【环球瞭望】哈尔滨工业大学 宋蕙慧等:网元体系——适应未来智能电网发展的新理念

摘要: 原文发表在《电力系统自动化》2017年第41卷第15期,欢迎品读。

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原文发表在《电力系统自动化》2017年第41卷第15期,欢迎品读。

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本文引文信息

宋蕙慧, 于国星, 曲延滨, 等. Web of Cell体系——适应未来智能电网发展的新理念 [J]. 电力系统自动化, 2017, 41(15): 1-9. DOI: 10.7500/ AEPS20160915002.

SONG Huihui, YU Guoxing, QU Yanbin, et al. Web of Cell Architecture—New Perspective for Future Smart Grids [J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(15): 1-9. DOI: 10.7500/ AEPS20160915002.



适应未来智能电网发展的新理念

宋蕙慧,于国星,曲延滨

DOI: 10.7500/AEPS20160915002


为解决大量分布式并网所带来的问题,提高电网对分布式能源的消纳率,智能电网的概念被提出来,它是电力工业发展的方向和趋势。在智能电网背景下,欧盟资助的智能电网综合研究计划ELECTRA在2015年的国际供电会议上针对未来(2030+)可再生能源高度渗透的电力系统,提出Web-of-Cell(WoC)体系这一理念。它是针对未来大量分布式能源并网所提出的一种全新电网体系结构,是对智能电网长期研究后形成的前瞻性研究成果。WoC体系在简洁性、灵活性等方面的优势使其更适合于大规模分布式能源并网的场景,对未来电网建设具有重要的启示和借鉴价值。



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什么是WoC体系

WoC体系是一种以Cell为基本单元的分布式控制结构,这一结构采用了“弱中心化”的思想。ELECTRA将Cell的概念定义为:在一定的电力或地理边界范围内,互联的分布式发电机、储能单元以及负荷的灵活组合。每个Cell内都有足够的有功备用容量和无功补偿容量进行电压和功率平衡控制,而且单个Cell并不是一个孤立的供电孤岛,它与相邻Cell之间存在基于平衡功率市场机制的功率交换。


在WoC体系中,Cell的划分要考虑物理电网的实际情况,尊重地理或电力边界,实现与电网资产所属关系的匹配。各个Cell在控制上对等,但在地理分布、控制区域规模、能源资源分布上并不完全相同,Cell内部可以有多个电压等级,相邻Cell间通过一条或多条物理连接线相连。此外Cell内部有大量的监测设备和储能设备,为其提供充足的可观测性服务和辅助服务。Cell运营商(Cell Operator,CO)将取代传统电网中的TSO和DSO成为其内部监测、控制、调度、优化以及Cell间全局优化的核心。

图1  电力系统层次性控制体系结构


图2  WoC体系结构



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WoC体系与现有概念体系

有什么区别


1)WoC体系与集中控制体系

传统的电力系统采用集中控制体系,TSO作为电力系统核心,用于维持发电和用电的平衡,DSO负责将输电网发送来的电能分配给负荷,并对配电网进行实时监测和控制,以解决区域电压问题。尽管经过几十年的实际应用,集中控制体系的可靠性和稳定性得到了广泛的验证和认可,但由于分布式能源在能源供应商和电力消费者中的优势,未来大规模分布式能源并网的电力系统已变成必然趋势,而这些局限性正是推动电力市场调整和重组的动力。不同于传统的集中控制体系,WoC体系针对的是DG高度渗透的电力系统。WoC体系是一种下层集中上层分散的混合控制结构,它不再有中央控制器,而是通过Cell内部的运营商实现自治管理和与其它Cell的协同控制。这一结构遵循了DG及负荷本身所具有的分散特性,有利于分布式能源的就地消纳,而且借鉴了群体智能的思想来实现Cell间的协调控制。


2)Cell与微电网

Cell与微电网有诸多相似之处,它们都可以自治运行,一个微电网可以以Cell形式出现,但Cell与微电网也有众多区别,主要包括:①微电网运行状态一般是常态并网,条件孤岛,Cell一般不工作在孤岛状态;②微电网与大电网之间是主从关系,Cell之间在控制上是对等关系;③微电网受其容量的限制,往往不能解决规模化DG并网造成的问题,而Cell中有充足的有功、无功备用容量,不仅能实现自主运行,还要实现DG消纳、潮流调度、系统控制和保护等功能;④微电网靠近低压用户侧以就地消纳分布式能源为目的,WoC体系是以提高分布式能源的渗透率,提高电能质量和供电可靠性为目的,除了有低压用户侧的Cell外,还有发、配电区域的Cell。


3)WoC体系与主动配电网

WoC体系与主动配电网的区别主要包括:①从研究对象上,主动配电网研究主体是公共配电网,而WoC体系研究主体是完整的电力系统,涵盖发输变配用各环节;②从设计理念上,主动配电网采用自上而下的设计理念,而WoC体系在设计理念与微网更为相似,自下而上,尽管Cell个体规则相对简单,但WoC体系是一种组织效应和结构效应的集群性体现;③WoC体系和主动配电网的目的都是提高DG的渗透率,但侧重点不同,主动配电网强调了对DG的主动控制和主动管理,而WoC体系则强调实现区域问题的就地解决和区域间的市场化协作。



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WoC体系调压调频控制

技术特点有哪些

WoC体系控制结构沿用传统的分层控制方式,但由于Cell需要与相邻Cell进行通信和协调,每层的具体内容都相应出现变化。


1)调压控制

WoC体系的调压控制分两级实现,分别为初级调压控制(Primary voltage control,PVC)和次级调压控制(Post-primary voltage control,PPVC)。相比于传统的一次调压控制,PVC除了所用的资源由传统的大型发电机组转变为大量分布式能源和可再生能源外,其调压控制方式并没有发生实质性的改变。仍是基于就地测量,调节节点无功(或有功)功率的注入,使节点电压接近于设定值,实现电压稳定。次级电压控制PPVC的目的是消除电压偏差,使电压值等于额定值,同时通过无功优化减小网络损耗,在功能上,PPVC旨在实现Cell内部区域的系统安全性与经济性优化,因此它将传统的二次调压控制和三次调压控制功能合二为一。


2)调频控制

WoC体系调频控制分四级实现,分别为惯性频率控制(Inertia frequency control,IFC)、频率遏制控制(Frequency containment control,FCC)、平衡恢复控制(Balance restoration control,BRC)和平衡调度控制(Balance steering control,BSC)。相比于传统的三级调频控制,WoC体系增加了IFC,这是由于DG主要通过电力电子设备并网,造成电机转速和频率间的耦合关系下降。IFC的目的就是重建发电机转速和电网频率间的耦合关系,在频率失稳时第一时间通过电力电子控制释放系统隐藏惯性。FCC的目标与传统的一次调频目标保持一致,其区别主要是调频所用的容量由传统的发电机组变为分布式发电单元和可再生能源。BRC的目标是通过调节Cell内的潮流以恢复其内部的功率平衡。其调节在Cell内完成,是Cell自治的核心,BRC的实现包括五步:①检测频率偏差;②判定Cell状态;③确定备用容量激活顺序;④发送指令,进行激活;⑤重新监测。BSC是实现WoC体系中相邻网元间相互协调配合的重要环节。其目标有两个,一是通过短期预测预防潜在事故的发生;二是以BSC决策取代BRC决策以实现经济优化。BRC的决策仅是基于Cell内部可进行调频的资源,而BSC的决策将综合本Cell内部和可与该Cell进行功率交换的相邻Cell内部所有资源。在虑考储备量、成本以及阻塞问题和电压问题等因素后,综合评价出全局优化决策,Cell将用BSC决策取代原有的BRC决策。


图3  调压控制整体结构


图4  调频控制整体结构



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WoC体系主要研究方向是什么


1)Cell的划分原则和方法

Cell区域过大,CO需进行的通信量和处理信息量过大,Cell区域过小,个体解决内部功率平衡问题的能力就会变弱,如何对Cell进行划分,是实施WoC体系理念的第一步。


2)通信和控制系统

相比于传统的集中控制体系,WoC体系对系统的可靠性、稳定性以及可再生能源的利用率等要求更高。由于控制对象和体系结构都发生了改变,沿用传统的通信方式及控制策略将不利于充分发挥该体系的优势,因此对其通信和控制的研究将是未来主要研究方向之一。


3)需求侧管理

WoC体系中有大量的电动汽车和储能设备,这进一步增加了需求侧管理的复杂度。如何实现源网荷的稳健交互、提高负荷和风险预测精度,充分发挥储能系统的优势,将是WoC体系在需求侧管理方面需要解决的问题。


4)市场结构

在WoC体系中,将有大量自给自足并向电网售电的零售代理商出现,而且随着电力市场的开放,电力用户将有更多的选择机会,这就为WoC体系的发展提出了新的挑战。



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《电力系统自动化》2017年第15期目次

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作者及团队介绍

宋蕙慧,哈尔滨工业大学副教授,硕士生导师。主要研究方向:可再生能源系统、储能系统、微网系统中的非线性控制研究,以及电力网络中基于图论的分布式控制。

于国星,哈尔滨工业大学硕士研究生。主要研究方向:配电网智能控制。


曲延滨,哈尔滨工业大学教授,博士生导师。主要研究方向:新能源发电控制技术、微电网和有源配电网控制技术、储能系统控制及应用。


哈尔滨工业大学(威海)电力与可再生能源研究团队以曲延滨教授为学术带头人,团队依托哈尔滨工业大学(威海)-国立仁川大学电力与可再生能源实验室,长期致力于新能源、微电网、储能、有源配电网的控制技术研究,承担多项国际合作交流、国家级、省部级、电网公司的纵向、横向科技项目,曾获国际埃尼奖(Eni Award)可再生能源领域的提名。


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