基于IEC61850的微網(wǎng)控制技術(shù)研究

周虎

摘 要：作為大電網(wǎng)的有效補充和分布式能源的有效利用形式，微網(wǎng)已經(jīng)引起各國學(xué)者的廣泛關(guān)注，并且國家也從政策層面給予扶持。然而分布式能源大多經(jīng)過電力電子設(shè)備接口并入電網(wǎng)，不僅慣性小而且具有隨機性、波動性等特點，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來新的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合公司實際運行的光儲微網(wǎng)系統(tǒng)，研究了微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、能量管理系統(tǒng)以及經(jīng)濟運行策略。就地控制保護層負責(zé)微電網(wǎng)分布式電源的調(diào)節(jié)、儲能充放電控制、負荷控制和就地保護;微網(wǎng)中央控制層集中管理分布式電源和負荷，執(zhí)行調(diào)度層下發(fā)的指令;微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化管理層由SCADA監(jiān)控系統(tǒng)和能效管理系統(tǒng)組成，實現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控和經(jīng)濟運行。

關(guān)鍵詞： 微網(wǎng);協(xié)調(diào)控制;經(jīng)濟運行;IEC61850

近年來可再生和綠色分布式發(fā)電系統(tǒng)滲透率不斷提高，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源出力的強間歇性、隨機性和弱支撐性的特點，其動態(tài)特性給微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來較大影響，促使發(fā)電方式、輸配電方式和電能使用方式出現(xiàn)新的變革。微網(wǎng)是分布式電源的有效組織形式，因此針對微網(wǎng)穩(wěn)定性問題得到了廣泛的關(guān)注和研究。為應(yīng)對微網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展，全面深入揭示微電網(wǎng)的運行機制，微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性分析方法方面亟待進一步探討與研究。本文針對微網(wǎng)大規(guī)模發(fā)展的背景下，對近年來國內(nèi)外微網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性技術(shù)進行研究，結(jié)合公司運行的光儲微網(wǎng)提出分層控制方法，并開發(fā)出一套完整的微網(wǎng)控制系統(tǒng)，實踐表明本系統(tǒng)可以提高微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，對于在其他微網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用以及后續(xù)微網(wǎng)控制系統(tǒng)的研究有重要的借鑒意義和指導(dǎo)意義。

一、微網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、微網(wǎng)概念

微網(wǎng)是由分布式發(fā)電、用電負荷、監(jiān)控、保護和自動化裝置等組成，是一個能夠基本實現(xiàn)內(nèi)部電力電量平衡的小型供用電系統(tǒng)。微網(wǎng)分為并網(wǎng)型微網(wǎng)和離網(wǎng)型微網(wǎng)。一般通過單點接入大電網(wǎng)，即從電網(wǎng)端看進去微網(wǎng)是一個可控發(fā)電單元或者負荷。獨立運行時一般需要儲能設(shè)備來達到能量瞬間平衡，儲能裝置是維持系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定必不可少的設(shè)備。微網(wǎng)一般接入多種分布式能源，實現(xiàn)多能互補，能源高效利用、 滿足用戶多種能源需求、提高供電可靠性等目的。

2、微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)是規(guī)模較小的分散的獨立系統(tǒng)，它采用了大量的現(xiàn)代電力技術(shù)，將燃氣輪機、風(fēng)電、光伏發(fā)電，燃料電池，儲能設(shè)備等并在一起，直接接在用戶側(cè)。對于大電網(wǎng)來說，微電網(wǎng)可被視為電網(wǎng)中的一個可控單元，它可以在數(shù)秒鐘內(nèi)動作以滿足外部輸配電網(wǎng)絡(luò)的需求;對用戶來說，微網(wǎng)可以滿足他們特定的需求，如增加本地可靠性、降低饋線損耗、保持本地電壓穩(wěn)定、通過利用余熱提高能量利用的效率及提供不間斷電源等。

3 光伏發(fā)電原理簡介

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)通過光伏電池組件將太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能，不經(jīng)過蓄電池儲能，直接通過并網(wǎng)逆變器，把電能送上電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)。它主要由光伏電池方陣、匯流箱、并網(wǎng)逆變器、直流控制柜、交流控制柜等部分組成。白天有日照時，光伏電池方陣發(fā)出的電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器將電能直接輸送到交流電網(wǎng)上，或?qū)⑻柲芩l(fā)出的電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器直接為交流負載供電。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有陽光時就發(fā)電，無陽光時就停止，所發(fā)的電能通過并網(wǎng)逆變器直接分配到負載上，發(fā)電量不足部分由市電電網(wǎng)直接進行補充。

4儲能系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)是微網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，是電能的存儲機構(gòu)。儲能的主要作用是谷電峰用，調(diào)節(jié)電能質(zhì)量，平滑出力保證微網(wǎng)供電的穩(wěn)定性。儲能系統(tǒng)主要由儲能電池本體、儲能電池管理系統(tǒng)、儲能雙向變流器和隔離變壓器構(gòu)成。

（1）儲能電池系統(tǒng)具備的主要功能：恒電流充放電、恒功率充放電、變電流充放電、變功率充放電、實時響應(yīng)中央監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度、漏電監(jiān)測。

（2）儲能電池管理系統(tǒng)（BMS）

儲能電池管理系統(tǒng)（BMS）對電池系統(tǒng)的運行參數(shù)進行監(jiān)測，有效地監(jiān)控電池狀態(tài)，對電池組充放電過程進行安全管理，對可能出現(xiàn)的故障進行報警并保護其本體，對電池系統(tǒng)的運行進行優(yōu)化控制，保證電池安全、可靠、穩(wěn)定的運行。

二、微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

1、就地控制保護層

就地控制保護層負責(zé)微網(wǎng)各分布式電源調(diào)節(jié)、儲能充放電控制、負荷控制和就地保護，通過就地保護設(shè)備和變流器/逆變器實現(xiàn)頻率和電壓的一次調(diào)節(jié)，就地控制保護層完成微網(wǎng)的故障快速保護，實現(xiàn)微網(wǎng)故障的快速“自愈”。

2、中央?yún)f(xié)調(diào)控制層

微網(wǎng)中央?yún)f(xié)調(diào)控制層集中管理分布式電源和負荷，執(zhí)行調(diào)度層下發(fā)的指令，在微網(wǎng)并網(wǎng)運行時實現(xiàn)微網(wǎng)的經(jīng)濟運行，在離網(wǎng)運行時調(diào)節(jié)分布式電源出力和負荷實現(xiàn)微網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。孤島檢測采取主動檢測和被動檢測相結(jié)合的方式，當(dāng)因大電網(wǎng)故障微電網(wǎng)形成孤島時，中央?yún)f(xié)調(diào)控制層可以快速檢測到孤島，避免影響上一級電網(wǎng)自動化裝置動作邏輯。中央?yún)f(xié)調(diào)控制層實現(xiàn)微網(wǎng)的二次調(diào)頻調(diào)壓功能，保證微電網(wǎng)的經(jīng)濟穩(wěn)定運行。

3、調(diào)度優(yōu)化管理層

微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化管理層由SCADA監(jiān)控系統(tǒng)和能效管理系統(tǒng)組成。

（1）SCADA監(jiān)控功能

功能主要包括：微網(wǎng)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)存儲、web信息發(fā)布、計劃并離網(wǎng)模式切換，黑啟動，信息告警。

（2）能效管理單元功能

功能主要包括：分布式電源出力與負荷預(yù)測、為儲能設(shè)備建立合理的充、放電管理策略、提供微網(wǎng)系統(tǒng)故障情況下孤島運行與重合閘的邏輯與控制方法、優(yōu)化控制微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)冷、熱、電負荷。

三、微網(wǎng)穩(wěn)定

在并網(wǎng)模式下，儲能帶光伏的系統(tǒng)負荷可以由內(nèi)部微源或外部市電供電。無論有沒有本地微源支持的電網(wǎng)饋線都可以為負荷供電，因此在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)運行條件下，都可以得到合適的系統(tǒng)運行狀態(tài)。在離網(wǎng)運行模式里，儲能和光伏共同提供可用功率，其中儲能作為支撐電源，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，光伏工作于MPPT模式。當(dāng)光伏出力大于負荷用電時，多余的電能通過儲能系統(tǒng)儲存;當(dāng)光伏出力小于負荷用電時，通過儲能補償缺額。

四、微網(wǎng)控制系統(tǒng)工程應(yīng)用

1、離網(wǎng)型運行控制策略：

（1）管理儲能充放電策略，最大化利用光伏出力。

（2）穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓。

（3）有功功率、無功功率實時調(diào)度和低電壓穿越能力。

（4）事件記錄、故障錄波、電能質(zhì)量分析、過負荷聯(lián)切等。

（5）能效分析功能，優(yōu)化用能。

（6）能量平衡，保證發(fā)電、用電的功率平衡。

（7）短路保護。

2、并網(wǎng)型運行控制策略：

（1）管理儲能充放電策略，最大化利用光伏出力。

（2）能效分析功能，優(yōu)化用能。

（3）并離網(wǎng)無縫切換。

（4）短路保護功能。

（5）策略仿真功能。能夠在線仿真不同工況下策略調(diào)度算法。

結(jié)論：

離網(wǎng)模式運行時，負荷需求完全由系統(tǒng)內(nèi)部微源和儲能裝置供應(yīng)，在光伏電池盡力發(fā)電以滿足負荷需求的基礎(chǔ)上，經(jīng)濟調(diào)度儲能裝置來滿足剩余電負荷需求。當(dāng)負荷需求無法得到滿足時，可考慮根據(jù)關(guān)鍵負荷的重要程度，從低到高依次切除負荷，維持系統(tǒng)電能的供需平衡。

參考文獻

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