微電網(wǎng)規(guī)劃關鍵問題與運行仿真

王有春，文閃閃，秦躍進，陶　芬，陳　聰，胡　畔

(1.湖北省電力勘測設計院，湖北武漢　430040；2.武漢大學電氣工程學院，湖北武漢　430072)

Key Issues and Operation Simulation of the Microgrid Planning WANG Youchun1, WEN Shanshan1, QIN Yuejin1, TAO Fen1, CHEN Cong2, HU Pan2

(1.Hubei Electric Power Survey & Design Institute, Wuhan 430072,China;

2.School of Electrical Engineering，Wuhan University, Wuhan 430072, China)

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微電網(wǎng)規(guī)劃關鍵問題與運行仿真

王有春1，文閃閃1，秦躍進1，陶芬1，陳聰2，胡畔2

(1.湖北省電力勘測設計院，湖北武漢430040；2.武漢大學電氣工程學院，湖北武漢430072)

0引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，供電需求趨向多樣化，傳統(tǒng)大型集中式供電已難以滿足當今社會的需求。同時，由于能源與環(huán)境壓力，世界各國均開始致力于新能源發(fā)電發(fā)展。為了保證分布式發(fā)電可靠入網(wǎng)、有效利用，并且最大限度發(fā)揮分布式發(fā)電技術(shù)在經(jīng)濟、能源和環(huán)境中的優(yōu)勢，學者們提出了使用微電網(wǎng)的概念解決上述各種問題與矛盾[1-2]。

微電網(wǎng)規(guī)劃是微電網(wǎng)建設的基礎，其規(guī)劃水平的高低不僅直接影響到微電網(wǎng)自身的安全性、可靠性與經(jīng)濟性，而且隨著微電網(wǎng)滲透率的不斷增加，也會對大電網(wǎng)的運行產(chǎn)生深遠影響。因此，微電網(wǎng)規(guī)劃設計工作是微電網(wǎng)建設前期十分重要的環(huán)節(jié)[3]。

微電網(wǎng)規(guī)劃過程中涉及的關鍵問題主要包括負荷預測、接入方式、電壓等級和容量以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的選擇等[4]。目前，微電網(wǎng)規(guī)劃方法通常是先通過建立合理與完整的規(guī)劃模型，然后利用智能優(yōu)化算法尋找分布式電源與儲能系統(tǒng)的最優(yōu)配置。文獻[5]采用十進制遺傳算法，建立全壽命周期凈費用、可再生能源利用率以及污染物排放水平的多目標函數(shù)模型，對獨立海島微電網(wǎng)進行設計。文獻[6]建立以網(wǎng)損最小和年發(fā)電成本最低為目標函數(shù)的微電網(wǎng)規(guī)劃模型，應用改進慣性權(quán)重的粒子群算法進行優(yōu)化，提高了算法的收斂效率。

本文研究了包括負荷預測、接入方式、電壓等級和容量以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的選擇等關鍵點在內(nèi)的微電網(wǎng)規(guī)劃問題，并在PSCAD仿真環(huán)境下建立微電網(wǎng)模型及控制模型。仿真結(jié)果表明，該規(guī)劃方法可靠實用，對工程實踐具有一定的指導作用。

1微電網(wǎng)規(guī)劃關鍵問題

1.1微電網(wǎng)負荷預測

微電網(wǎng)負荷預測是微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的重要組成部分，也是微電網(wǎng)與大電網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度、實時控制、制定運營計劃以及電網(wǎng)規(guī)劃的重要依據(jù)[7]。目前，國內(nèi)外學者已對配電網(wǎng)的負荷預測方法進行了大量研究，但對微電網(wǎng)負荷預測方法的研究甚少。

結(jié)合微電網(wǎng)的空間特性，可能適用于微電網(wǎng)的負荷預測方法有人均用電量法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、負荷密度法和改進的負荷密度法。表1給出幾種預測方法的思想及優(yōu)缺點。其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡法適用于超短期及短期負荷預測，人均電量法、負荷密度法、改進的負荷密度法更適用于規(guī)劃階段所需的中長期負荷預測。通過比較各種方法的優(yōu)缺點，對于處于規(guī)劃期的微電網(wǎng)，建議使用考慮各綜合因素的改進的負荷密度法進行負荷預測。

表1　適用于微電網(wǎng)的負荷預測方法

1.2微電網(wǎng)接入方式的選取

根據(jù)是否與主網(wǎng)之間存在功率流動情況，微電網(wǎng)的接入方式可分為聯(lián)網(wǎng)模式與孤網(wǎng)模式。其選擇取決于以下幾個因素：地理位置及技術(shù)要求、經(jīng)濟收益及運營成本、負荷需求及特點、該地區(qū)資源環(huán)境因素、政策導向等[8]。

表2為兩種微電網(wǎng)接入方式的對比。對于海上孤島、偏遠山區(qū)等地，由于地理位置和技術(shù)的限制，實現(xiàn)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行十分困難，建議采用孤網(wǎng)模式實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)電能的自給自足。微電網(wǎng)規(guī)劃設計人員可以根據(jù)規(guī)劃區(qū)域?qū)嶋H情況及資金狀況選取合適的接入方式。

1.3微電網(wǎng)電壓等級和容量的選取

確定微電網(wǎng)電壓等級和容量時，要對微電網(wǎng)所轄區(qū)域內(nèi)的負荷進行分類研究，由負荷預測結(jié)果制定負荷曲線，針對負荷密度、供電半徑范圍、負荷特性和所連配電網(wǎng)能承受的微電網(wǎng)最高滲透率等多方面因素，選擇微電網(wǎng)的電壓等級和容量。表3給出了微電網(wǎng)電壓等級與容量的一般選取原則[9]。

表2　聯(lián)網(wǎng)與孤網(wǎng)運行特點對比

表3　微電網(wǎng)電壓等級與容量選取

微電網(wǎng)內(nèi)各分布式電源到其所供負荷的距離相對較短，因此一般情況下微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓等級為低壓或者中壓兩個等級，與所連接的配電網(wǎng)相關，可從微電網(wǎng)容量、微電源容量、并網(wǎng)點注入電流及運行電壓范圍等角度確定微電網(wǎng)電壓等級；微電網(wǎng)容量由微電網(wǎng)電壓等級、輸送距離等多方面因素決定，在盡量滿足負荷要求的情況下，只要滿足接入點的容量在最小接入容量和最大極限傳輸功率之間即能滿足電壓要求，設計時可根據(jù)所建微電網(wǎng)的實際情況確定。

1.4微電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計

微電網(wǎng)系統(tǒng)中微電源、負荷性質(zhì)以及電能質(zhì)量要求等因素決定了微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。微電網(wǎng)網(wǎng)架設計的基本原則是保證微電網(wǎng)內(nèi)能量守恒[10]：正常運行時DG容量與配電網(wǎng)提供的電能之和同微電網(wǎng)負荷容量匹配；微電網(wǎng)計劃孤島運行時，DG容量能夠為重要負荷提供充足電能，在偏遠鄉(xiāng)村級微電網(wǎng)中還需額外提供備用容量。在滿足基本原則的前提下，還需綜合考慮地理位置、DG特性、負荷特性等諸多因素的影響，如圖1所示。表4為微電網(wǎng)常用的3種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的對比。其中并聯(lián)結(jié)構(gòu)適用于容量較大、負荷種類多、供電可靠性要求高的聯(lián)網(wǎng)型微電網(wǎng)；串聯(lián)結(jié)構(gòu)則適用于電壓等級低、負荷等級低、分布集中的孤網(wǎng)型微電網(wǎng)；而環(huán)形結(jié)構(gòu)則主要應用在孤島模式下，具有供電可靠性高、運行簡便的優(yōu)點。

表4　微電網(wǎng)各網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對比

圖1　微電網(wǎng)網(wǎng)架設計基本要素

2微電網(wǎng)運行仿真

為了更好地理解上述微電網(wǎng)規(guī)劃關鍵問題，本文在EMTDC/PSCAD仿真環(huán)境下建立了微電網(wǎng)模型。由負荷預測結(jié)果，設定負荷有功功率為150kW。由于自然資源限制，設定燃氣輪機功率為40kW，光伏電源和風電功率分別為10kW、30kW，分布式電源總出力為80kW。負荷分為三級，分別為可中斷負荷、可調(diào)節(jié)負荷和重要負荷。根據(jù)負荷供電要求，分別在不同負荷處建構(gòu)不同的分布式電源，其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計如圖2所示。根據(jù)前面所述，微電網(wǎng)電壓等級選取380V，接入輻射狀配電網(wǎng)饋線處，微電網(wǎng)的有功、無功出力均可調(diào)。

圖2　微電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖

2.1微電網(wǎng)的控制策略

從系統(tǒng)的角度而言，微電網(wǎng)目前常用的控制策略有3種：主從控制法、對等控制法和分層控制法。主從控制法主要用于孤島運行的微電網(wǎng)，這種方法可以支撐微電網(wǎng)電壓和頻率，但對主控單元依賴性強；對等控制法是一種基于下垂法實現(xiàn)電壓、頻率自動調(diào)節(jié)的方法，簡單、可靠、易于實現(xiàn)，但以犧牲電壓和頻率的穩(wěn)定性為代價；分層控制法一般設有中央控制器，向微電網(wǎng)中的分布式電源發(fā)出控制信息，可提供較高的電能質(zhì)量。本文搭建的微電網(wǎng)模型采用主從控制和對等控制相結(jié)合的控制策略。圖3為本文的微電網(wǎng)控制策略示意圖。

圖3　微電網(wǎng)控制策略示意圖

2.2微電網(wǎng)功率交換模式研究

設定微電網(wǎng)在該過程中采用并網(wǎng)接入模式。仿真開始約1.5s后各機組開始穩(wěn)定運行。假設0～4s時，微網(wǎng)并網(wǎng)運行；4～8s時，微網(wǎng)孤網(wǎng)運行；8～12s時，微網(wǎng)恢復并網(wǎng)。

圖4顯示了有功功率變化情況。并網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)運行時，微網(wǎng)與主網(wǎng)之間的功率交換迅速降為0。8s時主網(wǎng)向微網(wǎng)輸送的功率陡然增加，后又大幅下降，經(jīng)過2s波動后穩(wěn)定在-28.45kW。圖5顯示了頻率變化情況。并網(wǎng)時，系統(tǒng)頻率始終保持在50Hz左右，4s時系統(tǒng)頻率瞬間下降至48.398Hz，而后上升至49.435Hz，隨后保持穩(wěn)定。8s后恢復為50Hz穩(wěn)定運行。

圖4　變動負荷條件下的有功功率變化情況

圖5　變動負荷條件下的頻率變化情況

2.3微電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性問題研究

微電網(wǎng)規(guī)模較主網(wǎng)而言非常小，因此在并網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)內(nèi)部的有功功率由主網(wǎng)平衡，此時有功功率的波動對于主網(wǎng)可以忽略不計，因此，微電網(wǎng)在并網(wǎng)時的頻率與主網(wǎng)保持一致。

設定微電網(wǎng)在該過程中采用并網(wǎng)接入模式。在3～3.9s時，有功負荷從120kW增長至140kW，并于6～6.9s從140kW降至120kW。圖5顯示了系統(tǒng)的有功功率變化情況，在1.5s后各機組達到穩(wěn)定。

圖6　變動負荷條件下的有功功率變化情況

由圖6可知，有功負荷增加時，各機組輸出有功功率保持不變，而與主網(wǎng)交換的功率由吸收49.3kW轉(zhuǎn)為吸收69.3kW；而當有功負荷減少時，由主網(wǎng)吸收的功率又降為49.3kW，從而保持有功功率的平衡，這是由于并網(wǎng)運行時微電網(wǎng)內(nèi)部的有功功率由主網(wǎng)平衡。圖7顯示了系統(tǒng)頻率變化，可看出在并網(wǎng)運行時，由于主網(wǎng)的調(diào)頻作用，頻率均在50Hz左右波動，但會出現(xiàn)尖峰。

圖7　變動負荷條件下的頻率變化情況

2.4微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題研究

設定微電網(wǎng)在該過程中采用并網(wǎng)接入模式。無功負荷為60kvar，微型燃氣輪機發(fā)出無功40kvar，其余機組發(fā)出無功為40kvar。在3～3.9s時，無功負荷從60kvar增長到70kvar，并于5～5.9s從70kvar降至60kvar。圖8顯示了微電網(wǎng)同主網(wǎng)間功率流動情況，2.5s后各機組達到穩(wěn)定。由圖8可知，微電網(wǎng)并網(wǎng)時各機組輸出的無功功率保持不變，當無功負荷增加10kvar時，微電網(wǎng)與主網(wǎng)交換的無功功率由10kvar上升至20kvar(其中10kvar為系統(tǒng)無功損耗)，系統(tǒng)能保持無功功率的平衡。圖9顯示了系統(tǒng)母線電壓幅值的變化情況，并網(wǎng)運行時無功負荷的變化不會引起系統(tǒng)母線電壓幅值大幅變化。圖10顯示了并網(wǎng)時母線電壓偏差狀況，從圖上可知其首端電壓偏差不超過額定值的5%，仿真結(jié)果符合國家標準。

圖8　微電網(wǎng)同主網(wǎng)功率流動狀況

圖9　負荷切換前后微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性

圖10　微電網(wǎng)電壓偏差

3總結(jié)

我國的微電網(wǎng)技術(shù)研究還處于起步階段，一些微電網(wǎng)所包含的技術(shù)體系還有待進一步明確和完善。本文初步探討了微電網(wǎng)規(guī)劃的幾個關鍵問題，得出以下幾個結(jié)論：

① 對于處于規(guī)劃期的微電網(wǎng)，建議采用改進的負荷密度法進行負荷預測；

② 對于海上孤島、偏遠山區(qū)等地，建議采用孤網(wǎng)模式實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)電能的自給自足。

③ 微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓等級一般為低壓或中壓兩個等級，容量由電壓等級、輸送距離等因素決定；

④ 在保證微電網(wǎng)內(nèi)能量守恒的前提下，選擇網(wǎng)架結(jié)構(gòu)時還需綜合考慮地理位置、DG特性、負荷特性等因素的影響。

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王有春(1983-)，男，工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設計方面的工作與研究，E-mail:785749870@qq.com；

文閃閃(1984-)，男，工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃設計方面的工作與研究, E-mail:shanguang2008@163.com。

(責任編輯：林海文)

Key Issues and Operation Simulation of the Microgrid Planning WANG Youchun1, WEN Shanshan1, QIN Yuejin1, TAO Fen1, CHEN Cong2, HU Pan2

(1.Hubei Electric Power Survey & Design Institute, Wuhan 430072,China;

2.School of Electrical Engineering，Wuhan University, Wuhan 430072, China)

摘要：微電網(wǎng)的合理規(guī)劃是實現(xiàn)其效益的基礎。本文從負荷預測、接入方式、電壓等級和容量以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)4個方面對微電網(wǎng)規(guī)劃的關鍵問題進行研究。利用電磁暫態(tài)仿真軟件EMTDC/PSCAD建立了含微型燃氣輪機、風力發(fā)電機、光伏電池等分布式電源的微電網(wǎng)模型及其控制模型，對微電網(wǎng)運行模式切換后功率變化、頻率穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性等運行情況進行仿真。實驗表明，上述規(guī)劃方法對工程實踐具有一定的指導作用。

關鍵詞：規(guī)劃；微電網(wǎng)；關鍵問題；PSCAD仿真

Abstract：Reasonable microgrid planning is the basic for the obtaining of benefit. Such key issues on microgrid planning as the load forecasting, access mode, voltage level and capacity, and grid structure are studied in this paper. By using the electromagnetic transient simulation software EMTDC/PSCAD, microgrid model with distributed generations that include microturbines, wind turbines and photovoltaic cells and its control model are built, and such cases as the power variation, frequency stability and voltage stability after switching operation modes are simulated. Experiments show that the proposed method has certain reference for engineering application.

Keywords：planning; microgrid; key issues; PSCAD simulation

作者簡介：

收稿日期：2014-03-25

文章編號：1007-2322(2015)01-0008-05

文獻標志碼：A

中圖分類號：TM743