周虎

摘 要：作為大電網(wǎng)的有效補(bǔ)充和分布式能源的有效利用形式，微網(wǎng)已經(jīng)引起各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注，并且國(guó)家也從政策層面給予扶持。然而分布式能源大多經(jīng)過(guò)電力電子設(shè)備接口并入電網(wǎng)，不僅慣性小而且具有隨機(jī)性、波動(dòng)性等特點(diǎn)，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合公司實(shí)際運(yùn)行的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)，研究了微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、能量管理系統(tǒng)以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略。就地控制保護(hù)層負(fù)責(zé)微電網(wǎng)分布式電源的調(diào)節(jié)、儲(chǔ)能充放電控制、負(fù)荷控制和就地保護(hù);微網(wǎng)中央控制層集中管理分布式電源和負(fù)荷，執(zhí)行調(diào)度層下發(fā)的指令;微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化管理層由SCADA監(jiān)控系統(tǒng)和能效管理系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞： 微網(wǎng);協(xié)調(diào)控制;經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;IEC61850

近年來(lái)可再生和綠色分布式發(fā)電系統(tǒng)滲透率不斷提高，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源出力的強(qiáng)間歇性、隨機(jī)性和弱支撐性的特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)特性給微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)較大影響，促使發(fā)電方式、輸配電方式和電能使用方式出現(xiàn)新的變革。微網(wǎng)是分布式電源的有效組織形式，因此針對(duì)微網(wǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題得到了廣泛的關(guān)注和研究。為應(yīng)對(duì)微網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展，全面深入揭示微電網(wǎng)的運(yùn)行機(jī)制，微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性分析方法方面亟待進(jìn)一步探討與研究。本文針對(duì)微網(wǎng)大規(guī)模發(fā)展的背景下，對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外微網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合公司運(yùn)行的光儲(chǔ)微網(wǎng)提出分層控制方法，并開(kāi)發(fā)出一套完整的微網(wǎng)控制系統(tǒng)，實(shí)踐表明本系統(tǒng)可以提高微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于在其他微網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用以及后續(xù)微網(wǎng)控制系統(tǒng)的研究有重要的借鑒意義和指導(dǎo)意義。

一、微網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、微網(wǎng)概念

微網(wǎng)是由分布式發(fā)電、用電負(fù)荷、監(jiān)控、保護(hù)和自動(dòng)化裝置等組成，是一個(gè)能夠基本實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電力電量平衡的小型供用電系統(tǒng)。微網(wǎng)分為并網(wǎng)型微網(wǎng)和離網(wǎng)型微網(wǎng)。一般通過(guò)單點(diǎn)接入大電網(wǎng)，即從電網(wǎng)端看進(jìn)去微網(wǎng)是一個(gè)可控發(fā)電單元或者負(fù)荷。獨(dú)立運(yùn)行時(shí)一般需要儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)達(dá)到能量瞬間平衡，儲(chǔ)能裝置是維持系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定必不可少的設(shè)備。微網(wǎng)一般接入多種分布式能源，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)，能源高效利用、 滿(mǎn)足用戶(hù)多種能源需求、提高供電可靠性等目的。

2、微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)是規(guī)模較小的分散的獨(dú)立系統(tǒng)，它采用了大量的現(xiàn)代電力技術(shù)，將燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)電、光伏發(fā)電，燃料電池，儲(chǔ)能設(shè)備等并在一起，直接接在用戶(hù)側(cè)。對(duì)于大電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，微電網(wǎng)可被視為電網(wǎng)中的一個(gè)可控單元，它可以在數(shù)秒鐘內(nèi)動(dòng)作以滿(mǎn)足外部輸配電網(wǎng)絡(luò)的需求;對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，微網(wǎng)可以滿(mǎn)足他們特定的需求，如增加本地可靠性、降低饋線(xiàn)損耗、保持本地電壓穩(wěn)定、通過(guò)利用余熱提高能量利用的效率及提供不間斷電源等。

3 光伏發(fā)電原理簡(jiǎn)介

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)光伏電池組件將太陽(yáng)輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能，不經(jīng)過(guò)蓄電池儲(chǔ)能，直接通過(guò)并網(wǎng)逆變器，把電能送上電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)。它主要由光伏電池方陣、匯流箱、并網(wǎng)逆變器、直流控制柜、交流控制柜等部分組成。白天有日照時(shí)，光伏電池方陣發(fā)出的電經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器將電能直接輸送到交流電網(wǎng)上，或?qū)⑻?yáng)能所發(fā)出的電經(jīng)過(guò)并網(wǎng)逆變器直接為交流負(fù)載供電。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有陽(yáng)光時(shí)就發(fā)電，無(wú)陽(yáng)光時(shí)就停止，所發(fā)的電能通過(guò)并網(wǎng)逆變器直接分配到負(fù)載上，發(fā)電量不足部分由市電電網(wǎng)直接進(jìn)行補(bǔ)充。

4儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)是微網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是電能的存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。儲(chǔ)能的主要作用是谷電峰用，調(diào)節(jié)電能質(zhì)量，平滑出力保證微網(wǎng)供電的穩(wěn)定性。儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能電池本體、儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能雙向變流器和隔離變壓器構(gòu)成。

（1）儲(chǔ)能電池系統(tǒng)具備的主要功能：恒電流充放電、恒功率充放電、變電流充放電、變功率充放電、實(shí)時(shí)響應(yīng)中央監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度、漏電監(jiān)測(cè)。

（2）儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)（BMS）

儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)電池系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有效地監(jiān)控電池狀態(tài)，對(duì)電池組充放電過(guò)程進(jìn)行安全管理，對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行報(bào)警并保護(hù)其本體，對(duì)電池系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化控制，保證電池安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

二、微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

1、就地控制保護(hù)層

就地控制保護(hù)層負(fù)責(zé)微網(wǎng)各分布式電源調(diào)節(jié)、儲(chǔ)能充放電控制、負(fù)荷控制和就地保護(hù)，通過(guò)就地保護(hù)設(shè)備和變流器/逆變器實(shí)現(xiàn)頻率和電壓的一次調(diào)節(jié)，就地控制保護(hù)層完成微網(wǎng)的故障快速保護(hù)，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)故障的快速“自愈”。

2、中央?yún)f(xié)調(diào)控制層

微網(wǎng)中央?yún)f(xié)調(diào)控制層集中管理分布式電源和負(fù)荷，執(zhí)行調(diào)度層下發(fā)的指令，在微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)分布式電源出力和負(fù)荷實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。孤島檢測(cè)采取主動(dòng)檢測(cè)和被動(dòng)檢測(cè)相結(jié)合的方式，當(dāng)因大電網(wǎng)故障微電網(wǎng)形成孤島時(shí)，中央?yún)f(xié)調(diào)控制層可以快速檢測(cè)到孤島，避免影響上一級(jí)電網(wǎng)自動(dòng)化裝置動(dòng)作邏輯。中央?yún)f(xié)調(diào)控制層實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的二次調(diào)頻調(diào)壓功能，保證微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。

3、調(diào)度優(yōu)化管理層

微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化管理層由SCADA監(jiān)控系統(tǒng)和能效管理系統(tǒng)組成。

（1）SCADA監(jiān)控功能

功能主要包括：微網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、web信息發(fā)布、計(jì)劃并離網(wǎng)模式切換，黑啟動(dòng)，信息告警。

（2）能效管理單元功能

功能主要包括：分布式電源出力與負(fù)荷預(yù)測(cè)、為儲(chǔ)能設(shè)備建立合理的充、放電管理策略、提供微網(wǎng)系統(tǒng)故障情況下孤島運(yùn)行與重合閘的邏輯與控制方法、優(yōu)化控制微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)冷、熱、電負(fù)荷。

三、微網(wǎng)穩(wěn)定

在并網(wǎng)模式下，儲(chǔ)能帶光伏的系統(tǒng)負(fù)荷可以由內(nèi)部微源或外部市電供電。無(wú)論有沒(méi)有本地微源支持的電網(wǎng)饋線(xiàn)都可以為負(fù)荷供電，因此在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件下，都可以得到合適的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。在離網(wǎng)運(yùn)行模式里，儲(chǔ)能和光伏共同提供可用功率，其中儲(chǔ)能作為支撐電源，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，光伏工作于MPPT模式。當(dāng)光伏出力大于負(fù)荷用電時(shí)，多余的電能通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存;當(dāng)光伏出力小于負(fù)荷用電時(shí)，通過(guò)儲(chǔ)能補(bǔ)償缺額。

四、微網(wǎng)控制系統(tǒng)工程應(yīng)用

1、離網(wǎng)型運(yùn)行控制策略：

（1）管理儲(chǔ)能充放電策略，最大化利用光伏出力。

（2）穩(wěn)定直流側(cè)母線(xiàn)電壓。

（3）有功功率、無(wú)功功率實(shí)時(shí)調(diào)度和低電壓穿越能力。

（4）事件記錄、故障錄波、電能質(zhì)量分析、過(guò)負(fù)荷聯(lián)切等。

（5）能效分析功能，優(yōu)化用能。

（6）能量平衡，保證發(fā)電、用電的功率平衡。

（7）短路保護(hù)。

2、并網(wǎng)型運(yùn)行控制策略：

（1）管理儲(chǔ)能充放電策略，最大化利用光伏出力。

（2）能效分析功能，優(yōu)化用能。

（3）并離網(wǎng)無(wú)縫切換。

（4）短路保護(hù)功能。

（5）策略仿真功能。能夠在線(xiàn)仿真不同工況下策略調(diào)度算法。

結(jié)論：

離網(wǎng)模式運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷需求完全由系統(tǒng)內(nèi)部微源和儲(chǔ)能裝置供應(yīng)，在光伏電池盡力發(fā)電以滿(mǎn)足負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)調(diào)度儲(chǔ)能裝置來(lái)滿(mǎn)足剩余電負(fù)荷需求。當(dāng)負(fù)荷需求無(wú)法得到滿(mǎn)足時(shí)，可考慮根據(jù)關(guān)鍵負(fù)荷的重要程度，從低到高依次切除負(fù)荷，維持系統(tǒng)電能的供需平衡。

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