工业园区主动配电网关键技术研究应用及应用.doc
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1、工业园区积极配电网核心技术研究及应用刘爱华 1,王双虎 1,梁顺 1 ,朱朝阳 2 ,张楠 3(1南瑞集团公司(国网电力科学研究院),江苏 南京 211106;2国网苏州供电公司,江苏 苏州 215024;3国网辽宁省电力有限公司,辽宁 沈阳 110032)摘 要:随着分布式电源和电动汽车等负荷迅速发展,作为区域经济发展重要载体工业园区迅速发展对配电网建设提出了新规定,积极配电网概念提出就是为理解决分布式电源、储能等新状况带给电网 问题,有关技术是解决园区配电网发展问题有效办法。文章提出了合用于工业园区积极配电网建设 总体架构,结合积极配电网技术发展趋势,从态势感知、柔性直流、交直流混合配电网
2、、需求响应和网源 荷协调控制5个方面阐述了工业积极配电网核心技术。最后简要描述了苏州工业园区积极配电网示范工程 和锦州新能源都市积极配电网示范工程,对提出体系架构和突破核心技术进行了应用验证,为国内工业 园区积极配电网建设提供了可复制、可推广发展思路。核心词:积极配电网;工业园区;源网荷协调控制;态势感知;柔性直流;交直流混合配电网中图分类号:TM71 文献标志码:A DOI:10.19421/ki.1006-6357.07.0040 引 言工业园区作为推动国内改革开放和经济发展重要载体,始终被视为经济建设主战场。国内工业园区涉及各种类型开发区,如国家级经济技术开发区、高新技术产业开发区、保税
3、区、出口加工区以及省级各类工业园区等。工业园区作为区域经济发展新焦点,如雨后春笋般兴盛起来,不少工业园获得了经济效益,甚至成为区域形象工程。截至末,国内国家级高新区有83家,国家级经济技术开发区有107家;通过规划论证正在建设国家生态工业示范园区数量达到39个,其中通过验收国家生态工业示范园区有12 个。国内各个省、大某些地市甚至某些县都已开始建设工业园。园区迅速发展对基本设施特别是电网提出了新规定。重要体当前如下方面:越来越多园区提出基金项目:国家高技术研究发展筹划(863 筹划)(AA050102);国家电网公司科技项目“分布式新能源规模接入下配电网运检安全防护技术研究与核心设备研制”。S
4、upported by the National High Technology Research and Development Program of China(863 Program)(AA050102);the Project of State Grid Corporation of China绿色、低碳发展理念,在国家和地方政府政策指引勉励下,越来越多入驻公司运用厂房屋顶、建筑外墙等空间大力发展分布式光伏、微电网等能源供应方式;园区主管单位规划建设了电动汽车充放电设施,满足入驻公司低碳交通出行需求;园区政府机关、金融机构和超高层建筑等重要客户对供电可靠性规定极高;园区入驻高新技术行业
5、和精密制造业、电子芯片加工业等行业对供电电能质量也有非常高规定。积极配电网提出就是为理解决分布式电源、微电网、储能装置、柔性负荷等新状况浮现给配电网带来诸多问题,国内外学者从不同角度对积极配电网规划、运营、管理等问题展开了研究,并获得一定成果1-13。但对于合用于工业园区积极配电网建设问题研究还处在起步阶段。本文基于已有研究成果,提出合用于工业园区积极配电网建设总体架构,结合积极配电网技术发呈现状,分析了工业园区积极配电网建设需要突破核心技术,最后通过在苏州工业园区和锦州经济开发区应用场景对工业园区积极配电网建设进行了工程验证。1 园区积极配电网总体架构设计园区积极配电网建设总体架构见图1,总
6、体分为能源网络层、感知控制层、通信网络层、基本信息层、决策支持层5层。网时空多维运营状态。工业园区受入驻公司规模、公司生产流程等因素影响,配电网特性变化很大,再加上分布式电源、多样性负荷随机接入,园区积极配电网运营状态评估需要融合智能电表、配电终端等各种资源信息。而配电网态势感知技术由多源信息融合、状态预计等一系列软件构成,可对配电网当前状态和将来状态做出精确预判,而该技术作为积极配电网核心技术之一,当前研究还处在起步阶段。积极配电网状态感知实现流程见图2。图1 园区积极配电网建设总体架构Fig.1 The overall structure of active distribution ne
7、twork in the park在能源网络层,重要应用基于灵活性理念积极配电网规划办法,提高完善工业园区供电网络,优化分布式电源接入点,提高示范区网架适应性水平;在感知控制层,通过运用先进量测和传感技术,布置智能配电终端、电能质量监测装置等设备,实现对能源网络运营信息全面感知;在通信网络层,应用光纤、无线等通信等各种方式实现信息高速传播;在基本信息层,分别建立配电自动化主站系统、分布式电源管理系统和柔性负荷管理系统,实现对积极配电网分布式电源、配电网络和电动汽车等负荷运营信息集中监控,掌握能源网络运营信息;在决策支持层,建立积极配电网网源荷协调控制系统,分析不同类型分布式电源接入点、接入方式
8、、接入容量对配电网潮流分布及可再生能源消纳能力影响,引导分布式电源积极参加电网调节,摸索建立相应勉励机制,丰富拥有灵活性资源顾客积极响应手段。2 园区积极配电网核心技术及实现办法2.1 态势感知技术为发挥积极配电网“积极规划、积极控制、积极管理与积极服务”核心理念,前提是积极配电网应具备较为完善可观可控水平。这就规定对配电网运营状态进行全面感知,实时掌握配电网运营态势,进而对发电、负荷及网络构造进行积极控制、积极管理,为上级电网和客户提供积极服务,建立上级电网与配电网、配电网与客户之间良好互动关系。因而,积极配电网需要基于先进量测技术和感知技术,实现分布式能源、储能装置、可调负荷等信息获取,全
9、面掌控配电图2 园区积极配电网态势感知技术实现流程Fig.2 Implementation process of the park ADN situational awareness technology基于积极配电网中各种测量装置(TTU、RTU、DTU、AMI等)信息,应用数据挖掘、聚类分析等理论,对多时间尺度多源测量信息进行清洗、分类、聚合,剔除错误数据,根据多源信息融合分析成果,在广域时空范畴内,对涉及园区配电网运营变化各类因素进行理解,依照量测数据和状态预计数据拟定配电网当前运营状态。基于数值天气预报和历史负荷数据资料,提取出与气象因素关于负荷变化量,拟定影响馈线负荷特性气象因素及影
10、响方式,整合多维度数字气象信息实现整个园区别布式发电功率预测和总体负荷预测。综合配电网当前运营状态精确判断和分布式发电/负荷信息高精度预测,实现对园区积极配电网运营态势精确分析。2.2 柔性直流技术当前柔性直流技术重要用在输电领域,将柔性直流应用在配电领域在国内当前处在摸索阶段14。当前国内中压配电网大某些是闭环设计、开环运营,闭环运营方式仅限于运营方式调节、负荷转供等特定期刻,而将柔性直流技术应用于配电网线路联系,可有效减少合环运营时短路电流。柔性直流环节联接通过有功潮流动态调控,可以使得馈线负载分布在计及分布式光伏出力波动状况下趋向均衡化,同步可提供较大无功功率补偿,明显减少线路压降,改进
11、末端节点电压偏差。从而增进分布式电源就地消纳,有助于系统安全稳定运营。但当前柔性直流在配电网应用还存在经济性差等问题。柔性直流技术在积极配电网中典型应用见图3。运用柔性直流方式实现不同电压级别配电线路联系,通过柔性直流环节有功动态调控,可以使得馈线负载分布在计及分布式发电出力波动性状况下趋向均衡化,增进分布式能源在不同供区间转供和就地消纳。柔性直流线路亦可提供较大无功功率补偿,可以明显减少线路压降,改进末端节点电压偏差,从而提高系统供电质量。在工程应用中,柔性直流换流站采用模块化设计,依照现场施工环境采用屏柜式或集装箱式安装,施工简朴,以便调试,利于推广。图3 柔性直流技术在积极配电网中典型应
12、用Fig.3 Typical application of flexible DC technology in ADN2.3 交直流混合配电网技术当前配电网以交流为主,有关技术也比较成熟。随着社会特别是工业园区光伏等直流电源和储能等直流负荷不断增长,交流配电网适应性亟需提高。直流配电网在分布式电源接入方面存在巨大优势,可更以便地接入分布式电源,省去老式交流配网中DC/AC环节, 使控制系统更简朴,操作更以便,既节约工程造价,又减少损耗。各类冲击负荷、新能源发电系统或直流负荷可以通过直流变压器接入直流配电网,实现潮流积极控制,以及能源最优运用,解决新能源发电和负荷电能质量问题,稳定交流母线或顾客
13、侧电压。因而,需要在当前配电网发展模式下,以工业园区配电网为切入点,重点研究交直流混合配电网技术在园区积极配电网建设中应用,实现提高园区供电质量和直流负荷适应性等目的15。交直流混合配电网典型建设架构见图4。为满足工业园区直流照明、直流充电站等负荷对直流电源需求,建设以园区建设分布式光伏和储能为直流电源、直流负载为负荷低压直流微电网,建设交流微电网采用园区风力发电、燃气轮机发电等作为电源,在10(20)kV电压级别上与大电网互联,交流微电网通过双向PCS与低压直流微电网相连,构成交直流混合配电网。交流微电网可作为低压直流微电网电源,也可实现低压直流微电网上级新能源消纳,实现新能源最大限度运用。
14、交直流混合微电网充分运用微电网自平衡、和谐互动特性,同步满足了工业园区新能源消纳和直流负荷用能问题。2.4 需求响应技术配电网中空调、电动汽车、电热水器等柔性负荷以及分布式能源、储能大量接入给配电网调度和运营带来了挑战16。而需求响应技术是解决该问题有效途径之一。负荷响应随机性、分布式能源波动性给积极配电网决策带了困难,既有配电网优化调度模型中难以将不拟定性动态需求响应资源纳入其中。电图4 交直流混合配电网典型架构Fig. 4Typical architecture of AC/DC hybrid distribution network价作为电力顾客响应核心因素缺少灵活性,实行需求相应主体很
15、难给出有吸引力办法勉励顾客做出积极响应。工业园区需求响应实现技术路线见图5。需求响应分为需求响应主站层和需求响应终端层执行2个层面。一方面,系统通过与网源荷协调控制系统交互后,获取负荷侧资源调度曲线,逐次对顾客、区域自动需求响应能力预测,并与负荷侧资源调度曲线进行比较,若系统自动需求响应能力容量不大于负荷侧资源调度容量,那么将系统自动需求响应能力容量发送给多级能源协调控制系统进行修正,祈求重新下发负荷侧资源调度曲线;若满足,则对负荷侧资源调度曲线进行分解并下发给各顾客,由各顾客依照可调控柔性负荷(如空调、照明、自备电源、电动汽车、电动机等)进行调度曲线再分解,并形成顾客自动需求响应筹划表,最后
16、向各可调控柔性负荷下发自动需求响应指令并执行,同步需要考虑通过短信、微信等形式实现自动需求响应信息下发。图5 需求响应实现技术路线图Fig.5 Roadmap of demand response technology implementation2.5 网源荷协调控制技术网源荷协调控制是积极配电网核心,通过配电网源、网、荷侧可调资源控制,实现新能源消纳、配电网高效运营、积极能量管理等目的。当前国内专家学者普遍以为积极配电网运营控制宜采用分层控制架构, 上层积极配电网能量管理系统负责积极配电网能量优化及运营方式优化,实现全局集中控制。全局优化结合网络拓扑数据、负荷预测数据、可再生能源预测数据以
17、及各类电气参数,通过优化算法拟定网络电压控制、潮流管理和分布式发电资源协调方略。下层协调控制器接受优化目的,并下发给受控分布式发电资源,实现对各自治区域分散控制。但在详细实现方式上各科研单位均有不同实行办法。积极配电网网源荷协调控制技术架构见图6。在确图6 网源荷协调控制技术框架Fig. 6 Framework of source-grid-load coordination control technology保绿色可再生能源最大化运用前提下,对配电网积极管理涉及所有控制手段进行统筹协调,实现运营成本最低等目的,其控制内容涵盖源、网、荷个方面:涉及可控分布式发电单元(如光伏、风电等)功率调度
18、为代表电源控制和以联系开关位置变换为代表网络控制,以及以储能电池充放电方略为代表柔性负载控制。积极配电网协调控制系统收集全网各负荷点实时运营数据、开关状态信息、网络拓扑信息、DG运营工况以及储能单元电荷状态(SOC)信息等,通过全局智能优化算法得出满足各项技术约束条件下有功功率全局优化控制方略和无功功率全局优化控制方略。其中,有功功率优化控制方略是指在满足负荷有功需求基本上尽量多地运用可再生能源以及追求经济性最优,必要时可以调节运营方式;而无功功率优化控制方略是指在满足负荷无功需求以及保证电压质量基本上使得网络上无功潮流最优,必要时可以调节变电站内OLTC分接头位置。3 示范工程验证本文提出体
19、系架构和核心技术在苏州智能配电网示范工程和锦州新能源积极配电网示范工程中得到应用验证。3.1 苏州工业园区积极配电网综合示范工程3.1.1 苏州工业园区经济发展概况苏州工业园区(简称园区)行政区划278km2,是中华人民共和国和新加坡两国政府间重要合伙项目,持续近年位居“中华人民共和国都市最具竞争力开发区”榜首,综合发展指数列国家级开发区第二位。,高新技术产业产值占工业总产值比重达到67%。当前园区以占苏州市3.4%土地、7.4%人口创造了15%左右经济总量,成为了苏州市经济社会发展重要增长极。10月,国务院正式批复同旨在园区开展开放创新综合实验,园区成为全国首个开放创新综合实验区域,将在改革
20、实验、开放创新中又担重任,再探新路。3.1.2 苏州积极配电网项目概述苏州工业园区积极配电网综合示范工程将重点环绕积极配电网特性分别在2.5产业园、苏虹路工业区、环金鸡湖区域这3个区域开展示范建设。在2.5产业园中展示各类交直流分布式电源、新型用电负荷、储能设施“即插即用”典型设计方案和接口规范,展示交直流混合配电网运营和接入,体现当代配电网对分布式电源、新型用电负荷、储能设施积极规划和积极服务。构建电网电源负荷储能协调控制系统,展示电网对分布式电源、分布式储能以及电动汽车等可控负荷积极管理和积极控制,有序全额消纳新能源发电,勉励各类电源积极参加、各类负荷积极响应电网调峰等运营管理,实现电网与
21、有关各方合伙共赢。在星华变实行高电能质量示范工程,将展示电网对和舰科技、三星液晶等电子工业和先进制造业等重要敏感顾客高电能质量用电需求充分满足。在三星电子地块采用四端柔性直流技术将实现不同电源合环运营,建成真正意义上高可靠性花瓣形供电网络构造。项目重点环绕如下5 个方面开展:1)基于柔性直流互联交直流混合积极配电网技术应用示范工程;2)基于“即插即用”技术积极配电网规划应用示范工程;3)适应积极配电网网源荷(储)协调控制技术应用示范工程;4)苏州工业园区高电能质量配电网应用示范工程;5)苏州工业园区高可靠性配电网应用示范工程。 通过基于柔性直流互联交直流混合积极配电网技术应用示范工程,积极控制
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