項添春，王旭東，馬世乾，丁 一

(國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 西青 300384)

智能園區(qū)兆瓦級多微電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)行模式

項添春，王旭東，馬世乾，丁 一

(國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 西青 300384)

接入中低壓配電網(wǎng)的微電網(wǎng)數(shù)量不斷增加，使得通過互聯(lián)提高區(qū)域多個微電網(wǎng)的整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性成為可能。提出1類基于公共儲能的微電網(wǎng)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，公共儲能通過2組共直流母線的雙向逆變器同時為2個微電網(wǎng)提供能量支撐，實現(xiàn)不同饋線下電壓、頻率各異的微電網(wǎng)互聯(lián)。優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)下，實現(xiàn)互聯(lián)微電網(wǎng)之間的能量互濟(jì)，提高區(qū)域內(nèi)分布式能源消納水平；故障情況下，通過自適應(yīng)組網(wǎng)，保障重要負(fù)荷的持續(xù)供電?；谶@一設(shè)計理念，建成了天津生態(tài)城區(qū)域多微電網(wǎng)工程，該工程由1座中低壓嵌套微電網(wǎng)和2座低壓微電網(wǎng)兩兩互聯(lián)而成。在此基礎(chǔ)上，探索基于公共儲能的區(qū)域多微電網(wǎng)商業(yè)運(yùn)營模式，即通過優(yōu)化資源配置實現(xiàn)電網(wǎng)企業(yè)和光伏投資方的雙方共贏。

公共儲能，區(qū)域多微電網(wǎng)，優(yōu)化配置，商業(yè)運(yùn)營模式

Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2014AA052003)

0 引言

可再生能源的開發(fā)利用逐漸成為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要部分。以分布式形式接入的清潔能源成為配電系統(tǒng)中可再生能源的主要形式，但由于這些分布式電源的間歇性和變化性，與傳統(tǒng)的常規(guī)能源發(fā)電相比，如何合理運(yùn)行控制以保證其不會對所接入的電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，成為分布式發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)者與運(yùn)行者所面臨的巨大挑戰(zhàn)[1]?；诖耍㈦娋W(wǎng)(以下簡稱微網(wǎng))技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過加入分布式儲能裝置將地域相近的分布式電源與負(fù)荷結(jié)合起來形成微網(wǎng)系統(tǒng)[2]。對配電網(wǎng)來說，微網(wǎng)表現(xiàn)為“電網(wǎng)友好型”的單個可控集合，既可以與大電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，又可在大電網(wǎng)發(fā)生故障時獨立運(yùn)行[3]。

傳統(tǒng)單個微網(wǎng)只有離網(wǎng)獨立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行這2種狀態(tài)，運(yùn)行時未能利用其他微網(wǎng)中的分布式能源，微網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性均不高，多個微網(wǎng)由于電氣距離較近，運(yùn)行過程中可能存在功率交換或者電能質(zhì)量方面的相互影響。在多微網(wǎng)互聯(lián)供電形式中多微網(wǎng)由多個子微網(wǎng)構(gòu)成，每個子微網(wǎng)都滿足微網(wǎng)的基本特征：包含分布式電源和負(fù)荷；既可以工作在并網(wǎng)狀態(tài)下，又可以工作在離網(wǎng)獨立狀態(tài)下。子微網(wǎng)之間存在較為緊密的聯(lián)系，多微網(wǎng)內(nèi)部可以實現(xiàn)一定程度的能量互濟(jì)。多微網(wǎng)雖然結(jié)構(gòu)層次、控制層次更復(fù)雜，但其分散了運(yùn)行管理控制的任務(wù)和風(fēng)險，能在滿足不同子微網(wǎng)運(yùn)行目標(biāo)的同時實現(xiàn)更大范圍的資源整合[4]。

多個微網(wǎng)間一般靠交流線路進(jìn)行互聯(lián)，由于交流互聯(lián)線路易造成電磁環(huán)網(wǎng)，所以需要開環(huán)運(yùn)行。相比之下，直流系統(tǒng)不存在相位同步、諧波和無功功率損耗等方面的問題，因此柔性直流互聯(lián)得到了廣泛的關(guān)注[5]。盡管目前柔性直流輸電技術(shù)已經(jīng)成熟并得到了推廣，但其在配電系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用卻相對滯后[6]，特別是交直流互聯(lián)微網(wǎng)相關(guān)的研究較少[7-9]。

為了平抑能量波動，提高供電可靠性，微網(wǎng)系統(tǒng)中通常需要增加儲能裝置[10]。對于以風(fēng)電、光伏為主要電源的微網(wǎng)而言，儲能投資占整體投資的40%以上。在多個微網(wǎng)間配置公用的儲能裝置將使得多微網(wǎng)的整體投資明顯降低。

本文提出了1類基于公共儲能的多微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，微網(wǎng)之間通過直流線路互聯(lián)，實現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行。以中新天津生態(tài)城動漫園區(qū)域多微網(wǎng)工程為背景，介紹基于公共儲能的區(qū)域多微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，公共儲能配置方式，多微網(wǎng)運(yùn)行模式，以及商業(yè)運(yùn)營模式的最新研究成果。

1 區(qū)域多微網(wǎng)

1.1區(qū)域多微設(shè)計原則

(1)微網(wǎng)設(shè)計應(yīng)便于建設(shè)擴(kuò)展，主要應(yīng)便于結(jié)合園區(qū)中后續(xù)建筑以及結(jié)合建筑的分布式電源或微網(wǎng)建設(shè)擴(kuò)展。

(2)微網(wǎng)設(shè)計應(yīng)確保其負(fù)荷電能質(zhì)量符合電網(wǎng)有關(guān)準(zhǔn)則要求，并盡可能優(yōu)化。

(3)微網(wǎng)控制策略設(shè)計應(yīng)能滿足以下運(yùn)行方案需求：

1)孤島運(yùn)行。實現(xiàn)微網(wǎng)的自治功能，即保持微網(wǎng)處于獨立運(yùn)行狀態(tài)下，不與外部電網(wǎng)發(fā)生能量交互。

2)并網(wǎng)運(yùn)行。能夠利用分布式儲能或燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的控制使微網(wǎng)成為穩(wěn)定的可控單元，實現(xiàn)削峰填谷，并有限減少由于負(fù)荷波動、光伏出力波動引起的聯(lián)絡(luò)線功率變化。

依據(jù)上述設(shè)計原則，在中新天津生態(tài)城動漫園構(gòu)建了區(qū)域多微網(wǎng)系統(tǒng)，其中包括4個微網(wǎng)系統(tǒng)。動漫園地理圖及微網(wǎng)內(nèi)部分設(shè)備實景圖如圖1所示。

圖1 動漫園地理圖及微網(wǎng)內(nèi)部分設(shè)備實景Fig.1 Map of animation industry park and photos of microgrids’ partial devices

1.2區(qū)域多微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

中新天津生態(tài)城動漫園智能微電網(wǎng)工程[11]是國家863計劃中“基于先進(jìn)能效管理的智能微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項目的示范工程之一，目的是建設(shè)1個兆瓦級并網(wǎng)型微網(wǎng)，在保證高供電可靠性的同時，實現(xiàn)分布式能源完全就地消納，并探索微網(wǎng)商業(yè)推廣模式。

動漫園多微網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。區(qū)域A—C屬于動漫園區(qū)微網(wǎng)外的供電區(qū)域。區(qū)域D是動漫大廈(主樓)低壓微網(wǎng)，其中包括173 kW光伏發(fā)電以及200 kW·h磷酸鐵鋰電池儲能，公共連接點(point of common coupling，PCC)為開關(guān)4；區(qū)域H是能源站低壓微網(wǎng)，其中包括70 kW幕墻光伏以及200 kW·h磷酸鐵鋰電池儲能；區(qū)域D和H通過750 V直流母線實現(xiàn)柔性互聯(lián)，共用400 kW·h公共儲能；區(qū)域E是能源站車棚低壓微網(wǎng)，其中包括400 kW光伏發(fā)電以及300 kW·h磷酸鐵鋰電池儲能，PCC點為開關(guān)5；區(qū)域F、G組成能源站中壓微網(wǎng)，其中1.5 MW燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)接入10 kV側(cè)，PCC點為開關(guān)3；區(qū)域F、G、H組成中低壓嵌套微網(wǎng)。區(qū)域A、B接入饋線1；區(qū)域C、E接入饋線2；區(qū)域F、G接入饋線3。3條饋線最終接入和暢路110 kV變電站。

圖2 動漫園區(qū)域多微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Configuration of regional multi-microgird of animation industry park

1.3區(qū)域多微網(wǎng)間公共儲能配置方式

圖3 公共儲能的配置方式Fig.3 Configuration of common energy storage

動漫園區(qū)域多微網(wǎng)系統(tǒng)最大的特色也是創(chuàng)新之處在于實現(xiàn)了多微網(wǎng)間的柔性直流互聯(lián)，并基于互聯(lián)直流母線配置公共儲能。公共儲能的配置方式如圖3所示。正常情況下，各子單元均以并網(wǎng)模式工作。白天光伏發(fā)電通過光伏逆變器向負(fù)載供電，多余電能通過雙向逆變器給公共儲能充電，也可輸送到電網(wǎng)。當(dāng)光伏出力不足時，由公共儲能通過雙向逆變器與光伏一起給負(fù)載供電；夜晚，由公共儲能通過雙向逆變器給負(fù)載供電，當(dāng)電池電量釋放到設(shè)定的容量值時，能量管理系統(tǒng)給雙向逆變器發(fā)送停機(jī)指令以保護(hù)蓄電池，負(fù)載移交給電網(wǎng)供電。

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，能量管理系統(tǒng)(energy manage system，EMS)控制開關(guān)柜中接觸器斷開，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(power convert system，PCS)由并網(wǎng)模式快速轉(zhuǎn)換至離網(wǎng)模式，維持微網(wǎng)內(nèi)部電壓幅值、頻率的穩(wěn)定。電網(wǎng)恢復(fù)正常后，PCS會調(diào)整微網(wǎng)電壓實現(xiàn)與電網(wǎng)同步，轉(zhuǎn)為并網(wǎng)模式，EMS控制開關(guān)柜中接觸器閉合，實現(xiàn)并網(wǎng)，并逐漸將負(fù)荷交還給電網(wǎng)。

公共儲能運(yùn)行在3種狀態(tài)，分別為放電狀態(tài)、充電狀態(tài)，以及停機(jī)狀態(tài)。

公共儲能放電時可以分為3種模式：恒壓放電、恒流放電、恒功率放電。放電時2組儲能其中1組需工作在恒壓放電模式，調(diào)整直流母線電壓，維持整個微電網(wǎng)內(nèi)功率平衡。

公共儲能充電時可分為2種模式：恒流充電和恒壓充電。由于充電狀態(tài)下的公共儲能不需要其維持直流母線電壓，因此蓄電池充電過程中可根據(jù)剩余容量(state of charge，SOC)適當(dāng)選取恒流充電或恒壓充電模式。

當(dāng)SOC值大于95%時，公共儲能不再充電；當(dāng)SOC值小于5%時，公共儲能不再放電。此時通過PCS控制其處于停機(jī)狀態(tài)。

2 區(qū)域多微網(wǎng)運(yùn)行模式分析

區(qū)域內(nèi)多個獨立的微網(wǎng)之間通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)或聯(lián)絡(luò)線形成的組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)的開合狀態(tài)的改變，可以動態(tài)改變各個微網(wǎng)之間的連接關(guān)系，從而改變微網(wǎng)之間的功率交換，以實現(xiàn)多微電網(wǎng)的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

動漫園區(qū)域多微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，多微網(wǎng)包括：

(1)主樓低壓微網(wǎng)(區(qū)域D)。

(2)能源站低壓微網(wǎng)(區(qū)域E)。

(3)能源站中低壓嵌套微網(wǎng)(區(qū)域F、G、H)。

圖4 動漫園區(qū)域多微網(wǎng)拓?fù)鋱DFig.4 Topology of regional multi-microgird of animation industry park

分別通過3個PCC點接入大電網(wǎng)。主樓低壓微網(wǎng)與能源站中低壓嵌套微網(wǎng)通過750V直流互聯(lián)；能源站低壓微網(wǎng)與中低壓嵌套微網(wǎng)通過開關(guān)7，聯(lián)絡(luò)開關(guān)(tie switch，TS)實現(xiàn)互聯(lián)。冬夏季節(jié)，接入?yún)^(qū)域H的燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)正常運(yùn)行，能源站中低壓嵌套微網(wǎng)中的開關(guān)6保持常閉狀態(tài)，作為分段開關(guān)(sectional switch，SS)；春秋季節(jié)，接入?yún)^(qū)域H的燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)計劃性檢修退出運(yùn)行，因此能源站中低壓嵌套微網(wǎng)調(diào)整為低壓微電網(wǎng)，并網(wǎng)點從開關(guān)3切換到開關(guān)6。

能源站2個微電網(wǎng)可構(gòu)成1個大微網(wǎng)，形成聯(lián)合并網(wǎng)模式，一是通過能源站低壓并網(wǎng)，二是通過中壓并網(wǎng)。

主樓低壓微網(wǎng)和能源站中低壓嵌套微網(wǎng)也可構(gòu)成1個大微網(wǎng)，形成聯(lián)合并網(wǎng)模式，一是通過主樓低壓并網(wǎng)(含二并、二離這2種情況)，二是通過能源站中壓并網(wǎng)(含二并、二離這2種情況)，可記為主樓/能源站聯(lián)合并網(wǎng)1/2/3/4。

3個微電網(wǎng)也可形成1個大微網(wǎng)，并可分別通過3個并網(wǎng)點并網(wǎng)，記為大微網(wǎng)并網(wǎng)1/2/3。

中間態(tài)：為防止電磁環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)，正常情況下交流低壓側(cè)不允許閉環(huán)運(yùn)行，因此在能源站低壓微網(wǎng)與中低壓嵌套微網(wǎng)都并網(wǎng)情況下，TS需要保持常開，僅作為狀態(tài)轉(zhuǎn)換的中間態(tài)出現(xiàn)。

當(dāng)SS常閉時，動漫園區(qū)域多微網(wǎng)的16種運(yùn)行模式詳見表1。開關(guān)狀態(tài)為“1”表示開關(guān)閉合；狀態(tài)為“0”表示開關(guān)斷開。大電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，“1”表示饋線正常，“0”表示饋線故障。3條饋線共分為8種大電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，每種狀態(tài)對應(yīng)2種多微網(wǎng)運(yùn)行模式?？筛鶕?jù)光伏、儲能、燃?xì)馊?lián)供機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)選擇不同的運(yùn)行模式。

圖5為多微網(wǎng)16種運(yùn)行方式的切換策略。內(nèi)圈中的圓表示大電網(wǎng)的8種運(yùn)行狀態(tài)，中間的數(shù)字分別代表饋線1，2，3的運(yùn)行狀態(tài)；外圈中的圓分別代表對應(yīng)每種大電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時可選擇的2種多微網(wǎng)運(yùn)行模式，中間的數(shù)字分別代表PCC1，PCC2，PCC3和TS的開關(guān)狀態(tài)。相鄰的2種運(yùn)行模式之間可以通過一次開關(guān)操作完成模式切換。

3 商業(yè)運(yùn)營模式探討

生態(tài)城動漫園智能微電網(wǎng)工程是國網(wǎng)天津市電力公司在動漫園分布式發(fā)電設(shè)備已投運(yùn)的基礎(chǔ)上，投資為主樓和能源站之間新建400 kW·h公用儲能，1條0.4 kV聯(lián)絡(luò)線，以及部署微網(wǎng)綜合監(jiān)控平臺。電網(wǎng)公司與生態(tài)城開展區(qū)域多微網(wǎng)合作運(yùn)營，探索了雙方共贏的商業(yè)運(yùn)營模式。

整套設(shè)備及軟件以整體形式出售給動漫園區(qū)，園區(qū)自行負(fù)責(zé)日常維護(hù)，電網(wǎng)公司定期提供售后服務(wù)(包括軟件維護(hù)及備品備件更換)，資產(chǎn)屬園區(qū)。電網(wǎng)公司提供為期1～2年的用戶體驗時間，園區(qū)根據(jù)使用情況決定是否繼續(xù)使用，若使用根據(jù)市場價格進(jìn)行繳費；若不使用，電網(wǎng)公司對該部分設(shè)備進(jìn)行拆除。

表1 動漫園區(qū)域多微網(wǎng)16種運(yùn)行模式

圖5 多微網(wǎng)運(yùn)行模式切換策略Fig.5 Operation mode transition of multi-microgrid

電網(wǎng)公司追加公共儲能投資后的收益增量分為3部分：

(1)由于分布式電源得到充分利用，從而獲得的增量收益(對儲能裝置進(jìn)行充電的電價取0.35 元/(kW·h)，放電的電價取天津市工商業(yè)平時段電價0.837元/(kW·h)，以月為時間尺度獲取儲能裝置計量表計的充電、放電數(shù)據(jù)，從而與園區(qū)進(jìn)行結(jié)算)。

(2)由于微網(wǎng)為園區(qū)提供可靠供電，從而獲得的增量收益(當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障停止供電或園區(qū)戶用電負(fù)荷突然增大等情況下，可按照天津市工商業(yè)峰時電價1.204元/(kW·h)進(jìn)行儲能余電銷售)。

(3)由于儲能裝置作為虛擬電廠參與用戶側(cè)的需求響應(yīng)，從而獲得的增量收益(具體的需求響應(yīng)激勵制度由電網(wǎng)公司制定)。

增量收益通過以下方式進(jìn)行分配：首先通過增量收益回收前期投資，投資回收后，園區(qū)和電網(wǎng)公司各獲得一半凈利，實現(xiàn)電網(wǎng)公司與園區(qū)的雙贏。

4 結(jié)語

動漫園區(qū)域多微網(wǎng)已于2016年6月1日并網(wǎng)投運(yùn)。在運(yùn)行的一年中，微網(wǎng)間利用直流母線互聯(lián)，消除了交流互聯(lián)時的倒閘時間，減少了非故障微網(wǎng)用戶的短時供電中斷，提高了供電可靠性。公共儲能的配置便于微網(wǎng)間的能量互濟(jì)，同時減少了多微網(wǎng)的總投資。當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障或者計劃孤島時，通過微網(wǎng)/配電網(wǎng)之間的并網(wǎng)PCC開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)等不同組合，實現(xiàn)了多個微電網(wǎng)的并列式、串聯(lián)式、嵌套式和分散多點式等多種形式重新組合，從而形成區(qū)域內(nèi)微網(wǎng)多種運(yùn)行狀態(tài)。

動漫園智能微電網(wǎng)示范工程作為微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及研究成果的集中驗證和展示，對微電網(wǎng)的研究和應(yīng)用具有重要意義，可以為未來其他微網(wǎng)建設(shè)運(yùn)營提供借鑒。

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項添春

(編輯 蔣毅恒)

ConstructandOperatingModesofMWMulti-MicrogridinSmartPark

XIANG Tianchun, WANG Xudong, MA Shiqian, DING Yi

(State Grid Tianjin Electric Power Research Institute, Xiqing District, Tianjin 300384, China)

The increasing number of microgrids connected to medium and low voltage distribution system makes it is possible to improve economy and reliability of the overall multi-microgrid through interconnection. This paper presents a kind of configuration of interconnected multi-microgrid based on common energy storage. Two microgrids are provided with energy support by common energy storage through two bi-directional inventers connected to common DC bus, which can interconnect two microgrids with different voltage and frequency under different feeders. In the optimized operation state, it can achieve two way energy support between interconnected microgrids, and improve the consumption level of regional distributed energy resources; under fault conditions, it can sustain power supply for important loads through adaptive networking. Based on this design concept, a regional multi-microgrid project of Tianjin Eco-city has been built, which is consist of a medium and low voltage nested microgrid and two low voltage microgrids. On this basis, this paper also discusses the commercial operation mode of regional multi-microgrid based on common energy storage, which is to achieve the win-win situation of electric power corporations and photovoltaic investors through optimizing the allocation of resources.

common energy storage; regional multi-microgrid; optimal configuration; commercial operation mode

TK 82；TM 727

： A

： 2096-2185(2017)04-0001-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.04.001

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(863計劃)(2014AA052003)

2017-05-30

項添春(1978)，男，工學(xué)碩士，高級工程師，主要研究方向為城市能源互聯(lián)網(wǎng)，智能電網(wǎng)園區(qū)等；

王旭東(1984)，男，工學(xué)博士，高級工程師，主要研究方向為智能電網(wǎng)，tjwangxudong@sina.com；

馬世乾(1988)，男，工學(xué)博士，工程師，主要研究方向為智能配電網(wǎng)；

丁 一(1990)，男，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向為智能配電網(wǎng)保護(hù)與控制。