王 浩，王永紅

（貴州黔東電力有限公司，貴州鎮(zhèn)遠）

大型火力發(fā)電廠常建設(shè)在風能和光能充足的地區(qū)，例如海邊和郊區(qū)，利用發(fā)電廠內(nèi)的空閑場地資源安裝分布式電源，根據(jù)火力發(fā)電生產(chǎn)需求搭配發(fā)電機、儲能裝置等，集多裝置于一體，構(gòu)建完善的微電網(wǎng)系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于降低廠用電率，提高可再生能源的利用水平，達到節(jié)約生產(chǎn)成本以及減輕污染物排放等效果。微電網(wǎng)技術(shù)的應用細節(jié)多，深入研究技術(shù)應用策略具有重要意義。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.1 分布式發(fā)電

常規(guī)的被動電力網(wǎng)絡中，由上級的高壓網(wǎng)絡配送電能至負荷側(cè)。微電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建的是主動網(wǎng)絡，能夠改善電能的輸送狀態(tài)，甚至可以向大電網(wǎng)提供額外的電能。分布式發(fā)電系統(tǒng)的單機容量小，其配置具有靈活性，可以在微電網(wǎng)中分散配置。發(fā)電設(shè)備多樣化，例如風電光電等可再生能源是重要的發(fā)電能源，在微電網(wǎng)系統(tǒng)中取得廣泛應用。

1.2 儲能系統(tǒng)

隨著燃料電池、超級電容器等前沿技術(shù)的快速發(fā)展，小規(guī)模儲能設(shè)備的應用水平逐步提高，能夠協(xié)調(diào)系統(tǒng)電能平衡，改善系統(tǒng)運行狀態(tài)，提高能源利用率。集豐富的小型儲能設(shè)備于一體，構(gòu)成微電網(wǎng)中的規(guī)模化儲能系統(tǒng)，給電網(wǎng)的電能管理提供了重要的技術(shù)支持。

1.3 柔性負荷

負荷類型主要包含工業(yè)負荷、商業(yè)負荷以及生活負荷三大類，廠用電屬于工業(yè)負荷，常采用相對固定的用電模式，日常生產(chǎn)中存在較大的用電需求。此外，按靈活性進行分類，負荷主要包含兩類：一是固定負荷，即無法削減的負荷，用于滿足基本需要；二是柔性負荷，具有動態(tài)性，即隨著系統(tǒng)運行狀態(tài)的不同而發(fā)生變化的負荷，主要表現(xiàn)為負荷的消減和增大兩個方面。

1.4 火電廠的微電網(wǎng)系統(tǒng)

電廠轉(zhuǎn)型升級進程中逐步采用風能光能發(fā)電方式，利用此類可再生能源進行發(fā)電后，將新能源并網(wǎng)以補貼電廠日常生產(chǎn)中的部分發(fā)電費用，提高經(jīng)濟效益的同時還有效防護生態(tài)環(huán)境。將電廠自身視為微電網(wǎng)系統(tǒng)進行能源管理活動，發(fā)揮出現(xiàn)有設(shè)備的應用價值，在順利實現(xiàn)發(fā)電任務的同時降低廠用電率，提高電廠的綜合效益。

2 基于微電網(wǎng)技術(shù)的廠用電電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

以某大型火力發(fā)電廠為例，在其廠用電系統(tǒng)中，配置柴油發(fā)電機、若干電壓等級的負荷以及6 kV 母線和400 V 保安段各2 段，結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 原廠用電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)節(jié)能降耗、經(jīng)濟高效的原則，采用微電網(wǎng)技術(shù)改善原廠用電系統(tǒng)，改進后的系統(tǒng)如圖2 所示。不改變柴油發(fā)電機的接入形式，經(jīng)過逆變后，將光伏電池和儲能裝置接入400 V 母線，出口電壓690 V 經(jīng)變壓器接入6 kV 母線，采用微電網(wǎng)技術(shù)進行改進后，建立風光柴儲微網(wǎng)系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于既能夠使保安段重要負荷的供電維持穩(wěn)定，又能夠為其它負荷供電，例如6 kV 母線，保障供電效果。在高廠變和啟備變安裝逆功率監(jiān)視與保護裝置，用于維持發(fā)電機出口功率的穩(wěn)定性，杜絕向高壓側(cè)倒送電。

圖2 改造后的廠用電系統(tǒng)示意圖

3 微電網(wǎng)技術(shù)在廠用電系統(tǒng)運行控制中的應用

微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行方式以孤島運行和并網(wǎng)運行兩種為主，大型火力發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)的運行工況復雜，需要確定具體的運行模式，匹配科學可行的控制策略，發(fā)揮出微電網(wǎng)系統(tǒng)的應用優(yōu)勢[1]。

3.1 運行工況

微網(wǎng)系統(tǒng)通過高廠變與大電網(wǎng)相連，采取并網(wǎng)運行模式，在高廠變加裝逆功率監(jiān)測與保護裝置，使發(fā)電機出口功率維持穩(wěn)定。若高廠變故障，隨即啟備變并網(wǎng)，柴油發(fā)電機和儲能裝置可以在設(shè)施運行狀態(tài)切換過程中發(fā)揮出作用，確保重要負荷在切換時仍可穩(wěn)定運行。

停電檢修或6 kV 母線故障時，斷開風力發(fā)電機組和6 kV 母線，微網(wǎng)系統(tǒng)由并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)變?yōu)楣聧u運行方式，微網(wǎng)內(nèi)DG 承擔保安段的重要負荷，系統(tǒng)的電壓和頻率兩項參數(shù)均可維持穩(wěn)定，柴油發(fā)電機和儲能電池均可正常運行，微網(wǎng)內(nèi)負荷維持平衡狀態(tài)。微網(wǎng)系統(tǒng)運行流程，如圖3 所示。

圖3 微網(wǎng)系統(tǒng)運行流程圖

3.2 微網(wǎng)控制系統(tǒng)

除了保證不同工況時微網(wǎng)的穩(wěn)定性外，還需要考慮到工況過渡時的平滑轉(zhuǎn)換問題，綜合控制要求較高，將DG 作為主控制器的常規(guī)控制方式缺乏可行性，考慮到此技術(shù)應用現(xiàn)狀，此處提出的是集中計算和全局控制的方式，配置了中心控制器。

DG 在微網(wǎng)并網(wǎng)運行時均采用PQ 控制方式。中心控制器可檢測并網(wǎng)的功率及電壓測量信號，根據(jù)實測數(shù)據(jù)判斷并網(wǎng)運行狀態(tài)，若測點數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則表明被測對象存在故障，為減小故障引起的不良影響，中心控制器隨即做出響應，實行孤島運行模式，此時微網(wǎng)和電網(wǎng)相互斷開，但考慮到儲能電池和柴油發(fā)電機將決定微網(wǎng)的電壓和頻率，需要由中心控制器啟動柴油發(fā)電機，使其保持運行狀態(tài)，儲能電池則實行孤島模式，功率輸出狀態(tài)接受中心控制器功率指令的控制，各DG 均為PQ 控制，功率可保持穩(wěn)定。中心控制器實時檢測并網(wǎng)的電壓和頻率，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)判斷并網(wǎng)的運行狀態(tài)。電網(wǎng)恢復正常后，后臺發(fā)出并網(wǎng)指令，儲能電池在中心控制器的調(diào)度下轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒕W(wǎng)模式，柴油發(fā)電機結(jié)束運行。微網(wǎng)控制原理如圖4 所示。

圖4 微電網(wǎng)控制原理圖

3.3 控制策略

孤島運行、并網(wǎng)運行兩種方式下，微電網(wǎng)系統(tǒng)均采用PO 控制各DG 的輸出功率，能量控制基本一致。在基于微網(wǎng)技術(shù)的控制方式下，采用控制目標與約束條件公式，探討具體的控制策略[2]。

（1） 控制目標

式（1）中：LoadIm 為重要負荷集合；Pi為重要負荷吸收的功率；yi為重要負荷連接線路開閉合判斷。式（2）中：PPCC為并網(wǎng)處交換功率，微網(wǎng)孤島運行時，PPCC取0，且該值不可為負值，否則將導致微網(wǎng)向電網(wǎng)倒送電，不符合運行要求。

（2） 功率平衡約束條件

式（3）中：ω、b、d 為相應的DG 供電線路開閉合判斷；ys為次要負荷連接線路開閉合判斷；PWTG、PPV、PBEss、PDi分別為風力發(fā)電機組、光伏電池、儲能電池、柴油發(fā)電機的輸出功率；Ps為次要負荷吸收功率；LoadSe 為次要負荷集合。

（3） 并網(wǎng)運行約束條件

并網(wǎng)運行模式下，儲能電池先維持充電的狀態(tài)，在吸收系統(tǒng)功率后充滿電，微電網(wǎng)的電能質(zhì)量將由于儲能電池的快速響應特性而維持穩(wěn)定。

4 仿真分析

采用微網(wǎng)的能量控制算法，建立廠用電微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，仿真分析其突降負荷過程，具有又分為并網(wǎng)運行和孤島運行兩種方式考慮，具體如下：

4.1 并網(wǎng)運行時的仿真分析

降負荷仿真結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 并網(wǎng)運行降負荷仿真結(jié)果

初始為并網(wǎng)運行方式，母線電壓為690 V，系統(tǒng)頻率為50 Hz；微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率和電壓將隨著負荷的降低而發(fā)生波動，但持續(xù)時間較短，約0.1 s 后恢復初始狀態(tài)，之所以出現(xiàn)此現(xiàn)象，主要原因在于控制系統(tǒng)能夠有效管控干擾因素，盡快減少干擾，避免微網(wǎng)系統(tǒng)在負荷擾動下出現(xiàn)長時間的異?，F(xiàn)象。

4.2 孤島運行時的仿真分析

降負荷仿真結(jié)果，如圖6 所示。

圖6 孤島運行降負荷仿真結(jié)果

孤島運行狀態(tài)下，母線電壓為399.6 V，頻率為49.926 Hz，微網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率將由于負荷下降而發(fā)生波動，但持續(xù)時間僅為0.2 s，此后即可趨于穩(wěn)定，根據(jù)仿真結(jié)果可知，波動結(jié)束后的電壓為399.6 V，頻率為49.921 Hz，雖然兩項參數(shù)存在波動，但均在許可范圍內(nèi)，穩(wěn)定性良好，無過多的不良影響，表明本文提出的控制策略能夠取得良好的控制效果[3]。

5 綜合效益分析

以一年時間為例，全年內(nèi)機組停機天數(shù)集合、運行天數(shù)集合分別為StopDay、StartDay，則：

式（6）中：Vtotal為效益總和；Pi、Pj分別為開機期間、停機期間的微電網(wǎng)日發(fā)電量；t 為每度電耗煤量；a 為電煤單價；d 為上網(wǎng)電價；b 為新能源補貼單價；Ptotal為微電網(wǎng)一年內(nèi)的總發(fā)電量。

根據(jù)式（6），做進一步的計算：

式（7）中：BPtotal、PPV、PWTG、PBESS分別為微電網(wǎng)改造建設(shè)、光伏電池建設(shè)、風電機組建設(shè)、蓄能電池建設(shè)的費用；Pelse 為各項閑雜費用（包括施工費、人工費等）。按照式（7）進行計算，將微電網(wǎng)建設(shè)費用最小化作為控制目標，降低技術(shù)應用成本。

以滿足重要負荷能量需求為主要目標，建立微電網(wǎng)系統(tǒng)，在此前提下追求經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益最大化。機組重要負荷容量約為4Mw，擬建微電網(wǎng)系統(tǒng)容量為5MW，包含1 臺1MW 的光伏電池和4 臺1MW的風力發(fā)電機組，儲能系統(tǒng)容量設(shè)定為500kW·h。在該硬件設(shè)施配置方式下，綜合考慮其它費用，確定微電網(wǎng)系統(tǒng)總造價約為2950 萬元。

6 結(jié)論

綜上所述，大型火電廠發(fā)電過程中存在資源消耗量大、污染物排放量多等問題，在節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念下，利用空閑場地資源，建立微電網(wǎng)系統(tǒng)，有助于改善燃煤機組的運行狀態(tài)，采用中心控制器進行主從控制，實行精細化控制策略，保障燃煤機組的穩(wěn)定運行，同時進行仿真分析，檢驗了微電網(wǎng)系統(tǒng)的可行性。綜合評價微電網(wǎng)技術(shù)在火電廠廠用系統(tǒng)中的應用效果，研究認為微電網(wǎng)技術(shù)的綜合效益良好，在火力發(fā)電廠廠用系統(tǒng)中具有突出的應用價值。微電網(wǎng)接入燃煤機組廠用電系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要技術(shù)策略，具有推廣意義，相關(guān)技術(shù)人員仍需持續(xù)探索，進一步提高微電網(wǎng)技術(shù)的應用水平。