项目申报书分布式发电供能系统相关基础研究

项目名称：分布式发电供能系统相关基础研究首席科学家：王成山天津大学起止年限：2009.1至2013.8依托部门：教育部天津市科委1一、研究内容将分布式发电供能系统以微网的形式接入到大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效方式。本项目紧紧围绕分布式发电供能微网系统开展研究，以微网及其所接入的大电网为研究对象，以保证微网与大电网的安全稳定和经济高效运行为目标，重点针对“高渗透率微网的复杂动态行为及安全高效运行理论”这一科学问题开展下述四个方面的研究工作。1.微网运行特性及高渗透率下与大电网相互作用的机理微网集成了多种能源输入、多种产品输出、多种能源转换单元，是化学、热力学、电动力学等行为相互耦合的复杂系统。微网存在多种运行状态，当微网处于并网运行状态时，功率可以双向流动；在大电网故障时，通过保护动作和解列控制，可使微网与大电网解列形成孤岛运行，独立向其所辖重要负荷供电；在大电网故障消除后，通过并网控制可再次将微网并入大电网，重新进入并网运行状态。微网的运行特性既与其内部的分布电源特性以及负荷特性有关，也与其内部的储能系统运行特性密切相关，同时还与大电网相互作用，尤其在微网渗透率比较高的情况下，这种相互作用将直接影响到二者的稳定性和可靠性。在这一方面，重点将开展如下研究工作。（1）高渗透率下微网与大电网相互作用机理当大量分布式发电供能系统以微网形式接入到大电网后，微网与大电网间的相互作用将十分复杂，对大电网的运行特性产生重要影响，而对于这种影响的分析则需要以全新的方法为基础。以稳定性分析为例，传统的电力系统稳定性分析问题一般仅涉及到高压电力系统，而微网一般接入中压或者低压配电系统，配电系统的安全稳定问题完全是由于微网的存在而提出的。由于高压电力系统与含微网的中压或低压配电系统在结构和运行参数等方面存在很大的差异，其稳定性分析方法可能截然不同。高渗透率下微网与大电网相互作用机理研究的目的就是要揭示出二者相互作用的本质，发展相关的理论和方法，为含微网配电系统的稳定性分析与控制奠定理论基础。重点研究内容：不同种类分布式电源的稳态运行特性和暂态响应的典型特征；微网结构及其对微网运行特性的影响；微网接入大电网的典型模式；微网与配电网相互作用的动力学机制；含微网的配电网安全稳定分析理论和方法；保证运行稳定性的微网设计原则等等。2（2）分布式储能对微网安全稳定运行的作用机理微网中的分布式电源，如光伏电池、风力发电等属于间歇式电源，所产生的电能具有显著的随机性和不确定性特征，微网中各类负荷的变化也存在一定的随机性。当微网独立运行时，分布式储能环节，如蓄电池、超级电容器、飞轮储能系统等成为支持微网自主稳定运行不可或缺的重要组成部分，起到平抑系统扰动、维持发电/负荷动态平衡、保持电压/频率稳定的重要作用。考虑到分布式储能系统的多样性，各种储能系统在微网扰动过程中的响应特性存在很大的差异，对微网安全稳定的作用机理也会有很大不同，需要充分认识分布式储能系统对微网运行特性的影响。重点研究内容：各种分布式储能装置自身动态特性及其对微网运行动态特性的影响；储能环节对微网电压/频率调节、平抑系统扰动、保障微网安全稳定的作用机理；微网中储能系统的优化配置理论与方法等，进而发展分布式储能系统的综合控制策略，研发相关的控制系统。2.含微网新型配电系统的规划理论与方法当大量分布式发电供能系统以微网形式接入配电系统后，配电系统将由原来单一电能分配的角色转变为集电能收集、电能传输、电能存储和电能分配于一体的新型电力交换系统。合理规划、设计的分布式供能系统能够有效提高分布式能源利用的效率、提高电力系统运行的安全性、经济性和对重要负荷供电的可靠性。但如果分布式电源的类型、安装地点、容量等不合适，不仅不能充分发挥分布式供能系统正面作用，还可能会对配电系统的运行产生负面影响，如增加电能损耗，导致电压越限，大幅度增加短路容量，等等。为了建设可持续发展的配电系统，必须对微网接入系统后的影响做出科学的评估，进而在系统规划与建设中进行科学的引导。含微网的配电系统规划工作将十分复杂，投资主体的不同直接导致了微网设备类型、容量、安装地点、以及投入时间的不确定，而且由于一些可再生能源发电呈现间歇式的特点，使得电力负荷预测的难度显著增高。总之，原有的配电系统规划方法完全不再适应新环境下的系统规划要求，必须在规划的思路与方法上有所创新，为含微网的新型配电系统规划工作建立理论基础。重点研究内容：有助于微网接入的配电系统结构设计方法；含微网配电系统的综合性能评价指标体系；新型配电系统优化规划理论和方法。在此基础上，开3发出具有空间负荷预测、分布式电源（微网）容量与位置优化、配电网络优化、分布式能源结构优化等功能，适用于微网发展的电网规划决策支持系统。3.微网及含微网配电系统的保护与控制微网中的分布式电源通常具有多种不同的类型，且不同电源之间常通过电力电子装置实现互联，这使基于微网的分布式发电供能系统与常规配电系统或输电系统都有根本性的差异；同时，由于微网系统既要能够并网运行又要能够脱网独立运行，运行模式常常需要切换，这就带来了一系列复杂的保护与控制问题，必须对传统的保护与控制方法做出较大调整才能满足系统要求。微网及含微网配电系统的保护与控制研究对保证分布式发电供能系统的可靠运行具有重要理论和实际意义。在这一方面，重点将开展如下研究工作。（1）微网及含微网配电系统的保护原理与技术微网中多个分布式电源及储能装置的接入，彻底地改变了配电系统故障的特征，使故障后电气量的变化变得十分复杂，传统的保护原理和故障检测方法将受到巨大影响，可能导致无法准确地判断故障的位置；在微网正常并网运行的系统中，微网内部的电气设备发生故障时，应确保故障设备切除后微网系统继续安全稳定地并网运行；在微网外部的配电系统部分发生故障时，应在可靠定位与切除故障的前提下，确保微网在与主网解列后继续可靠运行，并确保解列后的微网系统再故障时仍能够可靠切除故障元件。微网接入配电系统带来的这些变化使保护的工作原理和动作逻辑均变得异常复杂，传统继电保护方法无法满足要求，这已经成为限制分布式发电供能技术进一步发展和应用的重要技术屏障。重点研究内容：不同类型的分布式电源、储能装置及微网的故障特征；含微网配电系统的故障特征；微网内部电气元件及系统故障保护的配置原则、原理与技术；微网异常运行保护的原理与技术；含微网配电系统故障保护的配置原则、原理与技术；多微网配电系统解列控制的原理与技术；大电网瓦解的紧急情况下多微网之间的协调控制的原理与技术等。通过理论研究与技术开发，提出微网内部故障与异常保护的原理，开发出基于通信技术及多点信息综合比较的集成式微网综合保护系统；提出多微网配电系统区域纵联保护、解列控制及紧急协调控制的原理，基于通信网络，设计开发出集故障保护、解列控制及紧急协调控制等功能于一体的多微网配电系统综合保护控制系统。（2）微网并网控制及微网中多分布式电源协调控制4相对于所连接的大电网，微网可看作是具有独特运行特征的虚拟发电机，并网运行时可以向大电网供电（有时为负值）。与常规发电机组并网运行时相似，微网并网运行需要满足一定的电压和频率条件。但与常规的发电机组不同，由于微网中分布式电源的种类和特征不同，需要一些特殊的协调控制方式才可能使其满足并网运行条件。微网作为自治系统，具有脱网独立运行的能力，此时为了满足负荷对系统电压和频率的要求，跟踪微网中负荷的变化，也需要针对微网中的分布式电源采取相关的协调控制措施。由于其设备种类繁多（单纯供电/热电联供/冷热电联供等）、运行模式多样（供热为主发电为辅/供电为主供热为辅）、可控程度不同（集中控制/分散控制/自动控制/用户控制），微网中分布式电源的协调控制问题非常复杂。重点研究内容：微网在并网和孤岛运行模式下的协调控制策略；保证微网运行模式平稳切换的并网方法与控制策略；分布式发电设备、储能设备的逆变接口系统原理与技术。在此基础上，开发出适合于不同分布式电源及储能装置并网的逆变接口装置和适应性强的微网综合控制系统。（3）微网及含微网配电系统的电能质量分析与控制随着科学技术的发展，各种精密电子仪器和数字化电器设备在用户中大量装备，对电力系统的供电可靠性和电能质量提出了越来越高甚至苛刻的要求。在微网系统中，由于可能存在一些间歇式电源，其频繁的起停操作、功率输出的变化，都可能给所接入系统的用户带来电能质量问题。此外，由于微网中很多类型的电源都需要借助电力电子技术输出满足用户负荷频率和电压要求的电能，依据所采用的电力电子技术不同，逆变器可能产生不同水平的谐波，随着微网渗透率的提高，配电系统的谐波水平也将会上升。另一方面，对于一个谐波水平已经比较高的配电系统，微网中的分布式电源也可能会成为谐波的汇点，导致分布发电设备的损毁。微网中大量单相分布式电源的存在，也增加了配电系统的三相不平衡水平。总之，微网及含微网的配电系统中存在很多与电能质量相关的独特问题。重点研究内容：微网中电能质量问题的产生机理；微网及含微网配电系统的电能质量检测及分析理论；微网及含微网配电系统的电能质量综合控制方法。在上述研究成果的基础上，研发含微网配电系统的电能质量综合控制系统。4.分布式发电供能系统综合仿真与能量优化管理方法5鉴于微网系统的复杂性，无论是研究其与大电网相互作用的机理，还是研究在各种扰动下的复杂动态行为；无论是研究其保护与控制问题，还是研究其规划设计问题，都需要强有力的仿真手段，需要构建兼容微网分析的配电系统仿真实验平台。研究微网及含微网配电系统的能量优化管理方法，有助于提高系统运行的经济性，为分布式能源的高效利用创造条件。在这一方面，重点将开展如下研究工作。（1）分布式发电供能微网系统综合仿真在分布式发电供能系统中，既有同步发电机等具有较大时间常数的旋转设备，也有响应快速的电力电子装置。在系统发生扰动时，既有在微秒级快速变化的电磁暂态过程，也有毫秒级变化的机电暂态过程和以秒级变化的慢动态过程。综合考虑它们之间的相互影响，实现动态全过程的数字仿真是一项极具挑战性的研究课题。而将数字仿真系统与物理模拟仿真平台加以有机结合，形成数字/模拟混合仿真系统，对于微网运行特性的研究、保护与控制器的设计等将更加具有实际价值。目前，混合仿真技术也是常规电力系统研究的热点领域，尽管一些仿真思路可供借鉴，但因微网中的物理设备更加多样化，模型更为复杂，不同设备暂态响应的时间尺度更加分散，必须有针对性地发展相关的混合仿真理论和方法。重点研究内容：微网元件稳态与动态建模方法，包括微型燃气轮机、内燃机、燃料电池、光伏电池等分布式电源以及储能装置的数值仿真和物理仿真模型建立方法；集稳态分析、电磁暂态仿真、机电暂态仿真为一体的微网动态全过程数字仿真理论与方法；含微网的新型电力交换系统的动态物理模拟仿真方法及实验验证理论。在此基础上，构建物理模拟和数字仿真相结合的含微网配电系统的综合仿真实验平台。（2）微网经济运行理论与能量优化管理方法正如在常规的电力系统中可以通过对发电机的节能调度实现节能降损一样，通过微网经济运行理论与能量优化管理方法的研究，也可以实现微网的高效经济运行。同常规的电力系统相比，微网中的可调节变量更加丰富，如分布式电源的有功出力、电压型逆变器接口母线的电压、电流型逆变器接口的电流、储能系统的有功输出、可调电容器组投入的无功补偿量、热/电联供机组的热负荷和电负荷的比例等。通过对这些变量的控制调节，可以在满足系统运行约束的条件下，实现微网的优化运行与能量的合理分配，最大限度地利用可再生能源，保证整个6微网运行的经济性。同时，当微网并网运行时，尤其是在微网高渗透率情况下，还可以通过对微网输出的有效控制，降低配电系统中的配电变压器损耗和馈线损耗。以全系统能源利用效率的最大化为目标，研究微网的优化控制与调度理论与方法，正是这一研究领域重点关注的问题。重点研究内容：微网经济运行理论与分布式电源优化调度方法；微网高渗透率下的大规模配电系统经济调度理论。在此基础上，开发出微网能量优化管理系统，构建微网高渗透率下的配电系统综合能量管