基于柔性直流互联的多微网集成聚合运行优化及分析

摘要

中国科学院电工研究所、中国科学院大学电子电气与通信工程学院的研究人员张释中、裴玮、杨艳红、肖浩、孔力,在2019年第5期《电工技术学报》上撰文,为解决多微网集成聚合控制与运行管理问题,提出一种多微网柔性直流互联方案及多目标优化调度方法。

首先介绍了多微网柔性直流互联结构和电压源型变流器(VSC)模型。然后,以微网中电压波动最小和系统网损最小为优化目标,综合考虑交流系统、直流系统和VSC的运行约束,提出了基于柔性直流互联多微网的多目标优化模型。最后,采用改进非劣排序多目标遗传算法(NSGA-II)和交直流混合潮流算法对多目标优化模型进行求解,得到帕累托(Pareto)最优解集,针对Pareto最优解集中解的数量大的问题,提出采用模糊聚类法对Pareto最优解集进行筛选,得到最终优化调度方案。

对算例进行了仿真分析,结果表明所提模型和算法能够有效抑制微网电压的波动,进而提高可再生能源的渗透率,同时保证系统的经济运行。

随着国家可再生能源发展规划的推进以及城市环境和能源转型的迫切需求,大量的新能源示范城市、绿色能源县、可再生能源产业园区等建设将逐渐加快,分布式可再生能源渗透率的增加成为必然趋势,其接入的运行控制与稳定性问题近年来也受到关注。

目前通过微网方案可以部分解决分布式电源(Distributed Generator, DG)接入的控制、功率平滑、运行以及管理等问题,但随着交流配电网中微网数量的快速增长,如何将多个微网集成聚合起来以提高系统的可靠性,增强能源互补与能量管理,提升辅助服务等会受到越来越多的关注与研究。

目前的研究主要集中在主动配电网、虚拟电厂和交流互联多微网等解决方案。主动配电网方案是将分散连接到多条交流馈线的微网进行统一运行调度与实施主动管理,协调微网间以及大电网的功率分配出力。虚拟电厂方案则是通过先进的信息通信技术和软件系统实现不同微网、储能、电动汽车、可控负荷等分布式资源的聚合和协调优化,以将其作为一个特殊电厂参与电力市场和电网运行。

这两种方式均是基于现有网络结构,通过采用先进的信息和控制技术,实现提升微网和配电网的运行能力和经济性,但是受到固有结构限制,难以进一步在可再生能源功率波动分担、潮流灵活控制、增强可靠性等方面发挥更大的作用。

同时,有学者提出在规划设计时考虑不同微网间的相互配合以及微网故障的自愈能力,但受制于交流网架结构和可再生能源的地理分布,故障时相互支持的能力有限,广域范围多微网的互补特性难以充分发挥。

此外,还有学者提出通过交流线路互联多个微网的方案,但是通过交流线路互联,无法控制各个微网间的交换功率,难以实现潮流的自由调节,限制了多微网集成聚合运行的灵活性。并且文献中所提方案都只从经济性角度考虑,以发电成本最小或运行成本最小作为优化目标,但在最优经济性运行的情况下,可再生能源出力过大可能会导致微网内及其并网点的电压波动,甚至出现电压越限的情况。

因此,通过柔性直流互联多个微网进行集成聚合运行优化是一种新的技术方案,相较于交流互联,通过电压源型变流器(Voltage Source Converter,VSC)的柔性直流互联多个微网,能够实现对有功功率和无功功率的解耦控制,并且能够控制多微网间的交换功率,提高多微网集成聚合运行的灵活性;可以在更大的时空范围利用不同微网的风电、光伏的互补性,实现可再生能源更广范围的分散接入与波动均担;同时能够有效抑制可再生能源波动带来的电压波动和越限问题,从而进一步提高微网对可再生能源的消纳能力。

目前,在配电系统中应用交直流混联技术已成为国内外研究热点。美国北卡罗来纳州立大学的学者提出FREEDM交直流混合配电系统用于管理可再生能源和储能等即插即用设备;美国弗吉尼亚理工大学CPES中心提出的楼宇交直流配电系统,可以提高可再生能源的接入比例和系统能效;欧洲丹麦奥尔堡大学的学者提出了交直流混合微电网多种工作模式转换与控制方案。

总体来看,目前研究集中在多端直流领域的设备拓扑结构、阀控技术以及变换器控制等方面,并取得一定成果,交直流混合配电系统已具备了实际运行的基础。

随着中低压柔性直流装备以及控制技术的逐渐成熟和应用,交直流混合配电网将成为未来配电网的形态之一,尤其是在多微网接入的情况下,交直流混合配电将会是其重要的解决方案。但是如何更加合理地运用柔性直流来互联多微网,进行多微网集成聚合优化运行,目前尚未有深入研究。

本文立足于此,提出将多个微网通过柔性直流互联的方案,在每个微网按自身经济性最优运行的情况下,采用柔性直流互联方案灵活调控多微网间的交换功率,解决电压波动和越限问题,从而提高微网对可再生能源的消纳能力,同时进一步优化系统的网损问题。

本文以微网中电压波动最小和系统网损最小为优化目标,从多目标优化的角度对VSC的功率优化调度问题进行了研究,提出了多微网柔性直流互联的多目标优化模型,采用NSGA-Ⅱ算法、交直流混合潮流算法以及模糊聚类法对模型进行求解。最后通过单次潮流和连续潮流的仿真,从电压水平、可再生能源渗透率和网络损耗角度验证了所提模型和算法的有效性。

图1  基于VSC的多微网互联结构

图5  多微网互联算例

结论

随着配电网中微网数量的增加,面对微网中分布式电源出力的间歇性、波动性造成的电压波动和电能质量下降,以及因此带来的可再生能源渗透率难以提高的问题,本文提出通过柔性直流互联多个微网集成聚合运行的技术方案。以微网中电压与标称电压方差最小和系统网损功率最小为优化目标,提出了一种基于柔性直流互联的多微网多目标优化模型,应用NSGA-Ⅱ算法和交直流混合潮流算法对模型进行了求解,并利用模糊聚类法对Pareto最优解集进行筛选,得到最终优化调度方案。

对算例进行了仿真分析,结果表明:所提模型和算法能够有效抑制微网中电压波动,进而提高可再生能源的渗透率,同时保证系统的经济运行,对于多微网的集成聚合管理具有理论和实际意义。

交直流混合配电网是未来配电网的一个重要发展方向,在本文提出的基于柔性直流互联多微网的技术方案基础上,可以在直流电网中接入各类直流源荷和储能装备等,作为未来交直流混合配电网的一种运行方案。但是通过直流交换功率涉及不同微网间交易机制问题,相关方面仍有待进一步研究。