【MPCE】丹麥科技大學 胡俊傑,楊光亞等:交互能源技術—高滲透率分佈式能源接入電力系統的一種新型框架

電力系統自動化編輯部2017-07-17 20:33:25

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該文為丹麥創新基金Innovation Fund Denmark資助項目iPower成果,2017年5月發表於MPCE第5卷第3期。


引文信息:

Junjie HU, Guangya YANG, Koen KOK, et al. Transactive control: a framework for operating power systems characterized by high penetration of distributed energy resources[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2017, 5(3): 451-464


Transactive control: a framework for operating power systems characterized by high penetration of distributed energy resources

交互能源技術高滲透率分佈式能源接入電力系統的一種新型框架

DOI: 10.1007/s40565-016-0228-1

作者:胡俊傑,楊光亞,Koen Kok,薛禹勝,Henrik W.Bindner


風電、光伏等間歇性可再生能源的大規模引入,以及電動汽車、熱泵等新型負荷的不斷應用,給電力系統的安全運行帶來了很大的挑戰。在傳輸網層面,系統的功率平衡需要考慮新的調頻資源和控制方法,而在配電網層面,分佈式能源(包括可再生能源和新型負荷)的大量接入會引起網絡擁塞、電壓和其他電能質量問題。為了提高分佈式能源的接入比例,優化分佈式能源就地利用率,保證電網的安全運行,系統需要控制和協調大規模分佈式能源的有功或者無功出力。從控制策略上說,單純的以電網安全運行為目標的控制,因忽視社會整體效益而很難奏效。因此,本文提出一種新型的控制框架: 交互能源技術。


1

交互能源技術的基本概念

交互能源技術的概念,目前比較認可的定義來自於GridWise Architecture Council (GWAC)。GWAC指出,交互能源技術是通過融合經濟效益和電網控制,利用價值為協調手段,以達到系統平衡的一種框架。該技術應用目的在於能夠更多更快地在電網中接納分佈式能源。GWAC在其最新的報告中進一步闡述了該框架的相關屬性。從GWAC近十年的報告中也可以看出,交互能源技術是一個不斷髮展和完善的框架體系。GWAC發表的第一份報告中,交互能源技術的英文翻譯為Transactive Control(TC),但近一兩年統一為Transactive Energy (TE)。本文認為TE和TC屬一個概念。總體來說,交互能源技術具有三個方面的優勢: 1)為分佈式控制帶來了經濟效益,使參與的個體可以獲得可觀且較為公平的經濟效益; 2) 支持自下而上的分佈式控制,用來協調高滲透率分佈式能源在配/輸電網的接入; 3) 可使電網公司全權負責電網安全運行,而分佈式能源擁有者可自行決定運行方案。


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交互能源技術應用的時間尺度和實現方式

交互能源技術在智能電網領域的應用正在得到進一步的關注和研究,並有相關示範項目,其應用範圍包括系統的功率平衡控制、配電網的能量管理和網絡擁塞管理等。應用的時間尺度可涵蓋日前規劃和實時控制。如前所述,交互能源技術利用價值(比如價格)來實現系統的控制目標。對於實現系統的能量或功率平衡而言,供給側和需求側的參與者均需要根據自身的運行目標和狀態制定效益或者成本函數,以競價或者信息交互的方式來達到系統的平衡。總結近10年的相關文獻和示範項目,可以得出其具體的實現方式主要有兩種:

1) 一次信息交互方式:即TE系統內參與者提供其效益或者成本函數、運行約束條件等,然後TE系統管理員出清市場,得到對應的價格。該價格也作為參與者的控制信號,參與者根據價格以及其成本函數,得到對應的功率。

2) 多次信息交換方式:即通過多次交換功率和價格的方式實現系統平衡。該方式中,TE系統內參與者不提供具體的成本函數,只提供功率,然後得到相應的反饋價格,通過多次信息交互,最後實現系統的平衡。

目前,在近實時的應用中,大多采用一次信息交互方式,而日前規劃應用中,多采用多次信息交換方式。


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基於交互能源技術的示範項目

本文簡單描述了4個基於交互能源技術的示範項目,即美國能源部支持的Olympic Peninsual Project項目、GridSMART項目、美國布魯克林街區的Transactive Grid微網項目以及荷蘭的Powermatching city虛擬電廠項目。Olympic Peninsual Project項目採用交互能源技術控制居民側的熱負荷需求,每5分鐘更新一次控制指令,項目驗證了交互能源技術既可以滿足居民的負荷需求,又可以解決電網的網絡擁塞問題;GridSMART項目的控制對象更加廣泛,控制目標也更加多樣化,但總體思路與Olympic Peninsual Project有很多相似之處;Transactive Grid微網項目採用區塊鏈技術,使得鄰近街區的分佈式能源可以就地消化,減少了能源在傳遞過程中的損耗,也為用戶實現了更好的經濟效益。Powermatching city虛擬電廠項目共有22戶居民參加,通過交互能源技術的支持,在內部儘量達到能量平衡。


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交互能源技術具體應用之一解決電動汽車併網後可能出現的擁塞問題

除了上述示範項目外,交互能源技術也有其他多種應用。本文利用其提出瞭解決電動汽車併網擁塞問題的方案。圖1顯示了系統中的關鍵角色,包括配電公司、售電商或集群管理員和用戶。大規模電動汽車在同一時刻充電時極有可能引發電網的擁塞問題,如引起變壓器或者線路電流過載以及部分節點電壓下降問題,通過集群管理的方式,配電公司可以更好地控制電動汽車的充電方案。在交互能源技術體系中,配電公司不直接控制其區域內的電動汽車的充電功率,而是通過價格引導的方式來促使集群管理員改變電動汽車的充電方案。該方法的優點是配電公司只需要專注於電網的安全運行,售電商專注於自身的電動汽車充電管理方案,通過信息交互的方式,實現社會效益的最大化。


圖1  交互能源技術支持的電動汽車併網方案


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簡述交互能源技術的研究問題和挑戰

交互能源的定義雖然比較寬泛,但其有待研究的問題和挑戰主要集中在以下幾個方面:

1)   光伏、電動汽車及儲能裝置成本的下降,使得其大規模接入電網成為可能。如何利用電動汽車等需求側靈活性資源來就地消納光伏這一不確定的清潔能源,交互能源技術有很大的發展空間。

2)   選擇有公共交易平臺且有配電公司作為主體進行管理和控制的實施方案,還是選擇基於區塊鏈技術支持的端對端實施方案,是未來值得深入研究的方向之一。

3)   交互能源技術的核心要素是通過價格手段來協調各方利益,因此,在具體應用中如何準確的表達成本函數,並且建立行之有效的市場協調機制,對交互能源技術能否成功應用有非常重要的意義。

4)   信息通信技術以及相關接口的標準化。由於參與方所代表的分佈式能源不同,因而接口標準化就變得至關重要。 

                        

作者及團隊介紹

胡俊傑:男,2014畢業於丹麥科技大學,獲得電氣工程專業博士學位。目前就職于丹麥科技大學電力與能源研究中心從事博士後研究,參與了iPower, ELECTRA等由丹麥和歐盟所支持的研究課題。主要研究領域包括主動配電網中電動汽車充電的優化調度與控制,系統輔助服務中分佈式能源功率的優化控制等。

 

楊光亞:男,工學博士。2008年畢業於澳洲昆士蘭大學,獲工學博士學位。2009年至今于丹麥科技大學從事電力系統科研與教學工作。同時是IEEE Transactions on Sustainable Energy, IEEE Power Engineering Letters 和Journal of Modern Power Systems and Clean Energy期刊的編委。主要研究領域:電力系統建模、運行與控制、可再生能源發電及併網、信息物理能量系統等。

 

Koen Kok:男,博士,荷蘭科學應用組織(TNO)與丹麥科技大學高級科學家。主要研究領域:分佈式能源的交互能源式控制、智能電網的信息通信技術等。

 

薛禹勝中國工程院院士,穩定性理論及電力系統自動化專家。現任國網電力科學研究院名譽院長,浙江大學、山東大學、東南大學、南京理工大學、哈工大等高校的兼職博導。主要研究方向:非自治非線性動力系統穩定性;電力系統動態分析與控制;實驗經濟學在電力與能源市場中的應用。《電力系統自動化》和Journal of Modern Power Systems and Clean Energy期刊的主編。

 

Henrik W. Bindner: 男, 丹麥科技大學電力與能源研究中心高級科學家。1990至2008年在丹麥國家新能源實驗室工作,2008年至今于丹麥科技大學從事電力系統與能源換聯網方向科研。主要研究領域:風能併網、微網系統以及能源互聯網的設計和控制。


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