主动配电网间歇式能源消纳及优化

引言

“主动配电网的间歇式能源消纳及优化技术”示范工程是依托国家高技术研究发展计划(863计划)——“主动配电网的间歇式能源消纳及优化技术研究与应用(2012AA050212)”建设而成。该示范工程坐落于广东佛山三水区中心科技工业园，其中包含5.5MWp分布式光伏发电及1.1MWh分布式储能，在示范区内可实现100%光伏消纳，且供电可靠性高于99.99%。

该863项目是我国首个主动配电网技术应用示范工程，由广东电网公司、上海交通大学、上海空间电源研究所、佛山电力设计院合作完成。工程结合示范区域的分布式发电现状，在坚持技术先进的同时，注重经济性和实用性，综合应用储能系统以及配电网的灵活拓扑，对以分布式光伏发电为代表的间歇式能源实现了高效消纳，同时确保电网的优化运行，建成了先进的、可持续发展的主动配电网间歇式能源消纳及控制系统。

文章将逐一介绍示范工程的总体概况、实施方案、关键技术以及运行效果，最后对示范工程的社会经济效益进行综合分析。

1、示范工程总体概况

1.1、示范区简介

“主动配电网间歇式能源消纳及优化技术”示范工程位于广东省佛山市三水区中心科技工业区广成铝业有限公司厂区和金世界创新铝业有限公司厂区，项目所在地全年日照小时数达1600～1700h，太阳辐射总量为4803.408MJ/m2，适宜建设分布式太阳能光伏发电。示范工程累计完成分布式光伏发电总装机容量达5.5MWp，分布在4条10kV馈线(黄南线、铝业线、萧海线、塘溪线)，并配套安装3套电池储能系统，总容量共计1.1MWh。为了模拟配电网的灵活拓扑，在萧海线和塘溪线之间架设1条10kV联络线。整个示范区的网络结构见图1。

图1 示范区域网络结构图

1.2、负荷情况

示范区域内除塘溪线接入少量居民负荷外，其他均为工业负荷，整体负荷特性大体呈现工业负荷的特点，由于工业用户一般在低谷时刻高负荷运行，而在其他时段低负荷运行，受峰谷电价影响较大，峰谷特性较为明显。值得注意的是，在节假日的白天时段，由于工厂停工，示范区域的负荷很小，存在光伏倒送的风险。示范区域典型日的整体负荷和光伏发电出力比对见图2，虽然区域从整体上负荷值大于光伏发电，但在局部区域(例如萧海线和塘溪线)的特殊时段则存在光伏出力大于负荷值的现象，需要利用主动配电网技术实现光伏发电的100%高效消纳。

图2 示范区域负荷与光伏发电对比

1.3、分布式电源接入情况

示范区域主要接入分布式光伏发电和电池储能2种分布式电源，其中电池储能分为单一储能和复合储能，单一储能为磷酸铁锂电池，复合储能则由铅碳电池和钛酸锂电池构成。具体的配置情况见表1。

光伏发电系统并网见图3。太阳能通过光伏组件转化为直流电力，通过光伏电缆、直流汇流箱及直流配电柜最终汇集到并网型逆变器，逆变器将直流电转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流后接入交流配电柜，然后直接并入厂房附近的变压器三相低压端。

图3 光伏发电系统并网图

为保证并网安全，在交流配电柜中配置防孤岛保护装置以防止逆变器本身的保护功能失效。同时，并网逆变器均带有隔离变压器，将逆变器的直流输入和交流输出之间进行电气隔离。直流侧的光伏组件阵列为负极接地，且逆变器在运行过程中，随时检测直流正负极的对地电流，从而保证了逆变器直流侧的短路故障不会影响到电网。

电池储能系统则通过逆变器升压后直接接入10kV馈线，其中萧海线接入总容量为600kWh的复合电池储能系统。而铝业线和塘溪线则分别接入250kWh的磷酸铁锂电池。

复合储能系统由2套50kWh/5C钛酸锂电池储能单元配套250kW储能逆变器，和1套500kWh/0.2C铅碳电池储能单元配套100kW储能逆变器组成。整个储能系统可提供600kW充放电功率，总能量为600kWh。系统接入设计见图4。

图4 复合储能系统并网图

2、示范工程实施方案及关键技术

光伏及储能系统的接入以及联络线的敷设为示范区域的主动协调控制提供了受控资源，在此基础上通过建设主动配电网二次监控系统，对现场各可控资源(光伏、储能、联络开关)进行状态监测，利用协调控制和优化管理技术，实现示范区域的源、网、荷协调控制，确保光伏发电的高效消纳和系统的经济运行。示范区域的二次监控系统包括：主动配电网能量管理系统、分层分布协调控制器、源网协调控制器、储能双向并网协调控制器、配电自动化终端、电能质量监测终端以及通信网络。

整个监控系统采用分层控制体系，最上层的主动配电网能量管理系统主要用于对示范区域现场的各种分布式电源(光伏发电和储能单元)以及关键节点(分布式电源公共连接点、新建联络节点、用户侧与配电网的关口节点)进行状态监视，利用示范区域的储能单元以及新建联络开关设备，通过协调控制及灵活网络技术实现示范区域内光伏发电的高效消纳及网络的经济运行。中间层的分层分布控制器则用以实现对单条线路的自治控制，通过与源网协调控制器和能量管理系统的双向交互，实施自治控制策略。最下层的源网协调控制器是分布式电源的直接控制单元，其接收分层分布控制器的控制指令后再进行安全分析及优化分配后对分布电源进行直接控制。

示范区域二次监控系统的总体信息流见图5。

图5 示范区域二次监控系统信息流交互示意图

2.1、主动配电网能量管理系统

主动配电网能量管理系统主站具备基本的配电网自动化主站功能，包括：DSCADA功能、拓扑分析、潮流计算、事件记录及告警、人工控制、负荷预测等功能。在此基础上，主动配电网能量管理系统还具备特有的协调控制及优化管理功能，包括：光伏发电预测、主动配电网最优潮流、主动配电网电压协调、主动配电网间歇式能源消纳模式自适应切换、主动配电网KPI特性分析等。主动配电网能量管理系统功能结构图见图6。

图6 主动配电网能量管理系统功能结构图

光伏发电预测能根据气象预报信息(风速、光照、温度等)和历史数据预报未来一天的光伏有功出力，且在当日可以根据实时天气情况进行滚动修编。主动配电网的光伏发电预测功能是主动配电网最优潮流进行经济优化运行计算的前提条件。

主动配电网最优潮流是在负荷预测以及光伏发电预测的基础上，通过智能优化算法生成主动配电网长时间尺度下各分布式电源的最优调度策略，以实现主动配电网能量优化[10]。

主动配电网电压优化控制是通过对主动配电网所有无功源以及变压器分接头的优化协调控制使得配电网各个节点的综合电压质量最优。

主动配电网人工控制可以实现主动配电网接入的分布式电源按照人工预定计划曲线出力，可用于各分布式电源在典型运行方式下的自动调度。

主动配电网间歇式能源消纳模式自适应切换可以针对间歇式能源发电的实际规模，自适应调整运行方式，选择最优消纳模式，实现间歇式能源的高效消纳。

主动配电网KPI特性分析是对主动配电网的运行状况进行深入分析，并从主动性、经济性、安全性、可靠性等多个方面进行综合评价，形成主动配电网运行KPI指标体系。

2.2、通信网络

考虑到示范区域厂房内的各个监测点分布特性、光纤施工难度、配电线载波通信传输可靠性以及建设成本等因素，示范区域通信网络在接入层主要采用无线专网通信方式，接入层与主站的通信则选择租用通信供应商的VPN光纤通道。这在一定程度上既保证了通信网络建设的实用性和通信传输需求的可靠性，又确保信息传输的安全性。主动配电网通信网络结构图见图7。

图7 主动配电网示范区域通信网络结构图

由于无线专网终端的覆盖范围有限，示范区域的无线专网终端配置以最大化资源利用为原则，各个无线专网终端就近与现场自动化终端、控制器、电能质量监测终端通过交换机组网。各无线终端信息集中采集后汇总到无线专网数据采集服务器，并通过通信运营商的VPN光纤与能量管理系统主站系统进行纵向数据通信。

2.3、关键技术

在示范工程中应用到的主动配电网间歇式能源消纳及优化关键技术见表2。

主动配电网最优潮流主要用于主动配电网的优化日前调度，基于主动管理的技术理念，结合天气预测信息和负荷预测信息，制定未来24h的优化调度计划曲线，以实现降低馈线负荷峰谷差，降低网络线损，优化电压水平，改善负荷特性等目标。

基于FCE的区域自治控制技术主要用于主动配电网的实时控制，基于FCE馈线控制误差指标，根据实际环境的变化，实时追踪优化目标值，以达到抑制负荷波动和间歇式能源出力波动对电网带来的冲击。

间歇式能源消纳模式自适应切换技术主要用于主动配电网的运行方式优化调整，根据间歇式能源的出力情况和负荷的大小，自动调整优化方式，选择最佳的消纳模式，实现间歇式能源的高效消纳，减少能量损耗。

孤岛状态下的光伏消纳技术主要用于当发生电网故障或设备故障时，通过储能及联络开关等可控资源，主动形成孤岛，并在孤岛状态下带动光伏发电，同时恢复部分负荷供电，既提升了消纳率也提高了可靠性。

3、示范工程社会经济效益分析

示范工程的实施，将对推进主动配电网技术的发展和实用化起到积极的推动作用。首先，对于主动配电网的间歇式能源消纳及优化技术的研究有利于在主动配电网仿真试验平台技术、主动配电网控制设备研制、主动配电网能量管理系统开发等方面取得重要突破;其次，主动配电网的间歇式能源消纳及优化技术一方面能减少因电网故障的失电负荷和弃光发电，同步提升供电可靠性和光伏消纳率，另一方面可以缓解大规模间歇式能源并网对配电网带来的冲击，保持电网的安全稳定运行，具有显著的经济与社会效益

3.1、经济效益

1)示范工程解决了由于电网侧故障和厂内电压波动引起的光伏停机问题，光伏发电量同比增长6.14%，直接创造光伏发电收益21778.24元。

2)示范工程优化储能充放电策略，达到了削峰填谷的目的，最大峰谷差降低约7.75%，并利用峰谷电价差取得直接经济收益1442.08元/日，年度直接经济收益可达52.64万元。

3)基于示范工程的主动配电网技术，可为电网提供总计1.1MWh的后备电源以及灵活的运行调节方式，可为电网的安全运行提供可靠保障。

示范工程投运前后各项技术指标对比总览见表3。

3.2、社会效益

(1)对分布式电源、储能的研究以及分布式电源与储能的接入技术研究，包括通讯方式、通讯规约、信息模型等。这些技术研究为未来分布式能源大规模接入配电网提供了技术基础。

(2)基于优化技术的能量管理系统的研究开发，对于未来主动配电网的调度运行具有十分重要的意义，能够显著提高经济效益。

(3)主动配电网协调控制器的研制，是未来面向主动配电网区域自治控制的前瞻性设备，是当前智能配电网技术范畴中较为新颖的技术。

(4)通过示范工程，保证了示范区域的供电可靠性和光伏消纳率要求，为用户和能源供应商提供了双赢的解决方案，高度体现了供电企业的社会责任感。

4、结语

示范工程充分展示了主动配电网技术基于全局优化控制和自治控制相协调，实现了示范区域内间歇式能源的100%消纳和99.99%以上的供电可靠率，并有效降低峰谷差，取得年度直接经济收益52.64万元。主动配电网是未来配电网发展的必然方向，通过对可控资源的充分利用可有效降低配电网的建设投资，提供电网设备利用率，同时能够实现间歇式能源的高效消纳以及确保较高的供电可靠性。主动配电网技术虽没有固定的技术形态，但其对可控资源因地制宜地合理控制是其技术本质，示范工程充分诠释了主动配电网的技术内涵，为我国主动配电网技术的研究和应用提供了重要的指导和参考。