿足電壓、頻率的要求，并且在計劃孤島時可以實現(xiàn)電壓及頻率的平滑切換。

　　下面我們對優(yōu)化調(diào)度方面所做的案例，在能量管理方面，如果有不同的優(yōu)化目標將會產(chǎn)生不同的運行方式，特別是各種分布式電源的出力將會發(fā)生一些改變。目前對于交流微電網(wǎng)的研究比較奪得，但是近幾年來對于直流微電網(wǎng)的研究也是在逐步升溫過程當中，直流微電網(wǎng)的研究可能要歸結(jié)于三個原因：第一個就是我直流微電網(wǎng)可以在接入分布式電源的時候有一個省略了交流微電網(wǎng)逆變的過程，這個對于節(jié)約投資是非常有效的；第二就是直流的家用電器的比例越來越高，對于直流微電網(wǎng)，對于用戶的節(jié)能也是一個很有效的方式；第三就是直流微電網(wǎng)線路投資以及線路的使用效率來講，轉(zhuǎn)化效率是非常高的。

　　因此我們這個直流微電網(wǎng)的特點可以歸結(jié)為以下幾個，第一就是直流微電網(wǎng)更有利與分布式電源接入，二直流配四網(wǎng)能更有效的利用分布式電源，三是直流配網(wǎng)對直流負荷供電更方便。末有更大的供電容量，直流配網(wǎng)有更好的電能傳輸效率，直流配網(wǎng)有更好的經(jīng)濟型。直流配網(wǎng)能保證高可靠性，直流配網(wǎng)能保證高品質(zhì)供電，也符合人們對綠色環(huán)保的要求。

　　在直流微電網(wǎng)的研究過程當中可能存在這以下幾個方面的關(guān)鍵技術(shù)，第一就是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化，第二是直流微電網(wǎng)的電壓等級的選擇以及優(yōu)化，第三是電能的變換以及控制，第四是系統(tǒng)的保護可靠設(shè)備等等。

　　我們目前對于直流微電網(wǎng)的研究有四個方面的研究，第一就是直流微電網(wǎng)構(gòu)建的分析，在優(yōu)化調(diào)度方面主要進行第一個要實現(xiàn)的目標就是網(wǎng)絡(luò)損耗率達到最低，第二是可再生能源的利用率達到最高，它所需要的約束包括功率平衡，線路容量的約束，以及爬坡率的約束其他要求的數(shù)據(jù)是負荷預測可再生能源預測等等，最后就是得到一個微電網(wǎng)組件調(diào)度方案。在直流微電網(wǎng)分層控制方面，我們也是像交流微電網(wǎng)一樣提出三條控制策略，最后在前面所架構(gòu)的直流微電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，對于系統(tǒng)小干擾的穩(wěn)定，以及大擾動動態(tài)分析進行了動態(tài)仿真，作為穩(wěn)定性校驗的研究。

　　對于微電網(wǎng)來講，從幾個方面來說他的發(fā)展方向，第一就是包容性。對內(nèi)來講必須要有效的接納分布式電源，對外要與大電網(wǎng)向兼容并提供輔助增值服務在技術(shù)上要包容發(fā)配用多方面先進電力技術(shù)。第二方面就是靈活性，主要包括微電網(wǎng)的可控性，需要靈活調(diào)度，以及作為大電網(wǎng)的備用電源。第二就是運行模式切換靈活，對于并網(wǎng)或者孤島運行的時候能夠很平滑的切換，三是實現(xiàn)偏遠地區(qū)的供電，也是屬于微電網(wǎng)發(fā)展目標之一。第三方面就是定制性，通過對負荷分級，提供分級供電，然后針對于不同用戶提供所需的可靠性水平和電能質(zhì)量。第四方面經(jīng)濟性，我對于微電網(wǎng)所涉及到的利益體，比如說內(nèi)部用戶的利益必須要保證，還有是微電網(wǎng)發(fā)電上的保證，還得保證整個電網(wǎng)的經(jīng)濟利益。第五方面自治性要強調(diào)微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)功率平衡和電壓頻率的穩(wěn)定，第二是故障前兆及時預警，降低故障概率，對以發(fā)生故障自動采取措施進行控制和糾正。以上就是對于微電網(wǎng)的簡單介紹。

　　第三部分是對于能源互聯(lián)網(wǎng)的介紹。里夫金提出的概念是以可再生分布式能源和互聯(lián)網(wǎng)為核心，實現(xiàn)分布式能源發(fā)電和電動汽車的廣泛接入和人人參與的公平交易。從技術(shù)層面來講，更易于理解的是下面能源互聯(lián)網(wǎng)的概念，綜合運用先進的電力電子技術(shù)，信息技術(shù)和智能管理技術(shù)將大量由分布式能量采集裝置，分布式能量儲存裝置和各種類型負載構(gòu)成的新型電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點互聯(lián)起來，及實現(xiàn)能量雙向流動的能量對等交換與共享網(wǎng)絡(luò)。

　　我覺得對于能源互聯(lián)網(wǎng)的眾多參與者來講，比如說對于政府來講，他作為一個新型的能源體系，能夠更好的兼容原有的供應鏈系統(tǒng)，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)可再生裝置能源的接入，滿足不同用戶的不同需求，對于能源互聯(lián)網(wǎng)的運營者來講是一個很開放的交易平臺，對于能源互聯(lián)網(wǎng)的用戶來講，可以滿足自己不同的用人需求。

　　因此能源互聯(lián)網(wǎng)主要有五大特征，第一就是可再生，第二是分布式，第三是互聯(lián)性，還有開放型以及智能化。在技術(shù)方面主要有下面四個方面的技術(shù)特征，第一就是可再生能源的高滲透率，第二是因為加入了很多分布式發(fā)電以及需求響應等等元素的大量加入，對于能源互聯(lián)網(wǎng)來講就是非常大的非線性的系統(tǒng)，就會具有非線性隨機特性。第三是多源大數(shù)據(jù)特性，這個也是因為參與者眾多，而且涉及到的人員種類也很多，對于多尺度的海量數(shù)據(jù)都會進入到能源互聯(lián)網(wǎng)當中來，會呈現(xiàn)多元大數(shù)據(jù)的特性。最后就是因為在儲存能量和信息的融合的狀態(tài)，在多空間和多尺度上都有關(guān)聯(lián)，可能會成為一個更開放和更復雜的系統(tǒng)，會呈現(xiàn)出多尺度的動態(tài)特顯。

　　能源互聯(lián)網(wǎng)體現(xiàn)的價值主張主要是從迂回經(jīng)濟向直接經(jīng)濟回歸，互聯(lián)網(wǎng)促進經(jīng)濟活動的工序雙方實現(xiàn)信息透明、數(shù)據(jù)共享，提高了資源配置的效率，降低了交易成本。第二是從人們的需求來講從有限滿足人的選擇向持續(xù)鎖定人的需求轉(zhuǎn)變?；诖髷?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)用或需求，實現(xiàn)從原有的單一次服務向持續(xù)滿足并激發(fā)新需求轉(zhuǎn)變，大幅度提高滿足用戶需求的程度。

　　能源互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)能源網(wǎng)的區(qū)別從以下幾個方面體現(xiàn)。第一是多能源，傳統(tǒng)能源網(wǎng)是電、熱、冷能源網(wǎng)絡(luò)是獨立運行，能源互聯(lián)網(wǎng)是多種能源協(xié)同互聯(lián)。需求側(cè)來講，是剛性負荷，用戶是能源接受者在能源互聯(lián)網(wǎng)的情況下，我們的負荷變成了一個彈性負荷，分布式能源可以自由接入，用戶也可以變成一個能源的生產(chǎn)者。在電網(wǎng)方面以前傳統(tǒng)的能源網(wǎng)就是以交流電網(wǎng)為主，現(xiàn)在的能源互聯(lián)網(wǎng)是交直流柔性電網(wǎng)，廣泛采用能量路由器實現(xiàn)互聯(lián)。

　　在負荷平衡方面，傳統(tǒng)的能源網(wǎng)是實時平衡，能源互聯(lián)網(wǎng)的情況下，通過多種儲能技術(shù)實現(xiàn)能量的時空轉(zhuǎn)移，包括實現(xiàn)可調(diào)控的容量以及需求響應等等，在熱電廠當中我們可以根據(jù)相變儲能可能會實現(xiàn)供熱和供電的聯(lián)合存儲以及高效利用。在運營模式方面也是比較大的改變，傳統(tǒng)能源互聯(lián)網(wǎng)是供電公司只是售電，供熱公司只是收供暖費，相當于很獨立的運營方式，但是在能源互聯(lián)網(wǎng)的情況下，區(qū)域能源供應上有可能對多種能源進行售賣。在信息交互方面?zhèn)鹘y(tǒng)的能源網(wǎng)信息量較少，決策比較簡單，在能源互聯(lián)網(wǎng)采用大數(shù)據(jù)及云計算的技術(shù)來滿足能源互聯(lián)網(wǎng)的需求。

　　基于能源互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)能源網(wǎng)的去，目前對能源互聯(lián)網(wǎng)的研究有幾個內(nèi)容，第一是能量的控制與協(xié)調(diào)運行。主要就是冷熱電多源于協(xié)調(diào)控制及儲能的充放電控制實現(xiàn)工序平衡，通過價格實現(xiàn)的多能源需求側(cè)響應，提高終端能源使用效率。第二是交直流、需求側(cè)管理等多先進智能技術(shù)的引入。第三是信息流、電力流、能源六等多流協(xié)同，通過高帶寬光線，實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)采集和通信。第四是能量交易，構(gòu)建能源運營新模式，實現(xiàn)冷熱電發(fā)配售的新的運營體系。 （演講人：魏玲 清華大學機電系）