王福祿, 楊軍亮

上海電氣輸配電集團技術(shù)中心 上海 200042

1 研究背景

微電網(wǎng)集成了分布式電源、儲能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控和保護裝置、負荷,通過自我控制和自我能量管理,協(xié)調(diào)分布式發(fā)電與大電網(wǎng)之間的矛盾,代表了未來能源的發(fā)展趨勢[1-2]。隨著智能電網(wǎng)的建設和發(fā)展,人們對微電網(wǎng)控制技術(shù)提出了靈活性、高效性和智能化等要求[3]。智能微電網(wǎng)旨在實現(xiàn)中低壓配電系統(tǒng)層面上分布式能源的靈活、高效應用,解決數(shù)量龐大、形式多樣的分布式能源無縫接入和并網(wǎng)運行時的主要問題,同時具備一定的能量管理功能,可以有效降低系統(tǒng)運行人員的調(diào)度難度,并提升可再生能源的接入能力[4-5]。

智能微電網(wǎng)作為未來智能電網(wǎng)的重要組成部分,既可與公共電網(wǎng)并網(wǎng)運行,又可孤立運行。智能微電網(wǎng)在孤島過渡期間及孤島運行模式下,相當于一個自治系統(tǒng),其穩(wěn)定性、安全可靠性及電能質(zhì)量等由自身控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)?？梢?采取合理的控制策略和控制方法,是保證智能微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的必要條件,筆者對智能微電網(wǎng)的運行控制進行研究[6-7]。

2 分布式電源接入對電網(wǎng)的影響

接入電網(wǎng)的分布式電源根據(jù)不同領(lǐng)域,可以有多種分類方式。按能源的種類劃分,分布式電源主要有風力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)、地熱能發(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電及微型燃氣輪機等。大量分布式電源接入配電網(wǎng),將使配電網(wǎng)由單電源輻射型網(wǎng)絡變?yōu)槎嚯娫磸碗s網(wǎng)絡,改變中低壓配電網(wǎng)潮流的大小和方向,從而對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量、電壓分布、供電可靠性及運營管理帶來影響[8-9]。

2.1 電能質(zhì)量

風力發(fā)電、光伏發(fā)電等分布式電源通過電力電子器件接入電網(wǎng),電力電子器件運行時需要頻繁的開關(guān)操作,將產(chǎn)生大量以開關(guān)頻率為倍數(shù)的諧波,進而產(chǎn)生諧波污染。諧波會增加電網(wǎng)設備的功率損耗,使旋轉(zhuǎn)設備發(fā)熱,縮短設備的使用壽命等。隨著滲透率的提高,由于自身功率波動特性、調(diào)度技術(shù)等問題,還可能會引起電壓波動或閃變,加重諧波污染等電能質(zhì)量問題。

2.2 繼電保護

分布式電源接入中低壓配電網(wǎng)后,由于配電網(wǎng)變?yōu)槎嘣磸碗s網(wǎng)絡,故障發(fā)生后會改變短路電流的大小和方向,電壓和短路電流的分布也會受到一定影響,給繼電保護裝置的正常運行帶來多種問題。當電流保護位于分布式電源上游,短路故障發(fā)生在下游時,分布式電源會因短路電流減小、靈敏度降低而導致線路保護拒動。當相鄰線路發(fā)生短路故障時,下游分布式電源提供反向短路電流,可能使繼電保護裝置失去方向性而誤動作。當線路發(fā)生故障而分布式電源未解列時,會導致非同期合閘,產(chǎn)生沖擊電流,進而導致重合閘不成功。對于以上問題,如原有繼電保護裝置運行方式不做調(diào)整,則將嚴重影響配電網(wǎng)的安全運行。

2.3 供電可靠性

當大電網(wǎng)發(fā)生故障時,微電網(wǎng)可以解列為孤島運行。如果微電網(wǎng)內(nèi)電源的總?cè)萘看笥谙到y(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵負荷容量,那么分布式電源可以繼續(xù)保證孤島內(nèi)負荷的供電,提高供電可靠性。另一方面,分布式電源的容量大小、安裝位置、接線方式、控制策略若不恰當,則可能會出現(xiàn)電力供需失衡、電壓波動等問題,給配電網(wǎng)的供電可靠性帶來不利影響。

2.4 運營管理

電網(wǎng)中分布式電源大量使用,使配電系統(tǒng)在規(guī)劃時對負荷增長情況預測的難度加大,影響配電系統(tǒng)規(guī)劃的合理性。由于微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源投切的不確定性,電網(wǎng)公司為保證分布式電源停運后系統(tǒng)正常運行,需留出一定備用容量,從而增加投資和運營成本。微電網(wǎng)并網(wǎng)后,給配電網(wǎng)的規(guī)劃建設、市場運營、檢修維護帶來一系列影響,使配電網(wǎng)調(diào)度、運行管理難度進一步提高。

3 智能微電網(wǎng)運行控制架構(gòu)

智能微電網(wǎng)通過對不同輸出特性的分布式電源逆變器有效控制,保證智能微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。常用的逆變器控制方法有恒功率控制、恒壓恒頻控制和下垂控制[10]。微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略主要分為主從控制、對等控制和分層控制。智能微電網(wǎng)運行控制架構(gòu)采用分層控制模式和能量管理系統(tǒng)相結(jié)合的協(xié)調(diào)控制策略,分為三層,分別為調(diào)度管理層、集中控制層、就地控制層[11-12],如圖1所示。

圖1 智能微電網(wǎng)運行控制架構(gòu)

3.1 調(diào)度管理層

調(diào)度管理層接收集中控制層上傳的監(jiān)控信息,負責總體運行監(jiān)控和調(diào)度管理?；谥悄芪㈦娋W(wǎng)聯(lián)絡線路可控的考慮,將智能微電網(wǎng)作為配電網(wǎng)的可控單元,接受調(diào)度中心的控制。通過配電網(wǎng)與智能微電網(wǎng)的信息交互,將智能微電網(wǎng)內(nèi)的各類運行參數(shù)和設備狀態(tài)上傳至調(diào)度中心,實現(xiàn)對智能微電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度。

3.2 集中控制層

集中控制層分為能量管理系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)兩部分。

能量管理系統(tǒng)由監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、能量管理平臺組成。監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要對智能微電網(wǎng)內(nèi)所有裝置、設備及大電網(wǎng)進行監(jiān)視和控制,實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、設備控制、參數(shù)調(diào)節(jié)、歷史回溯及各類信號報警等功能。能量管理平臺實現(xiàn)對智能微電網(wǎng)內(nèi)各分布式電源的優(yōu)化調(diào)度和合理分配輸出,調(diào)節(jié)負荷及各種設備運行,通過能量調(diào)度、分布式發(fā)電功率預測、負荷預測、狀態(tài)評估、安全分析和電能質(zhì)量管理等功能,實現(xiàn)冷、熱、電等能源的綜合優(yōu)化,以滿足安全性、可靠性和供電質(zhì)量要求,實現(xiàn)智能微電網(wǎng)的優(yōu)化運行。

分布式發(fā)電功率預測截圖如圖2所示,負荷預測曲線如圖3所示。

圖2 分布式發(fā)電功率預測截圖

圖3 負荷預測曲線

中央控制系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)分布式電源、儲能和負荷的輸出與運行方式,控制智能微電網(wǎng)的運行狀態(tài),維持不同運行模式下智能微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定,保證對負荷的優(yōu)質(zhì)供電。智能微電網(wǎng)中央控制系統(tǒng)包括并網(wǎng)功率交換控制、模式切換控制、離網(wǎng)下穩(wěn)定控制和黑啟動控制等功能。

3.3 就地控制層

就地控制層由負荷控制器、數(shù)據(jù)采集器、中央控制器等組成,主要功能是將智能微電網(wǎng)內(nèi)各分布式電源、儲能、負荷等設備的運行工況數(shù)據(jù)上傳至中央控制系統(tǒng),同時根據(jù)中央控制系統(tǒng)下達的控制指令實現(xiàn)就地控制,是控制策略的執(zhí)行端。

4 智能微電網(wǎng)運行控制策略

智能微電網(wǎng)中多種分布式電源組網(wǎng)、并聯(lián)運行,需要通過有效的運行控制策略,根據(jù)分布式電源運行特性、上級調(diào)度需求和經(jīng)濟優(yōu)化控制的需求,調(diào)節(jié)各分布式電源的運行狀態(tài),保證智能微電網(wǎng)的經(jīng)濟優(yōu)化運行[12]。

4.1 并網(wǎng)點功率交換控制

當智能微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時,監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收調(diào)度系統(tǒng)指令,要求微電網(wǎng)與大電網(wǎng)進行功率交換控制,控制聯(lián)絡線功率在設定值內(nèi)。控制器接收到監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)下發(fā)的公共連接點功率設定值,協(xié)調(diào)各分布式電源的功率輸出,對儲能進行充放電控制,對負荷進行投切,對光伏發(fā)電進行限功率控制或者最大功率點跟蹤控制,使微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的交換功率控制在設定值內(nèi)。

具體實施時簡化為兩種情況。第一種是當智能微電網(wǎng)輸出有功功率高于上限或者吸收有功功率低于下限時,中央控制系統(tǒng)采取提高儲能裝置充電功率、增大負荷用電、降低分布式電源輸出等方式,降低智能微電網(wǎng)輸出功率或提高智能微電網(wǎng)吸收功率。第二種是當智能微電網(wǎng)輸出有功功率低于下限或吸收有功功率高于上限時,中央控制系統(tǒng)采取提高分布式電源輸出,提高儲能裝置放電功率、減小負荷用電等方式,提高智能微電網(wǎng)輸出功率或降低智能微電網(wǎng)吸收功率。

4.2 模式切換控制

智能微電網(wǎng)的運行模式主要有并網(wǎng)運行模式、孤島運行模式、并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)運行模式和離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)運行模式等。

并網(wǎng)模式指智能微電網(wǎng)通過公共連接點與大電網(wǎng)相連,與大電網(wǎng)進行功率交換。為提高可再生能源利用效率,微電網(wǎng)電源一般以最大輸出運行,儲能裝置將起到平抑電源輸出波動、削峰填谷等作用。同時,各分布式電源將按照中央控制系統(tǒng)下達的調(diào)控指令調(diào)節(jié),確保聯(lián)絡線路輸送功率在規(guī)定的范圍之內(nèi)運行。

孤島運行模式時,中央控制系統(tǒng)執(zhí)行孤島運行控制策略。一般將可控的微電網(wǎng)電源,如儲能、柴油發(fā)電機等作為微電網(wǎng)主電源,以恒壓恒頻方式運行,其它分布式電源和儲能裝置則根據(jù)中央控制系統(tǒng)下達的指令調(diào)節(jié)各自的運行輸出,實現(xiàn)智能微電網(wǎng)內(nèi)部電力供需平衡。當分布式電源和儲能裝置的調(diào)節(jié)能力不足時,中央控制系統(tǒng)將下達分布式電源或負荷投切指令。

并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)模式分為計劃性離網(wǎng)控制和非計劃性離網(wǎng)控制。當進行計劃性離網(wǎng)控制時,中央控制系統(tǒng)接收到并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)指令后,調(diào)節(jié)主電源使并網(wǎng)點電流或交換功率降低至允許范圍內(nèi),斷開并網(wǎng)開關(guān),設定主電源運行模式,保證平滑的切換控制。當監(jiān)測到配電網(wǎng)異常,并滿足允許離網(wǎng)的條件時,啟用并網(wǎng)到離網(wǎng)轉(zhuǎn)換程序,實現(xiàn)非計劃離網(wǎng)。

離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)模式時,中央控制系統(tǒng)接收到離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)指令,系統(tǒng)實時監(jiān)測電網(wǎng)的電壓幅值、頻率等狀態(tài),對智能微電網(wǎng)主電源的輸出電壓幅值、頻率及相位進行調(diào)節(jié),并進行同期條件判斷。滿足同期條件時,閉合公共連接點開關(guān),同時主電源切換工作模式,進行平滑的切換控制,防止因切換電流沖擊過大而導致保護動作。

4.3 緊急控制

智能微電網(wǎng)具備緊急情況下的穩(wěn)定控制功能。當智能微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時,頻率和電壓由配電網(wǎng)支撐,具有較高的可靠性。當智能微電網(wǎng)離網(wǎng)運行時,由于系統(tǒng)可調(diào)容量有限,若出現(xiàn)頻率或電壓異常,則中央控制系統(tǒng)可以按照既定的緊急控制策略采取切機或減載等操作,盡可能使智能微電網(wǎng)恢復到正常狀態(tài)。

4.4 黑啟動控制

智能微電網(wǎng)的黑啟動控制具有不同的啟動策略和次序,啟動策略由中央控制系統(tǒng)根據(jù)當前運行狀態(tài),結(jié)合風光發(fā)電預測與負荷預測結(jié)果,綜合判斷選擇。黑啟動控制要求在穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、頻率的同時,兼顧系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性,在最大程度上利用新能源分布式電源完成系統(tǒng)黑啟動。

5 結(jié)束語

隨著一系列國家政策法規(guī)的鼓勵和引導,我國智能微電網(wǎng)技術(shù)通過科技項目、示范項目和扶貧項目等方式進行了研究開發(fā)和應用實踐。針對國內(nèi)外邊遠地區(qū)、海島和城市等場景,智能微電網(wǎng)有巨大的市場應用空間。筆者通過分析分布式電源接入對配電網(wǎng)的影響,提出基于分層控制和統(tǒng)一調(diào)度的智能微電網(wǎng)運行控制架構(gòu),并詳細介紹了控制策略。筆者所做研究可以為智能微電網(wǎng)的應用提供參考。