王希平楊建杜金彪

文章編號：1000033X（2016）12012805

收稿日期：20160522

基金項目：河南省交通廳重點項目（220024140173）

摘要：針對高速公路供電呈帶狀、供電距離長、負載耗電量小、地理位置分散等造成的供電難且費用大的問題，介紹了微電網(wǎng)的概念及其特點，并對現(xiàn)有微電網(wǎng)的優(yōu)勢進行了分析；結(jié)合高速公路現(xiàn)狀給出了高速公路微電網(wǎng)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，對風電互補設(shè)備、儲電設(shè)備、負載進行系統(tǒng)論述；研究高速公路微電網(wǎng)在孤島和并網(wǎng)兩種運行模式下電源、負載、儲電池的運行狀態(tài)，給出相應(yīng)的運行策略。分析表明，高速公路微電網(wǎng)可實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：高速公路；微電網(wǎng)；可再生能源；風電互補設(shè)備

中圖分類號：U415.54文獻標志碼：B

Research on Microgrid of Expressway

WANG Xiping1， YANG Jian2， DU Jinbiao2

（1. Henan Provincial Management Center for Expressway Toll Collection and Loan Repayment，

Zhengzhou 450016， Henan， China； 2. School of Information Engineering，

Changan University， Xian 710064，Shaanxi，China）

Abstract： In order to solve the problems of difficulty in power supply and high cost because of the long distance， low power consumption by the load and the sprawling of expressways， microgrid and its characteristics were introduced， and the advantages of current microgrid were analyzed. Structural model for the management system of microgrid was proposed for expressway. Wind power complementary equipment， power storage equipment and the load were related. The status of power， load and the battery of microgrid in island mode or connected to the grid was studied， and corresponding operation strategies were put forward. The analysis shows that the idea of microgrid for expressway is feasible.

Key words： expressway； microgrid； recyclable energy； wind power complementary equipment

0引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源儲存量急速減少，能源問題愈來愈嚴峻；加之電力系統(tǒng)老化、環(huán)境污染加劇、能源利用率低及用戶要求的逐漸提高，實現(xiàn)可再生能源開發(fā)逐漸成為現(xiàn)代社會的普遍共識[12]。高速公路上常規(guī)的可再生能源主要包括太陽能、風能、生物質(zhì)能；而高速公路周邊的常規(guī)可再生能源所含種類相對復(fù)雜，不僅有分布廣泛的太陽能、風能和生物質(zhì)能，還有水能、地熱能。受目前可再生能源利用技術(shù)以及高速公路現(xiàn)狀的限制，高速公路及周邊可再生能源利用率相對較高的為風能和太陽能[34]，采用風光互補的形式是高速公路供電的理想選擇。

高速公路負載具有距離長、區(qū)域跨度大、設(shè)備多、分布呈帶狀的特點，若采用傳統(tǒng)的集中式供電，勢必會導(dǎo)致能源浪費和經(jīng)濟成本增加，而且還會造成一定的環(huán)境污染。近年來，以風電、光電為代表的分布式發(fā)電技術(shù)得到了迅速發(fā)展，成為目前發(fā)電領(lǐng)域的重要組成部分[56]。同時，傳統(tǒng)電網(wǎng)與分布式發(fā)電的矛盾也逐漸顯現(xiàn)，分布式供電源可控性差，波動明顯，降低了電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[79]。《分布式資源與電力系統(tǒng)的互聯(lián)標準》（IEEEP1547）規(guī)定，當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，分布式電源需立即停止運行，這降低了分布式供電系統(tǒng)的效益。微電網(wǎng)（Microgrid，MG）作為一種新的電網(wǎng)拓撲，克服了分布式供電系統(tǒng)的缺陷，在分布式發(fā)電接入容量和系統(tǒng)可靠性等方面均有獨到優(yōu)勢[10]，得到了廣泛的關(guān)注。

1微電網(wǎng)

1.1微電網(wǎng)的概念

歐洲將微電網(wǎng)（Microgrid，MG）定義為各種分布式發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備、負載設(shè)備以及監(jiān)控和保護設(shè)備組成的集合。中國對微電網(wǎng)的定義為：以分布式發(fā)電技術(shù)和儲能技術(shù)為基礎(chǔ)，集中整合小型分布式發(fā)電設(shè)備提供的電能，通過節(jié)點與電網(wǎng)連接，具有獨立的自主調(diào)節(jié)、調(diào)度、管理和保護功能的小型發(fā)電、配電網(wǎng)絡(luò)，可獨立自治運行（孤島運行），也能與外網(wǎng)連接進行取電和輸電（并網(wǎng)運行）。

1.2MG的特點

MG代表了一種將分布式能源（DER）整合到公用網(wǎng)絡(luò)的新方法。一個MG由一個或多個分布式能源、負載、儲能設(shè)備組成，是一種范圍相對較小的低電壓的電力系統(tǒng)，可以在孤島與并網(wǎng)2種模式下實現(xiàn)正常運作。它具有以下幾方面的優(yōu)勢。

（1）有效地實現(xiàn)了傳統(tǒng)發(fā)電機與可再生資源的集成。

（2）通過對多個分布式能源與傳統(tǒng)發(fā)電機（主系統(tǒng)）的優(yōu)化調(diào)度降低運營成本。

（3）通過減少人工操作降低其復(fù)雜性并降低運營成本。

（4）在邊遠地區(qū)，降低負載供應(yīng)時的傳輸和分配成本。

（5）在工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域，提高能源質(zhì)量和可靠性。

（6）作為一個單一、可控的系統(tǒng)實現(xiàn)操作，如負載調(diào)度可以減少輸電阻塞和抵消新的發(fā)電能力的需求。

2高速公路微電網(wǎng)系統(tǒng)

2.1高速公路微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)模型

高速公路微電網(wǎng)系統(tǒng)由風電設(shè)備、光電設(shè)備、蓄能設(shè)備、外電網(wǎng)作為供電電源，高速公路交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備、可變信息板、收費站用電設(shè)施、服務(wù)區(qū)照明設(shè)施等用電設(shè)備作為負載，通過電網(wǎng)連接構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中T1～T4為變壓器，DC/AC模塊可將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，由于風電設(shè)備輸出交流電的頻率具有隨機性，需先將其轉(zhuǎn)換為直流電，再轉(zhuǎn)換為工頻直流電。支路1 為與外網(wǎng)相連接的公共連接（Point of Common Coupling，PCC）；各支路分別裝有智能開關(guān)，能夠有效切斷負載電流。除此之外，根據(jù)微電網(wǎng)實際情況需配備相應(yīng)的監(jiān)控及保護設(shè)施。

3微電網(wǎng)系統(tǒng)研究

3.1孤島微電網(wǎng)

3.1.1孤島全時序狀態(tài)模擬及可靠性分析

當處于微電網(wǎng)孤島時，外電網(wǎng)脫離微電網(wǎng)系統(tǒng)，網(wǎng)內(nèi)負載的工作狀態(tài)將直接對孤島系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生影響。本文采用全時序模擬分析孤島微電網(wǎng)運行狀態(tài)及負載的供電可靠性，圖3所示是在孤島模式下，微電網(wǎng)元件每一時段內(nèi)的運行狀態(tài)及負載的可靠性。橫坐標代表孤島運行時間，縱坐標為負載運行狀態(tài)；風電設(shè)備和光電設(shè)備中的“0”、“1”分別代表不發(fā)電、正常發(fā)電；儲能設(shè)備中“1”、“-1”、“0”分別代表儲能設(shè)備充電、放電及不工作。Psum、PL、Pbat分別為該時段的輸出總功率、負載需求及儲能輸出。微電網(wǎng)全時序狀態(tài)模擬主要分為如下4種情況。

圖3微電網(wǎng)孤島全時序狀態(tài)模擬

（1）風電設(shè)備、光電設(shè)備、儲能設(shè)備均正常運行。此時微電網(wǎng)內(nèi)部所有電源及儲能都正常工作，儲能設(shè)備根據(jù)輸出功率與負載需求的比較進行充放電，以保持功率供需平衡；若儲能放電仍不能滿足負載，即需進行負載削減。如圖3時段1、2 所示。

（2）風電設(shè)備不運行，光電設(shè)備和儲能設(shè)備正常運行。此時微電網(wǎng)主要由光電設(shè)備對負載供電。儲能設(shè)備根據(jù)輸出功率與負載需求的比較進行充放電，以保持功率供需平衡；若儲能放電不能滿足負載需求，需要進行負載消減，如圖3時段3、4 所示。

（3）光電設(shè)備不運行，風電設(shè)備和儲能設(shè)備正常運行。此時儲能設(shè)備平衡風電設(shè)備的隨機性出力，共同對微電網(wǎng)內(nèi)部負載供電，當儲能設(shè)備無法滿足負載需求時則需要負載消減。如圖3時段5、6 所示。

（4）風電設(shè)備、光電設(shè)備不運行。此時主要依靠儲能設(shè)備放電，當儲能設(shè)備無法滿足負載需求時則需要負載消減。如圖3時段7、8所示。

3.1.2負載消減策略

在孤島模式下，微電網(wǎng)元件出力不足或者出現(xiàn)故障時，為確保剩余負載可以正常供電，通常采用負載削減的方法。本文采用的削減原則是基于負載分塊的思想，需考慮計及負載位置及重要程度，分析其與孤島可靠性之間的關(guān)系。因為并非所有負載都安裝著能夠隨時切斷負載電流的智能開關(guān)。所以，當需要切斷負載時，以開關(guān)為邊界對負載分塊削減，具體削減策略分析如下。

（1）將智能開關(guān)作為邊界，對孤島內(nèi)部負載進行分塊。

（2）根據(jù)負載位置及重要程度來定義負載削減系數(shù)。

αi=maxLCn，n∈i

βi=1mindn，n∈i

ILi=αi+βi（7）

式中：αi為第i塊負載的重要程度系數(shù)；LCn為第n個負載點的重要程度因子；βi為第i塊負載的位置削減系數(shù)；dn為第n個負載點與孤島電源的電氣距離，它與微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，與支路長度無關(guān)，相鄰兩負載點電氣距離為1。ILi為考慮負載位置與重要程度因素后，第i塊負載的削減系數(shù)，其值越小，表示越優(yōu)先削減該負載塊。

3.1.3強制放電策略

在孤島模式下，當輸出功率大于負載需求時，儲能設(shè)備充電。當儲能裝置已達到飽和狀態(tài)，需要對其進行強制放電策略，以保證設(shè)備的正常運行及資源的合理利用。

近年來，國內(nèi)新能源汽車發(fā)展迅速，被稱之為“快充”的直流充電樁已經(jīng)被運用在國內(nèi)城市道路交通中。充電樁一般提供常規(guī)充電和快速充電2種設(shè)施，通過人機交換界面刷卡進行充電。充電樁配電設(shè)施用電要求為：輸入電壓220 V；輸出功率5 kW；頻率為50 Hz；插頭與插座正確連接后，帶負載分合方可閉合，實現(xiàn)對插座供電；漏電保護裝置應(yīng)該安裝在供電電纜進側(cè)，當IT系統(tǒng)配電線路接地線時，絕緣監(jiān)測裝置發(fā)出音響或者燈光信號。

3.2并網(wǎng)微電網(wǎng)

3.2.1并網(wǎng)全時序狀態(tài)模擬及可靠性分析

微電網(wǎng)并網(wǎng)時，與外電網(wǎng)實現(xiàn)連接，微電網(wǎng)通過與外電網(wǎng)的功率交換實現(xiàn)微電網(wǎng)功率的平衡。本節(jié)通過全時序模擬分析并網(wǎng)運行狀態(tài)，假設(shè)內(nèi)部負載都處于正常運行狀態(tài)，負載功率PL為一恒值。圖4為在孤島模式下微電網(wǎng)元件每一時段內(nèi)的運行狀態(tài)及負載的可靠性。橫坐標代表并網(wǎng)運行時間，縱坐標為元件狀態(tài)：風光設(shè)備中的“0”、“1”分別代表不發(fā)電、正常發(fā)電；儲能設(shè)備中“1”、“-1”、“0”分別代表儲能設(shè)備充電、放電及不工作狀態(tài)；外網(wǎng)中“1”、“-1”、“0”分別代表微電網(wǎng)向外電網(wǎng)供電、外電網(wǎng)向微電網(wǎng)供電及不工作。微電網(wǎng)全時序狀態(tài)模擬主要分為如下3種情況。

圖4微電網(wǎng)并網(wǎng)全時序狀態(tài)模擬

（1）風光設(shè)備正常運行，輸出功率無法滿足負載要求時，外電網(wǎng)供電，儲電設(shè)備根據(jù)外電網(wǎng)輸出功率的大小進行充放電操作，使外電網(wǎng)的輸出維持在一定范圍內(nèi)。如圖4時段1、2所示。

（2）風光設(shè)備正常運行，輸出功率滿足負載要求，并向外電網(wǎng)輸出功率，儲電池根據(jù)風電設(shè)備向外電網(wǎng)輸出功率的大小進行充放電操作，使外電網(wǎng)的輸出維持在一定范圍內(nèi)。如圖4時段3、4所示。

（3）風光設(shè)備不運行，微電網(wǎng)主要由外網(wǎng)對負載進行供電，儲電設(shè)備根據(jù)外網(wǎng)輸出功率大小進行充放電，使外網(wǎng)輸出功率平衡。如圖4時段5、6所示。

3.2.2儲電設(shè)備平衡策略

儲電設(shè)備對于微電網(wǎng)系統(tǒng)意義重大，不僅需要平衡外電網(wǎng)輸出，保證外網(wǎng)安全，而且在外電網(wǎng)突然斷開時，有能力補充突發(fā)的能量缺額，處理過多功率不平衡的情況，因此蓄電池不宜處于充滿或無儲電狀態(tài)。根據(jù)高速公路路段實際情況確定蓄電池的充放電標準，當SOC（State of Charge，荷電狀態(tài)）大于80%時，對蓄電池進行強制放電；當SOC小于80%時，通過外網(wǎng)對蓄電池進行充電操作；當SOC等于80%時，停止充放電操作。

4結(jié)語

高速公路微電網(wǎng)運行方式靈活，可根據(jù)當?shù)厍闆r進行規(guī)劃，可構(gòu)建復(fù)合微電網(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)供電情況轉(zhuǎn)換供電模式，提高系統(tǒng)運行的可靠性和運行的經(jīng)濟性。在完全無電路段或電網(wǎng)接入不便的地區(qū)，可以構(gòu)建孤島結(jié)構(gòu)，為高速公路負載進行供電。微電網(wǎng)在環(huán)保性、經(jīng)濟性、可靠性方面都有其優(yōu)勢。根據(jù)高速公路自身的特點，微電網(wǎng)供電必將成為未來高速公路供電的一大組成部分，在社會經(jīng)濟、環(huán)境保護等方面帶來巨大的效益。

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[責任編輯：王玉玲]

（第33卷卷終）