接入主动配电网的小水电与冷热电联供系统协同控制_乔峰
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第 10 卷 第 12 期 2016 年 12 月
南方电网技术
SOUTHEＲN POWEＲ SYSTEM TECHNOLOGY 中图分类号： TM71
Vol. 10 ，No. 12 Dec. 2016 文献标志码： A
0629 （ 2016 ） 12006107 文章编号： 1674DOI： 10. 13648 / j. cnki. issn16740629. 2016. 12. 009
。 主动配电
网旨在解决电网兼容性和大规模间歇式可再生能源 消纳问题，提升绿色清洁能源的利用率， 优化一次 能源结构等问题。 从传统电网向主动配电网迈进， 是我国配电网发展的一个必然趋势 。 我国西南地区有着丰富的水资源， 约占全国水
基金项目： 国家高技术研究发展计划（ 863 计划） 项目（ 2014A A051902） 。 Foundation item： Supported by the National High Technology Ｒesearch and Development Program of China（ 863 Program ） （ 2014AA051902 ） ．
接入主动配电网的小水电与冷热电联供系统 协同控制
1 1 2 1 1 2 乔峰 ，吉小鹏 ，李庆生 ，许健 ，刘千杰 ，农静
（ 1． 北京四方继保自动化股份有限公司 ，北京 100857 ； 2． 贵州电网有限责任公司电网规划研究中心 ，贵州 550003 ） 摘要： 针对我国西南地区水 、气资源丰富而小水电等分布式可再生能源接入难的问题 ，研究了小水电和冷热电联供系 统的数学模型与运行特性 ，在此基础上提出了一种对接入配电网的小水电和冷热电联供系统进行协同控制和优化管理 的方法。在并网情况下，基于等微增率的思想将调度功率在小水电和冷热电联供系统间进行合理分配 ； 在离网情况 下，利用冷热电联供系统响应速度快的优势 ，辅助小水电进行一次调频 。通过统筹考虑冷热电负荷需求 ， 不仅提高了 配电网对分布式能源的消纳能力和整体运行的经济性 ，并且在配电网异常或者计划检修的情况下可利用小水电或冷热 电联供系统对配电网提供支撑 ，提高供电可靠性。 关键词： 主动配电网； 小水电； 冷热电联供； 协同控制
基本处于无序管理甚至停止发电的状态， 造成了水 资源的浪费。若将小型水电站接入配电网并加以协 调管理，实现就地消纳，则能大大提升水电资源和 水资产的利用率。 此外， 西 南 地 区 也 有 着 丰 富 的 天 然 气、 煤 层 气、页岩气； 同时，随着中缅、 中龙贵天然气管道 进入贵州以及全省燃气管道的敷设， 给冷热电联供 系统广泛运用创造了良好条件。 与化石燃料发电厂 不同，冷热电联供系统就地捕获或利用余 热 为 家 庭、工业或生产过程供热，温度不太高的热量用于 吸收式制冷机供冷， 其本质是通过能量的 梯 级 利 用，可提高能源利用效率至 80% 左右。此外， 冷热 电联供系统相对传统发电和单一供热锅炉减少了 35% 的一次能源使用量，相对燃煤发电减少了 30% 的排放量
Baidu Nhomakorabea
1
系统配置
研究的小水电和冷热电三联供系统接入主动配
电网中的区域配电网，系统配置和能量流如图 1 所 示。发电设备包含小水电和燃气发电机组。 冷热电 联供系统通过燃烧产生高温燃气推动活塞， 并通过
第 12 期
乔峰，等： 接入主动配电网的小水电与冷热电联供系统协同控制
63
式中： P t 为水轮机的有效输入功率； η t 为简化的水 轮 机 效 率 系 数， 通 常 取 0. 80 ； ρ 为 水 的 密 度， kg / m 3 ； g 为重力常数，通常取 9. 8 m / s2 ； Q 为单位 时间内水的流量，m / s； h 为水头高度。 2. 1. 1. 2 约束条件 2. 1. 2 1 ） 运行区间约束 水轮机在实际运行过程中会存在振动区， 若机 组长时间在此区间运行，严重时会影响机组的安全 运行和使用寿命，因此在调度水轮机的出力时需避 免在此区间运行
［6 ］
。因此，冷热电联供系统接入配电网进
行就地消纳是最有效的利用方式， 具有广阔应用前 景。 近年来，小水电方面的研究主要集中在水电集 ［7 ］ ［8 ］ 群对电网的影响分析 和送出问题 ； 对于冷热电 三联供系统的研究与实践，多以与其他分布式能源 一起组成微电网的形式进行运行控制管理， 对冷热 电三联供系统与配电网之间的交互问题研究较少。 本文主要聚焦小水电与三联供系统的协调控制问 题。在研究小水电、三联供机组及冷热电负荷特性 的基础上，基于主动配电网的思想， 提出了一种对 接入配电网的小水电和冷热电三联供系统进行协同 控制管理的方法。在并网情况下， 考虑小水电与三 联供机组的等微增率曲线，通过对调度功率在小水 电与三联供之间的合理分配，提高配电网运行的经 济性。在遭遇大电网故障或者自然灾害失去主电网 的情况下，利用就地的分布式电源进行区域供电， 提高系统运行的稳定性与供电可靠性， 对于地质条 件复杂和地质灾害频发的西南地区也具有重要的意 义。
（ 1． Beijing Sifang Automation Co. ，Ltd. ，Beijing 100857 ，China； 2． Pow er Grid Planning Ｒesearch Center of Guizhou Pow er Grid Co. ，Ltd. ，Guiyang 550003 ，China） Abstract： Water and gas resources are rich in the southw est of China，but it is difficult to connect distributed renew able resources， such as small hydropow er （ SHP ） and combined cooling heating and pow er （ CCHP ） ，to the distribution netw ork． To meet this challenge，the mathematical models and operation characteristics of SHP and CCHP are w ell studied， and a coordinated control and optimization approach for SHP and CCHP integrated into distribution netw ork is proposed． In gridconnected mode， dispatched pow er is allocated betw een SHP and CCHP based on the equal increamental principle． In isolated mode，w ith the advantage of faster response speed，CCHP is used to assist SHP for primary frequency regulation w hen load fluactuation occurs． With overall considerations of cooling ，heating and pow er load demand， not only the consumptive ability for distributed energy resources（ DEＲ） and overall operation economy is improved，but also it can provide support to distribution netw ork w ith SHP or CCHP w hen abnormal condition or maintenance plan is encountered，and hence the reliability of pow er supply is improved． Key words： active distribution netw ork； small hydropow er； combined cooling heating and pow er； coordinated control
Coordinated Control of Small Hydropower and CCHP Integrated into Active Distribution Network
QIAO Feng 1 ，JI Xiaopeng 1 ，LI Qingsheng 2 ，XU Jian1 ，LIU Qianjie1 ，NONG Jing 2
62
南方电网技术
［5 ］
第 10 卷
资源的 70%
； 但由于历史原因和我国西南部水资 源较分散的特点，20 世纪末兴建的许多小型水电站
连杆驱动曲轴转动，带动发电机发电； 同时将排出 的废烟气和循环缸套水中的热量加以利用， 可通过 吸收式制冷机制冷，也可通过换热器制热或者产生 生活热水。冷热电联供系统的本质是实现对能量的 梯级利用，以提高系统的运行效率。 冷热负荷可由 燃气发电机组的余热通过吸收式制冷机或者换热器 得到，不足的部分可 由 电 空 调 进 行 补 充。 图 1 中 P SHP 为小水电输出有功功率； P CCHP 为冷热电联供系 统和电空调的总体净输出功率； BH u 为燃料中所含 能量输入燃气机组的速度； P E 为燃气发电机组输出 的电功率； P H 为发电机组排出的烟气中的余热功 率； P H1 和 P H2 分别为进入吸收式制冷机和换热器的 P EH 、 P EL 分别为制冷电空调、制热电空 功率； P EC 、 调和其他电负荷的消耗功率； P CL 、P HL 分别为冷、 热负荷功率需求。
［10 ］ 3
C M， hydro （ P SHP ） = =
dC hydro （ P SHP ） dP SHP
{
c hydro ，P SHP ∈ K ∞ ， P SHP K
（ 5）
冷热电联供机组特性分析
本文研究的冷热电联 供 系 统 包 括 燃 气 内 燃 机 组、发电机组、 吸收式制冷机及相应的控制系统， 其约束条件包括冷、 热、 电 的 平 衡 约 束 及 运 行 约 束。 2. 1. 2. 1 燃气内燃机组特性 燃气内燃机组是将燃气与空气混合后直接输入 气缸内部燃烧并产生动力的设备， 是一种将热能转
图1
Fig. 1
主动配电网能量流示意图
Diagram of power flow of ADN
2
系统建模
本节首先对小水电和 CCHP 的运行特性进行分
析，提出分布式电源的运行约束条件和经 济 性 模 型，在此基础上建立小水电和 CCHP 联合运行时的 成本函数，并将此作为并网协调优化运行时的目标 函数。其中，边际电量成本计算公式的推导是后续 基于等微增率思想求解运行优化问题的基础 。 2. 1 电源特性分析 2. 1. 1 小水电运行特性分析 本文仅考虑建有大坝或者调节水库的调节型水 电站。小水电通常由水轮机、 同步发电机、 调速器 和励磁控制系统组成。 2. 1. 1. 1 水轮机特性分析 对于常见的水轮机， 忽略式 （ 1 ） 中的水流速度 ［9 ］ 和水的压强，仅考虑水道的势能可表示为 ： P t = η t ρgQh （ 1）
0
引言
及调度管理机制， 也不能适应小型传统电源 （ 如小 型水电和火电 ） 和分布式能源在配电网中的灵活接 入与优化运行。针对这一问题， 主动配电网 （ active distribution netw ork，ADN ） 技术应运而生， 并且逐 渐成为未来智能配电网的发展趋势
［1 -4 ］
随着分布式能源技术的蓬勃发展， 配电网中接 入了越来越多的分布式电源，改变了传统配电网无 源和单向潮流的特性，对配电网的运行、 控制和保 护都提出了新的挑战。原有的配电网自动化水平以
南方电网技术
SOUTHEＲN POWEＲ SYSTEM TECHNOLOGY 中图分类号： TM71
Vol. 10 ，No. 12 Dec. 2016 文献标志码： A
0629 （ 2016 ） 12006107 文章编号： 1674DOI： 10. 13648 / j. cnki. issn16740629. 2016. 12. 009
。 主动配电
网旨在解决电网兼容性和大规模间歇式可再生能源 消纳问题，提升绿色清洁能源的利用率， 优化一次 能源结构等问题。 从传统电网向主动配电网迈进， 是我国配电网发展的一个必然趋势 。 我国西南地区有着丰富的水资源， 约占全国水
基金项目： 国家高技术研究发展计划（ 863 计划） 项目（ 2014A A051902） 。 Foundation item： Supported by the National High Technology Ｒesearch and Development Program of China（ 863 Program ） （ 2014AA051902 ） ．
接入主动配电网的小水电与冷热电联供系统 协同控制
1 1 2 1 1 2 乔峰 ，吉小鹏 ，李庆生 ，许健 ，刘千杰 ，农静
（ 1． 北京四方继保自动化股份有限公司 ，北京 100857 ； 2． 贵州电网有限责任公司电网规划研究中心 ，贵州 550003 ） 摘要： 针对我国西南地区水 、气资源丰富而小水电等分布式可再生能源接入难的问题 ，研究了小水电和冷热电联供系 统的数学模型与运行特性 ，在此基础上提出了一种对接入配电网的小水电和冷热电联供系统进行协同控制和优化管理 的方法。在并网情况下，基于等微增率的思想将调度功率在小水电和冷热电联供系统间进行合理分配 ； 在离网情况 下，利用冷热电联供系统响应速度快的优势 ，辅助小水电进行一次调频 。通过统筹考虑冷热电负荷需求 ， 不仅提高了 配电网对分布式能源的消纳能力和整体运行的经济性 ，并且在配电网异常或者计划检修的情况下可利用小水电或冷热 电联供系统对配电网提供支撑 ，提高供电可靠性。 关键词： 主动配电网； 小水电； 冷热电联供； 协同控制
基本处于无序管理甚至停止发电的状态， 造成了水 资源的浪费。若将小型水电站接入配电网并加以协 调管理，实现就地消纳，则能大大提升水电资源和 水资产的利用率。 此外， 西 南 地 区 也 有 着 丰 富 的 天 然 气、 煤 层 气、页岩气； 同时，随着中缅、 中龙贵天然气管道 进入贵州以及全省燃气管道的敷设， 给冷热电联供 系统广泛运用创造了良好条件。 与化石燃料发电厂 不同，冷热电联供系统就地捕获或利用余 热 为 家 庭、工业或生产过程供热，温度不太高的热量用于 吸收式制冷机供冷， 其本质是通过能量的 梯 级 利 用，可提高能源利用效率至 80% 左右。此外， 冷热 电联供系统相对传统发电和单一供热锅炉减少了 35% 的一次能源使用量，相对燃煤发电减少了 30% 的排放量
Baidu Nhomakorabea
1
系统配置
研究的小水电和冷热电三联供系统接入主动配
电网中的区域配电网，系统配置和能量流如图 1 所 示。发电设备包含小水电和燃气发电机组。 冷热电 联供系统通过燃烧产生高温燃气推动活塞， 并通过
第 12 期
乔峰，等： 接入主动配电网的小水电与冷热电联供系统协同控制
63
式中： P t 为水轮机的有效输入功率； η t 为简化的水 轮 机 效 率 系 数， 通 常 取 0. 80 ； ρ 为 水 的 密 度， kg / m 3 ； g 为重力常数，通常取 9. 8 m / s2 ； Q 为单位 时间内水的流量，m / s； h 为水头高度。 2. 1. 1. 2 约束条件 2. 1. 2 1 ） 运行区间约束 水轮机在实际运行过程中会存在振动区， 若机 组长时间在此区间运行，严重时会影响机组的安全 运行和使用寿命，因此在调度水轮机的出力时需避 免在此区间运行
［6 ］
。因此，冷热电联供系统接入配电网进
行就地消纳是最有效的利用方式， 具有广阔应用前 景。 近年来，小水电方面的研究主要集中在水电集 ［7 ］ ［8 ］ 群对电网的影响分析 和送出问题 ； 对于冷热电 三联供系统的研究与实践，多以与其他分布式能源 一起组成微电网的形式进行运行控制管理， 对冷热 电三联供系统与配电网之间的交互问题研究较少。 本文主要聚焦小水电与三联供系统的协调控制问 题。在研究小水电、三联供机组及冷热电负荷特性 的基础上，基于主动配电网的思想， 提出了一种对 接入配电网的小水电和冷热电三联供系统进行协同 控制管理的方法。在并网情况下， 考虑小水电与三 联供机组的等微增率曲线，通过对调度功率在小水 电与三联供之间的合理分配，提高配电网运行的经 济性。在遭遇大电网故障或者自然灾害失去主电网 的情况下，利用就地的分布式电源进行区域供电， 提高系统运行的稳定性与供电可靠性， 对于地质条 件复杂和地质灾害频发的西南地区也具有重要的意 义。
（ 1． Beijing Sifang Automation Co. ，Ltd. ，Beijing 100857 ，China； 2． Pow er Grid Planning Ｒesearch Center of Guizhou Pow er Grid Co. ，Ltd. ，Guiyang 550003 ，China） Abstract： Water and gas resources are rich in the southw est of China，but it is difficult to connect distributed renew able resources， such as small hydropow er （ SHP ） and combined cooling heating and pow er （ CCHP ） ，to the distribution netw ork． To meet this challenge，the mathematical models and operation characteristics of SHP and CCHP are w ell studied， and a coordinated control and optimization approach for SHP and CCHP integrated into distribution netw ork is proposed． In gridconnected mode， dispatched pow er is allocated betw een SHP and CCHP based on the equal increamental principle． In isolated mode，w ith the advantage of faster response speed，CCHP is used to assist SHP for primary frequency regulation w hen load fluactuation occurs． With overall considerations of cooling ，heating and pow er load demand， not only the consumptive ability for distributed energy resources（ DEＲ） and overall operation economy is improved，but also it can provide support to distribution netw ork w ith SHP or CCHP w hen abnormal condition or maintenance plan is encountered，and hence the reliability of pow er supply is improved． Key words： active distribution netw ork； small hydropow er； combined cooling heating and pow er； coordinated control
Coordinated Control of Small Hydropower and CCHP Integrated into Active Distribution Network
QIAO Feng 1 ，JI Xiaopeng 1 ，LI Qingsheng 2 ，XU Jian1 ，LIU Qianjie1 ，NONG Jing 2
62
南方电网技术
［5 ］
第 10 卷
资源的 70%
； 但由于历史原因和我国西南部水资 源较分散的特点，20 世纪末兴建的许多小型水电站
连杆驱动曲轴转动，带动发电机发电； 同时将排出 的废烟气和循环缸套水中的热量加以利用， 可通过 吸收式制冷机制冷，也可通过换热器制热或者产生 生活热水。冷热电联供系统的本质是实现对能量的 梯级利用，以提高系统的运行效率。 冷热负荷可由 燃气发电机组的余热通过吸收式制冷机或者换热器 得到，不足的部分可 由 电 空 调 进 行 补 充。 图 1 中 P SHP 为小水电输出有功功率； P CCHP 为冷热电联供系 统和电空调的总体净输出功率； BH u 为燃料中所含 能量输入燃气机组的速度； P E 为燃气发电机组输出 的电功率； P H 为发电机组排出的烟气中的余热功 率； P H1 和 P H2 分别为进入吸收式制冷机和换热器的 P EH 、 P EL 分别为制冷电空调、制热电空 功率； P EC 、 调和其他电负荷的消耗功率； P CL 、P HL 分别为冷、 热负荷功率需求。
［10 ］ 3
C M， hydro （ P SHP ） = =
dC hydro （ P SHP ） dP SHP
{
c hydro ，P SHP ∈ K ∞ ， P SHP K
（ 5）
冷热电联供机组特性分析
本文研究的冷热电联 供 系 统 包 括 燃 气 内 燃 机 组、发电机组、 吸收式制冷机及相应的控制系统， 其约束条件包括冷、 热、 电 的 平 衡 约 束 及 运 行 约 束。 2. 1. 2. 1 燃气内燃机组特性 燃气内燃机组是将燃气与空气混合后直接输入 气缸内部燃烧并产生动力的设备， 是一种将热能转
图1
Fig. 1
主动配电网能量流示意图
Diagram of power flow of ADN
2
系统建模
本节首先对小水电和 CCHP 的运行特性进行分
析，提出分布式电源的运行约束条件和经 济 性 模 型，在此基础上建立小水电和 CCHP 联合运行时的 成本函数，并将此作为并网协调优化运行时的目标 函数。其中，边际电量成本计算公式的推导是后续 基于等微增率思想求解运行优化问题的基础 。 2. 1 电源特性分析 2. 1. 1 小水电运行特性分析 本文仅考虑建有大坝或者调节水库的调节型水 电站。小水电通常由水轮机、 同步发电机、 调速器 和励磁控制系统组成。 2. 1. 1. 1 水轮机特性分析 对于常见的水轮机， 忽略式 （ 1 ） 中的水流速度 ［9 ］ 和水的压强，仅考虑水道的势能可表示为 ： P t = η t ρgQh （ 1）
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引言
及调度管理机制， 也不能适应小型传统电源 （ 如小 型水电和火电 ） 和分布式能源在配电网中的灵活接 入与优化运行。针对这一问题， 主动配电网 （ active distribution netw ork，ADN ） 技术应运而生， 并且逐 渐成为未来智能配电网的发展趋势
［1 -4 ］
随着分布式能源技术的蓬勃发展， 配电网中接 入了越来越多的分布式电源，改变了传统配电网无 源和单向潮流的特性，对配电网的运行、 控制和保 护都提出了新的挑战。原有的配电网自动化水平以