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上海交大翁嘉明:集成可再生能源的主动配电网研究及示范

北极星输配电网  来源:北极星电力网    2020/10/30 9:52:53  我要投稿  

北极星输配电网讯:“传统电网是通过发输变配四个环节为用户提供电能的,而当分布式电源接入之后,让电能生产与消费在配网内就完成了闭环,随着储能系统、电动汽车等技术的迅速发展,配电网中的可控、可调资源也丰富了起来,如何通过技术手段实现高比例的可再生能源接入,同时将不同投资主体形成的可控资源利用起来,实现电网对可再生能源从被动接收到主动利用,这就是主动配电网研究的内容,也是解决卡脖子挑战的核心技术。”上海交通大学电气工程系翁嘉明在“主动配电网协同控制与优化关键技术及应用”报告中表示。

北极星电力网联合国网浙江省电力有限公司电力科学研究院于2020年10月29日至30日在浙江杭州举办以“能源智慧物联,配电技术创新”为主题的“第一届智能配电网建设研讨会”。北极星电力网全程直播》》》

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文字实录:

翁嘉明(上海交通大学电气工程系):传统配电网面临的大规模间歇式能源接入都带来的问题。总结起来可以总结为,一个是供需失衡造成的资源配置的问题,在一开始,因为分布式能源容量较小,电网对它的判断基本上认为它可以忽略不计,这就导致了资源配置的问题。

其次是关于控制缺失的问题,也就是它在分布式能源刚入的时候,它的控制是自正体系的,它并没有跟我们传统的配电网自动化系统进行接入,所以相对来说,我们其实并不知道它是怎么发电运行的,或者说我们也没有真正地去控制它,就造成了管理上的缺失,我们并没有把它进行合理的控制和优化运行,最后就造成了资源服务上的缺失。

主动配电网为什么会由此形成呢?它主要形成了四个主动,一个是主动规划,你必须在规划的阶段,在一开始就配置好,相当于分布式能源这些种类以及配置的方案都要从规划角度、全局的角度进行配置。第二个是关于主动控制,相当于和传统的配电网要进行接入。第三个是关于主动管理,最后一个是关于主动运营。形成这四个主动,能解决带来的三大挑战,一个是功率倒送的挑战,当分布式电源容量足够多,它会一开始慢慢地大量倒送能量,造成配电网的功率波动加剧。第二个是发电特性的挑战,会引起电网电压的越线。第三个是关于能源利用的挑战,也就是利用价值不高,需求侧响应不足。

2008年cigre就提出了主动配电网的描述,主动配电网是可以综合控制分布式能源,包括分布式发电,可以使用灵活网络实现潮流的有效管理。分布式能源存在满足监管和接入准则条件承担对系统一定的支撑能力,因此主动配电网可以解决上述三大问题。它区别于传统配电网的四个主要特点,可以总结为,第一,要具备一定比例的分布式可控资源,第二个是网络拓扑要可灵活调节的配电网,第三是有较为完善的可观可控的水平,配电网的管理模式还是相对比较粗放的,没有达到一定较为完善的可观可控的水平,最后一个是实现协调优化管理的运营中心。

因此,传统电网是通过发输变配四个环节为用户提供电能的,而当分布式电源接入之后,让电能生产与消费在配网内就完成了闭环,随着技术的发展、储能系统、电动汽车等技术的迅速发展,配电网中的可控、可调资源也丰富了起来,如何通过技术手段实现高比例的可再生能源接入,同时将不同投资主体形成的可控资源利用起来,实现电网对可再生能源从被动接收到主动利用,这就是主动配电网研究的内容,也是解决卡脖子挑战的核心技术。

下面我针对我们做的主要集成内容和发明点进行介绍。

有三个发明点,首先针对上述三方面的电网问题,我们以间接性可再生能源在配电网层面的优化消纳为目标,在主动配电网区域协同、多能协同及系统运性优化取得了重要突破。简单可以总结为,我们的层次架构其实是一个三层的架构,最上层其实就是一个全局优化的概念,相当于是一个大脑,这跟大家传统的主站功能是一样的,但是实现的细节可能会更精细化,最底层的一层还是终端层,但是我们的终端是去控制它的发电,是实时的,而主战是15分钟下发一个控制目标,中间层相当于有一个区域协同的控制,但是区域协同的控制是以一个动态拓扑的、调整的区域控制,相当于一个是把数据进行转送,中间层也能进行控制,分担了压力。

目前现有的三大技术瓶颈,一个是发电的间歇式和波动性这个大家都非常熟悉了,第二个是热电综合利用效率低,第三个就是讲的配电网的支撑能力不足,并不是建设得不好,而是说它可能没有办法更好地去适应分布式电源接入之后的问题,在大城市里面,它的供电可靠性已经比较高了,基本达到四个9了。我们目前在一个变电站中,分布式电源接入的量原则上不能超过上级主变容量的30%,但未来分布式电源容量会越来越多的一个情况下,现有的配电网的架构就不足以能够支撑未来的分布式电源的合理的优化运行和管控了,所以我们针对这三个点提出了三个技术发明点。

第一个发明点是针对间歇式能源发电的随机性、波动性这一技术瓶颈提出了拓扑灵活的主动配电网区域协同控制技术,通过分层分区的能量管理提高了运行的稳定性。

发明点二则着重针对当前热电综合利用效率低这一问题提出了冷热电解耦的主动配电网多能协同的控制技术。在满足冷热需求的同时,提高能源利用效率和分布式电源的调节能力。

发明点三,针对电网功率倒送和资源利用不足这一点问题提出态势感知的主动配电网运行优化技术,通过可控资源的调整,再解决功率倒送的同时增强电网对间歇式能源波动的接纳能力。

首先看发明点一,我们分布式能源接入对配电网的系列标准中规定,在不满足配电网电压频率等技术指标的时候,分布式能源必须切机退出,限制了其有效运行的时间。分布式电源以微网的形式接入配电网时,各区域自给自足式的控制缺乏区域协同,造成资源浪费,所以本发明以独立分布式发电电源或固定区域为核心的控制方式,提出了适应拓扑灵活的区域内自制、区域间交互的控制技术,解决了协调的技术难点,在这个大点的区域,不单单是区域协同的控制技术里面,首先我们有一个动态的区域划分,这个跟传统的配电网的运行管理是稍微有点出入的,传统的配电网运行管理就是一个设备会有一个设备主人,但是这个动态区域划分,它是一个三层的体系架构,中间层的控制终端是一个动态的区域的变化的、可调整的关系。

第二个是关于区域间的交互控制,第三个是关于故障处理情况,这也是我们做这个项目当中的一个亮点。

首先看第一点,关于发明了间歇式能源多级分层消纳的模式,最上层的是全局优化的概念,根据能源出力以及共用的配比关系,将实时控制与灵活拓扑相结合,从点线面三个层面实现间歇式能源的多级分层消纳。之前已经解释过了,相当于我们是一个三层架构,全局优化是一个主站,我的控制目标在全局里面,是以15分钟一个点下发,好处就是计算量并不是很大,这就相当于跟传统的能量管理系统比较类似,更优化了它的控制运行的策略,目标是以15分钟为一个点去下发。我们第二层的控制器,就是一个实时的数据专发以及控制,它是一个小的大脑和传输的数据转换的功能,能动态去划分这个区域,进行相应的功率的计算,而这个时候它的控制已经达到秒级,而且它会跟底层的多能协同控制器,我会跟它进行传输,而且它要求分布式发电发多少电,我是跟它实时控制的。

第二点,基于发明了配电区域联络线交换功率自适应跟踪控制技术,以动态馈线误差指标对局部自治区域进行协调,基于IEC61850构建自治控制区域模型和动态分区机制。正常的一个负荷会有波动,以15分钟一个点来说,大家可以看到我的目标是15分钟一个点,去告诉他我这个时候的控制目标是多少,我尽可能地希望在这个区域当中它能达到我的要求,这个时候就相当于通过分布式发电去进行协调,控制在每个区域小于20%,我们尽可能保证每个区域内达到的尽可能是我想要的、我设定的目标。

第三个就是发明了孤岛运行方面,逐步与孤岛划分算法,实现了孤岛区域的自动识别,并将分布式能源控制系统与智能分布式自动化有机结合,突破了现有固定单个并网点的限制,率先实现主动配电网多点灵活并网无缝切换,并实现了孤岛离网的稳定运行。这点的话,在我们当初做孤岛的时候,我们把整个并网点,在改造网架的时候把所有可能的并网和离网的点全部改造成可以在多点进行孤岛的切换。

因此,我们就基于这个发明点开发了主动配电网协调交互的控制器,进行了区域间的分布式电源的出力优化分配与孤岛优化控制,实现了对不同区域资源的综合管理。第二点是我着重要讲的,就是关于冷热电解耦的主动配电网多能协同控制技术,是针对当前配电网中冷热电等多种能源的协同能力不足这一点,在追求能源高效率的同时,提高三联供设备的能量调节范围与多类型可控资源的实时响应能力。发明了主动配电网多能协同控制技术,解决多种类类型的能源接入配电网带来的多能互补协调运行的难点。这里面主要提出了两个方面,一个是冷热电,多能协同控制技术,另外一个就是关于源网协调的优化控制方法。

其实简单来说,就是我们在传统的CCHP上加了一个续能泵,但是为什么要加呢?我们通过不同的实验,加装了热能泵之后,对于我的微网或者是孤岛来说,这个稳定区就足够我保证我能控制安全稳定的运行,如果不加的话,我是完全没有办法能够在孤岛的时候近来持续的长时间的运行的。

因此,可以看出,我们通过这个技术,可以使基础发电出力调节范围达到额定功率的50%以上,也就是因为我们采用了这个技术,才能使后面的孤岛真正的稳定运行实现一个最基本的技术条件的保障。第二个是提高了主动配电网经济运行调节范围。

第二个是在源网协调控制方面基于模型预测的控制实现对功率目标的快速跟踪,提高可控分布式能源对目标功率的追踪能力,保障间歇式能源更好地发挥效益。

基于此我们开发了余热回收续能型的冷热电联控装置和系列化的分布式电源控制管理单元,用于实现对三联控、水电储能等分布式电源设备的源网协调控制,这相当于是最底层的控制设备。

发明点三,是针对于总的配电网能源接入比例提高且可控设备多样化这一特性提出了基于态势感知的主动配电网运行优化技术,通过可控设备的优化调节,降低间歇式能源不确定性对电网优化运行的影响,解决功率侧的倒送等难题。

第一点是提出了基于态势指标的主动配电网运行优化技术,结合态势感知的指标以及间歇式能源预测偏差基数指标建立运行优化模型,有效地减少了优化变量的个数,实现兼顾间歇式能源处理不确定性和电网的优化运行。

第二个,它有可控负荷,为了缓解主站侧的能力,提出了主动负荷管理技术,基于响应特性,提出了区域负荷潜力评估方法,实现柔性负荷、有效分配,支持用户参与互动的架构实现。

综上所述我们一共开发了两个核心系统,四个大类11小类的系列化控制终端,形成了完整的主动配电网的控制系统,上面就相当于我们在现场中一公开发了这么多的设备,下面就是它的实际的电网的图,总共的区域是3个变电站的五条线组成的一个大的互联互供的配电网区域,这其中还有非常大一部分的钱是用在设备改造上,本身示范区并不是互联互通的,除了买设备、调试,相当于三联供这块特别贵之外,剩下的主要用于改造这块。

上现场之前我们肯定要进行测试,我们也开发了在环的测试平台,以解决多类型能源接入的测试问题,在现场我们都要经过测试之后才能给供过去,这里我们就不再详细介绍了。

稍微简单介绍一下示范工程,第一个是在广州的佛山,是我们第一个主动配电网的863。第二个是我们在投运的,还能安全运行将近600天的贵州的示范现场,示范区是三个面,公用线路是4条,专线是1条,总量大概66个兆瓦。其实是一个三层架构,到第二层就是协同控制的交换器,第三层就是针对每一个不同发电的控制器,分两个运营状态,正常运营状态刚才已经解释完了,我们还做了孤岛和FA我们做了主动配电网的FA,做这个FA的时候,它跟传统的有很大的区别,你做传统的FA只要首端有点,背端没有电可以判断出来,而且可以通过重合闸,90%的故障重合闸都可以解决,但是在分布式电源大量存入的情况下,因为分布式电源可能会比重合闸都有可能,还会跳不出去,你要考虑这个问题,它没有办法进行消弧。所以这个方案中就要把所有的细节考虑进去,我们在示范现场就完完整整地把分布式FA的策略都测试回现场投运,这跟传统的FA非常不一样。

这个就是通过全局优化算法对配电网进行全局的优化设置,区域控制层以协同控制交互器为核心,主要负责短时间尺度的区域功率统筹。负荷侧就相当于是长时间尺度控制进行柔性优化运行模式的计算,用户终端主要实现个体用户进行优化控制,根据该用户目标功率值和未来运行曲线具体安排及用电方式,运行曲线。

最后讲一下总结与展望,基于我们的研究成果,国家科技部高技术研究发展中心在其官网发布,我国集成可再生的配电网研发取得重要进展,同时本成果作为电网运行领域唯一成果代表过科技部参展第19届工博会取得了良好的示范效果。

未来的电力市场交易是基于电力物理网络与基础进行,因此电网的信息安全及电力信息物理系统成为其研究的热点,与此同时,用户参与受电与多种能源的交互、互联交换将推动能源互联网的加速发展。谢谢各位专家,请各位批评指证!

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