在当前全球能源日益紧缺的背景下,作为大电网的有益补充和分布式能源的有效利用形式,微电网已经引起世界各国的广泛关注并在不同地区纷纷得以示范应用。尤其是在大电网难以覆盖的偏远山区、独立海岛、边防哨所等特殊场所,通过整合基于可再生能源的分布式电源(Distributed Generations, DGs)、储能单元及本地负荷构成能够自治运行的独立微电网(Stand-Alone Microgrid, SAMG),在保障区域内供电可靠性和电能质量的基础上,实现多能互补、节能减排与经济运行,有助于提高能源的综合利用效率,进一步推进清洁能源的产业化发展。
现有研究与实践表明,长期处于孤岛运行状态的SAMG通常配置有以风力发电机组(Wind Turbine Generator, WTG)、光伏发电(Photovoltaic, PV)为代表的DGs,同时考虑到间歇性可再生能源与负荷波动的不确定性以及大电网电压频率支撑的缺失,SAMG通常还配置有一定数量的柴油发电机组(Diesel Engine, DE)和电池储能系统(Battery Energy Storage System, BESS)以保障整个系统的供电可靠性和运行稳定性。
上述文献主要侧重基于长期能量管理的经济运行优化,较少关注基于短期功率平衡的实时运行控制,然而后者研究对于SAMG的安全稳定与供电可靠更具实际指导意义。
总体来说,WTG、PV、DE以及BESS在SAMG中的应用相对成熟,并得到了较为广泛的认可,但生物质发电(Biomass Power Generation, BPG)在SAMG中的应用研究较为缺乏,其主要原因在于传统的BPG基本上都按全功率方式作为一个稳定电源点并入大电网,而SAMG的总体容量相对较小,难以直接消纳。
同时,现有的研究工作更多集中于SAMG的规划设计和经济运行,较少关注正常工况和紧急工况下的运行模式转换及其供电可靠性,没有充分考虑不同调频能力的DGs和储能设备之间的实时联合调频控制,从而导致多种DGs之间的协调运行方式过于理想化,不利于工程实现。
对于风柴储生物质独立微电网系统来说,如果不加以区分,从所有设备全部投入到全部退出共有15种可能的运行模式,但并非所有的组合状态都能长期稳定运行。
为此,本文以不同DGs和储能设备在SAMG中的功能定位为基础,从风力发电系统、柴油发电系统、生物质发电系统、电池储能系统以及系统旋转备用共5个层面分别提出有针对性的控制策略,同时为了有效发挥各分布式电源的技术特点,提高SAMG的综合发电效率,进一步提出一种基于模式转换的微电网实时运行控制方法,使其在所有既定运行模式的正常运行工况与紧急运行工况下都能实现平稳转换并保持稳定运行,并通过典型工况下的案例分析验证了上述方法的有效性。
图1 风柴储生物质独立微电网系统结构
图3 风/柴/储/生物质独立微电网系统运行模式转换
本文针对风柴储生物质SAMG系统在不同运行模式下的供电可靠性问题,提出了基于模式转换的实时运行控制方法。典型案例下的仿真结果表明:
1)根据不同电源设备的出力特性提出了明确的系统功能定位,通过WTG限功率控制实现了风电波动影响的最小化;通过DE动态区间控制实现了不同模式下系统旋转备用的自适应调整;通过BESS改进充放电控制实现了其充放电的精细化管理;通过BPG辅助调频控制实现了其对系统的有效功率支撑;通过两级旋转备用策略协同在线电源设备保障了SAMG系统的运行稳定性。
2)本文首次提出的协调控制方法实现了SAMG系统在正常工况和紧急工况下都能在既定的不同运行模式间进行平滑转换并保持持续稳定运行,可以有效提升系统的整体供电可靠性;同时实现了优先利用WTG出力,其次利用BESS放电,再次提升BPG出力,最后才增加DE出力,可有效提升可再生能源的利用效率。