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基于能量路由器的多生态微电网方案

基于能源路由器的多生态微电网系统的优点并不局限于有效集成分布式能源,更具备能量管理与调度、电能质量治理与控制、支持各端口灵活地切除与投入(即插即用)、协同保护等作用。在主干电网的末端或关键连接点配置多端口变换器系统,取代传统模式下各种能源或负载直接接入电网的方式,具有以下优点:

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解决方案

开放式智能微电网系统


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方案介绍

基于能源路由器的多生态微电网系统的优点并不局限于有效集成分布式能源,更具备能量管理与调度、电能质量治理与控制、支持各端口灵活地切除与投入(即插即用)、协同保护等作用。在主干电网的末端或关键连接点配置多端口变换器系统,取代传统模式下各种能源或负载直接接入电网的方式,具有以下优点:

 

1)有效解决分布式能源与各种负载的间歇性与不确定性问题;

2)优化主网运行控制,并参与电能质量的协同治理;

3)潮流柔性可控,实现多品位能源的协调优化互补,提升电网运营水平;

4)可提供不同等级、不同属性的定制化电能服务,适应负载多样化的需求;

5)在少数端口故障情况下可实现故障穿越,保持其他端口正常工作等。能够对各端口电压电流进行实时控制,实现能量管理、潮流调度等电网需求;

6)有良好的的动态特性,能够应对电力系统故障;

7)能够实现电网数据的采集,为更大范围内能源互联网的运行策略提供大数据依据。

 

    

一、背景介绍

 

随着经济的发展、电力需求多样性的增加,能源危机、环境保护问题和传统电力网络的局限性日益凸,以风能、太阳能和生物质能等可再生能源为主的、由相对分散的发电单元组成的分布式发电(Distributed Genetion, DG)技术凭借其储量大、污染少、利用率高、可持续、发电方式灵活等优点,得到了广泛的研究和应用。分布式发电也存在很多问题,比如地理上的分散性、 时间尺度上的间歇性和随机性以及功率上的不可控性等。为了减小其对电网 冲击、尽可能提高能源利用率,储能装置被引入到电网中来提供支持和备用,为波动的能量提供缓冲、间接提高大电网对分布式能源发电系统的接纳能力。分布式能源(Distributed Energy Resource, DER)及储能装置的引入增加了电网能源供应的多样性,也改变了能量流动的方式,使其由单向流动变为了双向流动。同时,电动汽车等新型电力设备的广泛推广和应用为电网带来了新的不确定负载,增加了能量流动和电能管理的复杂程度。这些都是传统电力网络在化石能源时代所未遇到的新的挑战。

 

光伏、风电等DER、电动汽车等多类型新型负载的接入和电力市场化改革的发展导致了现有电力网络供电形式和能量流动的多样性,同时提出了实现电能终端准确可控的要求,这些都增加电能控制的多样性和复杂性,而被动进行功率平衡调节的传统电力网络及其设备已很难满足这些需求。各国专家围绕这些问题,在微电网和主动配电网等技术框架内已对DER接入等做了大量研究和技术构想。而随着网络能源技术的发展,能源互联网及其技术的研究正逐步受到学术界的广泛关注。能源互联网是以互联网为参考,利用电力电子技术、信息技术实现的集中式电源、分布式能源、储能单元、负荷单元 等的能量流、信息流的互联互通,其以现有能源环境与配电网为基础,通过先进能量管理和协调方案实现在允许新能源灵活接入的同时,广域内优化分配共享能源以提高能源的调控和利用效率。

 

二、系统特点

 

本系统基于上述背景,选择一种面向能源互联网的、基于MPC的一体多端口能源路由器的拓扑结构,对光伏、电网接入条件下,系统的协调控制方法展开研究,这对当前能源路由器与分布式能源的组网形态和运行控制策略研究具有一定的理论和应用价值。

基于能量路由器的多生态微电网系统实验室建设主要针对新能源专业的老师/学生而开发的微电网科研/教学设备。系统的核心在于中央控制与能量调配,本系统采用集中管理的方式对一次侧接入进行电能调度分配;

 

 

(1)可实现模拟光伏,模拟风电、蓄电池、超级电容、模拟负载、燃料电池、充电桩等多种一次侧设备的互联,各个设备都单独可控,通过IEC61850规约,实现四遥数据的控制。

(2)系统中既包含交流母线,又具备直流母线,两种母线混合在一起,可提供更多的研究实验和更灵活的能量管理策略。

(3)系统具备高集成度的能量路由器,多端口能量路由器具备统一的控制器,可实现对电能的按需分配,能够实现:

  • 每个端口输入输出能量的自由调配,能够根据系统需要调整有功和无功功率。
  • 能够实现电压的变换和能量的多方向流动;
  • 能够提供各种灵活多样的电能形式的标准化接口,实现包括分布式发电装置在内的各种交、直流电力设备的接入,且能在任何时刻确保“即插即用”;
  • 能够对各端口的电压电流进行实时控制,实现能量管理、潮流调度等需求;
  • 有良好的动态特性,能够应对各种系统故障;
  • 能够实现对电网数据的采集,为更大范围内能量互联网的运行策略提供大数据依据。

(4)可实现智能并离网(并网与孤岛状态)切换,既可以并网运行,也可以孤网运行,实现无缝切换,且多种运行模式相互自动或手动方式切换。各子系统可以独立完成相关的实验。

(5)集成并/离网切换、黑启动、功率平滑、时移、故障诊断、离网功率平衡控制、有功/无功功率控制、电压/频率响应特性控制、保护等功能。

(6)将接入微电网的负荷进行分级管理实时监测、显示、记录微网系统的工作状态,具有本地监控和远程监控两种控制方式

(7)配置分级保护和计量装置,在微电网内部故障、外部故障情况下,均保证其准确、快速动作,使系统安全运行。

(8)针对高校学生,充分考虑了学生的具体知识结构与层次,使得学生可以充分理解微电网的特点与结构;学生可以在本系统中进行系统的设计、安装、软件控制等多个专业的知识进行实训。

(9)针对做科研的老师,开放部分一次侧设备的软硬件资料,包括板级硬件图纸以及软件驱动源代码、算法源代码等,开放上位机软件的源代码程序。提供整体的系统的基础开发平台,方便用户二次开放,提供详细而丰富的培训课程,使用户可快速入门并掌握整体系统,大大提高科研实验的效率。

(10)自主研发的RCP快速原型仿真控制器,实现数字物理混合仿真。

 

三、系统框架

 

基于MPC的能源路由器及其与DER的组网形态和运行控制作为能源互联网运行的基础,决定了多种类能源接入背景下电力系统控制的柔韧性、灵活性和系统运行的整体稳定性、高效性。因此,基于MPC的能源路由器拓扑和协调控制方法有很高的研究意义和应用价值。

该系统子系统主要包括:

1.模拟风力发电系统

2.模拟光伏发电系统

3.可编程负载系统

4.储能系统

5.氢氧燃料电池系统

6.五端口能源路由器系统

7.智能配电系统

8.能量管理系统

 

系统拓扑结构图

 

部分项目案例