国家863项目主动配电网关键技术及示范工程实现

“主动配电网的间歇式能源消纳及优化技术研究与应用”示范工程设计与实现,2015年10月,国家高技术研究发展计划（863计划 ）,智能电网智能电网高级分析与优化运行关键技术 重大专项,汇报人：余南华博士 单 位：电科院,内容,863项目关键技术与示范工程背景,1,示范工程设计,2,示范工程实施,3,示范工程应用与项目总结,4,传统配电网面临大规模间歇式能源接入后带来的问题：四个挑战,供需失衡：资源配置的被动,控制缺失：资源协调的被动,管理缺失：资源管理的被动,服务缺失：资源服务的被动,网,源,荷,网,荷,源,配网自动化,网,荷,源,配网自动化,配网能量管理,气象,高级应用,资源,网,荷,源,电网侧,用户侧,1、863项目关键技术-背景,控制缺失,即插即忘处理 导致供需失衡,管理缺失,市场与服务缺失,发电侧,1、863项目关键技术-背景,比较分析了传统配电网技术、微网技术与主动配电网技术的间歇式能源消纳特点。,传统配电网消纳,微电网消纳,主动配电网消纳,广泛接入 即接即忘 低效消纳,区域接入 局部协调 高效消纳,广泛接入 全局协调 高效消纳,1、863项目关键技术-背景,主动配电网的定义 可以综合控制分布式能源（分布式发电、柔性负载和储能）的配电网，可以使用灵活的网络技术实现潮流的有效管理，分布式能源在其合理的监管环境和接入准则基础上承担对系统一定的支撑作用。,具备一定比例的分布式可控资源 网络拓扑可灵活调节的配电网 较为完善的可观可控水平 实现协调优化管理的管控中心,区别于传统配电网的 四个主要特征,1、863项目关键技术之1 主动配电网的综合规划方法,在主动配电网的框架下，提出了可信电力电量平衡分析方法。,提出了可控资源规划方法，实现两个目标： 解决计算间歇式能源出力的小概率问题 解决完成配电网网架规划后的实际消纳问题,可控资源 (储能、可控负荷等),储能优化配置,配置过高成本高,配置过低无法满足消纳、削峰填谷需求,配置合理配电网经济性、可靠性最佳,可控资源优化规划流程,可控负荷配置,可控负荷配置越高，越有利于调峰与削峰填谷,1、863项目关键技术之2 主动配电网的综合规划方法,提出了多级分层消纳控制模式，可实现间歇式能源并网发电的即插即用式的控制与管理。,分层控制框架,多级消纳模式,1、863项目关键技术之3 多级分层消纳模式,点、线、面消纳对间歇式能源的消纳率逐步提升，通过主动模式切换的形式灵活选择消纳模式可以更有效地消纳间歇式能源。,多级分层消纳仿真结果,点消纳,线消纳,面消纳,提出了量化描述储能特性，并考虑系统应对N-1供电故障、消纳新能源的供蓄能力指标，实现间歇式分布式电源平稳运行所需的配电网不同层面的功率支撑配置。,转移供电能力,转移蓄电/消纳能力,约束条件,转移供电能力示意图,转移蓄电能力示意图,1、863项目关键技术之4 供蓄能力指标计算,1、863项目关键技术之5 源网功率控制,传统协调控制系统,原始数据中存在误差优化算法计算周期较长,馈线控制误差概念,交换功率的实际值与最优值之间的差异,提出馈线控制误差(FCE)指标，用于平抑区域自治运行与全局优化的整体运行状态之间的差异，建立主动配电网馈线控制误差自治控制技术（简称FCE控制）。,1、863项目关键技术之5 源网功率控制,分布式能源本身注入馈线的有功和无功功率引起节点电压发生变化，既有可能是抬升节点的电压水平也有可能是降低节点的电压水平，取决于分布式能源的类型，控制模式，还取决于馈线的参数和负荷大小等因素。,主动配电网无功电压全局优化控制是在主动配电网最优潮流的基础上，通过优化馈线上各个无功源的无功输出以及可调变压器分接头档位位置，实现无功潮流的合理分布。,主动配电网无功电压全局优化控制,在全局优化基础上，实时调节馈线上SVR的分接头档位及具备快速无功响应能力的SVC等动态无功补偿设备的无功输出，确保馈线所有节点电压始终处于合理的安全区间内,主动配电网无功电压实时协调控制,分布式能源本身注入馈线的有功和无功功率引起节点电压发生变化，其控制过程需综合考虑分布式能源的类型，控制模式，以及馈线的参数和负荷大小等因素,提出了在电网孤岛运行条件下，通过对可控资源的主动管理，实现相联络馈线的有序消纳与复电，解决停电弃光与复电的问题，同时实现可靠性的提升。,L,L,L,G,G,10kV,400V,L,G,L,G,ESS,孤岛条件下高效消纳与馈线复电,主动配电网管理系统,协调控制器,协调控制器,协调控制器,储能作为可控资源的有序消纳与复电,1、863项目关键技术之6 协调控制运行方式优化,1、863项目关键技术之7 主动配电网复合储能管理系统,完成量化电池控制边界条件，提出储能管理控制方法，复合储能协调控制策略，实现智能双向调节管理。,控制边界,智能双向调节,1、863项目关键技术之8 主动配电网灵活运营模式建立,提出了电网主导的AND运营模式，采用基于差异化用电的运营优化和基于电网效益的运营控制，分别从管理和操作层面解决大规模DER并网后的“削峰”和“消纳”问题。,电网主导的ADN运营模式,“削峰”,“消纳”,非合同用户 合同可调用户 合同可中断用户,运营目标,运营 对象,供用电合同 与 实时电价,运营 手段,可控资源优化,调节手段优化,基于差异化用电的运营优化,宏观规划,基于电网效益的运营控制,微观网络,优化点消纳，调节线消纳和面消纳,消纳目标,最优运营策略,电价水平,用户比例,实时电价,调切策略,挑战与主动配电网理念,资源配置 被动,资源协调 被动,消纳不充分、可靠性待提高,资源优化 被动,资源共享 被动,任务一：综合规划、信息控制策略,任务二： 消纳模式,任务四： 能量管理,任务三： 协调控制,任务五： 电能质量,任务六： 复合储能,任务七：示范工程,任务八： 灵活运营模式,研究任务及其关联关系,实现目标,可靠性与经济性协调的规划,多方协调控制有序消纳模式,可靠性与消纳率指标,全局最优能量电能质量管理,多方互动的灵活市场模式,1、863项目技术总路线,神舟电力5.5MWp光伏发电示范项目，是中国航天旗下佛山神舟光伏电力有限公司依托佛山市广成铝业有限公司和金世界铝业公司屋顶投资建设的金太阳示范项目。项目安装总容量为5.5MWp，分两期实施。一期2.5MWp，于2012年10月并网发电；二期3MWp，于2013年5月份并网发电。,1、863项目之 示范工程背景,供电可靠性,光伏消纳率,99.9855%（2012）铝业线停电1次：5.2小时 100.000%（2013）无停电 99.8857%（2014）全部停电1次：10小时,98.6%（2014） 2014年停机累计约300小时，其中工厂管控强制性停机240小时，因此按60小时停机计。,光伏发电的消纳问题,光伏发电的优化运行问题,厂外10kV配网线路停电导致光伏逆变器停机,部分用电设备启停引起光伏逆变器电压波动，导致光伏停机,优化光伏发电的利用效率，包括削峰填谷、减少功率向变电站倒送、孤岛发电电源,光伏投资商技术需求,课题技术验证需求,利用主动控制技术，解决孤岛消纳问题和电压波动消纳问题,利用主动能量管理技术，实现能量优化运行,部分技术的工程验证问题,消纳模式切换、有功无功功率控制、最优计划曲线、复合储能执行有效性、孤岛复电效率、研制设备有效性、两个指标（消纳率和可靠性）,功能验证、指标测试验证,1、863项目之 示范工程背景,内容,示范工程设计,2,863项目关键技术与示范工程背景,1,示范工程实施,3,示范工程应用与项目总结,4,2 示范工程设计,示范工程位于佛山市三水工业区中心科技工业区南边C区佛山广成铝业有限公司厂区和金世界创新铝业有限公司厂区。“优质金太阳工程”,位置,2期分布式光伏发电，总容量5.5MWp 3套储能系统，总容量1.1MWh 4条10kV馈线（黄南线）、铝业线、萧海线、塘溪线，含1条联络线（萧海：塘溪）,规模,全年日照小时数高于1600小时，光照充足 大体呈现工业负荷特点，峰谷特性明显 节假日阶段，光伏倒送现象时有发生,特性,网络结构示意,金世界铝业电房 （渗透率23.47%）,广成铝业挤压电房 （渗透率26.53%）,广成铝业氧化1#2#电房 （渗透率20.06%）,广成铝业立氧电房 （渗透率6.88%）,复杂线消纳模式：可控资源为联络线+储能，用于渗透率更高场景,简单线消纳模式：可控资源为储能,点消纳模式,2 示范工程设计,金世界铝业电房 （渗透率23.47%）,广成铝业挤压电房 （渗透率26.53%）,广成铝业氧化1#2#电房 （渗透率24.06%）,广成铝业立氧电房 （渗透率6.88%）,黄南线,铝业线,萧海线,塘溪线,主动配电网能量管理系统,用户能量管理系统,主动协调控制器,主动协调控制器,主动协调控制器,主动协调控制器,信息交互,2 示范工程设计,内容,示范工程实施,3,863项目关键技术与示范工程背景,1,示范工程设计,2,示范工程应用与项目总结,4,主动配电网能量管理系统：用于对示范区域现场的各种分布式电源(光伏发电和储能单元)以及关键节点(分布式电源PCC点，新建联络节点，用户侧与配电网的关口节点)进行状态监视，利用示范区域的储能单元以及新建联络开关设备，通过协调控制及灵活网络技术实现示范区域内光伏发电的高效消纳及网络的经济运行,软件功能架构,系统硬件配置,3 示范工程实施-主站系统,通信网络：考虑现场各个监测点分布特性、光纤施工难度以及建设成本等因素，主动配电网示范区域通信网络在接入层主要采用无线专网通信方式，接入层与主动配电网能量管理系统主站的通信则选择租用通信供应商的VPN光纤通道,3 示范工程实施-通信网络,信息流：示范区域内主动配电网能量管理系统与其他相关信息系统（光伏预测子系统、主动配电网运营系统、微网管理系统）以及现场控制器和自动化终端设备等进行数据共享与信息交互,3 示范工程实施-信息交互,建成示范工程资源配置一览表,3 示范工程实施-资源配置,内容,示范工程应用与项目总结,4,863项目关键技术与示范工程背景,1,示范工程设计,2,示范工程实施,3,示范应用1：主动配电网最优潮流 主动配电网最优潮流技术可以实现日运行收益1442.08元/天，优化前后峰谷差由原来3973kW降低至3665kW，峰谷差降低7.75%,日前负荷预测,日前光伏预测,日优化调度策略,无功策略,有功策略,优化效果,4 示范工程应用与项目总结,示范应用2：基于FCE的区域自治控制技术 在指定目标（馈线目标值240kW）下基于FCE的区域自治控制可以在光伏波动和负荷波动的影响下，保持馈线的净输出功率稳定，馈线的总体负荷特性得到明显改善,基于FCE的区域自治控制效果,FCE控制前馈线功率,FCE控制后馈线功率,4 示范工程应用与项目总结,示范应用3：间歇式能源消纳模式自适应切换 当发生间歇式能源出力变化较大引起功率倒送时，通过间歇式能源消纳模式自适应切换技术 ，进行运行方式灵活调整，自适应选择消纳模式,检测到光伏发电倒送现象,启动消纳模式切换,选择运行方式,合环校验,执行运行方式调整,调整后运行方式,4 示范工程应用与项目总结,示范应用4：配网停电条件下，孤岛消纳与孤岛复电技术。 配电网故障停电时，在主动控制的作用下，间歇式能源能够快速（13s）恢复并网发电； 对比测试表明，综合考虑人工操作时间，基于研发的多单元储能控制器的负荷储能性能的现场表现由于市场主流的磷酸铁锂电池，有利于提高供电可靠性。,复合储能离网运行 孤岛复电(1s),PV逆变器完全启动孤岛消纳(13s),广成铝业挤压电房复合储能主动控制,磷酸铁锂储能 孤岛复电(11s),PV逆变器完全启动孤岛消纳(31s),金世界铝业锂电池手动控制（含低压脱扣）,4 示范工程应用与项目总结,可靠性,消纳率,100%（2015） 实测值： 100% 理论计算值：99.99%以上,98.6%（2014） 2014年全年累计停机360小时（见用户应用证明），扣除强制性停机，技术性停机达60小时。,100%（2015） 实测值：100% 理论计算值：99.9999%以上,投运前,投运后,99.9855%（2012）铝业线停电：5.2小时 100.000%（2013）无停电 99.886%（2014）全停电：10小时,4 示范工程应用与项目总结,4 示范工程应用与项目总结,第35页/共30页,4 示范工程应用与项目总结,4 示范工程应用与项目总结,相关研究成果已经在多个国内外顶级期刊上发表，出版首部专著。,第36页/共30页,4 示范工程应用与项目总结,课题组按照“理论研究装备研发示范工程技术标准体系”研究思路开展工作，提出了主动配电网间歇式能源多级分层消纳模式这一创新性技