智能微電網(wǎng)在城市保底電網(wǎng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究

王雨潼 王 科

（1 華北電力大學(xué) 北京 100080 2 中國南方電網(wǎng)公司 廣東廣州 510530）

引言

隨著能源清潔轉(zhuǎn)型和能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)步，電力系統(tǒng)的形態(tài)正在發(fā)生轉(zhuǎn)變化，逐步由超高壓、大容量、集中式向新能源、分布式、低碳化方向轉(zhuǎn)變。另一方面，現(xiàn)代社會(huì)對電力的依賴性越來越強(qiáng)，自然災(zāi)害或外力破壞帶來的大面積停電的威脅與日俱增。

如何適應(yīng)新趨勢變化，找到二者的平衡點(diǎn)是當(dāng)前面臨的一個(gè)重要研究難題。本文從城市保底電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的需求出發(fā)，對在其中應(yīng)用當(dāng)前方興未艾的智能微電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的控制策略。

1 保底電網(wǎng)概念的提出和需求

保底電網(wǎng)是近年來電網(wǎng)公司為應(yīng)對臺風(fēng)、低溫、雨雪凝凍等自然災(zāi)害，強(qiáng)化安全底線，創(chuàng)新電網(wǎng)發(fā)展理念而提出來的，目的是在自然災(zāi)害來臨時(shí)能盡量能減小損失，災(zāi)后能能夠快速恢復(fù)[1]。保底電網(wǎng)以保障市政基本運(yùn)轉(zhuǎn)、盡量降低社會(huì)影響為出發(fā)點(diǎn)，以城市應(yīng)急指揮機(jī)構(gòu)、通信供水等核心基礎(chǔ)設(shè)施等為保障對象，選取重要變電站、重要線路和抗災(zāi)保障電源進(jìn)行差異化建設(shè)，形成保障指揮應(yīng)急機(jī)構(gòu)不停電、核心基礎(chǔ)設(shè)施可以快速復(fù)電的最小規(guī)模網(wǎng)架。在嚴(yán)重自然災(zāi)害情況下，保底電網(wǎng)可分為多個(gè)局部電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。

綜合防災(zāi)保障體系是城市保底電網(wǎng)規(guī)劃的核心。通過積極引導(dǎo)抗災(zāi)保障電源、用戶自備電源、應(yīng)急移動(dòng)電源等，推動(dòng)形成“大電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)支撐、抗災(zāi)保障電源分區(qū)分層自平衡運(yùn)行、用戶自備應(yīng)急電源兜底、應(yīng)急移動(dòng)電源補(bǔ)充”的綜合放在保障體系，從而有效提升城市保底電網(wǎng)供電的安全可靠性。

智能微電網(wǎng)是由負(fù)荷、分布式能源、儲能設(shè)備、電力電子器件、測量監(jiān)控及保護(hù)裝置等匯集而成的小型電力系統(tǒng)，能夠滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全的需求，既可并網(wǎng)運(yùn)行，也可孤島運(yùn)行。

面對臺風(fēng)等重大自然災(zāi)害時(shí)，微電網(wǎng)可充分發(fā)揮其智能、清潔、自治、可靠、靈活、互動(dòng)的特點(diǎn)，保障局部小電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為城市保底電網(wǎng)綜合防災(zāi)保障體系提供重要支撐。

2 微電網(wǎng)應(yīng)用于城市保底電網(wǎng)控制策略

2.1 控制需求

在自然災(zāi)害情況，整個(gè)外部大電網(wǎng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要微電網(wǎng)能對其供電區(qū)域的有功、無功進(jìn)行獨(dú)立控制，平滑的與外部電網(wǎng)并列和分離，并具有校正電壓跌落和系統(tǒng)不平衡的能力。在孤島運(yùn)行模式下，通過調(diào)節(jié)可控發(fā)電單元、儲能單元和需求側(cè)管理，平衡功率差額，維持電壓和頻率穩(wěn)定；在并網(wǎng)模式下，微電網(wǎng)和主網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行功率交換[2-4]。

2.2 關(guān)鍵控制策略

2.2.1 無縫切換控制

微電網(wǎng)的無縫切換技術(shù)可以提高其供電可靠性，當(dāng)外部電網(wǎng)故障時(shí)，仍可維持微電網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷的持續(xù)供電。若要實(shí)現(xiàn)無縫切換，需要具備以下技術(shù)條件：

（1）公共連接處有快速監(jiān)測微電網(wǎng)孤島的保護(hù)設(shè)備，并將模式切換命令快速發(fā)給相關(guān)控制設(shè)備；

（2）具備高抗擾動(dòng)能力的主電源設(shè)備；

（3）采用靜態(tài)電力電子雙向開關(guān)，開合時(shí)間小于10ms；

（4）分布式電源逆變裝置應(yīng)具備低電壓穿越能力；

（5）高速的通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2 運(yùn)行控制

微電網(wǎng)運(yùn)行控制策略包括恒PQ 控制、下垂控制和恒頻恒壓控制三種：

（1）恒PQ 控制?？刂品植际诫娫摧敵龅挠泄β屎蜔o功功率等于其參考功率，且不隨頻率、電壓變化而變化。參考功率可以是：①中央控制單位發(fā)出的計(jì)劃發(fā)電曲線；②根據(jù)平滑可再生能源功率波動(dòng)給出的參考值。

（2）下垂控制。模擬常規(guī)電網(wǎng)的一次調(diào)頻，主要有P-f，Q-U調(diào)差率方式和P-U，Q-f 反調(diào)差率控制方式。

（3）恒頻恒壓控制?？刂平尤朦c(diǎn)的頻率、電壓恒定，檢測量為接入點(diǎn)的頻率和電壓。

其中（1）用于并網(wǎng)模式，（2）、（3）用于離網(wǎng)模式。

2.3 仿真驗(yàn)證

本文采用Digslient 仿真軟件對提出的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，在5s 時(shí)微電網(wǎng)投入運(yùn)行，有功由0 增至500kW，在5.5 秒時(shí)發(fā)生三相短路故障，微電網(wǎng)公共連接點(diǎn)殘壓為0.25p.u.。微電網(wǎng)從并網(wǎng)PQ 控制狀態(tài)轉(zhuǎn)為離網(wǎng)VF 狀態(tài)，5.6 秒時(shí)轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)運(yùn)行，用時(shí)僅100ms 左右。接入點(diǎn)仿真波形如圖1 所示。

故障電流峰值為1.26p.u.，故障切除后功率恢復(fù)期間超調(diào)約為0。微電網(wǎng)主電源具備低電壓穿越能力后，只需很小的過流能力即可在電壓跌落時(shí)保持逆變器不脫網(wǎng)。

圖1 微電網(wǎng)PQ轉(zhuǎn)VF仿真波形

3 應(yīng)用案例

2018 年4 月，南方電網(wǎng)公司在廣州南沙投產(chǎn)城市中心區(qū)智能微電網(wǎng)項(xiàng)目，在臺風(fēng)自然災(zāi)害多發(fā)區(qū)域建成一個(gè)可實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)孤島長期運(yùn)行的微電網(wǎng)，其中光伏發(fā)電260kW、儲能系統(tǒng)1.5MWh、柴油發(fā)電機(jī)350kW。實(shí)現(xiàn)可再生能源100%消納，極端天氣外電中斷時(shí)，可保障用戶一周以上的供電。

項(xiàng)目利用本文提出的控制策略，實(shí)現(xiàn)了可再生能源100%消納，抵御自然災(zāi)害和極端天氣情況下核心負(fù)荷一周以上不間斷供電，并利用無縫控制策略可在災(zāi)后快速恢復(fù)重要負(fù)荷供電。同時(shí)項(xiàng)目具有黑啟動(dòng)能力，極大提高整個(gè)供電系統(tǒng)的安全性、可靠性和可控性，探索微電網(wǎng)在保底電網(wǎng)的示范應(yīng)用。

結(jié)語

為提高電網(wǎng)的防災(zāi)抗災(zāi)能力，保障自然災(zāi)害情況下重要用戶的穩(wěn)定供電，本文從保底電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)需求出發(fā)，提出將智能微電網(wǎng)應(yīng)用于保底電網(wǎng)，并提出了微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行情況下的無縫切換和運(yùn)行控制策略，可為各地保底電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)提供參考。