基于云儲能和云發(fā)電技術的集中控制云電網系統(tǒng)研究

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(1.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065；2.西南石油大學電氣信息學院，四川 成都 610500)

0 引 言

近百年來高碳經濟的發(fā)展導致了地球氣候和環(huán)境的變化，延續(xù)現(xiàn)有的能源生產模式將會給地球帶來毀滅性災難，發(fā)展風能和太陽能等清潔型新能源來取代常規(guī)能源，是解決能源危機、降低二氧化碳排量、控制全球氣候變化、避免地球環(huán)境惡化、保持可持續(xù)發(fā)展的最有效途徑。目前新能源建設主要發(fā)展

基金項目：國家863高技術基金項目(2011AA05A119)；國家自然科學基金項目(51037003)

集中式新能源電廠，集中式新能源建設存在如下問題：1)集中式的新能源電廠一般遠離負荷中心；2)發(fā)電量不確定，隨機動態(tài)變化；3)新能源發(fā)電可控性差；4)新能源并入傳統(tǒng)電網，將給電網帶來較大的沖擊。

為解決上述問題，業(yè)內提出了微電網技術和分布式儲能技術，國內外學者對微電網技術和分布式儲能技術做了大量研究，取得了很多有價值的研究成果，并建立了一些示范工程試點運行。研究和試點表明，微電網系統(tǒng)和分布式儲能技術主要存在如下問題：1)電網對微電網系統(tǒng)和分布式儲能系統(tǒng)缺乏有效的統(tǒng)籌、控制和管理；2)微電網和分布式儲能缺乏與電網統(tǒng)一協(xié)調的優(yōu)化運行機制；3)由于電網和微電網的經濟性不顯著，并存在管理和政策上的障礙，目前缺乏市場推動的源動力[1-15]。

1 系統(tǒng)構成

1.1 新概念介紹

所用到的新概念有云儲能、云發(fā)電、云終端和云電網系統(tǒng)。所提到的最終計費用戶是指電網中安裝末端計費電表的個人或單位用戶。

云儲能是指儲能裝置分布安裝在最終計費用戶地點的分布式儲能系統(tǒng)。與現(xiàn)有分布式儲能不同的是單個儲能裝置容量更小，儲能裝置分布更廣，因儲能裝置總數大大增加而使得整體儲能容量大大增加。

云發(fā)電是指發(fā)電裝置分布安裝在最終計費用戶地點的分布式發(fā)電系統(tǒng)。與現(xiàn)有分布式發(fā)電不同的是單個發(fā)電裝置容量更小，發(fā)電裝置分布更廣，因發(fā)電裝置總數大大增加而使得整體發(fā)電容量大大增加。

云終端是指具有發(fā)電裝置、儲能裝置、終端購電配電控制能力，并受云電網控制中心控制和調度的最終計費用戶終端。

云電網是在現(xiàn)有集中發(fā)電的基礎上，最終計費用戶使用云終端，構成以集中發(fā)電、云發(fā)電、云儲能為主體的電網系統(tǒng)。

1.2 云電網結構

云電網結構如圖1所示，云電網主要由控制中心、云終端管理器和云終端組成。控制中心通過通信線路與云終端管理器聯(lián)結，并通過云終端管理器與云終端聯(lián)結。通過云終端管理器可以讀取其管理的云終端用電、發(fā)電、儲電等各種數據，從而得到整個電網各云終端的基本數據。控制中心分析計算電網數據，并根據分析處理結果控制云終端儲能設備的工作狀態(tài)，選擇儲能或向電網輸能。

首先，創(chuàng)新管理觀念。農業(yè)科研管理創(chuàng)新，可以使農業(yè)科研更科學和系統(tǒng)化，符合技術發(fā)展實際，有利于技術研究。

圖1 云電網結構

云終端控制器由變壓器、逆變器、控制器組成。變壓器從電網取電，并將所取的電轉換為220 V/380 V為云終端供電。逆變器與云終端的儲能設備連接，將云終端所儲的直流電能轉換為與電網頻率、電壓一致的交流電能輸送到電網，完成云終端向電網的輸電能力。控制器通過通信線路與控制中心和云終端聯(lián)結，通過與控制中心通信獲得控制中心的命令，并向控制中心傳輸云終端的數據和狀態(tài)；通過與云終端的通信傳輸控制中心的控制命令，獲得云終端的數據和狀態(tài)。

1.3 云終端組成結構

云終端主要由發(fā)電設備、儲能設備、云終端控制器以及其他功能模塊組成，組成結構如圖2所示。

圖2 云終端組成結構

圖2中，云終端控制器對外與云終端管理器通信，接受云終端管理器的控制命令，向云終端管理器發(fā)送本地數據；對內與所有其他電路模塊聯(lián)結，控制各電路模塊的工作模式，讀取各電路模塊的工作數據。云終端的負荷分為交流負荷和直流負荷。發(fā)電設備的電能通過直流變換轉換為直流電能，連接供電線路的交流充電電路可以為儲能設備充電，也可為本地提供直流電源。云終端控制器根據云終端管理器的控制命令，通過直流選擇開關選擇發(fā)電設備、儲能設備或電網之一為直流負荷供電。發(fā)電設備通過交流變換將電能轉換為滿足本地交流負荷技術指標的交流電，儲能設備通過逆變器將所儲電能轉換為交流。在云終端管理器的控制下，云終端控制器通過交流選擇開關選擇發(fā)電設備、儲能設備或電網供電為交流負荷供電。當電網電能不夠，需要云終端提供電源時，云終端控制器控制輸電開關將電能輸送到直流線路，并通過云終端管理器將直流轉換為交流上網供電。當電網電能過剩，需要云終端儲能時，云終端控制器控制交流充電電路為儲能設備充電。

云終端接入電網后，電網中云終端的發(fā)電設備和儲能設備既可以為本地負荷供電，也可以上網供電。在電網中所有的云終端發(fā)電設備構成了云發(fā)電網，所有的云終端儲能設備構成云儲能網。這種帶有集中發(fā)電、云發(fā)電、云儲能的電網形式構成了云電網。

2 云電網控制管理和研究內容

2.1 控制和管理

云電網的管理與控制是控制中心對全網的集中式控制與管理，采用集中式分層控制模式，分3個控制與管理層面，分別為：控制中心對云終端管理器的管理與控制；云終端管理器對云終端的管理與控制；云終端對本地的發(fā)電、用電、儲能與上網的管理與控制。

中心控制系統(tǒng)通過云終端管理器掌握云電網運行情況，根據云電網運行情況選擇適合的控制策略，并將控制策略發(fā)給云終端管理器。

云終端管理器接受控制中心的控制命令，根據控制命令和所管理的云終端的實際情況，計算所管理云終端的控制策略，并將控制策略發(fā)送給相關云終端。

云終端根據收到的控制命令，對本地的儲能設備進行儲能與送電控制，并對本地進行發(fā)電、配電控制。比如光伏陣列與地面夾角控制；風力渦輪機轉速和漿距角控制；光伏、風機的最大功率點跟蹤；儲能設備在充放電過程中功率、電流、電壓、開始時刻、結束時刻、持續(xù)時間的控制等等。

通過集中式分層控制與管理，既可以全局把握云終端的海量數據，并對數據進行實時分析計算，得到控制策略，又將全網的數據分析與控制策略分析運算分配給云終端管理器，從而實現(xiàn)并行運算，有效提高計算效率，減少系統(tǒng)控制響應時間。

2.2 研究內容

云電網系統(tǒng)是建立在現(xiàn)有電網系統(tǒng)上的一種新型系統(tǒng)構架，構建云電網系統(tǒng)，需要進行如下研究：云終端系統(tǒng)結構、云終端系統(tǒng)輸配電控制方法、云終端并網技術、云電網潮流分析方法、云電網通信系統(tǒng)研究、云電網控制方法、云電網系統(tǒng)穩(wěn)定性研究以及云電網系統(tǒng)經濟效益分析等等。

3 云電網的效益評估

云終端安裝于最終計費用戶地址，并由最終計費用戶出資，分散了云發(fā)電、云儲能投入資金，不必為云發(fā)電、云儲能規(guī)劃用地，容易解決云發(fā)電和云儲能系統(tǒng)的資金和用地問題，有利于推動新能源的大范圍使用。

根據云電網的需求，云儲能可以用作可控電源，也可以用作可控負荷。云終端的使用提高了電網的控制能力和調節(jié)能力，使得電網更加穩(wěn)定和堅強。

云終端發(fā)電與負荷零距離，避免了輸電損耗；云儲能為電網提供備用電源，減少了電網備用發(fā)電容量；云終端從電網獲得的電能大大減少，減少了電網輸電配電容量設計。可見，使用云電網技術可以提高電網的效率。

云終端可以孤立運行，電網的故障不會造成云終端停電，提高了最終計費用戶用電的可靠性。

云電網結構只是在現(xiàn)有電網結構上，在云終端與云終端控制器之間增加了直流線路，其他線路都應用了現(xiàn)有電網線路，因此云電網建設易于在現(xiàn)有電網基礎上進行升級與改造。

4 云電網的可行性分析

云終端的本質是現(xiàn)有微電網系統(tǒng)的小型化。微電網系統(tǒng)的研究成果和成功運行，為云終端的設計與實現(xiàn)提供了設計參考，為解決云終端設計中可能出現(xiàn)的問題提供了技術保障。相對于現(xiàn)有分布式儲能研究，云儲能的儲能終端數量大大增加，儲能能量要大得多，但是云儲能上網的逆變器位于云終端管理器，云終端管理器在電網的規(guī)模上與已有的分布式儲能成功案例相當，因此，現(xiàn)有的分布式儲能研究成果和成功運行案例為云儲能建立了研究基礎。

現(xiàn)有的分布式儲能技術和分布式發(fā)電技術為云發(fā)電、云儲能技術提供了研究基礎，也驗證了云發(fā)電、云儲能的可行性。現(xiàn)代通信技術和控制技術為云電網提供了成熟的通信手段和控制方法。因此，基于云儲能、云發(fā)電、云終端、現(xiàn)代通信技術和現(xiàn)代控制技術的云電網系統(tǒng)不存在無法解決的技術難題，具有可行性。

5 結 語

1)基于云儲能、云發(fā)電集中控制的云電網系統(tǒng)為推廣使用新能源提供了新的方法，為最終計費用戶大規(guī)模使用清潔新能源并上網提供了新方案。

2)集中式分層控制模式是云電網通信、控制和管理的有效方法。通過集中式分層控制模式，云電網控制中心可以獲得全網數據，并對全網進行有效控制。

3)云電網的應用，可以推動清潔能源的大規(guī)模推廣使用，提高電網效率，減少電網備用容量，使得電網更加堅強與穩(wěn)定。云電網建設易于在現(xiàn)有電網上升級與改造。

4)微電網研究和分布式儲能研究的應用案例為云電網研究提供了研究基礎，證實了云電網實現(xiàn)的可行性。