謝立焜

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

目前國內(nèi)外關(guān)于微電網(wǎng)研究的文獻不多，文獻[1] 對電力新技術(shù)的電網(wǎng)運行狀況進行分析，對新能源發(fā)電產(chǎn)生的隨機性、不連續(xù)性問題進行微電網(wǎng)即地消納的研究，降低電能損耗對電力網(wǎng)絡的影響。文獻[2]介紹了發(fā)電系統(tǒng)智能化的實施方式。通過建模仿真、試驗，從系統(tǒng)功能、故障判斷及智能化故障處理等幾個方面，探討了智能配電網(wǎng)的功能特征。文獻[3]通過對中央控制和本地控制兩方面進行研究，并提出了一種綜合控制方法?？紤]隨機因素和基于中心控制的控制策略，該方法在計算邊界時采取了局部控制的方法，并與整個計算過程相聯(lián)系，可實現(xiàn)快速地控制過程，消除新影響，為未來提供便利。文獻[4]分析了新能源發(fā)電機間接性與隨機性的特點，并對新能源發(fā)電的影響進行了分析，給出了一種多變流器之間的協(xié)調(diào)控制方案及控制能量的處理策略。針對風機及蓄能設備的動態(tài)狀態(tài)，提出了一種采用PID 控制器對風力發(fā)電機組發(fā)電量超標、不符合規(guī)定、儲能量過放電和過充電進行控制的方法[5]。文獻[6]提出一種基于直流母線電壓信號進行電力管線管理的理論和方法，通過模式區(qū)分系統(tǒng)狀態(tài)，系統(tǒng)模式可通過改變直流母線電壓實現(xiàn)平滑切換，從而實現(xiàn)微電網(wǎng)獨立工作和并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換。

傳統(tǒng)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究多側(cè)重于微電網(wǎng)獨立結(jié)構(gòu)，并不適宜用作配電網(wǎng)設計。傳統(tǒng)的控制方法大多以母線電壓等級分級，或是通過電流的傳遞控制來控制系統(tǒng)的安全性，負荷頻繁改變的情形下，系統(tǒng)運行中會頻繁發(fā)生電壓的波動，并影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。新型配電網(wǎng)系統(tǒng)運行的安全、穩(wěn)定、可靠是實現(xiàn)系統(tǒng)的能源管理控制方法的保障，基于上述問題，設計了一種基于風力、光伏和儲能相結(jié)合的新型配電網(wǎng)系統(tǒng)，以“源-荷-儲”為基本結(jié)構(gòu)，研究了基于三維控制的能量流動調(diào)節(jié)方法，對大型決策變量和多目標優(yōu)化函數(shù)進行優(yōu)化處理，通過建立風光儲一體化系統(tǒng)，確保配電網(wǎng)安全可靠運行，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 風光儲一體化結(jié)構(gòu)圖

1 新型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

新型配電網(wǎng)擬將各配電網(wǎng)建設成風光儲一體化的微電網(wǎng)，由綜合管理平臺系統(tǒng)進行管控。建立獨立、自主可控的綜合系統(tǒng)，同時連接到大電網(wǎng)，實現(xiàn)配電網(wǎng)與大電網(wǎng)適當獨立、并聯(lián)運行。利用電力能源供需平衡與智能微網(wǎng)調(diào)度技術(shù)、主動并網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)電力供給與需求的平衡。

下面重點分析交直流母線供電和光電互補電源發(fā)電兩部分，具體包括交流負荷接入系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、配電網(wǎng)接入系統(tǒng)、風電電源系統(tǒng)、光伏電源系統(tǒng)、直流負荷接入系統(tǒng)。

光伏電源系統(tǒng)。由于光伏單片具有低功率輸出和高消耗的特性，在將多個光伏單片串并聯(lián)組成光伏單板模塊之前，還須使用一種增益轉(zhuǎn)換器進行模塊化，將多個模塊并聯(lián)后連接至一個直流電源線。

風力電源系統(tǒng)。風機系統(tǒng)每個模塊是通過發(fā)電裝置和一個三相整流器來建立的。發(fā)電機輸出電壓經(jīng)調(diào)壓后，直接連接到交直流主控電路中。通過整流后，直接與直流主電源接通，為實現(xiàn)永磁直驅(qū)技術(shù)，本文采用了永磁直驅(qū)風機。

儲能系統(tǒng)。所述儲能系統(tǒng)擬用釩電池組成，釩電池具有以下優(yōu)點：（1）功率和容積相對獨立，能分別調(diào)節(jié)；（2）不受外部環(huán)境干擾，性能穩(wěn)定；（3）壽命長，不會因為過放電而降低工作效率，過放后可進行再充電，使容量恢復，對電池無影響。

儲能系統(tǒng)。通過串并聯(lián)變換器實現(xiàn)電能的儲存和電能的放電，可實現(xiàn)能量任意在不同方向之間自由切換，實現(xiàn)容量、功率的提高，調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的能量流動。

直流負荷接入系統(tǒng)。直流負荷接入系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)一樣，可實現(xiàn)DC-DC 轉(zhuǎn)換。

交流負荷接入系統(tǒng)。直流及交流線路，通過三相逆變電源、變壓器等裝置相連，為交流負載供電。

配電網(wǎng)接入系統(tǒng)。該配電網(wǎng)接入裝置是三相整流裝置，它承載了三相逆變裝置的反過程。

綜上所述，在建設過程中，采用了新的電力配電系統(tǒng)。通過直流與交流兩相配電網(wǎng)的建設，簡化了系統(tǒng)中的交直流傳輸和供電的流程，提高了設備運行的效率。

為了減少成本，提升生產(chǎn)力效率，降低現(xiàn)有電網(wǎng)對電力的高需求，交流母線電壓設置為380 V，對應的直流母線電壓設置為650 V。

2 新型配電網(wǎng)運行機理

大多情況下，并網(wǎng)和孤島2 種方式是電網(wǎng)的基本運行方式。此時，可以將新型配電網(wǎng)作為一個可控制的微型電網(wǎng)來應用。當電力系統(tǒng)受到嚴重干擾，或電網(wǎng)受到停電的影響時，新建配電系統(tǒng)會迅速和大電網(wǎng)脫離，快速地向孤島狀態(tài)過渡，在保障重點負荷不受影響的前提下持續(xù)穩(wěn)定地提供電力，增加配電網(wǎng)外部故障防護裝置的開發(fā)與應用，減少因外部故障造成的損失。因此，配電網(wǎng)在新舊電力網(wǎng)間調(diào)度上更靈活，其可根據(jù)電網(wǎng)情況而調(diào)整，便于并網(wǎng)和孤島模式之間的切換。

2.1 新型配電網(wǎng)能效管理方法研究

采用統(tǒng)籌式能源管理方法?？刂葡到y(tǒng)先對光伏站、風力電站的電源輸出和負載要求進行預測，同時預知供電需求，制訂運行計劃，利用電壓、電流和功率狀況數(shù)據(jù)信息操作系統(tǒng)。實現(xiàn)對光伏電源，風力電源、蓄能裝置等的動態(tài)調(diào)節(jié)和操作控制，保證新型配電網(wǎng)中線路頻率穩(wěn)定，并提升相關(guān)的防護能力。

2.2 能源管理的主要內(nèi)容和方法

監(jiān)控配電網(wǎng)實時運行情況，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，提供整體狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)；

通過監(jiān)控工作狀態(tài)和自動調(diào)度輸出功率確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行；

利用配電網(wǎng)供電和負荷預測系統(tǒng)可有效地預測配電網(wǎng)在一定時間范圍內(nèi)供電狀態(tài)和負荷狀況的長遠趨勢，能對新型電力系統(tǒng)發(fā)電方案進行優(yōu)化，對電網(wǎng)運行條件進行優(yōu)化、調(diào)整；

通過儲能管理，對新增供需進行調(diào)節(jié)，其在保證電站直流主電源電壓穩(wěn)定運行和削峰填谷方面有著重要作用；

防護功能，包括裝置級防護、子系統(tǒng)級防護以及系統(tǒng)級防護，按照新型配電線路運營狀況，及時隔離排除故障，減小故障影響范圍，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行；

采用智能調(diào)度技術(shù)，對系統(tǒng)電源進行優(yōu)化組合，通過對能源資源進行預測和儲能管理，提升系統(tǒng)效率。

2.3 新型配電網(wǎng)一體化管理系統(tǒng)

用一體化設計原則建設數(shù)字化、智能化的配電網(wǎng)控制系統(tǒng)，在統(tǒng)一通信平臺上集成監(jiān)測系統(tǒng)的設計，通過智能調(diào)度實現(xiàn)配電網(wǎng)所有設備的監(jiān)測與控制，實現(xiàn)農(nóng)村電網(wǎng)信息化建設。結(jié)合目前光伏發(fā)電、風電、蓄能、電網(wǎng)變換器等裝置現(xiàn)存控制方式，建立統(tǒng)一連接系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化管理。

在整個集成平臺管理系統(tǒng)中，網(wǎng)絡可視化維護功能是一項重要的運行維護功能。運用多維統(tǒng)計數(shù)據(jù)與可視化管理，能夠使維護人員對遠端設備的狀態(tài)進行整體分析和控制。此外，在設備運行中，系統(tǒng)提供專門的軟件，管理者或基層巡查員可通過專門的軟件查看設備指標并及時查找和排除異常情況。

資料的搜集和保管是信息化管理的基礎，信息丟包、不能斷點續(xù)傳是資料收集困難的突出原因，是管理數(shù)據(jù)過程中需要解決的問題。針對這些問題，分別以多種多功能通信網(wǎng)關(guān)為例，對各種通信協(xié)議進行解析，結(jié)合光伏通信網(wǎng)關(guān)、風電通信網(wǎng)關(guān)、蓄能網(wǎng)關(guān)、電訊機、工業(yè)交換機等來進行分析，為實現(xiàn)效益最大化增加了斷線緩存功能，解決數(shù)據(jù)傳輸與丟失問題。

構(gòu)建高效的新型配電網(wǎng)管理平臺，合理調(diào)整工作人員編制，統(tǒng)一管理電力調(diào)度，確保整個流程實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，將系統(tǒng)打造為垂直生態(tài)行業(yè)平臺。

3 仿真測試

應用基于風光儲一體化配電網(wǎng)仿真模型，以建模軟件進行仿真，包括光伏電源系統(tǒng)、風力電源系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、直流負荷接入系統(tǒng)、交流負荷接入系統(tǒng)、配電網(wǎng)接入系統(tǒng)。

先對部分子系統(tǒng)進行仿真測試，然后對其進行完整系統(tǒng)的仿真模擬。鑒于風電系統(tǒng)具有較強的環(huán)境響應性，只能進行風電系統(tǒng)的初步模擬研究。

光伏電源采用步長變擾動條件下的變步幅同步時間算法。試驗中，模擬工作條件為溫度23 °C，初始時為800 W/m2，0.5 s 減為400 W/m2，0.75 s 加強至 600 W/m2。

仿真結(jié)果表明：在t= 0.25 s，光伏電源穩(wěn)定輸出，并得到該信號的連續(xù)跟蹤和監(jiān)測，在實際應用中，具有較好的跟蹤性和良好的系統(tǒng)可靠性。當t=0.5 s，光伏電源輸出功率突然迅速減少，經(jīng)過簡短調(diào)整后重新回到功率最低值，而且仍然保持穩(wěn)定；在t= 0.75 s，光強突然升高，調(diào)整后即回到了最高光強點，此后逐漸恢復。

該風電機側(cè)整流器采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)電流和外環(huán)電機轉(zhuǎn)速相配合。仿真時間設置為2 s，最大風速設定為12 m/s，在試驗初期時風速7.2 m/s，經(jīng)過 0.5 s 的增加為 9.6 m/s，0.75 s 后增到13 m/s。

在t= 0.1 s，風機發(fā)電機穩(wěn)定輸出，說明風能的最大追蹤作用良好；由于風力增強風機轉(zhuǎn)速突然增大，輸出功率在t= 0.5 s 迅速增加，輸出波形順暢、功率波動不明顯；風力發(fā)電機t= 0.75 s 后，風速超過規(guī)定風速（12 m/s），風力發(fā)電機組被損壞，限電運行。

為進一步驗證新型配電網(wǎng)網(wǎng)絡建設結(jié)構(gòu)的科學性及能效控制效果，筆者做了一個初步的仿真實驗。因為大電網(wǎng)的能量提供與現(xiàn)有電網(wǎng)基本相同，所以對系統(tǒng)內(nèi)能量供應進行探討。

模擬時長為 6 s，其中直流線路電壓設置為650 V，交流線路電壓設置為380 V。其中，能量蓄能器釋放是負值，儲能是正值。

在0～2 s 的時間里，如果風速低于規(guī)定的風速，則電源輸出電流遠低于負載電流，PPV+PWT＜PDCL+PACL，通過儲能裝置來補充功率；在2～3 s 時，如果風速與光強都達到預定值，風光電源輸出功率達到10 kW，且風光輸出功率和風速均達到了額定值；若在3～5 s 時，若交流負載由10 kW 減小到2 kW，則PPV+PWT＞PDCL+PACL，蓄能系統(tǒng)輸出功率為正，需要蓄能保持系統(tǒng)電能平衡；在5～6 s 時，如果將直流負荷從10 kW 擴大到20 kW，則PPV+PWT＜PDCL+PACL，儲能系統(tǒng)輸出功率為負，因此須放電以保持系統(tǒng)的電源平衡，如表1 所示。

表1 仿真功率參數(shù)

仿真結(jié)果表明，總體直流電源電壓波形平滑平穩(wěn)，僅有變換頻率時出現(xiàn)波動，說明系統(tǒng)的能量穩(wěn)定流動，該系統(tǒng)中電壓控制在切換模式后略微波動，這表明該系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運行。

仿真表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了動態(tài)調(diào)節(jié)并維持穩(wěn)定的能量流動，整個系統(tǒng)穩(wěn)定控制直流主導線路的電壓，最后通過試驗，證明了新型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)合理性，并且能夠有效地解決系統(tǒng)的能量管理問題。

4 結(jié)束語

本文提出基于風光儲一體化的新型配電網(wǎng)方案，采用能量管理系統(tǒng)的能量控制策略以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行和能量保持，同時通過仿真分析驗證了所提出方案的可行性。

得出以下結(jié)論：（1）通過光伏風能技術(shù)應用，可以最大程度地發(fā)揮光伏及風能所產(chǎn)生的能量，提高能源利用效率，減少農(nóng)村電網(wǎng)與大電網(wǎng)的依賴，減少電網(wǎng)與電網(wǎng)之間因變電所帶來的干擾；（2）采用新配電系統(tǒng)可部分解決配電系統(tǒng)中長距離傳輸線損大的問題，實現(xiàn)能源本地接收、節(jié)點互補、便捷接續(xù)，減少發(fā)電設施的能源消耗，進而減少線路損耗；（3）新型配電網(wǎng)設計方案，有效地推動了農(nóng)村電氣化建設，在能源和環(huán)境污染、碳排放等眾多因素中發(fā)揮著重要的作用。