李斌，董金社，李星橋，谷海濤，姚遠

（1. 華銳風電科技（集團）股份有限公司，北京 100872；2. 中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司，

河北 涿州 072750）

隨著當前世界經(jīng)濟快速發(fā)展，人類的能耗越來越大，化石燃料不斷被消耗，其價格不斷攀升。化石燃料使用所帶來的環(huán)境問題日益嚴重，能源危機日益突顯，已威脅到了人類的可持續(xù)發(fā)展。在這種情況下，風能、太陽能、生物質(zhì)能、地熱能等新能源發(fā)電方式成為研究的熱點，太陽能這種取之不盡、用之不竭的清潔可再生資源更是受到人們的青睞。近些年來，新型能源的利用研究在不斷地深入。

伴隨著新型技術(shù)的研究應(yīng)用，尤其是電力電子接口技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的快速發(fā)展，新能源的利用也在不斷進步。微網(wǎng)系統(tǒng)采用分布式電源和負荷一起作為配電系統(tǒng)的子系統(tǒng)，既能夠和大電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行發(fā)電，又可以獨立對用戶供電，成為可再生能源利用較好的一個解決方案。孤島式微網(wǎng)是規(guī)模較小的分散的獨立系統(tǒng)，基本單元一般由分布式電源、儲能裝置、控制系統(tǒng)及電力負荷組成，可以提供穩(wěn)定可靠的電能，適合邊遠地區(qū)和大電網(wǎng)無法直接到達區(qū)域的獨立供電[1]。

1 孤島式微網(wǎng)技術(shù)

孤島式微網(wǎng)可充分利用清潔能源。孤島式微網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)由能量產(chǎn)生部分、能量消耗部分、控制部分、能量儲存部分等組成。能量產(chǎn)生部分有各種形式的電源，孤立微電網(wǎng)中常用的典型電源有常規(guī)發(fā)電機組（如柴油發(fā)電機、微型燃氣輪機等）和可再生能源發(fā)電機組（如光伏和風力發(fā)電系統(tǒng)等）[2]。能量消耗部分為系統(tǒng)的常規(guī)性負載，有直流負載和交流負載?？刂撇糠挚刂葡到y(tǒng)的運行，控制系統(tǒng)能量調(diào)度、狀態(tài)檢測、接斷負載、接斷電源、通信、保護等功能，以保證發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。能量存儲部分則為蓄電池，儲存能量。儲能在微電網(wǎng)中的應(yīng)用可概括為：提供短時供電、用于能量緩沖、改善電能質(zhì)量、優(yōu)化微電源的運行，以及提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟效益等[3]。對于像風力發(fā)電和光伏發(fā)電這樣的電源，其輸出功率的大小受天氣影響較大，發(fā)電具有明顯的間歇性，若想保證恒定的功率輸出，則需要配備較大容量的儲能裝置[4]。

圖1 孤島式微網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 The typical structure of the islanded micro grid

2 移動式負載微網(wǎng)

2.1 移動式負載工作環(huán)境

移動式負載，顧名思義，根據(jù)工作條件需要，負載處于經(jīng)常性移動狀態(tài)中，如船舶、營房車等。移動式負載一般處于遠離大電網(wǎng)的地域，如海上、高原、戈壁、荒漠等地域。這些地域一般擁有光照充足、風力較大，天氣變化較大等特點。負載不能經(jīng)常性接入電網(wǎng)，根據(jù)工作條件需要，移動式負載的電力系統(tǒng)需在遠離電網(wǎng)的情況下工作一定時長，因此需要分布式發(fā)電裝置進行供電，如柴油機、光伏組件、風力發(fā)電機等。對整個移動式負載的供電，形成了一個微網(wǎng)系統(tǒng)。

由于移動式負載處于經(jīng)常性移動中，天氣條件變化大，工作環(huán)境變化大，因此要求移動式負載微網(wǎng)具有抗干擾能力強，抗沖擊能力強等特點，系統(tǒng)需要有較強的緩沖能力。

2.2 移動式微網(wǎng)組網(wǎng)模式

根據(jù)移動式微網(wǎng)實際工作需要，本文提出一種主從式結(jié)構(gòu)。在主從結(jié)構(gòu)中，存在主機與從機，從機掛在主機上。主機的能量輸入有電網(wǎng)、柴油機、光伏組件等分布式電源，在一定條件下還可得到從機的饋電。從機的能量輸入有主機輸出、光伏組件等分布式電源。主機承擔系統(tǒng)的主要負載，對微網(wǎng)的穩(wěn)定起決定性作用；從機承擔系統(tǒng)的次要負載，對微網(wǎng)的穩(wěn)定起輔助作用。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主從結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Master-slave structure

主從結(jié)構(gòu)的特點是微電網(wǎng)的帶載能力強、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、具有很強的緩沖能力。根據(jù)實驗，若全部單機運行，則系統(tǒng)只能帶10 kW的負載；使用主從結(jié)構(gòu)，在一主一從的結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)可以帶12 kW的負載，由此可見，系統(tǒng)的帶載能力得到了提高，同時增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

每個主機可以帶幾個從機，是由主機與從機的功率參數(shù)決定的。從機總的輸出功率，不能大于主機的輸出功率。在實際工程應(yīng)用中，還應(yīng)考慮到設(shè)備的成本費用問題，從機的總功率可以適當超過主機的功率，在系統(tǒng)的控制上附加一些限制，防止主機過載，在總體上使系統(tǒng)得到優(yōu)化，發(fā)揮出主從結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

2.3 移動式微網(wǎng)能量管理

移動式微網(wǎng)系統(tǒng)的基本運行能量管理模式分為三級。

第一級，光照條件良好時，光伏發(fā)電可以滿足負載需求，蓄電池作為后備電源補充光伏發(fā)電與實際負荷需求之間的差額。當蓄電池剩余容量較小時，若光伏發(fā)電能夠滿足單體載負荷需求，則利用多余電力向蓄電池充電；若光伏發(fā)電無法滿足單體載負荷的需求，即光伏和蓄電池都無法滿足負載用電，則運行模式切換至第二級，微網(wǎng)單元運行模式，由主機為從機負載供電。

第二級，微網(wǎng)單元運行模式。當主單體蓄電池電量較高時，由蓄電池為自身負載和從機單體負載供電。當主機蓄電池剩余電量較小時，若光伏發(fā)電能夠滿足微網(wǎng)單元內(nèi)的負荷需求，則利用多余電力向蓄電池充電；如果光伏發(fā)電和蓄電池都無法滿足負載需求，則啟動柴油機或并入主電網(wǎng)，運行模式切換至第三級，并網(wǎng)運行模式。柴油發(fā)電機或主電網(wǎng)為單體內(nèi)負載供電的同時，也向主機和從機的蓄電池充電。

第三級，并網(wǎng)運行模式。柴油發(fā)電機或主電網(wǎng)向單體內(nèi)負載供電，同時為微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的蓄電池充電。當蓄電池充滿時，即可退出柴油發(fā)電機或斷開與主電網(wǎng)的連接。起到充分利用清潔能源，最大效率利用柴油機發(fā)電，節(jié)省柴油發(fā)電機的耗油量的目的。

3 樣機試驗與結(jié)果分析

樣機集成后，分別作單機運行試驗、組網(wǎng)運行試驗和超負荷試驗，并分析了整個微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)樣機的運行性能。

試驗設(shè)備中，主蓄電池為24節(jié)2 V 800 Ah的串聯(lián)，從蓄電池組4節(jié)12 V 150 Ah的串聯(lián)，主、從光伏組件為9塊165 W三串三并，負載為阻性負載1kW的整數(shù)倍可調(diào)。主雙向逆變器采用STUDER公司的XTH8000-48，從雙向逆變器型號為XTM2600-48，充電控制器型號為STUDER公司的VT-65。

3.1 單機運行試驗

試驗為從機單機運行，試驗接線示意圖如圖3所示。

圖3 試驗1接線示意圖Fig. 3 The wiring schematic for test 1

單機實驗數(shù)據(jù)如表1。

表1 單機運行實驗數(shù)據(jù)Tab. 1 Experimental data for a single machine running

結(jié)論分析

實驗驗證獨立運行的3種工作模式：光伏發(fā)電功率為0時，蓄電池放電為負載供電（實驗數(shù)據(jù)序號1、2、3）；光伏發(fā)電功率大于負載功率時，光伏發(fā)電既為蓄電池充電又為負載供電（實驗數(shù)據(jù)序號4、5）；光伏發(fā)電功率小于負載功率時，光伏發(fā)電與蓄電池一起為負載供電（實驗數(shù)據(jù)序號6）。

3.2 組網(wǎng)運行試驗

試驗為一主機帶一從機組網(wǎng)試驗，試驗接線示意圖如圖4所示。

圖4 試驗2接線示意圖Fig. 4 The wiring schematic for test 2

一主一從兩臺機器組網(wǎng)運行的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 組網(wǎng)運行實驗數(shù)據(jù)Tab. 2 Experimental data for network machines running

結(jié)論分析

組網(wǎng)運行模式下，主機輸出+從機饋電=負載功率。當主機的輸出不能滿足負載的需求是，從機饋電對負載進行供電。增加了系統(tǒng)的帶負載能力。

3.3 超負荷試驗

試驗為一從機單獨運行進行超負荷試驗，試驗接線示意圖如圖5所示。

圖5 試驗3接線示意圖Fig. 5 The wiring schematic for test 3

一臺主機兩臺從機組網(wǎng)運行實驗數(shù)據(jù)如表3。

表3 超負荷運行實驗數(shù)據(jù)Tab. 3 Overload experimental data for network machines running

結(jié)論分析

當系統(tǒng)超負荷時，控制器會自動進行切斷、關(guān)機。關(guān)機10 s后會嘗試重新啟動，若重新啟動后依然超負荷，則會再次關(guān)機，等待人工重啟。

4 結(jié)論

本文基于光柴蓄設(shè)計開發(fā)了孤島式智能微電網(wǎng)系統(tǒng)樣機，通過聯(lián)調(diào)測試和多種試驗，驗證了樣機工作的穩(wěn)定性和可靠性。目前，該孤島式微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)已正常投入使用，完全滿足實際運行要求。

[1] 趙建東，楊磊，劉文輝. 孤島式風光柴蓄智能微網(wǎng)系統(tǒng)的研制[J]. 電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（5）：46-49.ZHAO Jiandong，YANG Lei，LIU Wenhui. Research on islanded wind-solar-diesel-battery intelligent micro-grid system[J]. Power System and Clean Energy，2012，28（5）:46-49（in Chinese）.

[2] 劉夢璇，郭力，王成山，等. 風光柴儲孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行控制策略設(shè)計[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2012，36（15）：19-24.LIU Mengxuan，GUO Li，WANG Chengshan，et al. A coordinated operating control strategy for hybrid isolated microgrid including wind power，photovoltaic system，diesel generator，and battery storage[J]. Automation of Electric Power Systems，2012，36（15）: 19-24（in Chinese）.

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