- 頭條基于模式轉換的獨立微電網實時運行控制2020-11-01 作者：許偉、肖湘寧 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）的研究人員許偉、肖湘寧，在2019年《電工技術學報》增刊1上撰文，針對風柴儲生物質獨立微電網系統在不同運行模式下的供電可靠性問題，基于不同電源設備的系統功能定位，分別制定風電機組限功率控制、柴油發電機動態區間控制、電池儲能系統改進充放電控制、生物質發電系統輔助調頻控制以及獨立微電網兩級旋轉備用策略，并進一步提出一種基于模式轉換的獨立微電網實時運行控制方法，使其在所有既定運行模式的正常工況與緊急工況下都能實現平穩轉換并保持穩定運行，從而有效地發揮各分布式電源的技術特點，提高獨立微電網的綜合發電效率。典型工況下的案例分析驗證了上述方法的有效性。
在當前全球能源日益緊缺的背景下，作為大電網的有益補充和分布式能源的有效利用形式，微電網已經引起世界各國的廣泛關注并在不同地區紛紛得以示范應用。尤其是在大電網難以覆蓋的偏遠山區、獨立海島、邊防哨所等特殊場所，通過整合基于可再生能源的分布式電源（Distributed Generations, DGs）、儲能單元及本地負荷構成能夠自治運行的獨立微電網（Stand-Alone Microgrid, SAMG），在保障區域內供電可靠性和電能質量的基礎上，實現多能互補、節能減排與經濟運行，有助于提高能源的綜合利用效率，進一步推進清潔能源的產業化發展。
現有研究與實踐表明，長期處于孤島運行狀態的SAMG通常配置有以風力發電機組（Wind Turbine Generator, WTG）、光伏發電（Photovoltaic, PV）為代表的DGs，同時考慮到間歇性可再生能源與負荷波動的不確定性以及大電網電壓頻率支撐的缺失，SAMG通常還配置有一定數量的柴油發電機組（Diesel Engine, DE）和電池儲能系統（Battery Energy Storage System, BESS）以保障整個系統的供電可靠性和運行穩定性。
- 有學者在風柴儲獨立供電系統多種運行模式及控制策略的基礎上建立了系統最優配置模型，結果顯示，配置一定的柴油發電機組可以彌補風儲系統的不足，保證系統的供電充裕性和可靠性，但文中沒有充分考慮風電和負荷的波動性，并且其運行控制過于理想化。
- 有學者提出一種含風柴儲設備的小型孤立電力系統的發電容量充裕度評估方法，研究顯示，儲能容量對系統可靠性有積極影響，但文中沒有考慮儲能設備控制策略的影響。
- 有學者探討了獨立風光柴儲微網系統中各電源在給定調度策略下的最優容量配置，提出通過儲能系統和DE的配合來提升系統可靠性，但研究偏重于經濟性，沒有考慮系統調度策略的具體實施。
- 有學者在考慮設備運行約束條件的基礎上提出了一種風光柴儲孤立微電網系統協調運行控制策略以保證系統的長期可靠運行并有效延長電池壽命，同時提高系統全壽命周期經濟性。
上述文獻主要側重基于長期能量管理的經濟運行優化，較少關注基于短期功率平衡的實時運行控制，然而后者研究對于SAMG的安全穩定與供電可靠更具實際指導意義。
- 有學者提出了雙層協調調度方法，在計劃調度層的基礎上對微電網中不可控微電源的功率預測偏差進行實時調度，從而保障微電網的經濟、安全與穩定運行。
- 有學者提出基于超短期風速預測的風柴儲海水淡化獨立微電網實時能量管理調度策略，在保證系統穩定運行的基礎上，實現可再生能源發電出力與負荷的實時平衡，從而達到減少柴油發電機運行時間、充分利用風力發電的目的。
- 有學者在縮減作為壓頻控制單元的可控型微電源的基點運行范圍的基礎上，針對作為壓頻控制單元的儲能裝置進行能量狀態區間劃分，同時引入負荷競價策略，制定實時優化調度策略以實現獨立微電網的可靠與經濟運行。
- 有學者提出一種包含正常運行時的經濟運行調度和大擾動時的緊急功率控制的雙模式優化控制方案，并分別從準穩態經濟性和暫態穩定性兩方面實現獨立微電網系統的優化控制。
總體來說，WTG、PV、DE以及BESS在SAMG中的應用相對成熟，并得到了較為廣泛的認可，但生物質發電（Biomass Power Generation, BPG）在SAMG中的應用研究較為缺乏，其主要原因在于傳統的BPG基本上都按全功率方式作為一個穩定電源點并入大電網，而SAMG的總體容量相對較小，難以直接消納。
同時，現有的研究工作更多集中于SAMG的規劃設計和經濟運行，較少關注正常工況和緊急工況下的運行模式轉換及其供電可靠性，沒有充分考慮不同調頻能力的DGs和儲能設備之間的實時聯合調頻控制，從而導致多種DGs之間的協調運行方式過于理想化，不利于工程實現。
對于風柴儲生物質獨立微電網系統來說，如果不加以區分，從所有設備全部投入到全部退出共有15種可能的運行模式，但并非所有的組合狀態都能長期穩定運行。
為此，本文以不同DGs和儲能設備在SAMG中的功能定位為基礎，從風力發電系統、柴油發電系統、生物質發電系統、電池儲能系統以及系統旋轉備用共5個層面分別提出有針對性的控制策略，同時為了有效發揮各分布式電源的技術特點，提高SAMG的綜合發電效率，進一步提出一種基于模式轉換的微電網實時運行控制方法，使其在所有既定運行模式的正常運行工況與緊急運行工況下都能實現平穩轉換并保持穩定運行，并通過典型工況下的案例分析驗證了上述方法的有效性。
圖1 風柴儲生物質獨立微電網系統結構
圖3 風/柴/儲/生物質獨立微電網系統運行模式轉換
總結
本文針對風柴儲生物質SAMG系統在不同運行模式下的供電可靠性問題，提出了基于模式轉換的實時運行控制方法。典型案例下的仿真結果表明：
1）根據不同電源設備的出力特性提出了明確的系統功能定位，通過WTG限功率控制實現了風電波動影響的最小化；通過DE動態區間控制實現了不同模式下系統旋轉備用的自適應調整；通過BESS改進充放電控制實現了其充放電的精細化管理；通過BPG輔助調頻控制實現了其對系統的有效功率支撐；通過兩級旋轉備用策略協同在線電源設備保障了SAMG系統的運行穩定性。
2）本文首次提出的協調控制方法實現了SAMG系統在正常工況和緊急工況下都能在既定的不同運行模式間進行平滑轉換并保持持續穩定運行，可以有效提升系統的整體供電可靠性；同時實現了優先利用WTG出力，其次利用BESS放電，再次提升BPG出力，最后才增加DE出力，可有效提升可再生能源的利用效率。
