徐俊文獻(xiàn)綜述智能電網(wǎng)

微電網(wǎng)中能量供求平衡的研究綜述前言近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)電力系統(tǒng)的依賴越來越強(qiáng)，對(duì)電力系統(tǒng)的要求也越來越高。傳統(tǒng)集中式發(fā)電的電力系統(tǒng)是遠(yuǎn)距離輸電的大型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系，在新時(shí)代的新要求下，它的很多弊端越來越突現(xiàn)出來1：用于傳統(tǒng)火力發(fā)電的煤、石油等化石燃料日益耗盡，人們必須開發(fā)新的可再生能源以滿足不斷增長(zhǎng)的電力需求?！皽厥倚?yīng)”氣體排放導(dǎo)致的氣候變化問題促使傳統(tǒng)的發(fā)電模式必須向清潔、環(huán)保的方向轉(zhuǎn)變。電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度互聯(lián)和設(shè)備的日益老化問題不容忽視，任何一個(gè)發(fā)生在局部小范圍內(nèi)的故障都有可能迅速蔓延并影響到整個(gè)電網(wǎng)所謂的智能電網(wǎng)。電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用使得電力用戶對(duì)電能質(zhì)量、可靠性和經(jīng)濟(jì)性有著越來越高的要求。由此，人們期望通過一個(gè)數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將能源資源開發(fā)、輸送、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換（發(fā)電）、輸電、配電、供電、售電、服務(wù)以及蓄能與能源終端用戶的各種電氣設(shè)備和其他用能設(shè)施連接在一起，通過智能化控制實(shí)現(xiàn)精確供能、對(duì)應(yīng)供能、互助供能和互補(bǔ)供能，將能源利用效率和能源供應(yīng)安全提高到全新的水平，將污染與溫室氣體排放降低到環(huán)境可以接受的程度，使用戶成本和投資效益達(dá)到一種合理的狀態(tài)。這就是智能電網(wǎng)的思想。幾年前，美國(guó)和歐盟相繼提出“智能電網(wǎng)(SmartGrid，SG)的概念[3-4]。智能電網(wǎng)的概念智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展十分迅速，目前對(duì)它仍沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義。美國(guó)電力科學(xué)研究院將智能電網(wǎng)定義為[5]：一個(gè)由眾多自動(dòng)化的輸電和配電系統(tǒng)構(gòu)成的電力系統(tǒng)，以協(xié)調(diào)、有效和可靠的方式實(shí)現(xiàn)所有的電網(wǎng)運(yùn)作，具有自愈功能；快速響應(yīng)電力市場(chǎng)和企業(yè)業(yè)務(wù)需求；具有智能化的通信架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、安全和靈活的信息流，為用戶提供可靠、經(jīng)濟(jì)的電力服務(wù)。智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)大電網(wǎng)相比，它并不是一個(gè)全新的電網(wǎng)。而是以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ)，并集成高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)，通過先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)，其主要特征包括自愈、激勵(lì)和包括用戶、抵御攻擊、提供滿足21世紀(jì)用戶需求的電能質(zhì)量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、啟動(dòng)電力市場(chǎng)以及資產(chǎn)的優(yōu)化高效運(yùn)行。與傳統(tǒng)集中式大電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)更能滿足新時(shí)代的新需要。智能電網(wǎng)一些的主要特征[6]可以歸納為：堅(jiān)強(qiáng)性，即在大電網(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)和故障時(shí)，仍能保持對(duì)用戶穩(wěn)定的供電能力，不會(huì)產(chǎn)生級(jí)聯(lián)的大面積停電事故；具有抵抗自然災(zāi)害、在極端氣候條件下或外力破壞下仍能保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行的能力；具有確保電力信息安全的能力。自愈性，具有實(shí)時(shí)、在線和連續(xù)的安全評(píng)估和分析能力，強(qiáng)大的預(yù)警和預(yù)防控制能力，以及自動(dòng)故障診斷、故障隔離和系統(tǒng)自我恢復(fù)的能力。兼容性，支持可再生能源[7]的有序、合理接入，適應(yīng)分布式電源[8]和微電網(wǎng)[9]的接入，能夠?qū)崿F(xiàn)與用戶的交流和高效互動(dòng)，滿足用戶多樣化的電力需求并提供對(duì)用戶的增值服務(wù)。經(jīng)濟(jì)性，支持電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)和電力交易的有效開展，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，降低電網(wǎng)損耗，提高能源利用效率。集成性，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息的高度集成和共享，采用統(tǒng)一的平臺(tái)和模型，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和精益化管理。優(yōu)化性，優(yōu)化資產(chǎn)的利用，降低投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本。智能電網(wǎng)的構(gòu)架智能發(fā)電與傳統(tǒng)集中式電站相比，智能電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)除了包含集中式發(fā)電廠還大量引入分布式發(fā)電。分布式電源的種類豐富，如小水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電、垃圾發(fā)電等。分布式發(fā)電(DistributedGenerator,DG具有)減輕環(huán)境污染、降低終端用戶費(fèi)用、降低線路損耗、改善電能質(zhì)量和提高供電可靠性等特點(diǎn)，近年來受到了全世界的關(guān)注。同時(shí)，在智能電網(wǎng)的發(fā)電端引入一些大容量的設(shè)備，對(duì)用電低峰時(shí)電網(wǎng)中富余的電能進(jìn)行儲(chǔ)存；用電高峰時(shí)將儲(chǔ)存的電能釋放來補(bǔ)充電能，改善電網(wǎng)峰值的性能。傳統(tǒng)大電網(wǎng)中能量的流動(dòng)是從發(fā)電端到用戶端的單向流動(dòng)，用戶被動(dòng)地參與電網(wǎng)的運(yùn)行管理和決策。這種被動(dòng)的策略將用戶定為消極負(fù)載，難以滿足新時(shí)代社會(huì)對(duì)電網(wǎng)實(shí)時(shí)性的高要求。智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了發(fā)電端與用戶端信息與能量的雙向互動(dòng)，用戶端的實(shí)時(shí)用電消費(fèi)信息可由檢測(cè)和測(cè)量裝置檢測(cè)，并由通信鏈路傳達(dá)給發(fā)電端。同時(shí)用戶端也能實(shí)時(shí)獲取發(fā)電端的電力生產(chǎn)等信息，由此來優(yōu)化配置用戶端電力的消費(fèi)。智能配電同時(shí)，智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微網(wǎng)[7]的靈活控制，從而提高需求側(cè)的供電可靠性和管理水平。若在負(fù)荷中心建立微網(wǎng)，可將分布式電源和負(fù)荷實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，就地新能源所發(fā)電量先滿足當(dāng)?shù)刎?fù)荷需求，多余電能往主網(wǎng)輸送，不足的電能由主網(wǎng)提供。而為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行良好的協(xié)調(diào)控制，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)狀態(tài)。智能配電網(wǎng)需安裝大量智能儀表，以替代目前所使用的電氣儀表。每個(gè)智能儀表需包含一個(gè)處理器、儲(chǔ)能元件和通信設(shè)備，它不可以測(cè)量用戶每天每時(shí)的用電量，還可以通過軟件將用戶從電網(wǎng)中切除，在緊急情況下發(fā)出警報(bào)，并提供了智能控制用電設(shè)備的接口。智能輸電隨著清潔能源大規(guī)模接入，而太陽能、風(fēng)電等能源存在很大的不確定性，為此，需要加強(qiáng)輸電網(wǎng)絡(luò)，如應(yīng)用高性能電力電子元件組成可控的有功和無功功率電源，并建立智能調(diào)度系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電網(wǎng)的靈活控制，因此，智能輸電是智能電網(wǎng)的核心[8]。智能調(diào)度能夠敏銳地對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，充分提供了電網(wǎng)狀態(tài)的信息，使得電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)最小化，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)自愈，而且，電網(wǎng)靈活接人各種可再生能源與分布式能源時(shí)，智能調(diào)度可實(shí)時(shí)根據(jù)信息進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，促進(jìn)節(jié)能減排。智能用戶智能電網(wǎng)用戶端系統(tǒng)包括了從電力變壓器到用電設(shè)備之間，對(duì)電能進(jìn)行傳輸、分配、控制、保護(hù)和電能管理的所有設(shè)備及系統(tǒng)，主要包括用戶端智能電器與系統(tǒng)、用戶端電能管理系統(tǒng)、智能樓宇電氣設(shè)備控制系統(tǒng)和雙向互動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)，是構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要組成部分[9]。按用戶屬性來分主要有三類[10]：建筑樓宇，如賓館、商場(chǎng)、體育館、學(xué)校、寫字樓、政府機(jī)關(guān)等；工礦企業(yè)，如冶金、造紙、輕紡、機(jī)械、電子、煤礦等；基礎(chǔ)設(shè)施，如機(jī)場(chǎng)、港口、鐵路、公路、水利等。用戶端環(huán)節(jié)的建設(shè)內(nèi)容主要為：構(gòu)建智能用電服務(wù)體系；全面推廣應(yīng)用智能電表、智能用電管理終端等智能設(shè)備；實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向互動(dòng)，提升用戶服務(wù)質(zhì)量；建設(shè)智能用電小區(qū)和電動(dòng)汽車充電站。智能電網(wǎng)用戶端系統(tǒng)總體特征體[11]：1)用戶端智能電器與系統(tǒng)的智能控制與保護(hù)、自愈、安全防御能力。2)用戶端電能管理系統(tǒng)的可再生能源接入的兼容、高效運(yùn)營(yíng)管理能力。3)智能樓宇電氣設(shè)備控制系統(tǒng)和雙向互動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)的舒適、友好、互動(dòng)服務(wù)能力。4智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)智能電網(wǎng)相關(guān)的主要問題包括智能電網(wǎng)的安全穩(wěn)定控制技術(shù)、電網(wǎng)調(diào)度與運(yùn)行、新能源并網(wǎng)與微電網(wǎng)及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)等[12]。1安全穩(wěn)定控制隨著可再生能源能源在電網(wǎng)中大量滲透，由于可再生能源的間歇性而給電網(wǎng)帶來的波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)和安全穩(wěn)定性有著重要的影響。如何實(shí)現(xiàn)可再生能源高效、安全而又穩(wěn)定地接入一直是德國(guó)TobiasHeb等學(xué)者的研究的問題。德國(guó)TobiasHeb等學(xué)者對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，指出熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠可以對(duì)電力生產(chǎn)進(jìn)行安全控制和調(diào)節(jié)，可以幫助有限的可再生能源(如風(fēng)電和光伏發(fā)電)的并網(wǎng)[13]。美國(guó)ChristopherL．DeMarco[14]和AdirakKanchanaharuthai[15]等學(xué)者提出通過使用分布式存儲(chǔ)技術(shù)來對(duì)電網(wǎng)的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)可再生能源接入電網(wǎng)時(shí)帶來的波動(dòng)。美國(guó)S．MassoudAmin等學(xué)者探討了智能電網(wǎng)的安全性問題[16]，指出智能電網(wǎng)作為一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)安全性.其文章指出，雖然近期智能電網(wǎng)安全的主要目標(biāo)是避免大范圍的網(wǎng)絡(luò)故障，但長(zhǎng)期的目標(biāo)則應(yīng)是構(gòu)建一個(gè)自適應(yīng)的、魯棒的電網(wǎng)。澳大利亞的M．J．Hossain等學(xué)者針對(duì)包含動(dòng)態(tài)負(fù)荷的電力系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種新的魯棒控制方法[17]。電網(wǎng)調(diào)度與運(yùn)行大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為未來智能電網(wǎng)的運(yùn)行會(huì)包括許多參與者，應(yīng)該使每一個(gè)參與者都能參與到市場(chǎng)環(huán)境中來。葡萄牙ZitaVale等學(xué)者的文章認(rèn)為，智能電網(wǎng)中較大的參與者由于具備足夠的經(jīng)濟(jì)能力，可以獲得合適的決策支持工具來參與市場(chǎng)，但是較小的參與者則難以獲得這樣的工具[18]。美國(guó)PeizhongYi等學(xué)者提出了一種分布式機(jī)會(huì)調(diào)度方法，用于負(fù)荷側(cè)管理。其文章的研究認(rèn)為，最優(yōu)的調(diào)度策略就是一種純粹的閾值策略：當(dāng)電價(jià)低于某一設(shè)定值時(shí)，所有用戶均需合閘用電；否則就處于空閑狀態(tài)[19]。新能源并網(wǎng)與微電網(wǎng)3.1新能源并網(wǎng)德國(guó)C．Ziems等學(xué)者結(jié)合德國(guó)的情況，討論了大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響。其文章特別指出，光伏發(fā)電獨(dú)特的時(shí)序出力特征將會(huì)對(duì)化石燃料發(fā)電廠的啟停周期產(chǎn)生巨大的影響[20]。美國(guó)AnthonyPapavasiliou等學(xué)者提出了通過在并網(wǎng)可再生能源和電力現(xiàn)貨市場(chǎng)方面訂立契約，來給彈性負(fù)荷供電，以削減可再生能源的波動(dòng)[21]。其文章將契約描述為一個(gè)隨機(jī)最優(yōu)控制問題，目標(biāo)是使得供電費(fèi)用最小香港YunheHou等學(xué)者指出了風(fēng)電并網(wǎng)后需解決的一些問題，包括備用計(jì)劃、穩(wěn)定評(píng)估、電壓控制、優(yōu)化運(yùn)行等[22]。日本K．Yamashita等學(xué)者討論了風(fēng)電并網(wǎng)的問題，介紹了將風(fēng)電并入一個(gè)小島電網(wǎng)(日本沖繩)后在頻率穩(wěn)定方面做的工作[23]。意大利G．Migliavacca、澳大利亞H．Auer和法國(guó)S．Galant等學(xué)者指出，隨著接大電網(wǎng)的可再生能源越來越多，最初在配電網(wǎng)方面的關(guān)注已經(jīng)或?qū)⒁D(zhuǎn)移到對(duì)輸電網(wǎng)的關(guān)注[24~28]。3.2微電網(wǎng)由于可再生能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來很多目前難以克服的問題，眾多學(xué)者將目光投向微電網(wǎng)。微電網(wǎng)作為既可以并網(wǎng)運(yùn)行又可以獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，對(duì)于提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性提供了較大的幫助[29]。巴西Carmen．L．T．Borges等學(xué)者提出了一種微電網(wǎng)的可靠性評(píng)估模型。在該模型中，各種分布式電源被視為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)運(yùn)行中的一個(gè)代理，而非傳統(tǒng)的分散電源[30]。其文章采用隨機(jī)模型來表示風(fēng)電、光伏發(fā)電等的不確定性；通過建立儲(chǔ)能充放電狀態(tài)的特殊模型，將儲(chǔ)能作為降低供電間歇性的有效手段。該文章認(rèn)為，能否在并網(wǎng)和孤立運(yùn)行2種模式下進(jìn)行有效切換，是評(píng)價(jià)微電網(wǎng)可靠性的挑戰(zhàn)性課題。對(duì)此，該文章通過建立混合模型，并基于蒙特卡洛仿真方法來進(jìn)行處理。美國(guó)C．M．Colson等學(xué)者基于多代理技術(shù)研究了微電網(wǎng)的能量管理問題。其文章的重點(diǎn)在于探討微電網(wǎng)能量管理問題的目標(biāo)和約束，以及多代理的自組織和協(xié)調(diào)配合問題[31]。在微電網(wǎng)的控制和優(yōu)化研究方面，意大利BrunoBelvedere等學(xué)者針對(duì)一個(gè)低壓孤立運(yùn)行的微電網(wǎng)(包括一個(gè)千瓦級(jí)的燃料電池、一個(gè)光伏模塊和一個(gè)100A·h的電池儲(chǔ)能系統(tǒng))，研究了其內(nèi)部器件之間的協(xié)調(diào)配合原則和具體控制策略[32]。4風(fēng)力發(fā)電技術(shù)風(fēng)電機(jī)組的控制主要涉及前饋控制、速度控制、故障穿越、最大功率點(diǎn)跟蹤等[33]。前饋控制使；，導(dǎo)風(fēng)電機(jī)組能夠減少由于干擾和負(fù)荷變化所導(dǎo)致的影響。丹麥PeterFoghOdgaard等學(xué)者的文章認(rèn)為，雖然上游風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速等數(shù)據(jù)對(duì)于下游風(fēng)電機(jī)組控制的優(yōu)化具有明顯的意義，但是由于紊流等因素，直接使用這些數(shù)據(jù)是有問題的。為此，該文章基于正交分解方法來提取信息，并將此用于下游風(fēng)電機(jī)組的控制器設(shè)計(jì)[34]。墨西哥MiguelE．GonzcileZ和西班牙JuanGarrido等學(xué)者則討論了民用風(fēng)電機(jī)組的多變量集中控制方法。通過解耦和前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，所提出的控制方法可以有效克服湍流和負(fù)荷變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行造成的影響[35~36]。日本TeruhisaKumano等學(xué)者討論了利用靜止同步串聯(lián)補(bǔ)償器(SSSC)和儲(chǔ)能裝置來提高風(fēng)電場(chǎng)的故障穿越能力。其文章指出，在提高故障穿越能力方面，容抗比電阻效果好，SSSC比靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)效果好，所需的SSSC的容量?jī)H為STATCOM容量的一半。該文章同時(shí)指出，SSSC不僅可以改善風(fēng)電場(chǎng)的故障穿越能力，還可以改善風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量，這是其他裝置難以做到的[37]。M．Soliman等學(xué)者則針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組，通過使用動(dòng)態(tài)串聯(lián)電阻，并基于多變量模型預(yù)測(cè)控制方法，來提高風(fēng)電場(chǎng)的故障穿越能力[38]。展望智能電網(wǎng)、新能源并網(wǎng)與微電網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電等熱點(diǎn)問題一直是全球智能電網(wǎng)問題的熱點(diǎn)，全球控制領(lǐng)域和電力系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)τ谥悄茈娋W(wǎng)建設(shè)和新能源發(fā)展也高度關(guān)注。電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，依然是所有研究者們亟待解決的問題。而在如今全球大規(guī)模風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源的發(fā)展下，電力系統(tǒng)也面臨著新的挑戰(zhàn)。間歇性電源接入后，如何控制才能使電網(wǎng)運(yùn)行更安全和經(jīng)濟(jì)；多種電源接人以及電動(dòng)汽車等負(fù)荷側(cè)的靈活參與，如何控制使電網(wǎng)運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)。對(duì)以上問題的研究并提出相應(yīng)的有效策略，將會(huì)對(duì)全球范圍內(nèi)智能電網(wǎng)的發(fā)展有重大推動(dòng)作用。參考文獻(xiàn)ShiJie,AiQian.Researchonseveralkeytechnicalproblemsinrealizationofsmartgrid[J]:PowerSystemProtectionAndControl,2009,37(19),1674-3415．StevenCollier:TenSteptoaSmartGrid[C].IEEEPower＆EnergySocietyGeneralMeeting，July,2009,8(1),8-18．HFarhangi:Thepathofthesmartgrid[C].PowerandEnergyMagazine,IEEE,2010,8(1),8-18．MassoudAmin,BFWollenberg.Towardasmartgrid:powerdeliveryforthe21stcentury[J],PowerandEnergy,2005,3(5),34-41．RichardE.Brown,ImpactofSmartGridonDistributionSystemDesign[J],PowerandEnergySocietyGeneralMeeting,2008,1-4Keyhani,A:DesignofSmartGridRenewableEnergySystems.Wiley,NewJersey(2011)MEENDEZQUEZADA 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