主動配電網(wǎng)是解決未來分布式能源大規(guī)模接入配電網(wǎng)的重要技術(shù)途徑，也是智能配電網(wǎng)發(fā)展的重要階段。我國首個主動配電網(wǎng)示范工程的建成及投運(yùn)有力驗(yàn)證了主動配電網(wǎng)技術(shù)對于實(shí)現(xiàn)分布式能源高效利用和配網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的可行性和有效性，并為我國主動配電網(wǎng)的研究與建設(shè)提供重要參考和指導(dǎo)。
0引言
“主動配電網(wǎng)的間歇式能源消納及優(yōu)化技術(shù)”示范工程是依托國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)—— “主動配電網(wǎng)的間歇式能源消納及優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用(2012AA050212)”建設(shè)而成。該示范工程坐落于廣東佛山三水區(qū)中心科技工業(yè)園，其中包含5.5MWp分布式光伏發(fā)電及1.1MWh分布式儲能，在示范區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)100%光伏消納，且供電可靠性高于99.99%。
該863項目是我國首個主動配電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用示范工程，由廣東電網(wǎng)公司、上海交通大學(xué)、上?？臻g電源研究所、佛山電力設(shè)計院合作完成。工程結(jié)合示范區(qū)域的分布式發(fā)電現(xiàn)狀，在堅持技術(shù)先進(jìn)的同時，注重經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，綜合應(yīng)用儲能系統(tǒng)以及配電網(wǎng)的靈活拓?fù)?，對以分布式光伏發(fā)電為代表的間歇式能源實(shí)現(xiàn)了高效消納，同時確保電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行，建成了先進(jìn)的、可持續(xù)發(fā)展的主動配電網(wǎng)間歇式能源消納及控制系統(tǒng)[1-7]。
文章將逐一介紹示范工程的總體概況、實(shí)施方案、關(guān)鍵技術(shù)以及運(yùn)行效果，最后對示范工程的社會經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合分析。
1示范工程總體概況
1.1示范區(qū)簡介
“主動配電網(wǎng)間歇式能源消納及優(yōu)化技術(shù)”示范工程位于廣東省佛山市三水區(qū)中心科技工業(yè)區(qū)廣成鋁業(yè)有限公司廠區(qū)和金世界創(chuàng)新鋁業(yè)有限公司廠區(qū)，項目所在地全年日照小時數(shù)達(dá)1600～1700h，太陽輻射總量為4803.408MJ/m2，適宜建設(shè)分布式太陽能光伏發(fā)電。示范工程累計完成分布式光伏發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)5.5MWp，分布在4條10kV饋線(黃南線、鋁業(yè)線、蕭海線、塘溪線)，并配套安裝3套電池儲能系統(tǒng)，總?cè)萘抗灿?.1MWh。為了模擬配電網(wǎng)的靈活拓?fù)?，在蕭海線和塘溪線之間架設(shè)1條10kV聯(lián)絡(luò)線。整個示范區(qū)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。
1.2負(fù)荷情況
示范區(qū)域內(nèi)除塘溪線接入少量居民負(fù)荷外，其他均為工業(yè)負(fù)荷，整體負(fù)荷特性大體呈現(xiàn)工業(yè)負(fù)荷的特點(diǎn)，由于工業(yè)用戶一般在低谷時刻高負(fù)荷運(yùn)行，而在其他時段低負(fù)荷運(yùn)行，受峰谷電價影響較大，峰谷特性較為明顯。值得注意的是，在節(jié)假日的白天時段，由于工廠停工，示范區(qū)域的負(fù)荷很小，存在光伏倒送的風(fēng)險。示范區(qū)域典型日的整體負(fù)荷和光伏發(fā)電出力比對見圖2，雖然區(qū)域從整體上負(fù)荷值大于光伏發(fā)電，但在局部區(qū)域(例如蕭海線和塘溪線)的特殊時段則存在光伏出力大于負(fù)荷值的現(xiàn)象，需要利用主動配電網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的100%高效消納。
1.3分布式電源接入情況
示范區(qū)域主要接入分布式光伏發(fā)電和電池儲能2種分布式電源，其中電池儲能分為單一儲能和復(fù)合儲能，單一儲能為磷酸鐵鋰電池，復(fù)合儲能則由鉛碳電池和鈦酸鋰電池構(gòu)成。具體的配置情況見表1。
光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)見圖3。太陽能通過光伏組件轉(zhuǎn)化為直流電力，通過光伏電纜、直流匯流箱及直流配電柜最終匯集到并網(wǎng)型逆變器，逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流后接入交流配電柜，然后直接并入廠房附近的變壓器三相低壓端。
為保證并網(wǎng)安全，在交流配電柜中配置防孤島保護(hù)裝置以防止逆變器本身的保護(hù)功能失效。同時，并網(wǎng)逆變器均帶有隔離變壓器，將逆變器的直流輸入和交流輸出之間進(jìn)行電氣隔離。直流側(cè)的光伏組件陣列為負(fù)極接地，且逆變器在運(yùn)行過程中，隨時檢測直流正負(fù)極的對地電流，從而保證了逆變器直流側(cè)的短路故障不會影響到電網(wǎng)。
電池儲能系統(tǒng)則通過逆變器升壓后直接接入10kV饋線，其中蕭海線接入總?cè)萘繛?00kWh的復(fù)合電池儲能系統(tǒng)。而鋁業(yè)線和塘溪線則分別接入250kWh的磷酸鐵鋰電池。
復(fù)合儲能系統(tǒng)由2套50kWh/5C鈦酸鋰電池儲能單元配套250kW儲能逆變器，和1套500kWh/0.2C鉛碳電池儲能單元配套100kW儲能逆變器組成。整個儲能系統(tǒng)可提供600kW充放電功率，總能量為600kWh。系統(tǒng)接入設(shè)計見圖4。
2示范工程實(shí)施方案及關(guān)鍵技術(shù)
光伏及儲能系統(tǒng)的接入以及聯(lián)絡(luò)線的敷設(shè)為示范區(qū)域的主動協(xié)調(diào)控制提供了受控資源，在此基礎(chǔ)上通過建設(shè)主動配電網(wǎng)二次監(jiān)控系統(tǒng)，對現(xiàn)場各可控資源(光伏、儲能、聯(lián)絡(luò)開關(guān))進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，利用協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)示范區(qū)域的源、網(wǎng)、荷協(xié)調(diào)控制，確保光伏發(fā)電的高效消納和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。示范區(qū)域的二次監(jiān)控系統(tǒng)包括：主動配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)、分層分布協(xié)調(diào)控制器、源網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器、儲能雙向并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器、配電自動化終端、電能質(zhì)量監(jiān)測終端以及通信網(wǎng)絡(luò)。
整個監(jiān)控系統(tǒng)采用分層控制體系，最上層的主動配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)主要用于對示范區(qū)域現(xiàn)場的各種分布式電源(光伏發(fā)電和儲能單元)以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(分布式電源公共連接點(diǎn)、新建聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、用戶側(cè)與配電網(wǎng)的關(guān)口節(jié)點(diǎn))進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視，利用示范區(qū)域的儲能單元以及新建聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)備，通過協(xié)調(diào)控制及靈活網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)示范區(qū)域內(nèi)光伏發(fā)電的高效消納及網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。中間層的分層分布控制器則用以實(shí)現(xiàn)對單條線路的自治控制，通過與源網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器和能量管理系統(tǒng)的雙向交互，實(shí)施自治控制策略。最下層的源網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器是分布式電源的直接控制單元，其接收分層分布控制器的控制指令后再進(jìn)行安全分析及優(yōu)化分配后對分布電源進(jìn)行直接控制[8-9]。
示范區(qū)域二次監(jiān)控系統(tǒng)的總體信息流見圖5。
2.1主動配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)
主動配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)主站具備基本的配電網(wǎng)自動化主站功能，包括：DSCADA功能、拓?fù)浞治觥⒊绷饔嬎?、事件記錄及告警、人工控制、?fù)荷預(yù)測等功能。在此基礎(chǔ)上，主動配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)還具備特有的協(xié)調(diào)控制及優(yōu)化管理功能，包括：光伏發(fā)電預(yù)測、主動配電網(wǎng)最優(yōu)潮流、主動配電網(wǎng)電壓協(xié)調(diào)、主動配電網(wǎng)間歇式能源消納模式自適應(yīng)切換、主動配電網(wǎng)KPI特性分析等。主動配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖見圖6。
光伏發(fā)電預(yù)測能根據(jù)氣象預(yù)報信息(風(fēng)速、光照、溫度等)和歷史數(shù)據(jù)預(yù)報未來一天的光伏有功出力，且在當(dāng)日可以根據(jù)實(shí)時天氣情況進(jìn)行滾動修編。主動配電網(wǎng)的光伏發(fā)電預(yù)測功能是主動配電網(wǎng)最優(yōu)潮流進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行計算的前提條件。
主動配電網(wǎng)最優(yōu)潮流是在負(fù)荷預(yù)測以及光伏發(fā)電預(yù)測的基礎(chǔ)上，通過智能優(yōu)化算法生成主動配電網(wǎng)長時間尺度下各分布式電源的最優(yōu)調(diào)度策略，以實(shí)現(xiàn)主動配電網(wǎng)能量優(yōu)化[10]。
主動配電網(wǎng)電壓優(yōu)化控制是通過對主動配電網(wǎng)所有無功源以及變壓器分接頭的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制使得配電網(wǎng)各個節(jié)點(diǎn)的綜合電壓質(zhì)量最優(yōu)。
主動配電網(wǎng)人工控制可以實(shí)現(xiàn)主動配電網(wǎng)接入的分布式電源按照人工預(yù)定計劃曲線出力，可用于各分布式電源在典型運(yùn)行方式下的自動調(diào)度。
主動配電網(wǎng)間歇式能源消納模式自適應(yīng)切換可以針對間歇式能源發(fā)電的實(shí)際規(guī)模，自適應(yīng)調(diào)整運(yùn)行方式，選擇最優(yōu)消納模式，實(shí)現(xiàn)間歇式能源的高效消納。
主動配電網(wǎng)KPI特性分析是對主動配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行深入分析，并從主動性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性等多個方面進(jìn)行綜合評價，形成主動配電網(wǎng)運(yùn)行KPI指標(biāo)體系。
2.2通信網(wǎng)絡(luò)
考慮到示范區(qū)域廠房內(nèi)的各個監(jiān)測點(diǎn)分布特性、光纖施工難度、配電線載波通信傳輸可靠性以及建設(shè)成本等因素，示范區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)在接入層主要采用無線專網(wǎng)通信方式，接入層與主站的通信則選擇租用通信供應(yīng)商的VPN光纖通道。這在一定程度上既保證了通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的實(shí)用性和通信傳輸需求的可靠性，又確保信息傳輸?shù)陌踩浴Ｖ鲃优潆娋W(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖見圖7。
由于無線專網(wǎng)終端的覆蓋范圍有限，示范區(qū)域的無線專網(wǎng)終端配置以最大化資源利用為原則，各個無線專網(wǎng)終端就近與現(xiàn)場自動化終端、控制器、電能質(zhì)量監(jiān)測終端通過交換機(jī)組網(wǎng)。各無線終端信息集中采集后匯總到無線專網(wǎng)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，并通過通信運(yùn)營商的VPN光纖與能量管理系統(tǒng)主站系統(tǒng)進(jìn)行縱向數(shù)據(jù)通信。
2.3關(guān)鍵技術(shù)
在示范工程中應(yīng)用到的主動配電網(wǎng)間歇式能源消納及優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)見表2。
主動配電網(wǎng)最優(yōu)潮流主要用于主動配電網(wǎng)的優(yōu)化日前調(diào)度，基于主動管理的技術(shù)理念，結(jié)合天氣預(yù)測信息和負(fù)荷預(yù)測信息，制定未來24h的優(yōu)化調(diào)度計劃曲線，以實(shí)現(xiàn)降低饋線負(fù)荷峰谷差，降低網(wǎng)絡(luò)線損，優(yōu)化電壓水平，改善負(fù)荷特性等目標(biāo)。
基于FCE的區(qū)域自治控制技術(shù)主要用于主動配電網(wǎng)的實(shí)時控制，基于FCE饋線控制誤差指標(biāo)，根據(jù)實(shí)際環(huán)境的變化，實(shí)時追蹤優(yōu)化目標(biāo)值，以達(dá)到抑制負(fù)荷波動和間歇式能源出力波動對電網(wǎng)帶來的沖擊[11]。
間歇式能源消納模式自適應(yīng)切換技術(shù)主要用于主動配電網(wǎng)的運(yùn)行方式優(yōu)化調(diào)整，根據(jù)間歇式能源的出力情況和負(fù)荷的大小，自動調(diào)整優(yōu)化方式，選擇最佳的消納模式，實(shí)現(xiàn)間歇式能源的高效消納，減少能量損耗。
孤島狀態(tài)下的光伏消納技術(shù)主要用于當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)故障或設(shè)備故障時，通過儲能及聯(lián)絡(luò)開關(guān)等可控資源，主動形成孤島，并在孤島狀態(tài)下帶動光伏發(fā)電，同時恢復(fù)部分負(fù)荷供電，既提升了消納率也提高了可靠性[12]。
3示范工程社會經(jīng)濟(jì)效益分析
示范工程的實(shí)施，將對推進(jìn)主動配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化起到積極的推動作用。首先，對于主動配電網(wǎng)的間歇式能源消納及優(yōu)化技術(shù)的研究有利于在主動配電網(wǎng)仿真試驗(yàn)平臺技術(shù)、主動配電網(wǎng)控制設(shè)備研制、主動配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)開發(fā)等方面取得重要突破;其次，主動配電網(wǎng)的間歇式能源消納及優(yōu)化技術(shù)一方面能減少因電網(wǎng)故障的失電負(fù)荷和棄光發(fā)電，同步提升供電可靠性和光伏消納率，另一方面可以緩解大規(guī)模間歇式能源并網(wǎng)對配電網(wǎng)帶來的沖擊，保持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有顯著的經(jīng)濟(jì)與社會效益.
3.1經(jīng)濟(jì)效益
1)示范工程解決了由于電網(wǎng)側(cè)故障和廠內(nèi)電壓波動引起的光伏停機(jī)問題，光伏發(fā)電量同比增長6.14%，直接創(chuàng)造光伏發(fā)電收益21 778.24元。
2)示范工程優(yōu)化儲能充放電策略，達(dá)到了削峰填谷的目的，最大峰谷差降低約7.75%，并利用峰谷電價差取得直接經(jīng)濟(jì)收益1442.08元/日，年度直接經(jīng)濟(jì)收益可達(dá)52.64萬元。
3)基于示范工程的主動配電網(wǎng)技術(shù)，可為電網(wǎng)提供總計1.1MWh的后備電源以及靈活的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式，可為電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供可靠保障。
示范工程投運(yùn)前后各項技術(shù)指標(biāo)對比總覽見表3。
3.2社會效益
(1)對分布式電源、儲能的研究以及分布式電源與儲能的接入技術(shù)研究，包括通訊方式、通訊規(guī)約、信息模型等。這些技術(shù)研究為未來分布式能源大規(guī)模接入配電網(wǎng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
(2)基于優(yōu)化技術(shù)的能量管理系統(tǒng)的研究開發(fā)，對于未來主動配電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行具有十分重要的意義，能夠顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。
(3)主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器的研制，是未來面向主動配電網(wǎng)區(qū)域自治控制的前瞻性設(shè)備，是當(dāng)前智能配電網(wǎng)技術(shù)范疇中較為新穎的技術(shù)。
(4)通過示范工程，保證了示范區(qū)域的供電可靠性和光伏消納率要求，為用戶和能源供應(yīng)商提供了雙贏的解決方案，高度體現(xiàn)了供電企業(yè)的社會責(zé)任感。
4結(jié)語
示范工程充分展示了主動配電網(wǎng)技術(shù)基于全局優(yōu)化控制和自治控制相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了示范區(qū)域內(nèi)間歇式能源的100%消納和99.99%以上的供電可靠率，并有效降低峰谷差，取得年度直接經(jīng)濟(jì)收益52.64萬元。主動配電網(wǎng)是未來配電網(wǎng)發(fā)展的必然方向，通過對可控資源的充分利用可有效降低配電網(wǎng)的建設(shè)投資，提供電網(wǎng)設(shè)備利用率，同時能夠?qū)崿F(xiàn)間歇式能源的高效消納以及確保較高的供電可靠性。主動配電網(wǎng)技術(shù)雖沒有固定的技術(shù)形態(tài)，但其對可控資源因地制宜地合理控制是其技術(shù)本質(zhì)，示范工程充分詮釋了主動配電網(wǎng)的技術(shù)內(nèi)涵，為我國主動配電網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用提供了重要的指導(dǎo)和參考。(尤毅 余南華 宋旭東 張曉平)
