嵌入式發電和儲能系統在配電網中的應用

任田磊 王浩國 全 飛 倪威中 卞 玉 吳 倩

（1.國網浙江省電力有限公司杭州市錢塘區供電公司 2.天地電研（北京）科技有限公司）

0 引言

電力需求的增加、可再生能源的整合以及對電網彈性的需求導致了嵌入式發電和儲能技術的出現。嵌入式發電是指在消費點或消費點附近分散發電，而儲能系統能夠存儲和隨后釋放電能。嵌入式發電和儲能具有重要意義。

通過分散發電，可以緩解集中電網的中斷，特別是在自然災害或電網故障期間可確保可靠的電力供應。嵌入式發電有助于減少輸電損失，并支持清潔、可持續的能源系統的接入。通過在接近負荷的地方發電，嵌入式發電可減少電能損失。

1 嵌入式發電系統

1.1 嵌入式發電技術

目前主流的嵌入式發電技術包括太陽能光伏、風力渦輪機發電、熱電聯產和燃料電池。

太陽能光伏發電是嵌入式發電中的一項重要技術，使用由半導體材料組成的太陽能電池板將陽光直接轉化為電能；太陽能光伏系統可以各種規模安裝，從住宅樓的小型屋頂安裝到大型太陽能發電場[1]。

風力渦輪機利用風的動能并將其轉化為電能，可以各種規模部署，從住宅或社區的小型渦輪機到商業發電的大型公用事業規模渦輪機。風力渦輪機可以與其他能源集成，如太陽能光伏或柴油發電機以創建混合動力系統，提高可靠性并根據資源可用性優化發電[2]。

熱電聯產涉及從單一能源同時生產電力和有用熱量；其提供了一種高效和可持續的方法來滿足電能和熱能需求[3]。

燃料電池提供了一種清潔高效的方式，可以將化學能直接轉化為電能。燃料電池利用電化學反應發電，可以利用各種燃料，例如氫氣、天然氣、甲醇和其他可再生燃料[4]。

1.2 嵌入式發電系統與配電網的集成

將嵌入式發電系統集成到配電網中涉及各種組件、技術和控制機制，如圖1 所示。

圖1 嵌入式發電系統集成配電網示意圖

嵌入式發電的集成涉及連接點選擇、功率調節、保護和控制以及電網互聯。

1.2.1 連接點選擇

嵌入式發電系統在特定的連接點處連接到配電網，連接點的選擇取決于嵌入式發電源的容量和特性。評估嵌入式發電機的容量和特性需要考慮額定功率輸出、電壓水平和發電機性質等因素（如太陽能光伏、風力渦輪機、熱電聯產機組），以確定發電機與配電網的兼容性。

一般情況下，連接點的選擇需要借助可行性研究實現。可行性研究需要評估負載需求、電壓水平、故障水平、電能質量和網絡穩定性等因素，以確定最合適的連接點。

另外還需要考慮接入點電壓等級的選擇，例如低壓（LV）和中壓（MV）。低壓連接通常用于較小容量的發電機，中壓連接用于較大容量的發電機并提供更高的電壓水平，從而實現更長距離的更高效電力傳輸。主要目的是確定網絡是否有足夠的容量來容納嵌入式發電機的額外功率注入。通過評估電壓水平以確保連接點與網絡的電壓調節能力一致。

1.2.2 電力電子設備和逆變器

功率逆變器是嵌入式發電系統中的重要組成部分，用于將太陽能光伏系統、風力渦輪機和其他來源的能源輸出轉換為與電網同步的交流電。嵌入式發電系統中的電力電子設備大多采用了先進的控制算法，以優化電力轉換效率、管理電力流并確保電網穩定性。主要控制算法和計算步驟如圖2 所示。

圖2 電力電子逆變器的主要控制算法和計算步驟

在嵌入式發電系統中，不同的控制方法可以相互配合，實現高效可靠地運行。主要有PWM 控制和電流控制組合方式、PWM 控制與電壓控制組合方式、電網同步控制和功率因數控制組合控制、電網同步控制和下垂控制方式、模型預測控制（MPC）和分層控制。

1）PWM 控制與電流控制經常協同工作，以調節電力電子設備和逆變器的輸出電流。PWM 控制調整開關信號的占空比性以控制施加到負載的電壓，而電流控制技術，例如磁滯控制或電流反饋控制，確保實際電流與期望的參考電流匹配。

2）PWM 控制和電壓控制可以協同調節電力電子設備和逆變器的輸出電壓。PWM 控制調整開關信號的占空比信號以控制電壓幅度，而電壓控制技術，例如電壓反饋控制或下降控制，將實際電壓與期望的參考電壓進行比較以精確地保持期望的電壓電平。

3）電網同步控制與功率因數控制相互配合，可確保嵌入式發電系統與電網的合理集成。電網同步控制技術，如鎖相環（PLL），可將嵌入式系統的頻率、相位和電壓與電網對齊。功率因數控制技術能夠調整電流的相位角或幅度以提高功率因數并降低無功功率消耗。

4）電網同步控制與下垂控制可在多個發電機組并聯運行的系統中協同工作。電網同步控制可確保發電機組與電網同步，下垂控制能根據與參考值的頻率或電壓偏差調整每個機組的輸出功率。

5）模型預測控制和分層控制在嵌入式發電系統中可以相互補充。MPC 用在更高級別的控制層以優化系統性能，預測未來行為，并可基于系統模型做出控制決策。另一方面，分級控制可以提供不同級別的協調和優化，包括單元級的局部控制和系統級的協同控制。

雖然大多數控制方法可以相互配合和補充，但在某些情況下，某些控制方法可能是互斥的。

1.2.3 功率調節

嵌入式發電源的輸出功率需要在與配電網同步之前進行調節，以確保與現有電網基礎的兼容性。其主要功率調節方法和實現步驟如圖3 所示。

圖3 嵌入式發電系統的功率調節

嵌入式發電系統需要同步并連接到電網，以確保系統穩定性。控制技術用于使發電的頻率、電壓和相位與電網同步，從而實現嵌入式發電和電網之間的無縫電力交換。

其中，有源功率控制機制用于根據電網要求和負載條件調節嵌入式發電系統的功率輸出。控制算法持續監測電網參數并調整發電量，以保持電網穩定，避免頻率偏差，并支持電網電壓調節。

1.2.4 保護和控制

嵌入式發電系統需要保護系統和控制機制來預防故障并確保可靠運行。保護和控制系統通過監測電壓、頻率和功率流等參數，以保護嵌入式電源和配電網。主流的保護有過電流保護、電壓保護、頻率保護、反向功率保護、失電保護損失及同步控制。

過電流繼電器監測嵌入式發電系統及其相關電路中的電流，可以檢測和隔離由過電流引起的故障，如短路或過載；可確保嵌入式發電系統免受損壞。電壓繼電器監測嵌入式發電系統內的電壓水平，可檢測異常電壓條件，如過電壓或欠電壓。電壓保護機制確保嵌入式發電系統在規定的電壓范圍內運行。頻率繼電器監測電氣系統的頻率，并檢測與標稱頻率的偏差。頻率保護機制有助于保持電網穩定性，并保護嵌入式發電系統免受潛在損壞。反向功率繼電器用于監測嵌入式發電系統在并網模式和孤島模式下運行的情況。這些繼電器可監測功率流，并防止功率在孤島運行期間流回至電網。在并網系統中，失電保護用于確保嵌入式發電系統在電網故障或停電期間與電網斷開連接，防止反送電。

同步控制確保嵌入式系統在連接至電網前與電網電壓、頻率和相角保持同步，能夠防止連接過程中可能發生的瞬態干擾。

2 儲能系統

2.1 主流儲能技術

電池儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、抽水蓄能等技術在嵌入式發電和儲能中發揮著重要作用。

電池儲能系統能夠實現能源生產和消耗的時移。在為嵌入式發電和存儲選擇電池儲能時，應考慮容量和額定功率、循環和放電深度、電池系統效率、響應時間和功率輸送等因素[5]。

飛輪儲能具有很多優勢，例如高功率密度、快速響應時間、長運行壽命和幾乎無限的循環能力。然而，與電池等其他技術相比，其儲能能力有限[6]。

壓縮空氣儲能是一種利用壓縮空氣儲存和釋放能量的技術。雖然其支持大規模的儲能容量并具有較長的使用壽命，但與其他儲存技術相比，能源效率相對較低，需要合適的地質構造進行地下儲存，以及需要更高的建設和維護成本[7]。

抽水蓄能是一種廣泛應用于嵌入式發電和儲能的技術，在電力低需求時期使用多余的電力將水從較低的水庫運送到較高的水庫。然后，在電力高峰需求期，通過渦輪機將高水位中儲存的勢能用于發電[8]。

2.2 嵌入式儲能系統與配電網的集成

將嵌入式儲能系統集成到配電網絡中涉及各種組件、技術和控制機制。如圖1 所示，與配電網的集成包括以下步驟。

2.2.1 連接點選擇

用于能量存儲系統的接入點的選擇，與嵌入式發電系統的接入點選擇非常相似，不再敘述。

2.2.2 電力電子設備和逆變器

電力電子設備和逆變器在控制嵌入式儲能系統的運行中起著至關重要的作用。多種控制方法常結合使用以實現能量的有效轉換及能量存儲系統的有效管理。關鍵控制方法和實施步驟如圖4 所示。

圖4 儲能系統中電力電子和逆變器的關鍵控制方法和步驟

常用的控制包括電壓和電流控制、充電狀態（SoC）控制、頻率和電壓調節、電網同步控制、電能質量控制、能源管理系統（EMS）集成。

1）電力電子轉換器和逆變器調節流入和流出儲能系統的電壓和電流。該控制方法可確保電壓和電流水平保持在安全和最佳范圍內，防止能量存儲系統的過充電或過放電。

2）SoC 控制監測和維持儲能系統中的適當充電水平，以確保最佳性能和壽命。電力電子設備和逆變器通過基于負載需求、電網條件和其他操作因素動態調整充電和放電速率來實現SoC 控制。

3）電力電子設備和逆變器實現雙向功率流，允許儲能系統根據需要注入或吸收功率，以穩定電網頻率和電壓。

4）電力電子設備和逆變器采用同步控制方法，使儲能系統的電壓、頻率和相位角與電網的電氣參數相匹配。能夠在并網模式和孤島模式之間平穩過渡，在并網或斷開事件期間保持穩定。

5）通過控制算法和濾波技術，電力電子設備監測電網的電能質量參數并補償偏差，確保為連接的負載提供穩定、高質量的電力供應。

6）EMS 確定電力調度策略、負荷優先級和系統對電網條件的響應，而電力電子設備執行控制命令以調節能量流并保持系統性能。

2.2.3 儲能控制

儲能系統本身的控制主要包括電池管理系統（BMS）和充電狀態（SoC）以及健康狀態（SoH）估計。值得注意的是，能源管理系統（EMS）、電網集成和輔助服務、孤島檢測和反孤島保護、需求響應和負載管理可以位于電力電子和逆變器以及儲能系統本身。儲能系統的關鍵控制方法和步驟如圖5 所示。

圖5 儲能系統的關鍵控制方法和步驟

2.2.4 保護和控制

儲能系統的保護和控制系統配置包括保護設備和控制設備的組合，以確保儲能系統的安全可靠運行。主要有過電流保護、電壓保護、頻率保護、超溫保護、短路保護、接地故障保護等。

過電流保護常安裝在重要位置，如儲能系統的輸入和輸出連接，以監測電流水平。電壓保護用于監測系統內關鍵點的電壓水平。頻率保護持續監測電網頻率，并在頻率超過預定義限值時觸發保護動作。超溫保護在溫度上升超過安全閾值時，會激活冷卻系統，減少功率輸出，或啟動停機程序以防止過熱。短路保護可以快速識別短路并啟動保護動作。接地故障保護通過監測電流，可識別指示接地故障的任何不平衡。

嵌入式儲能系統的具體保護系統配置應根據系統的大小、儲能技術的類型、系統配置以及適用的電網規范和標準等因素而變化。

3 儲能系統與可再生能源的協調運行

3.1 協調運行

為了與可再生能源協同工作，嵌入式儲能系統在平衡發電和消費、優化可再生能源利用和提高電網穩定性方面發揮著至關重要的作用。以下是嵌入式儲能與可再生能源協同工作的具體步驟：

1）資源評估：對將部署嵌入式儲能系統與可再生能源資源進行全面評估。

2）儲能系統規模：根據可再生能源發電概況、能源需求和系統要求，確定儲能系統的規模和容量。

3）控制策略制定：控制策略決定儲能系統將如何與可再生能源相互作用，例如何時根據可再生能源的可用性和波動情況對儲能系統進行充電或放電。

4）預測和預測分析：通過調整充電和放電時間表來優化儲能系統的運行，以應對可再生能源的變化。

5）功率平滑：儲能系統通過在高發電期吸收多余功率，在低發電期釋放儲存的能量，以平滑可再生能源的間歇性功率輸出。

6）調峰：儲能系統在高能耗時期通過釋放儲存的能量來減少電力峰值需求，以優化可再生能源的使用。

7）電壓和頻率調節：當可再生能源輸出波動時，儲能系統可為電網提供電壓和頻率支撐。也可通過注入或吸收無功功率來調整功率輸出。

具體的配置和實施將取決于可再生能源的具體特性、儲能技術和系統要求。

3.2 面臨挑戰

雖然集成嵌入式發電和儲能系統帶來了巨大的好處，但也存在需要解決的挑戰和障礙。

混合動力系統基礎方面，混合動力系統需要結合多種發電技術和儲能系統以發揮其互補優勢，其集成與控制技術非常復雜[9-10]。例如，將太陽能光伏與風力渦輪機相結合，或將電池與燃料電池相結合。

系統運行和控制方面，協調發電和儲能系統，優化能源調度，維護電網穩定，需要復雜的控制策略和先進的監控系統。另外，開發智能控制算法和實時通信基礎設施對于確保系統高效可靠運行也是至關重要的。

4 結束語

在技術進步和對清潔能源系統日益增長的需求的推動下，嵌入式發電和儲能正在迅速發展。

將各種發電技術和儲能系統集成到電力系統中需要仔細的系統設計、可靠的協調和控制系統，這在技術上十分具有挑戰性。

各類新興趨勢和先進技術正在塑造嵌入式發電和儲能的未來，并推動電力系統向更清潔、更有彈性的能源系統過渡。