海島智能微電網(wǎng)實(shí)用分析

文/王大龍

0 引言

本文根據(jù)海島智能微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，介紹了含儲能及多類型電源的萬千瓦級孤立海島微電網(wǎng)的應(yīng)用情況，提出了多類型電源海島孤立微電網(wǎng)的系統(tǒng)級協(xié)同控制方法，突破了孤網(wǎng)狀態(tài)下柴/儲協(xié)同頻率控制及主電源間無縫切換的難點(diǎn)。海島微電網(wǎng)配置的蓄電池儲能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中重要負(fù)荷備用、存儲盈余可再生能源出力和保證電能質(zhì)量，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，起到了很好的技術(shù)示范作用。

1 系統(tǒng)概況

桂山島智能微電網(wǎng)（以下簡稱微電網(wǎng)）位于珠海市萬山區(qū)桂山鎮(zhèn)，是國內(nèi)首個(gè)海島型10kV風(fēng)柴儲微電網(wǎng)示范項(xiàng)目。微電網(wǎng)系統(tǒng)配備了微電網(wǎng)智能一體化系統(tǒng)，主要有微電網(wǎng)監(jiān)控、微電網(wǎng)管理、保護(hù)信息監(jiān)視、配網(wǎng)自動(dòng)化、智能計(jì)量、智能用電、視頻及環(huán)境監(jiān)控、綜合能量管理等功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)海島微電網(wǎng)運(yùn)行期間多電源間負(fù)荷平衡及頻率和電壓的穩(wěn)定控制。桂山島微電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)（以下簡稱桂山島項(xiàng)目）的規(guī)模情況如表1所示。

表1 桂山島微電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模明細(xì)

微電網(wǎng)目前是采取孤網(wǎng)運(yùn)行方式，根據(jù)海島電網(wǎng)的功能定位，系統(tǒng)以柴油機(jī)發(fā)電、風(fēng)機(jī)發(fā)電和儲能電池等微源就地提供電力。其中，3臺柴油發(fā)電機(jī)/儲能系統(tǒng)均可作為孤網(wǎng)運(yùn)行的主電源，配備的儲能系統(tǒng)可為主電源做無縫切換及削峰填谷。微電網(wǎng)電氣一次接線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 桂山島智能微電網(wǎng)電氣一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 微電網(wǎng)儲能實(shí)際應(yīng)用

2.1 微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行儲能主電源切換應(yīng)用測試

桂山島項(xiàng)目離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)存在柴油發(fā)電機(jī)和儲能系統(tǒng)分別做主電源兩種情況，且需要因應(yīng)不同環(huán)境條件進(jìn)行切換，因此須進(jìn)行離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下不同負(fù)荷水平以及風(fēng)況下的主電源切換測試。

微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行在離網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制模式下，將儲能系統(tǒng)設(shè)置為主電源，此時(shí)將試驗(yàn)負(fù)載調(diào)整為800kW，投入微網(wǎng)一體化系統(tǒng)主電源切換軟壓板，將主電源從儲能系統(tǒng)切換至柴油發(fā)電機(jī)。

微電網(wǎng)主電源柴轉(zhuǎn)儲、儲轉(zhuǎn)柴切換策略測試中，儲能系統(tǒng)電壓信號、電流信號均采集于 611 間隔，風(fēng)機(jī)電壓信號、電流信號均采集于 612 間隔，柴發(fā)電壓信號采集于 61PT 間隔、電流信號采集于 623 間隔。測試主要在高風(fēng)速（大于 10m/s）情況以及負(fù)載在400kW、600kW、800kW、1000kW 工況下，微電網(wǎng)主電源切換的響應(yīng)情況，測試實(shí)驗(yàn)波形見圖2～圖7所示。

圖2 負(fù)載1000kW 下儲能轉(zhuǎn)柴發(fā)再轉(zhuǎn)儲能主電源切換實(shí)驗(yàn)柴發(fā)波形

圖3 負(fù)載 1000kW 下儲能轉(zhuǎn)柴發(fā)再轉(zhuǎn)儲能主電源切換實(shí)驗(yàn)柴發(fā)頻率波形

圖 4 負(fù)載 1000kW 下儲能轉(zhuǎn)柴發(fā)再轉(zhuǎn)儲能主電源切換實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)波形

圖5 負(fù)載 1000kW 下儲能轉(zhuǎn)柴發(fā)再轉(zhuǎn)儲能主電源切換實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)頻率波形

圖6 負(fù)載 1000kW 下儲能轉(zhuǎn)柴發(fā)再轉(zhuǎn)儲能主電源切換實(shí)驗(yàn)儲能波形

圖7 負(fù)載 1000kW 下儲能轉(zhuǎn)柴發(fā)再轉(zhuǎn)儲能主電源切換實(shí)驗(yàn)儲能波形

2.2 微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行儲能緊急調(diào)頻調(diào)壓功能測試

微電網(wǎng)正常運(yùn)行過程中，系統(tǒng)頻率或電壓突變越過儲能緊急調(diào)頻/調(diào)壓限值一定時(shí)間，驗(yàn)證微電網(wǎng)儲能緊急調(diào)頻/調(diào)壓策略的動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作指令的正確性以及儲能緊急調(diào)頻/調(diào)壓后釋放調(diào)頻、調(diào)壓有功/無功功率邏輯的正確性。

（1）設(shè)定微電網(wǎng)頻率緊急動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制區(qū)間（49.0Hz～49.7Hz）（50.3Hz～51.0Hz），即FreqH 為50.5Hz，F(xiàn)reqmax 為51.0Hz，F(xiàn)reqL 為49.5Hz，F(xiàn)req min為49.0Hz；VH 為10.5kV，Vmax為11.0kV；VL為9.5kV，Vmin為9.0kV。試驗(yàn)結(jié)束后恢復(fù)默認(rèn)值。

（2）設(shè)定儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)量dP=k(f-f0)，其中k=250，f0=50Hz，試驗(yàn)結(jié)束后恢復(fù)默認(rèn)值。

（3）MGCC儲能系統(tǒng)緊急調(diào)頻動(dòng)作延時(shí)由原系統(tǒng)默認(rèn)值改為200ms。

（4）緊急調(diào)頻記錄。儲能緊急調(diào)頻記錄如表2所示，儲能緊急調(diào)頻狀態(tài)量序列及有功波形輸出分別如圖8、圖9所示。

表2 儲能緊急調(diào)頻記錄

圖8 儲能緊急調(diào)頻狀態(tài)量序列

圖9 儲能緊急調(diào)頻有功輸出波形

（5）緊急調(diào)壓記錄。儲能緊急調(diào)壓記錄如表3所示，轉(zhuǎn)態(tài)量序列和對應(yīng)的無功響應(yīng)波形分別如圖10、圖11所示。

表3 儲能緊急調(diào)壓記錄

圖10 儲能緊急調(diào)壓狀態(tài)量序列

圖11 儲能緊急調(diào)壓狀態(tài)量序列的無功響應(yīng)

（6）緊急調(diào)頻調(diào)壓記錄。儲能緊急調(diào)頻調(diào)壓記錄如表4所示，狀態(tài)量序列以及對應(yīng)的有功、無功波形分別如圖12、圖13所示。

表4 儲能緊急調(diào)頻調(diào)壓記錄

圖12 儲能緊急調(diào)頻調(diào)壓狀態(tài)量序列

圖13 儲能緊急調(diào)頻調(diào)壓狀態(tài)量序列對應(yīng)波形

3 微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行儲能系統(tǒng)應(yīng)用測試小結(jié)

微電網(wǎng)儲能主電源切換和緊急調(diào)頻調(diào)壓測試的結(jié)果表明：在微電網(wǎng)中央控制器下達(dá)主電源切換指令后，根據(jù)運(yùn)行工況，風(fēng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和儲能系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的投切動(dòng)作，配合完成主電源切換。從負(fù)載為1000kW的測試結(jié)果波形可以看出，在負(fù)荷較高的情況下，微電網(wǎng)主電源由柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)儲能系統(tǒng)的過程中，系統(tǒng)電壓波動(dòng)較大；由儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)柴油發(fā)電機(jī)的過程中，系統(tǒng)頻率波動(dòng)較大；但最終電壓和頻率都能在主電源的調(diào)節(jié)下，穩(wěn)定在額定值附近。當(dāng)負(fù)荷較小時(shí)，系統(tǒng)的電壓、頻率波動(dòng)相對小，且能在主電源的調(diào)節(jié)作用下，更快地穩(wěn)定在額定值附近。當(dāng)系統(tǒng)頻率和電壓偏離額定值的工況，微電網(wǎng)中央控制器在檢測到系統(tǒng)頻率高時(shí)，會(huì)減少有功出力（或增加充電功率）；檢測到系統(tǒng)頻率低時(shí)，會(huì)增加有功出力（或減少充電功率），使系統(tǒng)頻率回到正常范圍。微電網(wǎng)中央控制器在檢測到系統(tǒng)電壓高時(shí)，會(huì)減少無功出力（或增加無功充電功率）；檢測到系統(tǒng)頻率低時(shí)，會(huì)增加無功出力（或減少無功充電功率），使系統(tǒng)電壓回到正常范圍。此次實(shí)驗(yàn)為微電網(wǎng)的發(fā)展和儲能系統(tǒng)的應(yīng)用提供示范，也為海島的供電模式提供了借鑒，在海島的供電模式及投資方向上給出了可實(shí)用的建設(shè)模型。