图1 微能源网互联系统的典型结构
Fig.1 Typical structure of interconnected system of micro-energy network
摘要 微能源网是融合了多种类型的分布式能源、储能系统和不同用能负荷的综合能源系统，单个微能源网容量较小，多个距离相近的微能源网可形成互联进行能量共享。该文首先提出了微能源网互联系统的典型结构，根据系统中包含的分布式能源发电系统及负荷种类，分析了其频率调节特性和负荷特性，提出了微能源网互联系统频率稳定的判据和调节能力的分析方法；然后基于间歇式能源消纳率建立优化调度模型；最后利用算例计算结果，对比分析了互联前后系统频率稳定性和对间歇式能源的消纳能力，验证了所提理论的有效性和可行性。
关键词：微能源网 频率调节特性 负荷特性 消纳能力
为了解决当前能源短缺、环境恶化以及能源转换效率低等问题，越来越多的国家开始调整能源结构，寻找新的能源发展方式、提高能源利用率[1-3]。微能源网是能源互联网的基本单位和重要组成部分，集能源互联、转换、耦合、存储等功能于一体。微能源网的应用能够实现能源的梯级利用和多能源的耦合转换，提高能源利用率、减少污染气体、温室气体排放，更好地满足用户用能需求，降低用能成本，对我国能源可持续利用、发展绿色低碳社会具有重要意义。
相比于单个微能源网系统，电气距离相近的多个微能源网可以进行互联，能提升系统整体运行的安全性和经济性。目前，微能源网的研究主要集中在微能源网的经济运行[4-6]和建模分析[7-9]方面，对于微能源网互联特性及其电压频率控制策略和消纳性研究较少。
由于微能源网是微电网的延拓，故微电网的控制策略和互联特性分析方法对微能源网有一定的借鉴作用。文献[10]研究了PQ和V/f控制微电源出力和微网出力控制策略，将电压作为孤岛判据，提出了微网非计划孤岛的控制策略；文献[11]针对孤岛微电网的二次电压控制问题，提出了一种基于分布式多代理系统的孤岛微电网二次电压控制策略；文献[12]提出了一种电力电子变压器与储能协调运行的微电网控制策略，满足了电能质量和负荷功率的需求。但以上控制策略都只针对微网，而微能源网中的源荷存在热电耦合，结构层次更复杂。
在互联特性研究方面，文献[13]分析了多个微网互联时频率与备用容量调节能力的关系，通过仿真系统验证了多微网系统的互联稳定判据。文献[14]提出了多微网和智能电网的协调范式，实现多微网系统的经济运行。文献[15]结合互联系统和频率偏差，定义了区域控制误差，并对多微网的负荷频率控制结合储能系统进行了研究。与微网不同的是，微能源网中的电热耦合元件具有很强的可控性，使微能源网的负荷频率控制具有更大的灵活性。文献[16]提出了多主体参与的商业运营模式，分析了园区综合能源系统互联前后的供能安全性和经济性，但上述文献大都针对系统运行经济性，对分布式能源消纳能力研究较少，而微能源网的提出旨在提高可再生能源利用率。
针对上述问题，本文从微能源网的结构特点出发，首先提出了微能源网互联系统的典型结构；接着根据微能源网中包含的分布式能源发电系统的种类分析了其频率调节特性和负荷特性，分别从系统的低频风险和备用电源调节能力两个角度提出互联系统可行性判据；然后针对间歇式能源消纳能力，建立互联系统优化调度模型；最后通过算例仿真结果，对比分析了互联前后系统频率稳定性和对间歇式能源的消纳能力，验证了本文所提理论的可行性和有效性。
微能源网中的分布式能源（Distributed Generation, DG）是系统的动力设备，主要包括间歇性分布式发电系统（Intermittent Distributed Generation, IDG）以及利用一次能源进行供冷、供热的设备。常见的间歇式能源发电系统包括光伏（Photovoltaic, PV）发电系统和风力（Wind Power, WP）发电系统等，通常采取“自发自用、余电上网”模式。供冷、供热设备包括燃气锅炉、冷热电联产系统（Combined Cooling, Heating and Power, CCHP）、空气源热泵等，其中CCHP系统中包括燃气内燃机（Microturbine, MT）、余热锅炉和溴化锂吸收式制冷机；储能系统（Energy Storage, ES）按存储的能源类型可分为储电系统和蓄冷、储热系统。
由于单个微能源网容量较小，相邻微能源系统互联是提高区域间歇式能源消纳率、供能可靠性和运行经济性的有效方式，因此提出一种微能源网互联系统的典型结构如图1所示。在电力系统配电网侧的一条配电线路上接有多个含不同分布式系统、负荷特性各异的微能源网，例如，微能源网C中包含PV、WP、CCHP、ES、电负荷和冷热负荷。电力系统正常运行时，微能源网A、B、C的电压、频率等运行状态与上级电力系统相同。
图1 微能源网互联系统的典型结构
Fig.1 Typical structure of interconnected system of micro-energy network
由于电气距离相近，各微能源网在互联系统中的传输损耗可忽略不计，不同微能网络之间的热管道输送会造成较大的热损失，因此，不考虑互联系统中热能的相互作用。电力系统故障切除前，微能源网可互联形成互联系统，提高自身的供能稳定性。当子系统发生故障时，通过及时断开并网接口，非故障子系统可通过联络线向故障子系统供能。电力系统故障切除后，微能源网以互联系统形式重新并网，参与电力系统的恢复。
多个微能源网互联之后，若互联系统的频率低于系统规定的最低值，则互联系统的调节能力有限，所选组合互联后存在低频风险。由此可见，微能源网互联系统的频率必须保持在系统可接受的范围内。微能源网互联系统的低频风险主要通过研究互联后的静态频率特性，判断是否能维持频率稳定。
当微能源网与电力系统脱离时，能够对微能源网频率进行调节的分布式能源系统包括CCHP系统中的微型燃气轮机和储能系统等，称为可调频分布式系统。可调频分布式能源系统的频率-有功特性主要分为无差调频和有差调频两类，主要由采用的控制策略决定。
2.1.1 可调频分布式能源系统的无差调频特性
无差调频方式下，机组的有功调节量∆Pe和频率偏差量∆f成积分关系。同理，微能源网中的储电系统通过下垂控制策略也能实现无差调节，表现出与微燃机相同的无差调频特性。但微燃机的出力受最大进气量的限制，而储能系统的出力受到变流器和功率特性的限制，所以当其出力达到上限时，系统无法继续增加有功出力。故微能源网系统中，采用无差调频控制的分布式能源系统的频率关系可描述为
（1）
式中，
为互联系统中无差调频控制分布式能源系统的有功出力之和；PL为系统的有功负荷；Ploss为系统的有功损耗；
为除无差控制分布式能源系统外其他分布式能源系统的有功出力；
为无差控制分布式能源系统的最大有功出力之和；fn为系统的额定频率。
当互联系统的有功缺额
时，系统可以稳定在所设定的频率fn下，
；否则，无差调频控制下的分布式能源系统按最大有功输出，系统频率下降至fn以下。
2.1.2 可调频分布式发电系统的有差调频特性
当
，互联系统的有功缺额将由处于有差调频控制的分布式能源系统提供，互联系统的稳定频率将由有差调频控制方式下的分布式能源系统和负荷共同决定。
采用有差控制的分布式能源发电系统有功输出与频率关系可以描述为
（2）
式中，
为互联系统内有差调频控制分布式微源的有功出力之和；KG为有差调频控制的单位频率调节因子，kW/Hz；
为互联系统内有差调频控制分布式能源发电系统的额定有功功率之和；
为互联系统中有差调频控制分布式能源发电系统的最大有功出力之和；fm为互联系统中有差调频控制分布式能源发电系统的最大有功出力时对应的系统频率，一般应与系统允许的频率最小值对应。微燃机组的KG =1/R，R为微燃机组的调差系数；储能系统的KG为下垂斜率。
当
，系统可以稳定在允许频率内；若
，则=，频率降低到fm以下，其下垂特性可以分段线性化。
2.1.3 微能源网互联系统的综合调频特性
非调频类分布式能源系统如采用最大功率跟踪控制的光伏发电系统等，输出的有功功率将不随系统频率的变化，但是其有功功率的波动会对系统频率造成一定的影响。因此，微能源网的调频特性由调频类和非调频类分布式能源发电系统共同决定。
（1）若微能源网互联系统中只存在非调频类分布式能源系统和有差调频类分布式能源系统，其综合调频特性由有差调频类分布式能源系统决定，可以表示为式（3），综合调频特性曲线如图2所示。
（3）
式中，
为非调频控制下分布式能源系统的有功出力之和。
图2 含有差调频和非调频分布式能源系统的微能源网综合调频特性
Fig.2 FM characteristics of the micro-energy network formed by the distributed energy system under difference control and non-adjustable FM system
当电力系统的频率因外界扰动而发生变化时，所有非调频类分布式能源系统保持原有运行状态，而有差调频类分布式能源系统则按照单位频率调节因子调整各自的有功出力，实现互联系统内有功功率的自动分配。
（2）如果互联系统中还包含无差频率调节控制的分布式能源系统，若
，则首先增加无差调频控制分布式能源系统的有功出力，使系统频率稳定在额定频率。若
，则
，由有差调频控制分布式能源系统调整有功出力，将频率稳定在允许范围内。若
，则系统的频率由负荷确定，最终稳定在较低值。因此，互联系统的综合调频特性可表述为式（4），特性曲线如图3所示。
（4）
图3 含无差调频控制、有差调频控制和非调频分布式能源系统的微能源网综合调频特性
Fig.3 FM characteristics of the micro-energy network formed by the distributed energy system under difference control and non-difference control and non-adjustable FM
互联系统内负荷种类繁多，每类负荷单独表现出来的频率特性不同，且微能源网互联系统内部分热负荷可通过耦合元件如燃气轮机等转换为电负荷，由于热惯性，此部分负荷变化较小，可看作与频率无关的负荷，故互联系统负荷的综合频率特性可表示为
（5）
式中，PLn为系统在额定频率fn处的有功负荷；α0、α1、α2为拟合负荷的有功频率待定系数；αh2p为转换为电负荷的热负荷对应的系数，其数值受电热耦合设备的最大出力、互联系统的热负荷需求约束，是一个可控制的变量。
结合互联系统内分布式能源系统的调频特性和负荷频率特性，可以得出互联系统的综合频率特性曲线如图4所示。
图4 互联系统的综合特性曲线
Fig.4 Synthetic characteristic of interconnected system
图4中，频率在[fm, fn]范围内负荷频率特性曲线与互联系统综合调频特性曲线的任意交点都是互联系统的稳定运行频率点。A点工作在无差调频控制下的分布式能源系统的单独出力可调节范围内，B点工作在无差调频和有差调频控制下的分布式能源系统共同出力的可调节范围内，C点工作在互联系统允许的极限低频处。
根据负荷频率特性关系式（5），可以求出互联系统频率下限fm处负荷的有功功率Pm，从而可以计算出互联系统内的有功缺额∆P。因此，由图4可以得出多个微能源网互联的频率可行性依据：当互联系统按频率负荷特性曲线运行在频率下限点（fm, Pm）时，若
，则所选区域内的微能源网可互联，无低频风险；相反，需对互联系统内的微能源网进行重新选择，或者调整互联系统内的负荷，改变负荷曲线。
由于微能源网中间歇性能源渗透率高，可用于调节电力系统功率波动的备用容量有限，因此需对互联系统的备用调节能力做进一步的分析。微能源网内光伏系统、风力发电系统等受天气因素影响较大，可能会出现较大功率跌落。因此，备用调节能力则主要用于分析当互联系统中IDG短时内零输出时，备用容量能否持续补偿间歇式能源功率缺额的时间和功率。
对于储能系统的调节特性一般从两个方面进行分析：有功出力能力PE和保持有功出力的时间TE。其中储能系统有功出力能力主要由储能系统中的变流器额定功率
和电池额定功率
两者中的最小值决定，即
。
通常，互联系统中会存在多个储能系统，当微能源网互联系统出现功率缺额时，各储能系统按照电池的荷电状态（State of Charge, SOC）比例分配输出功率。因此，系统内储能系统的调节能力描述为
（6）
式中，
为互联系统内储能系统的最大调节功率；
为各储能系统的额定有功功率之和；
为储能系统按某一功率Px放电的持续时间；
为储能系统按最大功率放电的持续时间。
微能源网中包含光伏发电系统、CCHP系统和储能系统等，当互联系统发生功率跌落时，系统内或电力系统短暂的功率缺额需由储能系统迅速填补。因此，设电力系统恢复供电时间为Tg，若互联系统满足式（7），说明互联系统具备持续调节能力。
（7）
式中，
为互联系统中储能的总有功出力；
为互联系统中重要负荷的平均功率；
为系统内CCHP系统中微燃机组的最大有功出力；PIDG为系统内光伏、风力等分布式发电系统的有功出力。
设电力系统恢复供电时间为Tg，极端情况下，间歇式发电系统有功出力突降为0，且CCHP系统受热出力约束有功出力达到最大上限时，若互联系统满足式（8），说明互联系统具备极限功率跌落持续调节能力。
（8）
特殊时段存在IDG出力大于负荷值的现象，同时针对IDG并网节点的电压越限与线路容量越限问题，需要对IDG出力进行削减，使其满足电网运行相关技术约束，结果既造成了能源的浪费，又会导致投资收益受损[17]。因此，需要对互联系统间歇式能源消纳能力进行分析。
为了分析间歇式能源的消纳能力，通常需要首先建立微能源网的容量优化配置模型[18-19]，通过对模型求解得出PV、WP、CCHP、ES等设备的优化装机容量。本文重点关注微能源网互联对间歇式能源消纳能力的提升效果，不考虑装机容量优化配置对消纳分析模型的影响。
在上述互联结构下，以调度周期内IDG出力削减量最小建立目标函数，即
（9）
式中，T为调度周期；
为t时刻第i组间歇式能源的实际有功出力；
为在实际环境下t时刻第i组间歇式能源的最大允许有功出力；
为时间间隔。
不考虑可削减负荷，通过合理地控制其他DG出力，减少IDG削减量，提高其总发电量，则IDG的消纳率q就越高，消纳率q为
（10）
互联系统的运行约束条件主要包括网络冷热电功率平衡约束、机组运行约束、设备功率变化率上限约束，如式（11）～式（17）所述。
（11）
（12）
（13）
（14）
（15）
（16）
（17）
式中，EN为电负荷；PGrid为电网输入电能；PDG,j为第j类分布式机组提供的电能；QL为冷热负荷的总和；QDG,j为第j类分布式机组提供的冷热能；Wline为系统支路集合；Pl为支路l的有功功率值；Pl,max为支路l的有功功率允许最大值；Un为节点n的电压值；Un,max、Un,min分别为节点n的电压上、下限；Wnode为系统节点集合；
、
分别为第j类分布式机组允许输出功率的上、下限；
、
分别为t时刻，节点m处储能设备的放电功率、充电功率；
、
分别为储能设备放电功率的上、下限；
、
分别为储能设备充电功率的上、下限。
求解时，将供能设备约束条件中的非线性约束简化为线性约束。
以4个含有不同类型分布式能源供能系统的微能源网为例，对多个微能源网互联供能的调频可行性和对间歇式能源的消纳能力进行分析，微能源网参数见表1。
表1 微能源网中的分布式能源及负荷
Tab.1 Parameters of the system devices and loads
微能源网风电/kW光伏/kWCCHP/kW储电系统/kW热泵/kW电负荷/kW热负荷/kW A—12550050250400400 B—80250100—200320 C5050250——230250 D50——150150100150
含有储电系统的微能源网中的储能最大有功功率
、额定电压UN、放电截止SOCmin，容量Q及初始SOC相关参数见表2。可计算出微能源网A、B、D中的可用储能容量分别为30kW、40kW、75kW。
表2 微能源网中储能系统参数
Tab.2 Parameters of energy storage system
微能源网/kW初始SOCSOCminUN/VQ/(A·h) A500.80.238050 B1000.60.238075 D1500.70.2380100
实际运行中，微燃机发电系统的最大有功出力
一般约为额定功率的1.2倍；储能系统的最大有功出力为额定有功功率。假设多个微能源网内的负荷频率相同，对负荷特性进行拟合可得负荷的频率参数α0=0.3，α1=0.4，α2=0.1。
当电力系统发生故障时，取故障恢复时间为0.5h，对IDG出力分别在正常工作、全跌落两种情况下不同微能源网互联系统组合方式的频率稳定性和调节能力进行计算分析。
（1）当IDG正常工作时，微能源网各种互联组合方式下的相关计算结果见表3。
表3 IDG系统未跌落时各互联组合方式计算结果
Tab.3 Results of different combinations when IDG system at work
互联组合最大有功出力/kW额定电负荷/kW频率下限负荷/kWCCHP出力/kW储能功率/kW备用功率/kW持续时间/h AB1255600530.439570425∞ AC1175630557.040530375∞ BC880430380.225040290∞ BD680300265.2170115195∞ CD600330291.718075145∞ ABC1 655830733.852670544∞ BCD1 080530468.6300115315∞ ACD1 375730645.4455105400∞ ABD1 505700618.9445145450∞ ABCD1 855930822.2575145570∞
表3中，最大有功出力表示互联系统所有分布式发电系统的发电有功功率最大值；额定负荷表示额定频率50Hz处的有功电负荷；频率下限负荷对应互联系统在频率允许的最小值处的负荷功率，根据负荷频率特性得到；CCHP出力表示在当前状态下，互联系统中CCHP的微燃机的发电功率，用于补充互联系统中除风电和光伏之外的有功缺额；储能功率表示互联系统中允许的最大储能有功功率；备用功率表示互联系统中微燃机未使用部分的功率和储能功率之和；持续时间表示储能系统和CCHP中的微燃机发电系统能共同支撑互联系统的时间，由各微能源网中的储能系统持续时间的最小值决定。
基于频率稳定互联可行性依据，由表3可知，表中所有的互联组合方案都具备可行性。但可以看出，微能源网进行组合后CCHP系统会有较多的剩余，在电价低谷期，这种供能方式成本较大，且产生的余热需要较大的储能系统吸纳，故微能源网的规划设计可考虑互联前后的经济性和间歇式能源消纳性进行优化。
（2）当IDG跌落退出时，微能源网各种互联组合方式下的相关计算结果见表4。
表4 IDG系统全跌落时各互联组合方式计算结果
Tab.4 Results of different combinations when IDG system out of running
互联组合最大有功出力/kW额定电负荷/kW频率下限负荷/kWCCHP出力/kW储能功率/kW备用功率/kW持续时间/h AB820600530.460070220∞ AC780630557.063030150∞ BC540430380.243040110∞ BD365300265.2250115652.3 CD325330291.725075-50 ABC1 070830733.883070240∞ BCD615530468.6500115853.5 ACD855730645.4730105125∞ ABD895700618.9700145195∞ ABCD1 145930822.2930145215∞
从表4中看出，当电力系统发生振荡，风机和光伏系统退出运行后，在所有的微能源网组合方案中，除CD组合系统持续时间为0，其余都满足频率稳定依据。
采用本文提出的优化调度模型式（9）分别对微能源网互联前后间歇式能源消纳率进行仿真分析。算例以夏季某一天24h为一个完整的调度周期，在Matlab中采用自适应粒子群优化（Adaptive Particle Swarm Optimization, APSO）算法对模型进行求解，各算例间歇式能源削减量和消纳率求解结果见表5。
表5 互联前后系统调度计算结果
Tab.5 Results of system scheduling before and after combination
类型ABCABACBCABC 削减量/kW85.776.376.659.658.470.045.8 消纳率(%)87.582.689.294.795.893.997.5
从表5中可以看出，不同组合方式系统互联后相较于单个微能源网，间歇式能源消纳率均有所提高，尤其A、B、C微能源网形成互联系统后，相较于单个微能源网间歇式能源消纳率分别提高了10%、14.9%和8.3%。说明在满足互联可行性判据后，通过联络线进行合理的系统互联可以提高综合能源系统对间歇式能源的消纳能力。
为进一步说明互联调度有效性，系统C与系统A、B互联前后整个调度周期中光伏、风电实际出力曲线和预测曲线如图5所示，可以看出，IDG出力与目标出力曲线高度契合。说明由于不同微能源网负荷特性和分布式发电系统类型不同，互联后可将不同区域作为一个整体进行调度，优化电力资源配置、提高可再生能源利用率，实现分布式光伏和风电就地消纳，从而提高综合能源系统的运行经济性。
图5 间歇式能源发电系统出力和预测曲线
Fig. 5 Real and predicted output curves of IDG
本文提出了微能源网互联系统的基本结构，分析了微能源网内各分布式能源系统的调频特性和负荷的频率特性，得出不同工况下的微能源网综合频率特性。从微能源网互联系统的低频风险和调节能力两方面提出多个微能源网进行互联的可行性依据，然后建立互联系统优化调度模型，最后通过算例分析，验证了理论的可行性和准确性，并得出结论：微能源网在满足互联可行性判据条件下，可以为区域内多种能源的互补提供支撑，从而有效提高高比例间歇式能源接入下微能源网的稳定性和系统对间歇式能源的消纳能力。
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Research on Frequency Modulation and Accommodation Capability of Interconnected System of Micro-Energy Network
Abstract Micro-energy network is an integrated energy system that integrates various types of distributed energy systems, storage systems and loads. However, the capacity of the micro-energy network is relatively small，and multiple micro-energy networks with similar distances can be interconnected for energy sharing. Firstly, a typical structure of micro-energy network interconnection system is proposed. Secondly, according to the distributed energy system and load types included in the system, the frequency modulation and load characteristics are analyzed. A criterion for frequency stability of interconnected systems is presented along with an analysis method for the modulation capability. Then an optimal scheduling model is established based on the intermittent energy consumption rate. At last, a case study is given to compare the frequency stability and the ability to absorb intermittent energy of the system before and after interconnection, which verifies the effectiveness and feasibility of the proposed theory.
keywords：Micro-energy network, frequency modulation characteristic, load characteristic, accommodation capability
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90223
中图分类号：TM711
中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（0800219375）。
收稿日期 2020-07-03
改稿日期 2020-10-15
梁紫雯 女, 1996年生, 博士研究生, 研究方向为微能源网系统建模及其控制。E-mail：1710828@tongji.edu.cn
牟龙华 男, 1963年生, 教授, 博士生导师, 研究方向为电力系统保护与控制、分布式发电与微电网。E-mail：lhmu@tongji.edu.cn（通信作者）
（编辑 赫蕾）