高速公路微電網(wǎng)研究

王希平楊建杜金彪

文章編號：1000033X（2016）12012805

收稿日期：20160522

基金項(xiàng)目：河南省交通廳重點(diǎn)項(xiàng)目（220024140173）

摘要：針對高速公路供電呈帶狀、供電距離長、負(fù)載耗電量小、地理位置分散等造成的供電難且費(fèi)用大的問題，介紹了微電網(wǎng)的概念及其特點(diǎn)，并對現(xiàn)有微電網(wǎng)的優(yōu)勢進(jìn)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(fēng)電互補(bǔ)設(shè)備、儲電設(shè)備、負(fù)載進(jìn)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(yùn)行模式下電源、負(fù)載、儲電池的運(yùn)行狀態(tài)，給出相應(yīng)的運(yùn)行策略。分析表明，高速公路微電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：高速公路；微電網(wǎng)；可再生能源；風(fēng)電互補(bǔ)設(shè)備

中圖分類號：U415.54文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)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(yán)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(shí)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(fēng)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(fēng)能和生物質(zhì)能，還有水能、地?zé)崮?。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(fēng)能和太陽能[34]，采用風(fēng)光互補(bǔ)的形式是高速公路供電的理想選擇。

高速公路負(fù)載具有距離長、區(qū)域跨度大、設(shè)備多、分布呈帶狀的特點(diǎn)，若采用傳統(tǒng)的集中式供電，勢必會導(dǎo)致能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)成本增加，而且還會造成一定的環(huán)境污染。近年來，以風(fēng)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(shí)，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(dòng)明顯，降低了電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[79]?！斗植际劫Y源與電力系統(tǒng)的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)》（IEEEP1547）規(guī)定，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，分布式電源需立即停止運(yùn)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?fù)?，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(dú)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(fù)載設(shè)備以及監(jiān)控和保護(hù)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(diǎn)與電網(wǎng)連接，具有獨(dú)立的自主調(diào)節(jié)、調(diào)度、管理和保護(hù)功能的小型發(fā)電、配電網(wǎng)絡(luò)，可獨(dú)立自治運(yùn)行（孤島運(yùn)行），也能與外網(wǎng)連接進(jìn)行取電和輸電（并網(wǎng)運(yùn)行）。

1.2MG的特點(diǎn)

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(gè)MG由一個(gè)或多個(gè)分布式能源、負(fù)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(shí)現(xiàn)正常運(yùn)作。它具有以下幾方面的優(yōu)勢。

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

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

（3）通過減少人工操作降低其復(fù)雜性并降低運(yùn)營成本。

（4）在邊遠(yuǎn)地區(qū)，降低負(fù)載供應(yīng)時(shí)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(gè)單一、可控的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)操作，如負(fù)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(fēng)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(fèi)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(fù)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(fēng)電設(shè)備輸出交流電的頻率具有隨機(jī)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(fù)載電流。除此之外，根據(jù)微電網(wǎng)實(shí)際情況需配備相應(yīng)的監(jiān)控及保護(hù)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(shí)序狀態(tài)模擬及可靠性分析

當(dāng)處于微電網(wǎng)孤島時(shí)，外電網(wǎng)脫離微電網(wǎng)系統(tǒng)，網(wǎng)內(nèi)負(fù)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(shí)序模擬分析孤島微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及負(fù)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(shí)段內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)及負(fù)載的可靠性。橫坐標(biāo)代表孤島運(yùn)行時(shí)間，縱坐標(biāo)為負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)；風(fēng)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(shí)段的輸出總功率、負(fù)載需求及儲能輸出。微電網(wǎng)全時(shí)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(shí)序狀態(tài)模擬

（1）風(fēng)電設(shè)備、光電設(shè)備、儲能設(shè)備均正常運(yùn)行。此時(shí)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(fù)載需求的比較進(jìn)行充放電，以保持功率供需平衡；若儲能放電仍不能滿足負(fù)載，即需進(jìn)行負(fù)載削減。如圖3時(shí)段1、2 所示。

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

（3）光電設(shè)備不運(yùn)行，風(fēng)電設(shè)備和儲能設(shè)備正常運(yùn)行。此時(shí)儲能設(shè)備平衡風(fēng)電設(shè)備的隨機(jī)性出力，共同對微電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)載供電，當(dāng)儲能設(shè)備無法滿足負(fù)載需求時(shí)則需要負(fù)載消減。如圖3時(shí)段5、6 所示。

（4）風(fēng)電設(shè)備、光電設(shè)備不運(yùn)行。此時(shí)主要依靠儲能設(shè)備放電，當(dāng)儲能設(shè)備無法滿足負(fù)載需求時(shí)則需要負(fù)載消減。如圖3時(shí)段7、8所示。

3.1.2負(fù)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(shí)，為確保剩余負(fù)載可以正常供電，通常采用負(fù)載削減的方法。本文采用的削減原則是基于負(fù)載分塊的思想，需考慮計(jì)及負(fù)載位置及重要程度，分析其與孤島可靠性之間的關(guān)系。因?yàn)椴⒎撬胸?fù)載都安裝著能夠隨時(shí)切斷負(fù)載電流的智能開關(guān)。所以，當(dāng)需要切斷負(fù)載時(shí)，以開關(guān)為邊界對負(fù)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(fù)載進(jìn)行分塊。

（2）根據(jù)負(fù)載位置及重要程度來定義負(fù)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(fù)載的重要程度系數(shù)；LCn為第n個(gè)負(fù)載點(diǎn)的重要程度因子；βi為第i塊負(fù)載的位置削減系數(shù)；dn為第n個(gè)負(fù)載點(diǎn)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(fù)載點(diǎn)電氣距離為1。ILi為考慮負(fù)載位置與重要程度因素后，第i塊負(fù)載的削減系數(shù)，其值越小，表示越優(yōu)先削減該負(fù)載塊。

3.1.3強(qiáng)制放電策略

在孤島模式下，當(dāng)輸出功率大于負(fù)載需求時(shí)，儲能設(shè)備充電。當(dāng)儲能裝置已達(dá)到飽和狀態(tài)，需要對其進(jìn)行強(qiáng)制放電策略，以保證設(shè)備的正常運(yùn)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(yùn)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(jī)交換界面刷卡進(jìn)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(fù)載分合方可閉合，實(shí)現(xiàn)對插座供電；漏電保護(hù)裝置應(yīng)該安裝在供電電纜進(jìn)側(cè)，當(dāng)IT系統(tǒng)配電線路接地線時(shí)，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(shí)序狀態(tài)模擬及可靠性分析

微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，與外電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接，微電網(wǎng)通過與外電網(wǎng)的功率交換實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)功率的平衡。本節(jié)通過全時(shí)序模擬分析并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，假設(shè)內(nèi)部負(fù)載都處于正常運(yùn)行狀態(tài)，負(fù)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(shí)段內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)及負(fù)載的可靠性。橫坐標(biāo)代表并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間，縱坐標(biāo)為元件狀態(tài)：風(fēng)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(shí)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(shí)序狀態(tài)模擬

（1）風(fēng)光設(shè)備正常運(yùn)行，輸出功率無法滿足負(fù)載要求時(shí)，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(jìn)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(shí)段1、2所示。

（2）風(fēng)光設(shè)備正常運(yùn)行，輸出功率滿足負(fù)載要求，并向外電網(wǎng)輸出功率，儲電池根據(jù)風(fēng)電設(shè)備向外電網(wǎng)輸出功率的大小進(jìn)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(shí)段3、4所示。

（3）風(fēng)光設(shè)備不運(yùn)行，微電網(wǎng)主要由外網(wǎng)對負(fù)載進(jìn)行供電，儲電設(shè)備根據(jù)外網(wǎng)輸出功率大小進(jìn)行充放電，使外網(wǎng)輸出功率平衡。如圖4時(shí)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(shí)，有能力補(bǔ)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(shí)際情況確定蓄電池的充放電標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)SOC（State of Charge，荷電狀態(tài)）大于80%時(shí)，對蓄電池進(jìn)行強(qiáng)制放電；當(dāng)SOC小于80%時(shí)，通過外網(wǎng)對蓄電池進(jìn)行充電操作；當(dāng)SOC等于80%時(shí)，停止充放電操作。

4結(jié)語

高速公路微電網(wǎng)運(yùn)行方式靈活，可根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)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(yùn)行的可靠性和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)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(fù)載進(jìn)行供電。微電網(wǎng)在環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性方面都有其優(yōu)勢。根據(jù)高速公路自身的特點(diǎn)，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(jì)、環(huán)境保護(hù)等方面帶來巨大的效益。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]

（第33卷卷終）