可再生能源發電集群實時仿真與測試 節選

第1章 緒論 1.1 概述 近年來，隨著全球能源緊缺、環境污染和氣候惡化問題的日益嚴峻，加快開發利用可再生能源已成為國際社會的共識。中國作為世界上能源消耗量和需求量都非常大的發展中國家，政府十分重視調整能源產業革命，大力發展可再生清潔能源也已成為我國的重要能源戰略[1，2]。 分布式發電主要指地理上接近負荷側的分散型發電裝置。由于不同國家（或地區）分布式電源的發展背景、發展階段、發展需求、電網規模和電壓等級存在差異，對分布式電源的定義也不盡相同，見表1.1[3]。 分布式發電由于具有可就地消納、無須長距離輸送、接入靈活等優點，近年來受到廣泛關注[3]。2016年12月，國家發展和改革委員會印發《能源發展“十三五”規劃》提出，要調整優化風電開發布局，大力發展分散式風電；優化太陽能開發布局，優先發展分布式光伏發電；在電動汽車方面，新增集中式充換電站超過1.2萬座，分散式充電樁超過480萬個，滿足全國500萬輛電動汽車充換電需求[4]。截至2021年12月，我國分布式光伏發電裝機容量已經達到1.075億kW，約占全部光伏發電裝機容量的三分之一[5]。分散式風電的發展也將隨著一系列政策文件的激勵及制度的完善而駛入快車道[6]。此外，小水電、生物質發電、地熱發電也將在分布式發電中占據一定比例。 隨著分布式電源裝機容量爆發式增長，電網中大量井噴式、小容量、分散化的分布式電源接入，局部地區（如浙江海寧市、北京延慶區）將出現分布式光伏滲透率超過200%的情況，電網消納能力不足的問題日益顯著，這將對局域電網的安全穩定及經濟運行產生重大影響，給電網的安全穩定運行帶來巨大挑戰。為了解決分布式發電的消納難題，實現分布式發電靈活、有序、高效并網，“分布式發電集群”的概念應運而生。分布式發電集群是指由地理或電氣上相互接近或形成時間、空間互補關系的若干分布式發電單元，屬于同一類型和同一運行控制方式、電壓相關的分布式電源場站集合，有時也包含該區域內的部分儲能、負荷及其他控制裝置，集群具備自治能力，通過信息交互、信息匯總等手段實現對集群總體的調度與控制[7]。 分布式發電集群與微電網的概念有一定交叉，但也存在明顯的差異。微電網是指由多種分布式電源、儲能、負荷及相關監控保護裝置構成的能夠實現自我控制和管理的區域自治型電力系統。下面列舉二者的主要區別[7]，通過對比也有助于讀者進一步理解分布式發電集群的概念與作用。 首先，從解決的問題上看，分布式發電集群主要面臨的問題是，某些情況下分布式發電裝機容量要遠遠超過區域內的*大負荷，必然產生余電外送的問題，因此對上級電網來說，分布式發電集群大多數時間扮演著電源的角色，因而側重于將分布式發電集群作為電源來調度與控制。而微電網解決的核心問題在于通過一個自治的系統，實現利用本地發電供應用戶用電需求，雖然也存在向電網送電的情況，但大多數時候微電網是作為電網負荷出現的。 其次，從構成元素上看，分布式發電集群中雖然有時也包含區域內的部分儲能、負荷等，但分布式電源是其主體，側重于對分布式電源的調控。而微電網則是由源-儲-荷構成的統一整體，分布式發電與負荷均為微電網的必要元素。 *后，從元素的劃分原則上來看，微電網通常由地理和電氣上距離相對緊湊區域內的全部元素構成，通過公共連接點（point of common coupling，PCC）連接至上級網絡，是劃分相對固定、元素較為完備的“小型電力系統”。而分布式發電集群的劃分則不局限于分布式發電單元在地理和電氣上的位置，有時還需要考慮其在時間與空間上的互補特性，以期為電網提供平穩可靠的電力供應。因此，分布式發電集群既可以是物理上真正的集群，也可以是依靠信息技術組織在一起的“虛擬集群”，且集群的劃分可根據運行條件的變化而進行調整，具有動態性和靈活性。 可見，分布式發電集群的并網消納涉及范圍更廣，調控手段也較為復雜。其關鍵技術包含以下幾方面[7]。 （1）集群規劃、劃分技術。集群基于分布式電源的時空分布特性，對“源-網-荷-儲”進行協同的優化規劃設計，實現集群內各主體高效的協同互動與互補。 （2）集群調控技術。研究分布式集群協調控制與優化調度技術，協調多種能源集群互補發電，提高配網運行效益和消納能力。 （3）即插即用的并網裝備與技術。研究新型功率變換裝置突破分布式電源逆變器功率密度與效率提升的技術瓶頸。研究新型一、二次設備，提高分布式電源并網靈活性。 1.2 仿真測試需求 在各種技術研究與實施的過程中，仿真測試是不可或缺的關鍵一環，是開展上述工作的基礎。發展快速有效的仿真技術和仿真平臺，對分布式發電集群的各種穩態、暫態行為特征進行分析，進而為其規劃設計、優化調度、控制策略驗證、故障定位與隔離、網絡自愈、保護設備整定、實際物理設備試驗等提供基本的技術手段與技術平臺，具有重要的研究意義。 盡管電力系統仿真技術經過幾十年的研究，已經發展出了很多較為成熟的技術，但由于分布式發電的不斷發展又帶來了一些新的問題，需要研究更多新技術、新方法，以適應大規模分布式發電集群并網對仿真測試平臺提出的更高要求。具體體現在以下幾點。 （1）分布式發電集群模型具有維數高、規模大、仿真慢的問題[8]。要解決此問題，迫切地需要開發大規模多類型分布式發電集群等值建模系統，全面、快速、高效地支持多個電源點及多種類型以上的分布式電源多時間尺度等值建模，實現大規模分布式發電集群高效精確建模和含大規模分布式電源電網仿真的大幅高效降維。 （2）分布式發電集群仿真面臨運行控制模式多樣、離散狀態與連續過程交織、動態演變過程復雜等問題。一方面，分布式電源大多通過電力電子換流器并網，傳統的實時仿真步長已不能滿足主動配電網實時仿真的精度需求；另一方面，可再生能源出力具有長時間尺度的波動特性，如風速波動、光照波動[9]。分布式電源與電網在多時間尺度上交互影響，對此，需要研究多時間尺度仿真方法，如全過程動態仿真、機電-電磁混合仿真等。 （3）分布式發電集群并入的配電網存在信息物理耦合緊密、交互影響的問題。而電力與通信的日益深度融合，也使電力系統的安全性、可靠性受到沖擊[10]。對此，需要開發電力-信息混合仿真技術，為融合信息通信的電力系統調控手段、信息網絡安全、通信故障等問題的研究提供支撐。 （4）分布式發電集群相關新型并網裝置的數?；旌蠈崟r仿真測試也面臨仿真規模和精度難以兼顧的問題[11]。目前的實時仿真工具如RTDS、RT-LAB限于仿真算法和計算能力，只能進行小規模系統的實時仿真，越來越難以適應實際應用的需求。對此，迫切需要突破傳統仿真規模的實時仿真新技術。 總之，為提高模擬電力系統動態運行特征的有效性，推動分布式電源與配電網的友好互動技術的發展，優化分布式電源消納的經濟效益，急需開展分布式可再生能源發電集群仿真和測試技術研究，一方面驗證分布式發電集群協調控制、能量管理等策略的有效性，另一方面測試并網裝置、測控保護裝置等一、二次設備的可靠性，降低安全運行風險，減少配電網管理成本，增加分布式電源項目經濟性。 1.3 關鍵技術 1.3.1 分布式發電集群等值建模技術 集群技術*初應用于大規模風電集群并網控制，漸漸也拓展到分布式光伏等其他分布式電源領域。分布式電源的集群控制形式上是對區域內分布式電源進行整合，但區別于虛擬電廠內部電源的多樣性，集群控制對象一般為同種類型或出力特性近似的機組，在控制策略上更側重于集群內各機組、不同控制目標在空間和時間上的協調互補，克服單機控制的孤立性和盲目性[12-14]。 在建模過程中，若對分布式發電集群中的每一臺機組及其場內集電網絡進行建模，則其對電力系統的影響可以視為將多臺小容量的發電設備、升壓變壓器及大量的連接線路模型加入到電力系統模型中，不僅增加了電力系統模型的規模，而且還會帶來許多嚴重問題，諸如模型的有效性、數據的修正等，同時也將增加潮流計算、時域仿真等分析手段的計算時間。此外，在實際工程中，大規模分布式電源并網對電網產生的影響往往是從“場”的層面，即若干臺機綜合效應的“和”，考慮更多的是分布式電源的外特性對電網的影響，對于規劃和運行部門來說，使用分布式電源詳細模型來進行分析是沒有必要的。因此，為了減少計算量和仿真時間，有必要采用等值的方法描述分布式發電集群[15，16]。 可再生能源集群等值建模方面，早期的研究主要集中在大規模風電集群，下面以風電集群的等值為例介紹等值建模。等值建模方法從等值系統機組數量上可分為單機等值法和多機等值法；從等值參數計算方法上可分為加權平均等值法和優化算法等值法。 早期的單機等值法是指將風電場用一臺機組表征，通過容量加權法求取等值機功率，并以等值前后損耗不變為原則計算等值阻抗參數。這種方法雖然簡單，但對定速風電機組適用性尚可，對變速風電機組則精度往往較差，原因在于風電場內存在尾流效應、風電所處地形不同，輸入風速不同，使得各臺變速風電機組運行點有較大差異，用單臺風機表征且采用加權平均等值法求取的參數，對風電場整體動態特性反映不準確。對此的改進有兩個方向，其一是繼續采用單機等值，但在等值參數的求取上，以等值前后風電場整體出口處特性一致為目標，利用遺傳算法等優化算法進行參數辨識[17]。這種方法好處是等值模型階數低，簡化程度更高。但是當不同風電機組運行點差異較大時，即便求得了等值參數的*優解，也未必能夠準確表征風電場特性。因此，單機等值方法近來已較少提及，多機等值法，即將風電集群內運行點相近的機組用一臺機組等值，從而得到用幾臺機組表征的風電集群[18，19]，成為研究的主流。 大型風電場內機組相對集中，電氣距離較短，等值建模相對容易。而分布式發電集群具有多布點、多時段、跨空間的變化特性，需要綜合考慮分布式電源空間分布集中度、多機出力相似度等要素，集群內不同控制方式和不同元素的分布式電源等值建模方法也有所不同。此外，為了適應不同仿真時間尺度的需求，對分布式發電集群也應進行多時間尺度的等值建模，建立其電磁暫態/動態/穩態的等值模型。 1.3.2 配電網數字仿真技術 配電網數字仿真技術是指對電網中的各種發電設備、控制設備、線路、變壓器等元件建立數學模型，并用計算機進行數值求解的一種技術，按仿真時間尺度，可分為電磁暫態仿真、機電暫態仿真和中長期動態仿真。 電磁暫態仿真是用數值計算方法對電力系統中從數微秒至數秒之間的電磁暫態過程進行仿真模擬。電磁暫態仿真必須考慮輸電線路分布參數特性和參數的頻率特性、發電機的電磁和機電暫態過程及各種元件（避雷器、變壓器、電抗器等）的非線性特性，電磁暫態仿真的數學模型必須建立這些元件和系統的代數或微分、偏微分方程。因此，電磁暫態仿真中模型階數很高，加之解的時間常數*小可達毫秒甚至微秒級，仿真步長很小，從而仿真規模受到很大限制[20]。 機電暫態仿真和中長期動態仿真一般用微分方程和代數方程描述動態元件，用代數方程描述線路，用數值積分方法求解這組微分方程組和代數方程組，以獲得物理量的時域解[21]。機電暫態仿真和中長期動態仿真一般用來研究電力系統受到擾動后的發電設備、控制設備的動態行為及系統電壓和頻率的運行情況，擾動包括短路故障、切除線路或負荷、分布式發電受到光照波動、風速波動等。機電暫態仿真與中長期動態仿真的區別在于所包含元件動態模型的時間尺度及仿真的時間尺度不同：前者一般關注時間常數在毫秒到秒級尺度的元件動態，如風電機組的功率控制、槳距角控制、轉速控制，光伏發電的功率控制、*優功率控制，以及一些響應較快的電網級的控制手段，如自動電壓控制、自動發電控制等；而后者一般關注時間常數在秒級以上的元件動態，如長時間光照、風速波動，電網中響應較慢的控制、調度策略等。由于配電網的機電暫態和中長期動態是一個連續的過程，兩種過程中的動態行為又相互影響，