CN108418244A - 一种基于多微网柔性互联系统及其储能容量优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于多微网柔性互联系统及其储能容量优化方法，所述系统包括：多个微网、对应于所述多个微网的多个电压源型变换器装置和公共直流线路，多个所述电压源型变换器装置分别将对应的多个微网经公共直流线路互联。针对应用于平抑微网功率波动的储能装置容量过大问题，本发明通过灵活控制VSC，实现多个微网间的潮流优化调度，以充分利用不同微网功率曲线的互补性，从而降低微网当中的功率波动总量，并优化微网中所需的储能装置容量。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统中微网技术、电力电子技术、储能技术领域，具体地，涉及一种基于多微网柔性互联系统及其储能容量优化方法。
背景技术
近年来，越来越多的光伏(Photovoltaic，PV)发电系统以分布式电源的形式接入到配电网中，对于节能减排，发展清洁能源起到了积极有效的作用。但由于光伏发电易受天气、温度、光照强度等因素影响，其出力呈现出随机性和间歇性的特点，给配电网安全可靠运行带来了越来越多的挑战。在配电网运行层面，短期的光伏功率波动(秒级～小时级)会引发配电网的电压波动，配电网电压越限及一系列电压质量问题，导致多种配电网电压控制设备的高频开关动作与磨损；在配电网规划层面，长期的光伏功率波动(天级～年级)将使用户负荷增长和分布难以预测，并对配电网结构产生深刻影响。
为了平抑光伏发电的功率波动，实现其友好接入配电网，可通过限制分布式电源功率输出，负荷主动控制以及配置储能的微网集成三种方式实现。其中，限制分布式电源功率输出的方式会降低可再生能源利用率；负荷主动控制则对馈线上负荷的智能化水平提出了较高需求；相对而言，配置储能的微网集成方式在高比例可再生能源并网的基础上具备实际可操作性。
集成分布式光伏发电、储能系统(Energy Storage System，ESS)、本地负荷以及控制保护平台的微网技术成为当前电力行业的研究热点和发展趋势。微网整体作为一个可控电源/负荷接入上级配电网中，通过灵活控制微网内部的储能装置出力，可有效克服分布式光伏发电和用户负荷的功率波动性。然而，考虑到储能装置的成本，在分布式光伏渗透率较高的微网中，为保证系统经济性，无法配置相应容量的储能装置，微网功率波动的平抑亟需新的解决方案。
经检索，现有技术中尚未发现有与本发明主题相同或类似的报道。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多微网柔性互联系统及其储能容量优化方法，运用电力电子装置进行多微网柔性互联与功率控制，从而优化微网中储能装置容量。
根据本发明的第一方面，提供一种基于多微网柔性互联系统，包括：多个微网、对应于所述多个微网的多个电压源型变换器装置和公共直流线路，多个所述电压源型变换器装置(Voltage Source Converter，VSC)分别将对应的多个微网经公共直流线路互联，从而灵活调节微网功率，实现潮流的空间转移和互补，平抑微网中光伏和负荷固有的功率波动特性，大大降低微网中的储能容量。
进一步的，所述多个微网，其中每个微网内部均包括负荷、光伏发电装置以及储能装置，各个微网通过公共耦合点实现与上级配电网的功率交互；每个微网中的所述光伏发电装置分别经过第一AC/DC逆变器并网；所有微网中的所述储能装置均经同一个双向DC/DC变换器接入增设的所述公共直流线路中，完成多个微网柔性互联，并由各个微网和所述公共直流线路间的所述电压源型变换器装置实现功率互济。所述第一AC/DC逆变器用于实现光伏装置并入微网中。
进一步的，所有微网中的所述储能装置均经同一个双向DC/DC变换器接入增设的所述公共直流线路中，所述公共直流线路经直流断路器连接电压源型变换器即第二AC/DC逆变器的一端，所述电压源型变换器另一端经交流断路器并网，从而将各个微网由原先的分布式储能集成为统一储能装置。
本发明上述系统和现有的独立微网方案相比，多微网柔性互联仅需增设直流线路及直流断路器，将各微网原先的分布式储能集成为统一储能装置，改造简单，易于扩展，且具备一定的经济性。
根据本发明的第二方面，提供一种基于多微网柔性互联系统的储能容量优化方法，包括：
根据各个微网的容量确定各微网的瞬时净功率；
基于所述各微网的瞬时净功率，利用一时段内的净功率差值确定各微网功率波动；
基于所述各微网功率波动，确定在各微网间相互独立时N个微网在t时刻总共要处理的功率波动；
在多微网柔性互联下，通过对公共直流线路端口电压源型变换器装置的功率控制，依据微网的额定容量对系统功率在各微网间进行加权平均分配，确定公共直流线路上各电压源型变换器装置在t时刻所需调度的功率；
各微网在t时刻的实际净功率由负荷功率、光伏功率和电压源型变换器装置所需调度功率之和决定，将多微网柔性互联系统视作一个整体系统，基于上述各电压源型变换器装置在t时刻所需调度的功率，确定在t时刻多微网柔性互联系统总共要处理的功率波动，通过各微网间功率均衡控制，有效降低功率波动总量。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过公共直流母线和电压源型变换器(VSC)装置将多个微网互联起来，针对应用于平抑微网功率波动的储能装置容量过大问题，通过灵活控制VSC实现多个微网间的潮流优化调度，以充分利用不同微网功率曲线的互补性，从而降低微网当中的功率波动总量，并优化微网中所需的储能装置容量。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的基于多微网柔性互联系统拓扑图；
图2为本发明实施例1的基本配置示意图；
图3为本发明实施例2的基本配置示意图；
图4为本发明一实施例中不接储能装置时的微网净功率曲线；
图5a、图5b分别为本发明一实施例中微网1和微网2不接储能装置时的微网功率波动率曲线；
图6为本发明一实施例中微网1期望功率曲线以及储能功率曲线；
图7为本发明一实施例中微网2期望功率曲线以及储能功率曲线；
图8为本发明一实施例中微网柔性互联后的期望功率曲线以及储能功率曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于多微网柔性互联系统，包括：多个微网(交流微网1、交流微网2、……交流微网n)、对应于所述多个微网的多个电压源型变换器装置(VSC1、VSC2、……VSCn)和公共直流线路，多个所述电压源型变换器装置(VSC1、VSC2、……VSCn)分别将对应的多个微网(交流微网1、交流微网2、……交流微网n)经公共直流线路互联，从而灵活调节微网功率，实现潮流的空间转移和互补，平抑微网中光伏和负荷固有的功率波动特性，大大降低微网中的储能容量。
进一步的，所述多个微网(交流微网1、交流微网2、……交流微网n)，其中每个微网内部均包括负荷、光伏发电装置以及储能装置，各个微网通过公共耦合点实现与上级配电网的功率交互；每个微网中的所述光伏发电装置分别经过一第一AC/DC逆变器并网；所有微网中的所述储能装置均经同一个双向DC/DC变换器接入增设的所述公共直流线路中，完成多个微网柔性互联，并由各个微网(交流微网1、交流微网2、……交流微网n)和所述公共直流线路间的所述电压源型变换器装置(VSC1、VSC2、……VSCn)实现功率互济。
如图1所示，所有微网中的所述储能装置均经同一个双向DC/DC变换器接入增设的所述公共直流线路中，所述电压源型变换器装置为第二AC/DC逆变器，所述公共直流线路经直流断路器连接第二AC/DC逆变器的一端，所述第二AC/DC逆变器另一端经交流断路器并网，从而将各个微网由原先的分布式储能集成为统一储能装置。
本发明上述系统多微网柔性互联，仅需增设直流线路及直流断路器，将各个微网原先的分布式储能集成为统一储能装置，改造简单，易于扩展，且具备一定的经济性。
在多微网柔性互联架构下，微网间的功率交互通过各个储能VSC的协调控制实现，可采用Vrana T K等发表的文献“A classification of DC node voltage controlmethods for HVDC grids”(Electric Power Systems Research，2013)中提出的多端直流应用中各换流站的运行控制方法，即一个或多个VSC控制直流电压恒定，其他VSC控制微网间的功率传输。本发明一方面拓扑和现有微网拓扑不同，另一方面，现有的控制方法仅可实现互联微网间的功率可控性，但至于要控制多少功率流动，从而实现微网储能容量的优化，现在技术中并没有公开，即因此提出一种基于多微网柔性互联系统的储能容量优化方法。
本发明上述的基于多微网柔性互联系统，在平抑微网功率波动及优化储能容量方面的作用由下述理论分析和步骤确定：
假定有N个微网柔性互联，各微网的额定容量分别为Pm1,...,Pmk,...,PmN，各微网的瞬时净功率分别为P1(t),...,Pk(t),...,PN(t)。
微网的功率波动由一定时段内的净功率差值决定，该时段设为△t，则在t时刻各微网功率波动为：
Pk(t)-Pk(t-Δt),k＝1,...,N (1)
微网间相互独立时，N个微网在t时刻总共要处理的功率波动为：
在多微网柔性互联方案下，通过对公共直流线路端口VSC的功率控制，依据微网容量对系统功率在各微网间进行加权平均分配。此时公共直流线路上各VSC在t时刻所需调度的功率为(功率方向以流出多微网柔性互联系统为正)：
其中：Pmj代表第j个微网的额定容量；
各微网在t时刻的实际净功率由负荷功率、光伏功率和VSC所需调度功率之和决定，即：
柔性互联时，将多微网视作一个整体系统，则在t时刻微网系统总共要处理的功率波动为：
根据绝对值不等式，将(5)式简化后，可得：
(6)式表明，多微网柔性互联后，通过微网间功率均衡控制，可有效降低功率波动总量。且各个微网的净功率曲线互补性越好，柔性互联的功率波动平抑作用愈发明显，从而优化微网中所需的储能装置容量。
为了验证微网柔性互联方案对储能容量的优化作用，以下通过设计了两个实施例用于对比分析，如图2、3所示，其中：
如图2所示，实施例1由独立的两个低压配电线路组成，馈线上接有光伏和用户负荷，并配置相应容量的储能，形成两个微网系统；
如图3所示，实施例2则将实施例1中的两个微网通过公共直流线路柔性互联，进而用来实现对储能容量优化配置。
实施例中光伏和负荷的输出功率数据采用某产业园2017年4月17日的全天数据，采样周期为1min。两个微网的额定容量均为600kVA，微网1的光伏容量配置为150kVA，微网2的光伏容量配置为300kVA。两条微网的净功率曲线如图4所示。
为评价储能系统对微网中净功率波动的补偿效果是否满足要求，需要设定功率波动率作为指标。在ΔT时间段内，功率波动率定义为：
其中，Pn为额定功率，和为ΔT时间段内的最大和最小功率。判断目标功率输出是否满足要求，需保证功率波动率FΔT不超过设定的上限。
设置以下的波动率控制目标，以进行实施例下储能容量配置的差异性分析。
功率波动率控制目标：要求经储能补偿后的系统20min的功率波动率控制在10％以内。
根据两个独立微网的净功率数据，可测算出不加储能时各时刻相对应的波动率，如图5a、图5b所示。其中，微网1的20min功率波动率最大值出现在上午10点，为42.67％；微网2的20min功率波动率最大值出现在夜间0点，为36.33％。
两个微网上的净功率曲线均无法满足波动率目标要求，需要配置一定容量的储能以平抑功率波动。
如图2所示，实施例1由两个独立的微网系统组成，通过伏、用户负荷和储能的协调控制，平滑微网净功率波动，实现其友好接入上级配电网。
采用储能容量优化算法分别对两个独立微网配置一定容量的储能。在20min功率波动率控制目标下，微网1的期望功率和储能功率曲线如图6所示，微网2的期望功率和储能功率曲线如图7所示。本实施例中，储能容量优化算法可以采用现有技术实现，比如王成山等发表的文献“平滑微电网联络线功率波动的储能系统容量优化方法”(电力系统自动化,2013)中提出的方法。当然，也可以采用其他的储能容量优化算法。
根据储能容量配置方法及图6～图7的分析结果可知，在20min功率波动率控制在10％以内的目标下，微网1所需储能功率容量为150kW，能量容量为56kWh；微网2所需的储能功率容量为190kW，能量容量为79kWh。
互联微网方案如图3中的实施例2所示，通过微网间的功率均衡，从而降低微网中的净功率波动，优化储能容量配置。
互联微网方案中，储能容量将基于两个微网的净功率之和配置。在20min功率波动率控制目标下，互联微网的期望功率和储能功率曲线如图,8所示。
根据储能容量配置方法及图8的分析结果可知，在20min功率波动率控制在10％以内的目标下，互联微网所需的储能功率容量为206kW，能量容量为50kWh。
在F20min≤10％目标下，独立微网方案总储能功率和能量容量分别为340kW和135kWh,而互联微网方案分别为206kW和50kWh；对比分析可得：
通过微网柔性互联，可实现微网负荷的空间转移与功率均衡，从而降低多个微网系统的功率波动总量，在净功率波动控制目标下，优化多个微网储能的总功率容量和总能量容量。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种基于多微网柔性互联系统，其特征在于，包括：多个微网、对应于所述多个微网的多个电压源型变换器装置和公共直流线路，多个所述电压源型变换器装置分别将对应的多个微网经公共直流线路互联。
2.根据权利要求1所述的基于多微网柔性互联系统，其特征在于，所述多个微网，其中每个微网内部均包括负荷、光伏发电装置以及储能装置，各个微网通过公共耦合点实现与上级配电网的功率交互；每个微网中的所述光伏发电装置分别经过一个AC/DC逆变器并网；所有微网中的所述储能装置均经同一个双向DC/DC变换器接入增设的所述公共直流线路中，完成多个微网柔性互联，并由各个微网和所述公共直流线路间的所述电压源型变换器装置实现功率互济。
3.根据权利要求2所述的基于多微网柔性互联系统，其特征在于，所有微网中的所述储能装置均经同一个双向DC/DC变换器接入增设的所述公共直流线路中，所述公共直流线路经直流断路器连接第二AC/DC逆变器的一端，所述第二AC/DC逆变器另一端经交流断路器并网，从而将各个微网由原先的分布式储能集成为统一储能装置。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于多微网柔性互联系统，其特征在于，所述各个微网间的功率交互通过各个电压源型变换器装置的协调控制实现。
5.一种上述权利要求1-4任一项所述的基于多微网柔性互联系统的储能容量优化方法，其特征在于，包括：
根据各个微网的容量确定各微网的瞬时净功率；
基于所述各微网的瞬时净功率，利用一时段内的净功率差值确定各微网功率波动；
基于所述各微网功率波动，确定在各微网间相互独立时N个微网在t时刻总共要处理的功率波动；
在多微网柔性互联下，通过对公共直流线路端口电压源型变换器装置的功率控制，依据微网容量对系统功率在各微网间进行加权平均分配，确定公共直流线路上各电压源型变换器装置在t时刻所需调度的功率；
各微网在t时刻的实际净功率由负荷功率、光伏功率和电压源型变换器装置所需调度功率之和决定，将多微网柔性互联系统视作一个整体系统，基于上述各电压源型变换器装置在t时刻所需调度的功率，确定在t时刻多微网柔性互联系统总共要处理的功率波动，通过各微网间功率均衡控制，有效降低功率波动总量。
6.根据权利要求5所述的基于多微网柔性互联系统的储能容量优化方法，其特征在于，所述基于所述各微网的瞬时净功率，利用一时段内的净功率差值确定各微网功率波动，是指：
假定有N个微网柔性互联，各微网的容量分别为Pm1,...,Pmk,...,PmN，各微网的瞬时净功率分别为P1(t),...,Pk(t),...,PN(t)；
微网的功率波动由一定时段内的净功率差值决定，该时段设为△t，则在t时刻各微网功率波动为：
Pk(t)-Pk(t-Δt),k＝1,...,N。
7.根据权利要求6所述的基于多微网柔性互联系统的储能容量优化方法，其特征在于，所述在各微网间相互独立时N个微网在t时刻总共要处理的功率波动，具体为：
8.根据权利要求7所述的基于多微网柔性互联系统的储能容量优化方法，其特征在于，所述公共直流线路上各电压源型变换器装置在t时刻所需调度的功率，具体为：
9.根据权利要求8所述的基于多微网柔性互联系统的储能容量优化方法，其特征在于，所述各微网在t时刻的实际净功率，具体为：
10.根据权利要求9所述的基于多微网柔性互联系统的储能容量优化方法，其特征在于，所述在t时刻多微网柔性互联系统总共要处理的功率波动，具体为：
上式表明，多微网柔性互联后，通过微网间功率均衡控制，能有效降低功率波动总量，且各个微网的净功率曲线互补性越好，柔性互联的功率波动平抑作用愈发明显，从而优化微网中所需的储能装置容量。
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