張 彥，王 偉，趙義術(shù)

（1.國網(wǎng)技術(shù)學院，山東 濟南 250002；2.山東電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東 濟南 250001）

0 引言

近幾年，世界各國大力支持新能源及可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)，無論在技術(shù)領(lǐng)域還是規(guī)模上都取得了突破性進展。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，人們生活水平不斷提高，致使世界能源消費量處于持續(xù)、較快地增長過程中，與此同時，煤、石油等傳統(tǒng)的一次能源正在日益枯竭，人類迫切需要尋找新的替代能源來實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展。 過去一個世紀以來，化石能源的大量開采和利用造成了人類生存環(huán)境的惡化，要求所尋找的替代能源必須是可再生的清潔能源，因此，開發(fā)利用風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃料電池等環(huán)保型發(fā)電新技術(shù)，將是實現(xiàn)真正可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

智能電網(wǎng)建設(shè)提出要能很好地滿足大規(guī)模新能源接入的要求，成為接納新能源的“高速公路”［1］。在發(fā)電環(huán)節(jié)，智能電網(wǎng)通過完善新能源發(fā)電接入電網(wǎng)的技術(shù)標準，規(guī)范新能源電站必需具備的性能指標，引導新能源發(fā)電技術(shù)與先進裝備的開發(fā)與應用。智能電網(wǎng)將配置適當規(guī)模的儲能系統(tǒng)，并合理控制儲能系統(tǒng)的運行，有效抑制新能源的功率波動，降低電網(wǎng)運行風險。智能電網(wǎng)將實現(xiàn)新能源與常規(guī)能源的優(yōu)化配置，并將采用先進輸電技術(shù)以滿足大規(guī)模新能源電力輸送的要求。 在智能電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)中，間歇性新能源發(fā)電實時功率預測技術(shù)將讓聽天由命的新能源盡在電網(wǎng)調(diào)度的掌控之中。智能化的配用電設(shè)備和系統(tǒng)，將為新能源的分布式接入提供保障。

1 微網(wǎng)概述

1.1 微網(wǎng)概念

為了改善分布式電源單機接入成本高、控制困難等缺點，減少分布式電源對大電網(wǎng)的沖擊，提出了微網(wǎng)［2-3］概念。 2002年，美國電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會（consortium for electric reliability technology solutions，CERTS）介紹，微電網(wǎng)［4-5］就是一種由負荷和微型電源共同組成的系統(tǒng)，它可以同時提供電能和熱量。 微電網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負責能量轉(zhuǎn)換，并提供必要的控制。微電網(wǎng)相對于外電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并可以同時滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等方面的要求。

1.2 微網(wǎng)的特點

微網(wǎng)集合了可再生能源發(fā)電技術(shù)、分布式發(fā)電技術(shù)、電力電子變流技術(shù)、儲能技術(shù)等多種電力新技術(shù)，將會成為未來可再生能源發(fā)電的主要并網(wǎng)運行方式，其結(jié)構(gòu)與特點主要體現(xiàn)在以下方面：微網(wǎng)由以風能、太陽能、燃料電池等新能源為主的分布式電源、配套的電力電子變換器、儲能系統(tǒng)及負荷組成；微網(wǎng)中的各種新能源發(fā)電可以起到互補作用，較單一類型的分布式發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性有所增強；微網(wǎng)中配置的儲能系統(tǒng)，可以在新能源電源受自然條件影響時穩(wěn)定并網(wǎng)點的電壓、電流及頻率，減小電壓波動和電壓閃變現(xiàn)象，改善電能質(zhì)量，保證整個系統(tǒng)正常運行；電力電子器件為分布式電源和交流母線提供接口，實現(xiàn)電源輸出最大功率跟蹤、能量轉(zhuǎn)化與控制；微網(wǎng)具有獨立和并網(wǎng)兩種運行模式，在上級網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，可以切換為獨立運行，因此可以繼續(xù)保電，提高供電可靠性。

智能電網(wǎng)的最終目標就是要實現(xiàn)電網(wǎng)運行的高效、經(jīng)濟、安全、可靠，同時又能最大化吸收各種新能源及可再生能源發(fā)電技術(shù)的接入，實現(xiàn)多種能源的互補利用。在智能電網(wǎng)發(fā)展過程中，配電網(wǎng)需要從被動式網(wǎng)絡(luò)向主動式網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變，而微電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)配電網(wǎng)的核心部分，其先進的控制系統(tǒng)和靈活的運行方式恰好滿足了智能電網(wǎng)的要求，并且整合高比重的可再生能源發(fā)電，提高系統(tǒng)的整體效率和靈活性。

2 “微網(wǎng)化”系統(tǒng)設(shè)計

近幾年，國內(nèi)多個研究中心和大學開展了風—光—蓄復合發(fā)電系統(tǒng)研究，這是由多種可再生能源發(fā)電裝置聯(lián)合構(gòu)成的“微網(wǎng)化”可靠供電系統(tǒng)，該類系統(tǒng)是微網(wǎng)發(fā)展的初級模式。

國網(wǎng)技術(shù)學院新能源實驗室為研究基于可再生能源發(fā)電的微網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計并建設(shè)了一個基于三相交流母線的微型發(fā)電系統(tǒng)，其中，包含15 kWp的光伏發(fā)電、15 kW的風力發(fā)電、由蓄電池組成的儲能系統(tǒng)以及負荷系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有獨立和并網(wǎng)兩種運行模式，其交流母線結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 光伏發(fā)電子系統(tǒng)

整個太陽能光伏發(fā)電子系統(tǒng)由光伏（PV）陣列、光伏逆變器、蓄電池組、防雷保護系統(tǒng)、電池方陣支架、電站監(jiān)控系統(tǒng)等組成。 電池方陣的直流輸出，通過光伏逆變器逆變成50 Hz、230 V有效值的單相電，并組合成三相交流電，與實驗室三相交流母線連接，給負荷供電，同時將多余電量經(jīng)過雙向變流器給蓄電池充電。

光伏陣列由72塊210 Wp的高效單晶硅光伏組件組成，組件功率共15.12 kW，分為A、B、C三相。光伏電池組件的支架系統(tǒng)為固定支架，支架角度為42°。電池組件在標準測試條件下（環(huán)境溫度25℃，太陽輻照度為AM1.5，1 000 W/m2）的標稱功率為210 Wp，工作電壓為26.6 V，工作電流為7.89 A，開路電壓為33.2 V，短路電流為8.1 A。

（2）性能波動問題 為解決管板性能問題，采取措施：①成分調(diào)控。我們梳理了SA-508 GR.3 CL1材質(zhì)的核電堆芯筒體、管板等的性能數(shù)據(jù)、成分和金相報告，綜合考慮各種因素后，重新制訂了管板化學成分方案。②調(diào)質(zhì)熱處理工藝方案。根據(jù)化學成分、性能要求和取樣位置等，編制熱處理工藝（見圖4）。

每相24塊光伏電池組件，采用12串2并的方式連接（圖2），每相電池陣列的直流輸出，分別通過單相光伏并網(wǎng)逆變器后接入A、B、C三相交流母線。每相的工作電壓為319.2V，工作電流15.78A。開路電壓398.4 V，短路電流16.2 A。

圖2 單相光伏組件連接方式示意圖

光伏逆變器。選用3臺德國SMA的單相光伏并網(wǎng)逆變器SMC5000A型，其主要功能是把來自太陽能電池方陣輸出的直流電轉(zhuǎn)換成與交流母線電壓、相位、頻率一致的交流電。并網(wǎng)逆變器SMC5000A的最大光伏輸入功率為5 750 Wp，輸入電壓范圍為246～480 V，最大輸入電流為26 A，直流電壓紋波小于10%，額定交流輸出功率為5500W，輸出電流諧波THD小于4%，電網(wǎng)工作電壓范圍為220～240 V，電網(wǎng)工作頻率為50 Hz，最大效率為96.1%，該逆變器具有錯極性保護、過壓保護、短路保護、對地故障檢測、孤島保護等功能。

整個光伏發(fā)電子系統(tǒng)有可靠的操作和雷電過電壓防護。具有過壓保護、對地故障保護、孤島效應保護、過載保護、短路故障保護等完善的保護功能。

2.2 風力發(fā)電子系統(tǒng)

3臺單機容量5 kW的永磁低速直驅(qū)風力發(fā)電機發(fā)出三相非工頻正弦交流電，經(jīng)過風能控制器整流成直流、再輸出給逆變器，由逆變器轉(zhuǎn)換成幅值、頻率穩(wěn)定的交流電，接至A、B、C三相交流母線，其中風能控制器帶有自動卸荷功能。

風力發(fā)電機。由于風機的安裝位置位于濟南市區(qū)，加上風機周圍的障礙物較多，濟南年平均風速較低，因此選用5 kW低風速風力發(fā)電機。此風力發(fā)電機為3葉片，額定風速為9 m/s，工作風速范圍為3～25 m/s，抗最大風能力為50 m，額定功率為5 kW，最大輸出功率為6.5 kW，采用側(cè)偏的調(diào)速方式，發(fā)電機為永磁低速三相交流發(fā)電機。

風能控制器。額定功率5 kW，最大輸出電流30 A，與5 kW的風力發(fā)電機組相匹配，能夠?qū)L機輸出的三相交流電能轉(zhuǎn)換為直流電，在風力發(fā)電機轉(zhuǎn)速過快、輸出電壓過高或輸出電流過大時，采用主動泄荷或者極限短路的方式，使風機工作在正常特性范圍內(nèi)。

風能并網(wǎng)逆變器。將風能控制器整流成的直流電逆變成幅值、頻率穩(wěn)定的交流電，采用升壓變壓器隔離，具有電網(wǎng)過、欠壓，電網(wǎng)過、欠頻，輸出電流過載等多項保護功能。并同時具有主動式和被動式孤島運行檢出功能。工作電壓范圍為DC180～380 V，最大輸入電流25 A，額定輸入功率6 kW，額定電網(wǎng)電壓為（380±15%）V，額定輸出電流9.2 A，額定工作頻率為（50±2%）Hz，功率因數(shù)大于0.99%，諧波小于5%。

2.3 儲能子系統(tǒng)

蓄電池與整流/逆變雙向變換器Sunny Island一起，構(gòu)成標準的交流母線系統(tǒng)，是整個系統(tǒng)的核心部分，是重要的儲能元件。蓄電池組的選型與負載的用電量有直接關(guān)系。

蓄電池。在此系統(tǒng)中，選用了24塊2V/600Ah的密封鉛酸免維護膠體電池，蓄電池組容量為48V/600Ah。

Sunny Island的工作原理。Sunny Island與蓄電池組連接，通過控制交流端電壓和頻率組成交流母線系統(tǒng)。發(fā)電量比較高的時間段內(nèi)（如白天輻射較強，或者負載耗電較少時），Sunny Island可以將母線中的多余電量充到蓄電池中。在用電較多的時間段內(nèi)（如晚上或者負載耗電較多時），Sunny Island可以將蓄電池存儲的直流電逆變?yōu)榻涣?，送入交流母線中。其額定交流電壓為230 V，額定交流頻率50Hz，額定交流電流21A，輸出電壓諧波小于3%，功率因數(shù)為1。

2.4 負荷子系統(tǒng)

負荷子系統(tǒng)主要由自動交流負載系統(tǒng)、燈光負載，主要用于交流母線系統(tǒng)離網(wǎng)運行時的系統(tǒng)負載使用。其中自動交流負載為三相四線制，星形連接的可調(diào)交流負載，整體由阻性10.5 kW、感性18.5 kVA、容性20.5 kvar組成，主要用于交流母線系統(tǒng)離網(wǎng)運行時的系統(tǒng)負載使用，燈光負載容量為5 kW。

除此，本發(fā)電系統(tǒng)還包括保護及綜合測控系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)和故障錄波系統(tǒng)等。

3 實驗結(jié)果

實驗表明，該微網(wǎng)系統(tǒng)獨立運行時，各電源、負載，儲能系統(tǒng)依靠自身的調(diào)節(jié)作用能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3.1 實驗數(shù)據(jù)

各子系統(tǒng)發(fā)出有功功率情況如表1和表2所示。

表1 蓄電池儲能系統(tǒng)充電狀態(tài)遙測瞬時值

表2 蓄電池儲能系統(tǒng)放電狀態(tài)遙測瞬時值

3.2 實驗波形

由故障錄波系統(tǒng)采集的風力發(fā)電機輸出三相非工頻交流電的線電壓 Uab、Ubc、Uca，光伏電池輸出三相直流電壓Ua、Ub、Uc，以及蓄電池直流電壓U的瞬時波形如圖3所示。

圖3 風力發(fā)電機、光伏電池及蓄電池輸出電壓波形

A、B、C 三相交流母線上相電壓 Ua、Ub、Uc的瞬時波形如圖4所示，其有效值分別為229.474 V、230.590V、229.854V，相位分別為 96.014°、335.911°、215.781°。

圖4 母線相電壓Ua、Ub、Uc的波形

系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)及波形表明，無論是天氣條件如何變化（風、光條件如何波動），該系統(tǒng)都能安全的獨立帶負荷運行。

4 微網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)研究的關(guān)鍵問題

微網(wǎng)系統(tǒng)有獨立運行和并外電網(wǎng)運行兩種模式，目前獨立穩(wěn)定的運行基本得以實現(xiàn)，但是并外電網(wǎng)運行中仍存在一些待解決的技術(shù)問題。

微網(wǎng)的功率控制技術(shù)［6］。從配電網(wǎng)接入點來看，微網(wǎng)成整體負荷特性，但是從微網(wǎng)獨立運行的特性可以看出由于新能源電源受自然條件影響波形很大，因此微網(wǎng)系統(tǒng)一旦接入配電網(wǎng)，會使接入點的功率值發(fā)生改變并產(chǎn)生波動，整個配電網(wǎng)的潮流分布會隨之改變，且隨饋入點功率的變化而改變。因此微網(wǎng)要并電網(wǎng)運行還需要新能源發(fā)電功率預測技術(shù)及并網(wǎng)點功率控制技術(shù)。

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。 隨著微網(wǎng)技術(shù)的成熟和電網(wǎng)公司政策的制定，微網(wǎng)并網(wǎng)運行后，不僅能依靠大電網(wǎng)運行，還將需要在自身電力充足時向大電網(wǎng)輸送能量，服從電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度。因此需要建立能夠?qū)崿F(xiàn)對微網(wǎng)的全面監(jiān)控、調(diào)度的微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)（Microgrid EMS），MEMS能夠 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與通信、編制運行計劃、接收市場報價、監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)安全等。

微網(wǎng)的保護。 微網(wǎng)中的電源與負荷的電氣距離較近，電源類型多樣，交直流電源通過變流器與微網(wǎng)連接，電壓等級較低。 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、電源特性及電壓等級上的差異使得微網(wǎng)電流故障類型和傳統(tǒng)的閉式輸電網(wǎng)絡(luò)和輻射型配電網(wǎng)的情形存在較大差別，因此需要對電源等值模型、微網(wǎng)暫態(tài)過程等問題進行詳細分析及實驗驗證，以確定微網(wǎng)中保護裝置的整定值。

5 結(jié)語

隨著目前新能源發(fā)電和可再生能源發(fā)電的迅速發(fā)展，微網(wǎng)以其靈活的運行方式以及運行穩(wěn)定的優(yōu)點，將會成為未來電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略中一項重要的技術(shù)，有益于大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。微網(wǎng)技術(shù)的研究成果對健全與推動智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

［1］ 劉振亞.智能電網(wǎng)知識讀本［M］.北京：中國電力出版社，2010.

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