冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)的綜合優(yōu)化管理關(guān)鍵技術(shù)研究中文摘要

隨著冷熱電能源需求的不斷增加，可以同時提供電能、冷能和熱能的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)正蓬勃發(fā)展。不同于傳統(tǒng)微電網(wǎng)，對其的研究需從多種角度出發(fā)，依托冷熱電能的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，實現(xiàn)冷熱電混合能源的整體最優(yōu)。然而，就應(yīng)對冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度研究方面，尚缺少一套完整的設(shè)備建模、綜合評估、調(diào)峰調(diào)蓄、需求側(cè)響應(yīng)分析以及利用其消納分布式新能源的技術(shù)方法，這是本項目旨在解決的核心問題。主要研究內(nèi)容包括：1）冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)混合能源特性分析、優(yōu)化配置和綜合評估技術(shù)研究；2）冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)調(diào)峰調(diào)蓄關(guān)鍵技術(shù)及需求側(cè)響應(yīng)研究；3）冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)消納分布式新能源技術(shù)研究。從而建立冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)多時間尺度多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，探索規(guī)模化電能替代的應(yīng)用模式。為多能源互補聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方法提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，提升能源綜合利用效率，促進(jìn)可再生能源的就地平衡和消納，為國家的能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

隨著對于冷、熱、電等多種能源需求的不斷增加，城市微網(wǎng)由單一提供電能的微電網(wǎng)發(fā)展成為可以同時提供電能、熱能和冷能的微型能源網(wǎng)。因此，如何從綜合能源整體利用效率最高的角度出發(fā)，建立起一套完整的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)優(yōu)化配置、綜合評估、調(diào)度調(diào)峰、需求側(cè)響應(yīng)及消納分布式新能源等方面的技術(shù)方法，是本項目旨在解決的核心問題。對此，本項目首先分析了冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)的主要設(shè)備組成與能量耦合流動關(guān)系，提出了一種考慮混合潮流約束的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)規(guī)劃模型，并建立相應(yīng)的多指標(biāo)綜合評價方法對其進(jìn)行評估，從而得到滿足經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保要求的規(guī)劃方案。 其次，本項目建立了冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)并網(wǎng)優(yōu)化及需求側(cè)響應(yīng)模型，著重對比分析了儲能、可控負(fù)荷對系統(tǒng)優(yōu)化運行的影響。并在不同季節(jié)下分析系統(tǒng)優(yōu)化運行情況，給出對應(yīng)季節(jié)下各分布式發(fā)電機(jī)組的出力計劃、可控負(fù)荷調(diào)用計劃以及儲能安排情況?？蔀槔錈犭娐?lián)供微網(wǎng)的運行和需求側(cè)資源調(diào)動提供借鑒。 之后，本項目建立了計及相關(guān)隨機(jī)性因素的分布式新能源模型，并針對冬季我國北方供暖地區(qū)新能源消納困難的問題，提出了一種將整體系統(tǒng)視為多個冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)，進(jìn)行多區(qū)域互聯(lián)，并打破“以熱定電”規(guī)則，將冷熱能就地平衡的冷熱電綜合調(diào)度模型。用于研究具有一定波動性的分布式新能源在不同時間尺度和區(qū)間上對冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)的影響。 最后，本項目提出了一種考慮分布式新能源接入情況下，城市混合能源聯(lián)供微網(wǎng)的調(diào)度運行模型。該模型特別針對冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)中常見的城市高層建筑供熱用氣問題，進(jìn)行了深入的研究與探討，構(gòu)建了城市高層建筑分布式供熱用氣模型。在消納新能源的同時，改善高層建筑的用氣和用熱狀況，并帶來較好的經(jīng)濟(jì)和安全效益。 本項目共發(fā)表學(xué)術(shù)論文20篇，其中SCI論文10篇，ESI論文1篇，授權(quán)發(fā)明專利3項，受理發(fā)明專利1項，獲得軟件著作權(quán)2項，獲省部級科研獎勵1次，部分理論成果在特變電工新疆新能源股份有限公司西安園區(qū)的能量管理系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用。 2100433B

隨著全球能源、環(huán)境問題的凸顯，風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電得到蓬勃發(fā)展，為了適應(yīng)可再生能源分布式發(fā)電的規(guī)模化應(yīng)用，微網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生。微網(wǎng)技術(shù)給電力系統(tǒng)及用戶帶來的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益使得它己成為智能電網(wǎng)建設(shè)中的重要組成部分。為了充分發(fā)揮微網(wǎng)的優(yōu)勢，提高其運行管理水平，迫切需要研發(fā)微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(MGEMS)。

微網(wǎng)中含有諸多種類的分布式電源、儲能設(shè)備、電力電子換流設(shè)備和各類負(fù)荷等，具有分散性強、電源運行和用電需求方式靈活多樣、供電與用電互動性強等特點，因此傳統(tǒng)電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)便不再適用于微網(wǎng)的能量管理，故需要開發(fā)針對微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)。概括說來，微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(MGEMS )主要面臨著如下新的挑戰(zhàn) ：

1)多元的網(wǎng)絡(luò)化管理。網(wǎng)絡(luò)化管理在微網(wǎng)多能源利用過程中具有重要作用，它能使得微網(wǎng)系統(tǒng)運行時實現(xiàn)多能源供應(yīng)、多能源互補和最大限度額提高能源的利用率，以此降低系統(tǒng)運行的成本；

2)復(fù)雜的調(diào)度策略以及調(diào)度計劃?？稍偕茉词軗Q到環(huán)境和地理位置的影響，具有隨機(jī)性、間歇性和波動性等特點，其調(diào)度計劃難以預(yù)先安排，在加以開發(fā)利用時需要因地制宜，并采取合適的調(diào)度策略以及調(diào)度計劃；

3)多樣的新能源與分布式發(fā)電技術(shù)。新能源與發(fā)電技術(shù)多種多樣，形式不一，各種發(fā)電方式在一個系統(tǒng)中運行時，需要靈活的EMS和系統(tǒng)調(diào)度策略使之互補發(fā)電，從而保證能源的綜合有效利用。

多能互補微網(wǎng)能量管理微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)功能框架

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)為微網(wǎng)運行調(diào)度提供多種實時信息，保證微網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，并提高微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行水平。對于大電網(wǎng)來說，微網(wǎng)可以看作可控的電源或者負(fù)荷，根據(jù)電網(wǎng)的運行狀況和微網(wǎng)的需求，調(diào)節(jié)微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的能量交換。而微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)則根據(jù)負(fù)荷需求、天氣情況、電價以及氣價等信息，協(xié)調(diào)微網(wǎng)中的分布式電源、儲能和主動負(fù)荷等設(shè)備，對微網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度決策管理與控制，保證微網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行，提高微網(wǎng)電能質(zhì)量和供電可靠性。微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的主要功能框架如圖1所示。

多能互補微網(wǎng)能量管理微網(wǎng)能量優(yōu)化管理技術(shù)

隨著智能電網(wǎng)的起步與發(fā)展，分布式可再生能源電源己成為研究熱點，但是大量分布式能源直接并網(wǎng)運行將對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、電網(wǎng)安全以及穩(wěn)定性帶來影響，如何使得分布式電源與電力系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)運行，微網(wǎng)提供了一種切實有效的技術(shù)途徑，而為了實現(xiàn)微網(wǎng)中各分布式電源、儲能單元及負(fù)荷之間的最佳匹配，需重點研究微網(wǎng)能量優(yōu)化管理技術(shù) 。

微網(wǎng)能量優(yōu)化管理技術(shù)是從微網(wǎng)整體出發(fā)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)仉?熱負(fù)荷需求、電/氣價格、電網(wǎng)運行的相關(guān)要求、電能質(zhì)量要求、需求側(cè)管理等一系列信息進(jìn)行多維綜合優(yōu)化決策，以確定微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的交換功率、每個微電源出力計劃及主動負(fù)荷運行指令等。微網(wǎng)優(yōu)化運行調(diào)度是微網(wǎng)領(lǐng)域的重要研究課題，在微網(wǎng)能量優(yōu)化管理技術(shù)之中處于核心地位。

微網(wǎng)優(yōu)化運行調(diào)度技術(shù)通過合理地調(diào)度微網(wǎng)中分布式電源和儲能設(shè)備等單元的出力，以及與大電網(wǎng)之間的交換功率，可以在保證微網(wǎng)在安全、穩(wěn)定、可靠運行的前提下，實現(xiàn)其內(nèi)部能量流及其與大電網(wǎng)之間能量交換的優(yōu)化，使微網(wǎng)綜合效益最大化。因此，開展微網(wǎng)優(yōu)化運行調(diào)度方法方面的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

微網(wǎng)并/離網(wǎng)運行方式故障電流差距較大，微源投退、布局容量、控制方式等影響故障電流大小和方向，因此基于固定值的傳統(tǒng)過流保護(hù)方案不再適用于微網(wǎng)。

微網(wǎng)線路保護(hù)微網(wǎng)不同運行方式

微網(wǎng)的運行方式不同，故障電流的大小不同，因此微網(wǎng)保護(hù)整定值也應(yīng)不同。微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，右圖2(a)中F1處短路，流過2處保護(hù)的故障電流由系統(tǒng)(Is)和微源提供，其中主要由系統(tǒng)提供;而離網(wǎng)運行時，圖2(b)中F1處短路，PCC點靜態(tài)開關(guān)斷開，流過2處保護(hù)的故障電流只有微源提供，其幅值較小。當(dāng)DG1是逆變器型的微源時，故障電流更小。這是由于含逆變器型的微源故障電流注入能力被限制在兩倍額定電流以內(nèi)，且衰減迅速。

綜上，微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，故障電流較大;離網(wǎng)運行時，只有微源為其提供故障電流，故障電流較小。這使得基于固定值的傳統(tǒng)保護(hù)方案不能正確動作，因此微網(wǎng)線路保護(hù)的配置必須能適應(yīng)微網(wǎng)不同的運行方式 。

微網(wǎng)線路保護(hù)微源投退

單個微源在微網(wǎng)中具有“即插即用”的特點，意味著微源可以隨時接入或者退出微網(wǎng)，這導(dǎo)致微網(wǎng)線路故障時故障電流的不確定性，使得傳統(tǒng)保護(hù)方案不適用于微網(wǎng)。如圖3(a)F2處發(fā)生短路故障時，流過保護(hù)4處的故障電流由系統(tǒng)和微源提供提供;如圖3(b)，當(dāng)DG3退出運行時，F(xiàn)2處發(fā)生短路故障，流過保護(hù)4處的故障電流只有Is, IDG1。DG的投退影響了故障電流的大小。而傳統(tǒng)無源配電網(wǎng)F2處短路時，右側(cè)無故障電流因此也無保護(hù)安裝，DG接入配網(wǎng)后F2處短路時向故障點提供反向故障電流，在右側(cè)無保護(hù)的情況下會造成故障持續(xù)甚至繼續(xù)發(fā)展，影響供電的可靠性 。

微網(wǎng)線路保護(hù)微源布局、容量

配電網(wǎng)85%左右的故障都是瞬時故障，廣泛采用三段式電流保護(hù)。當(dāng)前由于微網(wǎng)接入容量較小、結(jié)構(gòu)簡單，多接入中低壓配電網(wǎng)，故在保護(hù)方面多配以簡單的過電流保護(hù)國川」。但是微源接入微網(wǎng)饋線中的位置不同、容量不同，對線路過電流保護(hù)的影響不同 ：

（1）DG接入微網(wǎng)饋線始端母線，下游線路中間點故障時，DG產(chǎn)生的助增電流使流過保護(hù)的故障電流增大，保護(hù)范圍也因此增大，可能延伸到所在保護(hù)下一段，使保護(hù)失去選擇性。而且DG輸出功率越大，影響越嚴(yán)重。

（2）DG接入微網(wǎng)饋線中間母線，當(dāng)下游線路中間點故障時，由于微源的助增作用，使流過下游保護(hù)的短路電流增大，使得末端保護(hù)靈敏性得到增強;同時由于微源的汲流作用，流過DG上游保護(hù)的故障電流減小從而使保護(hù)的靈敏性降低，保護(hù)范圍縮小，如果相應(yīng)保護(hù)沒有動作切除故障，則相應(yīng)遠(yuǎn)后備可能拒動。

（3）DG接入微網(wǎng)饋線末端母線，當(dāng)相鄰線路中間點故障時，DG向上游保護(hù)提供反向故障電流，可能引起保護(hù)誤動作。

微網(wǎng)線路保護(hù)微源控制方式

逆變型微源在并網(wǎng)運行時一般采用恒功率(PQ)控制方式，在孤島運行時根據(jù)需要可選擇PQ控制、恒壓恒頻(V /f)控制或Droop控制。因此控制目標(biāo)不同，在不同的控制方式下逆變型電源提供的短路電流差別較大。且當(dāng)DG輸出功率具有波動性和間歇性時，故障電流數(shù)值也隨之發(fā)生變化。

《智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究》是為適應(yīng)目前我國智能電網(wǎng)建設(shè)需要而編寫的，它縱觀了國內(nèi)外智能電網(wǎng)發(fā)展的最新動態(tài)，結(jié)合以往的運營經(jīng)驗，從新能源發(fā)電及儲能技術(shù)、輸電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)、變電站設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)、智能饋線自動化技術(shù)，微網(wǎng)的控制與保護(hù)技術(shù)、全維度智能化高級電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)、電動汽車技術(shù)、互動式用電技術(shù)、配電網(wǎng)智能化通信組網(wǎng)技術(shù)以及資產(chǎn)全壽命周期管理方面，介紹和探討了當(dāng)前智能電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，內(nèi)容深入淺出。本書由鐘清主編。