自上世纪八十年代起,随着新能源尤其是太阳能光伏发电量在各国总发电量中所占比例不断提升,世界主要发达国家如美国、日本、德国、法国等在改进短期太阳能光伏发电预测方法和预测精准度方面投入了大量的精力和资金,以期提高光伏发电的利用率以及实现在智能电网中利用大数据对光伏发电站输配电的调度,从而改善传统大电网输配电调度的手段的单一性,降低调度成本。
1. 微网光伏发电系统能量管理技术概述
微网光伏发电系统中能量管理主要涉及到三个技术分支,分别为储能技术、功率负载预测、多源协调技
【1】。光伏发电系统中储能是其相当重要的环节,光伏发电系统加入储能环节可有效兼容间歇式的光伏发电,缓解光伏发电不稳定对电网的冲击,大大提高了并网的安全稳定性和需求侧用户电力的可靠性。微电网作为区域小型互联电网,其内部光伏发电功率与负荷功率受到气象条件等外界因素的影响,使其能量存在不确定性,因此对光伏发电功率与负荷进行准确预测,是提高微电网运行效率的有效手段。微电网能够根据各 DG 单元的输出特性有效整合各 DG 单元成为一个小型的供配电系统,提高 DG 单元的能源利用效率,能够促进电力工业多元化和环境保护的协调发展,也可提高负荷功率的供电可靠性。
1.1 储能技术的研究
电能存储技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、电讯等部门的重视。主流的储能形式按照原理可以归纳为三类:机械储能、电磁储能和电化学储能【2】。
1.2 功率负载预测技术的研究
目前对预测方法的研究可以归纳为传统预测方法和人工智能预测方法,前者主要包括回归分析法、平滑指数法和时间序列法等,后者主要包括灰色预测法、专家系统预测法、模糊控制法和支持向量机等方法。这些方法都有着各自的特点,针对不同的问题,不能保证所有的方法都能准确的进行预测,因此要针对预测问题进行分析,选择合适的预测方法【3】。
1.3多源协调技术的研究
微电网包含各种 DG 设备、ESSs 和负荷的中低压配电网络,可以经过智能静态开关(intelligent static bypass switch,IBS)与大电网联网运行或孤岛运行。针对 DG的间歇性、多样性的特点,研究优化 DG 设备的控制方法,提高 RESs 的电能质量成为微电网研究的重点。如何控制风机、光伏、储能电池等通过电力电子接口器件连接的MSs 以保证微电网的稳定运行,多台 DG 并联运行时负荷功率如何合理分配和协调控制,以及如何实现 DG 的优化调度等问题成为微电网技术领域研究的热点【4】。
2.专利整体申请状况
2.1 国内外专利申请总体发展态势
微网光伏发电系统能量管理控制技术总体的发展大致经历了以下三个主要发展阶段:
第一阶段(1971-1991年)为萌芽期。该阶段属于全球能量管理技术的萌芽阶段,其年原创申请量均处于500件以下,且各年申请量呈现波动状态,发展速度持续维持在较低水平,未形成规模效应。
第二阶段(1992-2005年)为平稳发展期。全球能量管理技术得以被具有前瞻性的研究机构与企业所逐步重视,其原创专利申请量也随之呈现整体上升的趋势,基本进入一个良性稳定发展阶段,但历年原创申请量均未突破1000件。
第三阶段(2002年-至今)为快速增长期。全球能量管理技术越来越受到业界关注,随着全球各大公司和研究所的加大投入,该领域的专利申请量也出现明显快速增长,每年全球范围内的原创申请量以几百上千件的速度递增,且年均增长率基本保持稳定。
2.2 国内外专利申请人分布
早期日本的布局申请量远高于其他国家,我国早期微网光伏专利布局申请量处于较低的水平,但从2006年开始出现明显的增长,近几年更是出现了快速增长,增幅远超其他国家,可能基于我国大力发展微网光伏能源,从而各个国家均在我国加强了专利布局。从变化情况看,日本的专利布局申请量长期处于一个非常稳定的水平,其他国家在前期也处于相对比较稳定的水平,而在近几年也出现了比较快速的增长,这可能与各个国家日益重视环境保护和使用清洁能源的意识提升相关。
微网光伏发电系统能量管理控制技术全球申请量排名前十的申请人,依次为国家电网、松下、日立、三菱、通用电气、西门子、华北电力大学、艾斯玛、lg电子和东芝。其中,国家电网的申请量远超过其他申请人的申请量,超过2200件,几乎是第二名松下申请量的3倍。在排名前十的申请人中,仅有国家电网一家中国企业,反映出中国企业对于光伏能量管理技术的研发投入不如国外企业,难以形成技术优势。值得注意的是,松下、日立、三菱、东芝等日本企业仍然在光伏能量管理技术的保持较高的申请量,一方面说明光伏发电的需求并未减弱,另一方面说明这些日本企业同时仍保持较高的研究投入。
2.3 国内外专利申请技术主题
在全球专利申请中,功率负载预测技术和多源协调技术所占份额相近,均为20%左右,储能技术占到了59%,超过一半的申请量。由此可以看出,微网光伏发电能量管理技术中,如何提升光伏发电的储能技术问题,仍然是研究的热点。
3. 微网光伏发电系统能量管理技术总结
通过对微网光伏发电系统能量管理技术国内外专利发展态势以及申请人、技术主题分布的分析可以了解到,微网光伏发电系统中能量管理技术主要围绕储能技术、功率负载预测技术、多源协调技术这三个方面来进行研究的。这三方面技术的研究都是为了实现微网系统中的功率平衡,包括有功功率和无功功率。在整个微网系统中,包括了多种分布式电源和不同类型的储能系统、以及不同的用户负载,如何实现不同分布式电源、储能系统、负荷的协调控制,保证微网稳定、高效的工作,这是微网系统最重要的任务。
参考文献
【1】 孙涛等. 储能在新能源、分布式电源与电网协调发展中的作用[J].新型工业化,2021,09:249-250
【2】 丁尚.微电网分布式储能系统的优化方法研究[D].南京邮电大学硕士学位论文,2019,2
【3】 叶子静.微电网的潮流协调控制策略[D].河北工业大学硕士学位论文,2020,1
【4】 张鑫.微电网网内电源协调技术研究[D].长春工业大学硕士学位论文,2021,1