双碳下发配储用一体化新型直流微电网新能源供能系统研究

完成单位：国网江苏省电力有限公司丰县供电分公司

主要完成人：任惠宁、李念淼、许浩、孙萌、张东、曹成强、洪晨、闫文举

一、研发背景

能源是人类文明进步的基础和动力，攸关国计民生和国家安全，关系人类生存和发展，对于促进经济社会发展、增进人民福祉至关重要。2020年9月22日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会上宣布，中国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标（“双碳”目标）。在此背景下以清洁能源为主导、以电力为核心的能源发展新格局，电网已成为能源配置的主要载体。特别是当今的智能配电网已是能源互联网中不可或缺的角色，受到前所未有的关注。然而由于历史原因，中国配电网和供用电系统发展相对滞后，尤其在供电能力、供电质量、资产利用率等方面仍有待提高。目前随着分布式能源渗透率的逐步提升，配电系统中的多元源荷呈现出非线性、随机性等特征，传统配电系统的运行模式面临严重挑战。国际大电网会议报告指出，各种因素正在推动全球能源系统转向资源-市场混合形式，未来电网将出现不同能源的组合，电能消费者和生产者将频繁转换，系统面临更多运行风险。另外，综合电力系统、能源系统、信息技术，构建信息物理系统并形成智能化的主动配用电系统，成为未来发展趋势。直流微电网具有很明显的工程应用特点，在实际的工程应用中，由于直流传输电能，不需要通过交直流互相转换，这样就减少电能变换环节，同时也大大降低了由于变换造成的电能损耗，电能质量得到了很大的提升，而且具有直流输电的本身的优点，减少了导线内部产生的损耗，从而降低线路损耗等方面，这些独特的优势，奠定了直流微电网在电力未来发展中的地位。面对当前“双碳”目标下电力系统中能源互联网的新形势，考虑分布式可再生能源、直流负载、并网供电和应急储能的接入，发展具有发、储、配、用一体化特征的新一代直流微电网新能源供能系统成为缓解中国配电网现有问题的有效途径之一。本成果将以直流微电网为应用背景，构建了一种全新的全直流发储配用一体化新型微电网新能源供能系统，其中发储用部分采用新型开关磁阻直流发电机和开关磁阻电动机分别作为新型直流微电网系统的风力发电单元和电动汽车驱动系统负载单元，打破了传统采用永磁同步电机作为直流微电网系统的风力发电单元和电动汽车驱动系统负载单元的思想，省去了功率变换中的AC/DC单元，通过本成果的研究颠覆目前自上而下的能源输配格局，形成自下而上、自愈自平衡的网格化能源生态，将进一步推动可再生能源和泛在电力能源物联网持续发展，也将是“双碳”目标下未来新能源与储能技术发展路径之一。

二、发明团队介绍

1.团队负责人

任惠宁，国网丰县供电公司，高级工程师，总经理，在本成果中主要承担“双碳”下发储配用一体化新型直流微电网新能源供能系统项目的试点总体规划及供电方案研究，将相关研究成果实际应用到国网丰县供电公司。

2.核心研究人员

李念淼，国网徐州供电公司，高级工程师，电力调度控制中心副主任，在本成果中主要承担“双碳”下发储配用一体化新型直流微电网新能源供能系统项目试点接入标准和接入技术制定，项目研究方向等。

许  浩，国网丰县供电公司，高级工程师，副总经理，在本成果中主要承担“双碳”下发储配用一体化新型直流微电网新能源供能系统项目试点总体规划及设计研究。

孙  萌，国网丰县供电公司，工程师，丰县调控分中心调控运行班班长，在本成果中主要承担“双碳”下发储配用一体化新型直流微电网新能源供能系统项目试点并网调控运行测试，协调联合单位进行项目落地。

张  东，国网丰县供电公司，高级工程师，丰县调控分中心主任，在本成果中主要承担“双碳”下发储配用一体化新型直流微电网新能源供能系统项目试点并网调控设计。

曹成强，国网丰县供电公司，高级工程师，营销部主任，在本成果中主要项目负责供电方案编制和用户项目协调实施。

洪  晨，国网丰县供电公司，工程师，人力资源部副主任，在本成果中主要负责协调项目路由规划实施、储用系统运行测试，负责发明团队活动人员的组织协调。

闫文举，中国矿业大学，副教授，科技部“新能源电动车技术与装备中东欧国家国际联合研究中心”副主任、江苏省科技副总。近五年发表学术论文二十余篇，第一作者10篇，第二作者7篇；申请中国发明专利11项，其中获得授权8项。

三、成果(专利)简介

本成果采用理论分析、仿真建模、样机试制和实验验证相结合的研究方法，从小型直流微电网风力发电系统、电动汽车新型直流驱动系统和直流微电网及能源管理技术三个层面出发，涉及到直流微电网系统中的发、用、储各个环节，本成果的整体研究思路如图1所示，首先研究由新型开关磁阻发电机构成的新型风力发电系统和由新型开关磁阻电动机构成的电动汽车驱动系统，在此基础上研究新型直流微电网系统及能源管理技术，形成自下而上、自愈自平衡的网格化能源生态，满足“双碳”下能源供给需求。

1.小型直流微电网风力发电系统研究

（1）高性能小型开关磁阻直流发电机电磁设计方法：研究小型开关磁阻发电机设计评价指标，即根据小型风力发电的设计需求和开关磁阻发电机的固有特性，提出合理的评价指标并确定评价指标与发电机本体性能参数的数学模型。研究分析多目标优化设计方法，针对优化设计参数较多的问题，采用分层优化法和敏感性分析方法将优化设计参数分为高灵敏度参数和低灵敏度参数；针对目标函数较多的问题，结合所确定的评价指标采用序关系分析法、层次分析法等确定各个权重系数从而将多目标优化问题转化为单目标优化问题或者采用目标函数之间冲突分析与聚合树分析结合的方法减少优化目标函数。根据小型风力发电的性能需求和设计评价指标，对比共轭梯度优化算法、进化算法、粒子群算法和非支配排序遗传算法等，确立适宜于小型风力发电开关磁阻发电机的多目标优化设计算法。最终确立一种快速、合理的适宜于小型开关磁阻风力发电机的综合优化设计方法。

（2）小型开关磁阻直流发电机新型控制策略设计：结合小型开关磁阻发电机磁链-电流轨迹和能量守恒定律，研究开关磁阻发电机电磁功率在线估算方法，探讨不同励磁角度、不同母线电压对小型开关磁阻风力发电机输出功率的影响规律，在此基础上，结合目前国内外关于控制参数优化与性能提升方面的研究成果，研究分析基于混合搜索的效率优化法和基于开关角在线控制的效率优化法。研究小型开关磁阻风力发电机的磁密特性，建立开关磁阻风力发电机的损耗模型；研究小型开关磁阻风力发电机的损耗特性，确定影响系统效率的关键损耗因素；研究小型开关磁阻风力发电机平均转矩与影响系统效率关键损耗因素的关系，确定出易于表征的数学模型，构建小型开关磁阻风力发电机新型相电流调制策略，实现对开关磁阻风力发电机发电效率的快速在线优化。

（3）小型开关磁阻直流发电机功率变换器拓扑设计：厘清新型电机相绕组励磁、续流和退磁三个工作模态，明确实现快速构建励磁电压、包含零电压续流回路和退磁电压回路的新型发电机功率变换器拓扑设计原则，传统三相不对称半桥功率变换器前级增加前级电路，通过控制前级电路中功率主开关调节升压电容储能并控制电机励磁与去磁电压，实现对励磁电压与去磁电压的泵升，改善小型开关磁阻发电机电流响应、电能质量和功率变换器伏安利用率较低的问题。通过总结开关磁阻风力发电机功率变换器与储能蓄电池DC/DC变换器的共性环节和通用环节，利用电力电子器件、电机绕组等复用思想，降低小型开关磁阻风力发电机系统的成本，并给出相应的控制策略提高系统的效率和灵活性。

2.电动汽车新型直流驱动系统研究

（1）电动汽车高性能开关磁阻电机电磁设计方法：与小型风力发电机设计方法类似，研究电动汽车开关磁阻电机设计评价指标，即根据电动汽车的设计需求和开关磁阻电机的固有特性，提出合理的评价指标并确定评价指标与电机本体性能参数的数学模型。研究分析多目标优化设计方法，针对优化设计参数较多的问题，采用分层优化法和敏感性分析方法将优化设计参数分为高灵敏度参数和低灵敏度参数；针对目标函数较多的问题，结合所确定的评价指标采用序关系分析法、层次分析法等确定各个权重系数从而将多目标优化问题转化为单目标优化问题或者采用目标函数之间冲突分析与聚合树分析结合的方法减少优化目标函数。根据电动汽车的性能需求和设计评价指标，对比共轭梯度优化算法、进化算法、粒子群算法和非支配排序遗传算法等，确立适宜于电动汽车开关磁阻电机的多目标优化设计算法。最终确立一种快速、合理的适宜于电动汽车开关磁阻电机的综合优化设计方法，提高开关磁阻电机在电动汽车中的运行性能。

（2）电动汽车新型驱动系统多功能功率变换器拓扑结构：针对开关磁阻电机电动和制动两种工作状态，厘清电机励磁、续流和去磁三个阶段过程，明确开关磁阻电机驱动拓扑设计原则，提高电动状态高转速段功率输出能力和制动状态低转速段再生制动回馈能量。考虑混合储能系统拥有主动调控动力电池和超级电容能量分配和双向流动的能力，两种能量源之间采用双向DC/DC变换器与直流母线相连。针对电动汽车动力电池并网充电模式总结出动力电池充电器与开关磁阻电机驱动拓扑的共性环节和通用环节，利用电力电子器件、电机绕组等复用思想构成车载充电系统，实现直流微电网对车载动力电池充电以及不同充电模式的选择。针对动力电池对辅助电池充电模式，同样利用部分驱动拓扑的电力电子器件和外加少量器件，实现动力电池对辅助电池的充电功能。最终构建出包含混合储能源和车载充电器多功能、高集成度电动汽车开关磁阻电机驱动拓扑。

（3）电动汽车开关磁阻电机混合储能系统的能量管理控制策略：基于构建的混合驱动拓扑，并结合电路模型理论和充放电系统测试，建立混合储能系统数学模型。根据电动汽车参数和车辆动力学原理，分析和计算电动汽车电机驱动系统在不同运行工况下能量和功率供给规律。根据驱动系统平均输出功率和最大输出功率等参数，采用扩展自适应动态规划方法研究动力电池和超级电容的最优容量配比。为了实现混合储能源能量-功率的优化调配，采用模型预测控制和规则设定法，合理设置超级电容的荷电状态，提供即将需求的电动汽车加速能量，同时为即将产生的制动能量回收提供储能空间。以混合储能系统充、放电效率最优和循环寿命最长为目标，可以采用全局优化算法（模拟退火法、遗传算法和粒子群算法）将总需求功率进行优化分配。采用双闭环控制双向DC/DC变换器，实现电流的实时跟踪，并保持直流母线电压稳定，减小对驱动电机性能的影响。

3.新型直流微电网及能源管理技术研究

（1）新型直流微电网混合储能配置优化：研究光伏电池在不同状态下输出情况，建立光伏电池的数字模型；研究新型直流风力发电机的输出特性，建立新型直流开关磁阻风力发电系统的数学模型；研究蓄电池的储能特性和超级电容的储能特性，建立蓄电池的容量衰退模型和混合储能系统的等值电路模型。采用拉丁超立方等抽样方法确定风力和光伏电池的出力区间和用户端的负荷区间，通过随机组合区间内功率曲线得到混合储能的不平衡功率目标值，建立混合储能容量配置模型。针对风/光/配/储直流微电网的配置目标、约束条件、调度策略提出方案，通过系统年均投资成本、系统维护成本和蓄电池容量衰退导致的成本增加构建经济性寻优目标，负荷缺电率作为可靠性寻优目标，将系统功率守恒、储能系统荷电状态上下限、蓄电池充放电倍率限制、系统规划约束、系统最低可靠性约束作为约束条件参与寻优计算，确定微电网内部电源与储能系统的调度策略，并采用智能算法进行配置优化。

（2）新型直流微电网混合储能系统的电压控制策略和运行策略：分析含有电力电子接口的电动汽车充电负荷的恒功率特性，研究储能单元双向DC/DC中电压电流双闭环控制器、V-I下垂控制器建立小信号平均值模型，并利用特征值法分析系统自身稳定性。利用阻抗分析法对电压电流双闭环控制器和V-I下垂控制器进行阻性负荷和恒功率负荷承载能力分析，确定系统带载能力的范围，构建新型直流微电网母线电压控制策略。根据蓄电池和超级电容的等效模型，分析直流微电网混合储能系统的充放电模型，考虑到超级电容器和蓄电池的荷电状态，利用虚拟电压源恢复超级电容器的荷电状态使其不越限；利用基于一致性算法的控制使得蓄电池的荷电状态趋于一致，避免单个蓄电池的过充过放；提出混合储能系统的运行策略保证系统内能量供需平衡。

（3）电动汽车有序充放电策略和含电动汽车储能的协调控制策略：研究电动汽车集群充放电功率需求规律，基于蒙特卡洛算法对电动汽车日充放电功率进行仿真计算得到相关预测数据，并采用粒子群、遗传算法等对电动汽车集群进行优化调度研究，根据负荷高峰及低谷两个时段不同的功率需求，构建电动汽车有序充放电策略。针对独立运行的直流微电网容量较小、稳定性较差以及系统内波动性较大的问题，充分发挥电动汽车分布式储能的作用，对电动汽车集群合理的充放电控制以及对各单元的协调控制，研究系统功率平衡与系统稳定性、直流母线电压稳定性的影响规律，将传统的基于电压分层控制的基础上增加优先级设置，依据系统内各单元工作特性的不同设置不同的优先级，并通过分析计算系统出力及负荷功率的差额判断系统是否达到功率平衡，基于功率差分层分级协调控制方法，构建含电动汽车储能的独立直流微网协调控制策略。

4.新型直流微电网系统实验研究

确定开关磁阻风力发电机样机和电动汽车开关磁阻电动机最终设计参数，试制样机，在半实物仿真器RT-LAB上搭建小型开关磁阻风力发电机样机测试平台和电动汽车驱动系统试验样机测试平台，分别如图1和图2所示。首先测试电机的静态磁链特性和转矩特性，发电机和电动机设计方法的有效性电机结构的合理性和结构优化设计的有效性；接着搭建新型功率变换器拓扑结构，测试电机开环和闭环时不同负载情况下的动态性能，验证功率变换器拓扑结构的合理性、控制策略的有效性和仿真模型的准确性。结合新能源汽车底盘测功机进行车载试验，测试电动汽车混合储能系统能量管理控制策略有效性。

图1 小型开关磁阻风力发电机驱动系统试验样机测试平台

图2 电动汽车开关磁阻电机驱动系统试验样机测试平台

利用半实物仿真器RT-LAB搭建直流微电网实验平台，其中半实物仿真器RT-LAB作为中央处理器单元，与储能系统、风力发电系统、光伏发电系统、含电动汽车的直流负载单元进行数据交互，实现对各个子系统的实时控制，其中风力发电系统和电动汽车驱动系统均由本成果所设计的开关磁阻电机构成，光伏发电系统采用本实验室前期开发完成的成熟光伏发电系统，储能系统主要由铅酸蓄电池组和超级电容组构成。本成果搭建的新型直流微电网实验平台框图如图3所示，并通过该平台测试直流微电网混合储能系统运行策略和含电动汽车储能的独立直流微网协调控制策略的有效性和可行性。

图3 基于半实物仿真器RT-LAB的新型直流微电网实验平台

四、成果（专利）转化情况介绍

本成果结合丰县全县整体屋顶光伏项目，依据国网丰县供电公司的屋顶现状，并同调控自动化UPS系统相结合，构建双碳下发配储用一体化新型直流微电网新能源供能系统。光伏系统设计装机容量10kW，蓄电池组为4套18*200Ah铅酸蓄电池，风力发电系统设计装机容量2kW。安装地点为国网丰县供电公司主楼屋顶。

该试点既能满足风光互补的发电需求，也能实现对于既定电动车的充电需求，同时兼具丰县调度自动化UPS配电网失电情况下应急电源的功能，在市电失电较长UPS蓄电池容量不能满足应急需求时，将风力发电和光伏发电优先供给重要场所，确保国网丰县供电公司核心业务正常开展。

五、经济效益与社会效益介绍

1.经济效益

本成果构建了由新型直流发电机作为风力发电机、光伏发电系统、电动汽车充电、化学储能、应急电源构成的发、配、储、用一体化全直流新能源供用电系统，形成自下而上、自愈自平衡的网格化能源生态，具有安全可靠、经济高效、绿色低碳、开放互动等特性，将进一步推动可再生能源和泛在电力能源物联网持续发展。

2.环境效益

本成果在丰县供电公司试点后减少污染气体排放，改善空气质量，为环境可持续发展作出贡献。全年可增加供电量1万千瓦时，减少二氧化碳排放20吨，减少氮氧化物、硫化物排放4.23吨，产生较为显著的环境效益。同时本成果提出的小型发、配、储、用一体化全直流新能源供用电系统，能够根据环境场景进行安装，具有小型化，模块化的特点。能够装点环境，提升环境美观度。

3.社会效益

本成果能够用提高旅游景区及偏远地区的用电可靠性，满足人民的用电需求；能够应用在应急电源系统，提升应急电源系统的用电时长和系统可靠性，同时兼并正常电动车充电负荷，满足发配用电的全流程清洁高效低碳。通过分布式能源利用、用能节能、户用能源智能管理等几个方面探索“节能减排”新思路，为“碳达峰、碳中和”提供了助力。