973项目申报书CB219700分布式发电供能系统相关基础研究.docx
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973项目申报书CB219700分布式发电供能系统相关基础研究
项目名称：
分布式发电供能系统相关基础研究
首席科学家：
王成山天津大学
起止年限：
2009.1至2013.8
依托部门：
教育部天津市科委
一、研究内容
将分布式发电供能系统以微网的形式接入到大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效方式。
本项目紧紧围绕分布式发电供能微网系统开展研究，以微网及其所接入的大电网为研究对象，以保证微网与大电网的安全稳定和经济高效运行为目标，重点针对“高渗透率微网的复杂动态行为及安全高效运行理论”这一科学问题开展下述四个方面的研究工作。
1.微网运行特性及高渗透率下与大电网相互作用的机理
微网集成了多种能源输入、多种产品输出、多种能源转换单元，是化学、热力学、电动力学等行为相互耦合的复杂系统。
微网存在多种运行状态，当微网处于并网运行状态时，功率可以双向流动；在大电网故障时，通过保护动作和解列控制，可使微网与大电网解列形成孤岛运行，独立向其所辖重要负荷供电；在大电网故障消除后，通过并网控制可再次将微网并入大电网，重新进入并网运行状态。
微网的运行特性既与其内部的分布电源特性以及负荷特性有关，也与其内部的储能系统运行特性密切相关，同时还与大电网相互作用，尤其在微网渗透率比较高的情况下，这种相互作用将直接影响到二者的稳定性和可靠性。
在这一方面，重点将开展如下研究工作。
（1）高渗透率下微网与大电网相互作用机理
当大量分布式发电供能系统以微网形式接入到大电网后，微网与大电网间的相互作用将十分复杂，对大电网的运行特性产生重要影响，而对于这种影响的分析则需要以全新的方法为基础。
以稳定性分析为例，传统的电力系统稳定性分析问题一般仅涉及到高压电力系统，而微网一般接入中压或者低压配电系统，配电系统的安全稳定问题完全是由于微网的存在而提出的。
由于高压电力系统与含微网的中压或低压配电系统在结构和运行参数等方面存在很大的差异，其稳定性分析方法可能截然不同。
高渗透率下微网与大电网相互作用机理研究的目的就是要揭示出二者相互作用的本质，发展相关的理论和方法，为含微网配电系统的稳定性分析与控制奠定理论基础。
重点研究内容：
不同种类分布式电源的稳态运行特性和暂态响应的典型特征；微网结构及其对微网运行特性的影响；微网接入大电网的典型模式；微网与配电网相互作用的动力学机制；含微网的配电网安全稳定分析理论和方法；保证运行稳定性的微网设计原则等等。
（2）分布式储能对微网安全稳定运行的作用机理
微网中的分布式电源，如光伏电池、风力发电等属于间歇式电源，所产生的电能具有显著的随机性和不确定性特征，微网中各类负荷的变化也存在一定的随机性。
当微网独立运行时，分布式储能环节，如蓄电池、超级电容器、飞轮储能系统等成为支持微网自主稳定运行不可或缺的重要组成部分，起到平抑系统扰动、维持发电/负荷动态平衡、保持电压/频率稳定的重要作用。
考虑到分布式储能系统的多样性，各种储能系统在微网扰动过程中的响应特性存在很大的差异，对微网安全稳定的作用机理也会有很大不同，需要充分认识分布式储能系统对微网运行特性的影响。
重点研究内容：
各种分布式储能装置自身动态特性及其对微网运行动态特性的影响；储能环节对微网电压/频率调节、平抑系统扰动、保障微网安全稳定的作用机理；微网中储能系统的优化配置理论与方法等，进而发展分布式储能系统的综合控制策略，研发相关的控制系统。
2.含微网新型配电系统的规划理论与方法
当大量分布式发电供能系统以微网形式接入配电系统后，配电系统将由原来单一电能分配的角色转变为集电能收集、电能传输、电能存储和电能分配于一体的新型电力交换系统。
合理规划、设计的分布式供能系统能够有效提高分布式能源利用的效率、提高电力系统运行的安全性、经济性和对重要负荷供电的可靠性。
但如果分布式电源的类型、安装地点、容量等不合适，不仅不能充分发挥分布式供能系统正面作用，还可能会对配电系统的运行产生负面影响，如增加电能损耗，导致电压越限，大幅度增加短路容量，等等。
为了建设可持续发展的配电系统，必须对微网接入系统后的影响做出科学的评估，进而在系统规划与建设中进行科学的引导。
含微网的配电系统规划工作将十分复杂，投资主体的不同直接导致了微网设备类型、容量、安装地点、以及投入时间的不确定，而且由于一些可再生能源发电呈现间歇式的特点，使得电力负荷预测的难度显著增高。
总之，原有的配电系统规划方法完全不再适应新环境下的系统规划要求，必须在规划的思路与方法上有所创新，为含微网的新型配电系统规划工作建立理论基础。
重点研究内容：
有助于微网接入的配电系统结构设计方法；含微网配电系统的综合性能评价指标体系；新型配电系统优化规划理论和方法。
在此基础上，开发出具有空间负荷预测、分布式电源（微网）容量与位置优化、配电网络优化、分布式能源结构优化等功能，适用于微网发展的电网规划决策支持系统。
3.微网及含微网配电系统的保护与控制
微网中的分布式电源通常具有多种不同的类型，且不同电源之间常通过电力电子装置实现互联，这使基于微网的分布式发电供能系统与常规配电系统或输电系统都有根本性的差异；同时，由于微网系统既要能够并网运行又要能够脱网独立运行，运行模式常常需要切换，这就带来了一系列复杂的保护与控制问题，必须对传统的保护与控制方法做出较大调整才能满足系统要求。
微网及含微网配电系统的保护与控制研究对保证分布式发电供能系统的可靠运行具有重要理论和实际意义。
在这一方面，重点将开展如下研究工作。
（1）微网及含微网配电系统的保护原理与技术
微网中多个分布式电源及储能装置的接入，彻底地改变了配电系统故障的特征，使故障后电气量的变化变得十分复杂，传统的保护原理和故障检测方法将受到巨大影响，可能导致无法准确地判断故障的位置；在微网正常并网运行的系统中，微网内部的电气设备发生故障时，应确保故障设备切除后微网系统继续安全稳定地并网运行；在微网外部的配电系统部分发生故障时，应在可靠定位与切除故障的前提下，确保微网在与主网解列后继续可靠运行，并确保解列后的微网系统再故障时仍能够可靠切除故障元件。
微网接入配电系统带来的这些变化使保护的工作原理和动作逻辑均变得异常复杂，传统继电保护方法无法满足要求，这已经成为限制分布式发电供能技术进一步发展和应用的重要技术屏障。
重点研究内容：
不同类型的分布式电源、储能装置及微网的故障特征；含微网配电系统的故障特征；微网内部电气元件及系统故障保护的配置原则、原理与技术；微网异常运行保护的原理与技术；含微网配电系统故障保护的配置原则、原理与技术；多微网配电系统解列控制的原理与技术；大电网瓦解的紧急情况下多微网之间的协调控制的原理与技术等。
通过理论研究与技术开发，提出微网内部故障与异常保护的原理，开发出基于通信技术及多点信息综合比较的集成式微网综合保护系统；提出多微网配电系统区域纵联保护、解列控制及紧急协调控制的原理，基于通信网络，设计开发出集故障保护、解列控制及紧急协调控制等功能于一体的多微网配电系统综合保护控制系统。
（2）微网并网控制及微网中多分布式电源协调控制
像ng电题等保护与控制问题。
入时间的不确定，极大增加了城市电网________________________________________________________________________________________________相对于所连接的大电网，微网可看作是具有独特运行特征的虚拟发电机，并网运行时可以向大电网供电（有时为负值）。
与常规发电机组并网运行时相似，微网并网运行需要满足一定的电压和频率条件。
但与常规的发电机组不同，由于微网中分布式电源的种类和特征不同，需要一些特殊的协调控制方式才可能使其满足并网运行条件。
微网作为自治系统，具有脱网独立运行的能力，此时为了满足负荷对系统电压和频率的要求，跟踪微网中负荷的变化，也需要针对微网中的分布式电源采取相关的协调控制措施。
由于其设备种类繁多（单纯供电/热电联供/冷热电联供等）、运行模式多样（供热为主发电为辅/供电为主供热为辅）、可控程度不同（集中控制/分散控制/自动控制/用户控制），微网中分布式电源的协调控制问题非常复杂。
重点研究内容：
微网在并网和孤岛运行模式下的协调控制策略；保证微网运行模式平稳切换的并网方法与控制策略；分布式发电设备、储能设备的逆变接口系统原理与技术。
在此基础上，开发出适合于不同分布式电源及储能装置并网的逆变接口装置和适应性强的微网综合控制系统。
（3）微网及含微网配电系统的电能质量分析与控制
随着科学技术的发展，各种精密电子仪器和数字化电器设备在用户中大量装备，对电力系统的供电可靠性和电能质量提出了越来越高甚至苛刻的要求。
在微网系统中，由于可能存在一些间歇式电源，其频繁的起停操作、功率输出的变化，都可能给所接入系统的用户带来电能质量问题。
此外，由于微网中很多类型的电源都需要借助电力电子技术输出满足用户负荷频率和电压要求的电能，依据所采用的电力电子技术不同，逆变器可能产生不同水平的谐波，随着微网渗透率的提高，配电系统的谐波水平也将会上升。
另一方面，对于一个谐波水平已经比较高的配电系统，微网中的分布式电源也可能会成为谐波的汇点，导致分布发电设备的损毁。
微网中大量单相分布式电源的存在，也增加了配电系统的三相不平衡水平。
总之，微网及含微网的配电系统中存在很多与电能质量相关的独特问题。
重点研究内容：
微网中电能质量问题的产生机理；微网及含微网配电系统的电能质量检测及分析理论；微网及含微网配电系统的电能质量综合控制方法。
在上述研究成果的基础上，研发含微网配电系统的电能质量综合控制系统。
4.分布式发电供能系统综合仿真与能量优化管理方法
鉴于微网系统的复杂性，无论是研究其与大电网相互作用的机理，还是研究在各种扰动下的复杂动态行为；无论是研究其保护与控制问题，还是研究其规划设计问题，都需要强有力的仿真手段，需要构建兼容微网分析的配电系统仿真实验平台。
研究微网及含微网配电系统的能量优化管理方法，有助于提高系统运行的经济性，为分布式能源的高效利用创造条件。
在这一方面，重点将开展如下研究工作。
（1）分布式发电供能微网系统综合仿真
在分布式发电供能系统中，既有同步发电机等具有较大时间常数的旋转设备，也有响应快速的电力电子装置。
在系统发生扰动时，既有在微秒级快速变化的电磁暂态过程，也有毫秒级变化的机电暂态过程和以秒级变化的慢动态过程。
综合考虑它们之间的相互影响，实现动态全过程的数字仿真是一项极具挑战性的研究课题。
而将数字仿真系统与物理模拟仿真平台加以有机结合，形成数字/模拟混合仿真系统，对于微网运行特性的研究、保护与控制器的设计等将更加具有实际价值。
目前，混合仿真技术也是常规电力系统研究的热点领域，尽管一些仿真思路可供借鉴，但因微网中的物理设备更加多样化，模型更为复杂，不同设备暂态响应的时间尺度更加分散，必须有针对性地发展相关的混合仿真理论和方法。
重点研究内容：
微网元件稳态与动态建模方法，包括微型燃气轮机、内燃机、燃料电池、光伏电池等分布式电源以及储能装置的数值仿真和物理仿真模型建立方法；集稳态分析、电磁暂态仿真、机电暂态仿真为一体的微网动态全过程数字仿真理论与方法；含微网的新型电力交换系统的动态物理模拟仿真方法及实验验证理论。
在此基础上，构建物理模拟和数字仿真相结合的含微网配电系统的综合仿真实验平台。
（2）微网经济运行理论与能量优化管理方法
正如在常规的电力系统中可以通过对发电机的节能调度实现节能降损一样，通过微网经济运行理论与能量优化管理方法的研究，也可以实现微网的高效经济运行。
同常规的电力系统相比，微网中的可调节变量更加丰富，如分布式电源的有功出力、电压型逆变器接口母线的电压、电流型逆变器接口的电流、储能系统的有功输出、可调电容器组投入的无功补偿量、热/电联供机组的热负荷和电负荷的比例等。
通过对这些变量的控制调节，可以在满足系统运行约束的条件下，实现微网的优化运行与能量的合理分配，最大限度地利用可再生能源，保证整个微网运行的经济性。
同时，当微网并网运行时，尤其是在微网高渗透率情况下，还可以通过对微网输出的有效控制，降低配电系统中的配电变压器损耗和馈线损耗。
以全系统能源利用效率的最大化为目标，研究微网的优化控制与调度理论与方法，正是这一研究领域重点关注的问题。
重点研究内容：
微网经济运行理论与分布式电源优化调度方法；微网高渗透率下的大规模配电系统经济调度理论。
在此基础上，开发出微网能量优化管理系统，构建微网高渗透率下的配电系统综合能量管理支持平台。
二、预期目标
1.总体目标
结合我国经济和社会可持续发展对清洁、高效、持久电能的重大需求，根据国际电力技术的最新发展动向，密切围绕分布发电供能系统安全高效运行的科学问题，开展多方面的基础理论和系统性的关键技术研究，建立分布式发电供能系统完整的理论体系和系统的分析方法，为分布发电供能技术在电力系统中的广泛应用提供科学保证，为解决我国能源紧缺、环境污染问题和保障我国能源供应提供科学依据。
2.项目五年预期目标
本项目五年内将在以下几个方面取得创新性的成果：
在理论方面：
●系统地建立分布式发电供能系统的建模、分析、仿真和控制的完整理论体系，为分布式发电供能系统的科学发展和广泛应用提供理论依据；
●建立分布式发电供能系统经济性、电能质量和可靠性评估的理论体系和评价指标体系，以促进“绿色电力”的发展，为缓解我国能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间的矛盾提供保障；
●揭示分布式发电供能系统与大电网相互作用的机理，提出分布式发电供能系统与大电网协调运行和控制策略,提高电力系统运行可靠性，为我国科学应对灾害性突发事件提供保障；
●建立分布式发电供能系统接入后的电网规划理论体系，给出适合我国国情的电网规划理论和方法，为分布式发电供能系统和电网的协调发展提供保障。
在技术方面：
●发展分布式发电供能系统数字与模拟仿真技术，建立适于微网高渗透率下的大规模配电系统快速仿真分析平台，实现分布式发电供能系统的全过程仿真；
●建立具有空间负荷预测、电源优选、网络优化、信息系统规划、能源优化等功能，适用于含分布式发电供能系统的电网规划计算机决策支持系统，提高我国电网规划的科学性及建设资金的利用效率；
●发展微网及含微网配电系统的电能质量检测与控制方法，提出微网电能质量的控制方案和综合治理措施，研制综合电能质量控制系统；
●提出微网及相关配电系统保护与控制的原理和方法，开发通用并网控制装置和新型保护设备，研制微网综合控制系统；
●建立具有多种能源综合利用的微网并网运行系统的示范工程，达到实际工程应用的水平。
在人才培养方面：
●提升合作单位的整体科研水平，培养出在分布式发电供能系统研究领域能开展高水平研究工作的学术骨干30名左右，其中，培养10名左右在该技术领域与世界同步或走在世界前列的拔尖人才。
●培养锻炼青年学术骨干20名左右；培养博士30名，硕士50名。
在研究成果方面：
●开发具有自主知识产权的软件3－5套；
●研制出具有自主知识产权的硬件装置5－8套，申请发明专利15－30项；
●发表SCI和EI检索论文300篇以上，出版专著3-5部；
●组织2-4次高水平的国际学术会议；
●研究成果整体达国际先进水平，并在电力系统中获得实际应用。
三、研究方案
1.总体思路、技术路线及可行性
1.1总体思路
本项目将充分考虑分布式能源的多样性、分布性、间歇性和不可预见性等特点，从提高分布式发电供能系统的能源利用率及其在配电系统中的渗透率、提高电力系统供电质量和可靠性、减缓电力系统改造与建设投资的角度出发，系统地构建分布式发电供能系统的建模、分析、规划、仿真、保护和控制的完整理论体系，解决分布式发电供能系统应用中面临的关键技术问题，以期为分布式发电供能系统的广泛应用奠定坚实的理论和技术基础。
（1）分布式电源的接入，改变了电力系统的结构，将配电系统从简单的受电网络变成了复杂的有源网络。
如何协调大电网与微网之间的运行，一方面确保绿色、环保可再生能源的充分利用，同时保证系统的电能质量、运行稳定性与供电可靠性，是当前分布式发电供能技术应用中的一个重要难题，是限制分布式电源渗透率进一步提高的主要障碍。
本项目将通过对相互作用机理的研究，为提出针对性的解决方案和措施奠定理论基础。
（2）配电系统本身具有结构复杂，设备类型多样，负荷预测困难等特点，其规划问题面临着很多不确定性因素的影响。
由于分布式电源的出力以及微网与配电系统间的交换功率受多种不确定性因素影响，同时分布式电源或微网的投资主体具有多样性，致使大量分布式电源的接入，增加了未来配电系统规划工作的复杂性。
科学地规划设计好微网的微观结构、微网接入配电系统的模式、配电系统的网架将是提高分布式发电供能系统渗透率的基础。
本项目将结合多年来申请者在配电系统规划工作中积累的理论和实践基础，提出系统化的含微网配电系统的规划理论和方法。
（3）先进的保护控制技术是分布式电源、微网及含微网配电系统安全、稳定、灵活、可靠运行的基础和重要支撑。
当前配网保护与控制装置的配置方案不能适应多分布式电源、多微网接入的方式，已经成为分布式发电供能系统广泛应用的重要技术瓶颈。
本项目将根据多微网配电系统的特点和要求，研究基于通信网络的区域纵联保护原理与技术，以及基于通信网络的微网群控技术，解决现有保护控制系统存在的问题。
同时，将分布式电源逆变并网装置控制与微网电能质量的综合治理相结合，在保证系统电压和频率等运行参数稳定的条件下，保证系统电能质量满足要求。
（4）分布式发电供能系统中的电源种类繁多、差异巨大，导致其运行特性极为复杂，运行规律难以掌握，灵活可靠的仿真工具是进行系统复杂动态行为研究的重要手段。
本项目将把数字仿真技术的灵活性与物理模拟仿真的直观性加以有机结合，实现微网全过程的数字与物理混合仿真。
在数字仿真中，重点解决系统从电磁暂态、机电暂态到中期、长期过程的全过程仿真问题，用于真实再现系统在各种运行条件下的稳态和动态行为；在物理模拟仿真中将重点构建结构变化灵活、装置通用性强的仿真实验平台；混合仿真则主要解决数字仿真与物理模拟仿真的接口问题。
在构建综合仿真系统的基础上，通过研究系统经济调度理论与分布电源能量管理方法，为解决含微网的电力系统的经济运行问题奠定基础。
本项目针对分布式发电供能系统未来5-10年的发展需求，对其所涉及到的科学技术问题开展研究，采用前瞻性理论探索与应用基础研究相结合的方法，拟在分布式发电供能系统应用的一些重要理论和关键技术问题上取得突破，为推动我国乃至世界范围内分布式发电技术更加广泛的应用，大幅度提高电力系统供电的可靠性和安全性打下良好的基础。
其研究特点是充分重视理论与实践的结合，将分布式发电供能系统与常规配电系统作为一个整体来研究，侧重于二者间的相互作用与影响，关注系统整体性能的有效提高，以保障未来分布式发电供能系统和配电系统整体运行的安全性、经济性和可靠性。
1.2技术路线
本项目将围绕分布式发电供能系统的重大基础理论与关键技术需求，开展从机理到方法，从理论到技术，从单元到系统，从实验测试到工程应用的全方位的理论和技术研发工作。
项目具体的技术途经如下：
（1）单元设备实物模型＋数字仿真模型微网系统模拟和数字仿真模型微网系统模拟和数字综合仿真实验平台
针对微网内分布式发电设备、储能设备和负荷设备种类繁多、大小不一、特性各异，以及微网结构多样、控制方式多变的现实情况，构建出具有动态全过程仿真功能的微网数字仿真系统和运行灵活的微网物理模拟仿真实验系统，通过接口技术的研发，构建出综合仿真平台。
（2）数字仿真＋物理模拟＋理论研究分布式发电与储能设备对微网特性影响微网与配电系统相互作用机理
分布式发电供能系统与配电系统之间的作用与影响是多方面的，包括稳态电压变化、暂态过电压、稳定性、故障响应特性、储能影响等，其影响的程度与分布式电源（包括储能系统）的类型、容量的大小、渗透率的高低、接入点的位置、以及微网的结构、控制的方式等多种因素有关。
为了全面系统地研究两者之间的相互关系和影响，必须在理论研究的基础上，通过数字仿真与实验研究才能够获得有实际价值的结论。
（3）经济性评价＋电能质量分析＋可靠性评估分布式发电供能系统的综合评价理论体系和指标体系
将分布式发电供能系统作为一个整体进行综合评价时，涉及到经济性、电能质量和可靠性等多方面的因素。
经济性、电能质量和可靠性三者间相对独立又互相影响，既要研究三者各自的规律和特征，提出符合各自特点的评价指标体系，又要分析三者之间的相互联系和相互作用，从理论的高度提出分布式发电供能系统的综合评价体系和指标体系。
（4）分布式发电供能系统综合评价＋传统配电系统规划理论与实践含分布式电源的配电系统规划理论体系规划决策支持系统
首先对分布式发电供能系统进行综合评价，分析其结构、组成和运行特性，提出作为个体的分布式发电供能系统的规划和设计理论。
在此基础上，在已拥有的针对传统配电系统规划的理论基础和大量实践经验的基础上，探索分布式发电供能系统的引入对传统配电系统规划理论的影响。
以提高含微网配电系统的供电可靠性、运行安全性和经济性为主要目标，合理规划配电系统，开发出相关的规划决策支持系统。
（5）微网运行特性分析＋先进通信技术＋配电系统保护与控制理论微网保护与控制技术含微网配电系统的新型保护与控制技术
根据微网的特点和要求，研究基于通信网络的区域纵联保护原理与技术，以及基于通信网络的微网群控技术，解决现有保护控制系统存在的问题。
含微网的配电系统是一个复杂的有源网络，考虑到配电系统具有多分支、多分段、多微网等特点，拟借鉴高压输电系统中基于被保护设备多端信息的纵联比较式保护或纵联差动保护原理，但又区别于传统的点对点的纵联保护模式，采用区域纵联保护的模式。
许多分布式电源及蓄电池、超级电容器等储能设备都需经电力电子逆变后才能接入微网，并与配电系统并网运行。
微网系统的控制有两种方案可以选择，一是由配网调度中心进行集中监视和控制；二是实施分层分布式控制。
由于受通信条件的限制和各个分布式电源所有者属性的多样性，难以实施集中控制。
且鉴于分布式微网系统具有分层分区的结构特点，各个设备分散分布，适合采用分布式分层控制来实现微网系统的自治运行。
为此，拟在采用通信技术进行必要数据交换的基础上，将基于多Agent的智能分布式控制技术应用于微网系统的控制，实现对微网系统内所有发电设备、储能设备和用电设备的协调控制，以确保微网系统在联网状态下能够安全、稳定、经济地运行，以及在孤网状态下保证对微网系统中关键性负荷的可靠供电。
（6）电能质量评价方法＋电能质量机理分析微网电能质量控制配电系统电能质量综合控制
通过分布式电源电能质量问题的机理研究，提出适用于电能质量分析与控制的系统建模和评价方法，获得电能质量指标受影响的规律，针对微网提出电能质量基本控制手段和方法，并对同一控制对象下各种基本控制方法进行技术经济成本、控制的静动态特性和控制效果进行对比分析，给出微网电能质量综合控制策略。
在此基础上，结合配电系统电能质量相关领域已经取得的研究成果，给出含微网配电系统的电能质量综合控制方法，开发电能质量综合控制装置。
（7）微网运行特性＋分布电源属性分析＋现代优化控制理论微网能量管理和优化运行
拟在对微网运行特性准确把握的基础上，针对分布式电源种类多等特点，将现代优化控制理论应用于分布式发电供能系统的能量管理研究，结合现代电力系统经济调度领域所取得的研究成果，将微网作为特殊的发电系统，以实现可再生能源利用的最大化、降低常规配电系统的能量损耗、保证整个供能系统的经济运行为目标，以满足安全性、可靠性和供电质量要求为约束条件，对分布式发电供能系统的电源进行优化调度、合理分配出力，实现分布式发电供能系统的优化运行。
微网的经济运行和
升级会员 