面向分布式新能源发电就地消纳的电力弹簧系统规划理论与控制研究

Aiming at the needs of local consumption of large-scale distributed renewable energy generations (DREGs), the electric springs (ESs) are proposed to be introduced to DREG system considering the bottleneck of distributed energy storage and the existing operating mode relying on prediction of load demand and also considering the advantages that ES over traditional energy storage. However, the application of ESs into DREGs faces with many constraints such as lack of theory of system planning and control. Therefore, the system planning theory including system coupling mechanism, the principles of system location and layout and system capacity, the method of parameter configuration and optimization is proposed. Besides, system modeling and decoupled power control of ES system considering nonlinear control objectives, coordinate control of multiple electric springs and the oscillation mechanism and suppression strategy, optimization of capacity distribution among all the energy storage devices within ESs and emergency management mechanism at abnormal situations are also proposed. Finally, an experimental setup at least 15kVA is planned to be built containing multiple smart loads and DGs with RESs. The research achievement is anticipated to establish theoretical system of applying ESs into DREGs, laying foundations for local consumption and achieving a new paradigm that power consumption follows power generation for future microgrids.

针对未来大规模分布式新能源发电就地消纳的需求，鉴于当前微电网的运行模式和分布式储能面临技术瓶颈以及电力弹簧相较于传统储能运行模式存在优势的现状，本项目提出将电力弹簧引入分布式新能源发电系统中。然而，电力弹簧应用于分布式新能源发电系统面临着系统规划理论和控制等方面的问题。为此，本项目提出研究系统间的耦合机理、系统选址与布局原则、系统定容原则以及参数优化配置方法等系统规划理论；控制目标非线性情形下的电力弹簧系统建模与功率解耦控制理论；多个电力弹簧的协同控制与复杂工况下的振荡失稳机理及其抑制策略；系统储能装置的容量优化配置策略和异常工况下的应急管理机制等。并最终搭建容量不小于15kVA且含多个智能负载并联的新能源发电系统实验样机。本项目有助于建立完整的电力弹簧应用于分布式新能源发电系统理论体系，为促进分布式新能源发电就地消纳和实现“用电量自动匹配发电量”的微电网新型运行模式奠定基础。

针对未来大规模分布式新能源发电就地消纳的需求，鉴于当前微电网的运行模式和分布式储能面临技术瓶颈以及电力弹簧（Electric Spring，ES）相较于传统储能运行模式存在优势的现状，本项目提出ES引入分布式新能源发电系统中。主要研究内容如下：（1）ES应用于分布式新能源发电系统的规划理论；（2）控制目标非线性情形下的ES系统建模与功率解耦控制理论；（3）多个ES的协同控制策略与系统稳定性分析方法；（4）ES内部储能装置容量的优化配置与安全运行机制。上述研究内容均已完成，取得的重要结果如下：（1）提出一种考虑含光伏发电和储能系统的微电网中ES的规划方法，结果表明，对ES的规划能够减少储能系统的充放电功率、降低网络损耗以及改善新能源发电的消纳情况。同时，在不同光伏出力与不同负荷需求的场景下对比了接入ES前后微电网的运行成本，除个别极端场景下ES不能带来经济性的提升，整体上接入ES对降低微电网运行的成本，改善储能的充放电和提升电能质量发挥了积极的作用，为ES在新能源发电系统中的布局提供了参考；（2）提出并完善了ES的功率解耦控制理论，通过多种功率控制策略的对比，针对ES典型应用场景提出了一种既不依赖于电路参与且快速解耦的功率控制策略，解决了控制上的问题；（3）提出了多个ES的协同控制策略和稳定性分析方法，为ES在新能源发电系统中的大规模应用奠定了理论和实践基础；（4）提出了ES内部储能装置容量优化配置和安全运行机制，在配电网稳定运行的前提下，考虑了安全约束、潮流约束、储能系统运行约束、ES运行约束和非关键负载调节约束等，以最大化ES带来的经济效益和最大化新能源消纳为优化目标来优化ES内部储能的容量，采用了带精英策略的非支配排序遗传算法进行求解，避免了主观设置权重，同时降低了非劣排序遗传算法的复杂性，运行速度快，收敛性好。本项目研究为ES在新能源发电系统中的应用作了铺垫，对促进大规模、高比例、间歇性新能源发电的就地消纳具有重要的科学意义。