主动配电网的多源协同优化调度研究

发表时间:2019/10/17   来源:《当代电力文化》2019年第11期   作者:王海蛟
[导读] 社会的电气化是国家发展的基石,它作为支柱能源支撑着这个时代下的国民经济发展。

国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司,江苏 徐州 221000
        摘 要:社会的电气化是国家发展的基石,它作为支柱能源支撑着这个时代下的国民经济发展。自20世纪末以来,全球掀起新能源革命浪潮,其对全世界造成的影响体现在能源行业发展中的措手不及和转型的决心。从20世纪末期开始,发达国家开始着手研究分布式发电(DistributedGeneration,DG)、可再生能源(RenewableEnergySource,RES)、微电网(Micro-Grid,MG)、高速光纤通信和电力市场,电力行业逐步翻开新的篇章。
        关键词:主动配电网;多源协同;优化调度
        一、主动配电网“源”特性分析
        1、风力发电系统
        我国幅员辽阔,风力发电资源十分丰富,同时由于地理原因,便于开发,风电在保有出色的发电量的同时污染也少之又少,是当今社会最具利用价值的可再生资源(RES)之一。观察可知,风电产生的原理简单易懂:风能-机械能-电能之间的能量装换。简单的从能量方面观察,风机的两大组件主要有:风力机(风能-机械能)、发电机(机械能-电能)。
        (1)风力发电机分类
        WT机组大致可以分为以下四种,其拓扑结构如图1所示。


        图1风力发电机的主要拓扑结构

        (2)风机模型
        风力发电机(WindTurbines,WT)的能力即就是风电出力受该时刻风速大小、风力机叶片角度及该角度下受风面积等多种因素共同影响。某时刻下风力发电机产生的机械功率mP表示为:


        式中:

        ——空气密度(km/m3);
        V——风速(m/s);
        A——风力机的扫掠面积(m2);
        Cp——风力机的风能利用系数,为叶尖速率比和叶片桨距角的函数,它表明风轮机从风中获得的有用风能的比例。
        由公式可知,风力发电机理论情况下可产生的电与该时刻叶片受风面积和该时刻风速的三次方皆呈共增共降关系。若将自变量与因变量相互调换,得到的新函数可由该时刻该地的风速逆向推出该风力发电机的输出功率。在对配网进行优化调度前的潮流运算时,可简单认为该时刻该地的风速决定了该时刻的风电机组的输出功率为一个定值。在理想情况下的风力机正常工况运行,其输出功率可分为线性段和水平段两种状况:在线性段下,认为当前时刻的启动风速达到额定风速范围内,风速与输出功率呈正比关系;而水平段则是认为当前时刻的风速若落在额定风速与切出风速之间,该状态下输出功率与风速无关,为一常数。由此可知,风力机的控制单元可以通过一系列合理手段使在合理风速范围内达到输出恒功率运行。
        2、光伏发电系统
        光伏发电系统(Photovoltaic,PV)的主要原件就是太阳能光伏电池。目前光伏系统采用的多是单晶硅或多晶硅光伏电池。光伏发电系统多采用的是“自给自足,余量上网”的措施,晚间由于光伏无法发电,用户通常从电网买电。由于光伏系统的便捷性,目前屋顶式小型光伏发电技术备受瞩目。德国政府敢为人先在1990年首先推出的“千顶计划”,仅七年内,累计安装量已达33MWp,远超初期拟定的规模,现又称2000户屋顶工程(2000RoofProject)。与常规发电相比,尽管光伏发电存在着如投资成本较高、运行方面的随机性等问题。但光伏发电与一众新能源一样具有环境友好性和安全可靠性,同时又与其他新能源不同,光伏电池不受地理环境限制、规模可大可小且运维相对简单等一系列优点。所以,光伏发电系统的应用前景十分可观。
        PV的输出功率受环境及设备因素的影响,不能调度,而系统频率f和电压U对其的影响微乎其微:


        式中:
        gP——光伏电池输出功率;
        f——系统频率;
        U——系统电压。
        并网光伏发电系统中,通常要在光伏电池与配电网之间接入一个直流交流逆变器(DC-AC逆变器)。通过逆变器将光伏电池中的直流量转化为与大电网同步的交流量再进行上网。
        二、主动配电网“荷”特性分析
        1、电动汽车充电站
        由于电动汽车的充电时间和地点的随机性和不确定性。首先对EV的充电模式进行分类讨论,大致可分为:快速充电模式、恒流恒压充电、换电池模式、无线充电模式。EV在不同的模式下对应了不同的EV充电功率和不同的负荷需求情况。电动汽车的V2G技术可以使之与电网互联,在与电网的互动中作为小型的分布式储能来应答大电网的优化。
        主动配电网多源协同的本质是依据网内的各个能源之间的耦合互补形式,对其进行综合利用,提高ADN系统的运行可靠性。能源类别主要有风电、光伏这类的不可控新能源,还有燃气轮机这类的分布式综合电源,还有储能电池这类的储能设备。
        主动配电网的多能源系统,可以缓解RES出力的间歇性、波动性和随机性给电力系统带来的冲击。PV、WT随季节、时间以及气象条件变化而波动,主动配电网的多能源系统可以通过对网内可调度资源的有效调度,促进RES发展应用,为电网运行提供了新的思路和途径,也减少了化石能源造成的污染。此外,主动配电网多能源系统还可以通过不同能源形式间的耦合和转供优化,减低系统对电网的冲击,提高综合能源供应可靠性和利用效率。
        主动配电网多源协同的本质是依据网内的各个能源之间的耦合互补形式,对其进行综合利用,提高ADN系统的运行可靠性。能源类别主要有风电、光伏这类的不可控新能源,还有燃气轮机这类的分布式综合电源,还有储能电池这类的储能设备。
        主动配电网的多能源系统,可以缓解RES出力的间歇性、波动性和随机性给电力系统带来的冲击。PV、WT随季节、时间以及气象条件变化而波动,主动配电网的多能源系统可以通过对网内可调度资源的有效调度,促进RES发展应用,为电网运行提供了新的思路和途径,也减少了化石能源造成的污染。此外,主动配电网多能源系统还可以通过不同能源形式间的耦合和转供优化,减低系统对电网的冲击,提高综合能源供应可靠性和利用效率。
        2、日前调度优化
        日前优化调度计划首先在日前基于调度日的天气预报及新能源出力相关历史数据和负荷的历史数据,对调度日的新能源(风电、光伏)出力和负荷量进行预测,以此历史数据来进行调度日的计划制定。在日前调度计划中,明确调度日内各个时段CDG机组的启停状态、ESS的充放电状态、负荷侧的柔性负荷响应情况分配。日前调度计划以主动配电网的经济运行为目标,优化各出力单位和柔性负荷的同时对变电站低压母线的注入功率进行计算优化备案。
        3、日内调度优化
        由于新能源的出力具有随机性、波动性等特点,其预测结果也具有时间差异性,所以结合日前天气预报对调度日的新能源出力进行预测是不完全准确的。若在日内调度中沿用日前的预测数据,仅采用日前调度策略施行,在风电和光伏随机波动的前提下,可能会由于新能源的预测误差导致整个主动配电网的稳定性受到威胁。可再生能源预测的时间差异性也体现在不同时间尺度下的精度不同。随着时间越来越近,其预测精度会越来越好,同理,不确定性也会逐步降低。根据数据结果可知可再生能源的日前预测误差一般在0.25~0.4左右,日内四小时预测误差在0.1~0.2左右,日内一小时预测误差会减小至0.1以内。对负荷侧而言同理,时间推移越近,预测精度越高。所以需要采取日内优化调度策略对网内可再生能源和负荷进行进一步的调整。
        结束语
        这为我们平滑负荷曲线、消纳新能源带来了新的契机,使得电网智能化、经济化、一体化的设想成为现实,本文提出的主动配电网多源协同优化调度方案具有较强的实用性,可以为后续的研究奠定基础。
        参考文献
        [1]刘广一.主动配电网规划与运行[M].北京:中国电力出版社,2017
        [2]刘振亚.中国电力与能源[M].中国电力出版社,2012.

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