戶用微能源網(wǎng)并網(wǎng)策略

劉軍成

(西安博宇電氣有限公司，陜西 西安 710065)

智能配電網(wǎng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比較，智能配電網(wǎng)首先要求能夠融合分布式電源的大量接入，使得原來的“無源”配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝性础迸潆娋W(wǎng)[1-4]。與此相應(yīng)，基于國家能源產(chǎn)業(yè)政策的不斷調(diào)整，大量分布式電源也廣泛分布于用戶側(cè)，使得傳統(tǒng)的用戶側(cè)純受電角色發(fā)生了本質(zhì)變化，導(dǎo)致嵌入智能配電網(wǎng)之中的戶用微能源網(wǎng)的逐步形成。

戶用微能源網(wǎng)是1種需求側(cè)源荷共存、多元(風(fēng)、光、儲、充、用)融合、供需互動、清潔低碳、安全高效的新型能源消費模式和現(xiàn)代能源體系，實現(xiàn)了高效配置的能源生產(chǎn)與消費目標(biāo)，更好地發(fā)揮了市場配置電力資源的決定性作用。本文就戶用微能源網(wǎng)并網(wǎng)事宜展開討論，以期實現(xiàn)1種即插即用的戶用微能源并網(wǎng)運行愿景。

1 戶用微能源網(wǎng)及其并網(wǎng)存在的問題

1.1 戶用微能源網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

戶用微能源網(wǎng)首先具有微電網(wǎng)(micro-grid)的諸多特征，是1個具有明確電氣邊界的多個分布式能源和負(fù)載互聯(lián)的微系統(tǒng)，但一般不作為單獨可控系統(tǒng)對待，需要長期并網(wǎng)運行以全部滿足負(fù)載正常用電的需求。這樣一種特征定義化簡了傳統(tǒng)微電網(wǎng)的復(fù)雜控制，便于各類分布式清潔電源在需求側(cè)的大面積應(yīng)用，僅需要關(guān)注戶用微能源網(wǎng)各類分布式電源的并網(wǎng)對電網(wǎng)運行的影響。戶用微能源網(wǎng)其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 戶用微能源網(wǎng)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 戶用微能源網(wǎng)并網(wǎng)要求

戶用微能源網(wǎng)的實質(zhì)是1種在需求側(cè)融合了各種分布式能源的微型電網(wǎng)，因此其并網(wǎng)約束與分布式電源、微網(wǎng)的約束類似。目前，無論是各類分布式電源還是傳統(tǒng)的微網(wǎng)并網(wǎng)，國內(nèi)外均進(jìn)行了多方面的研究，并制定了相應(yīng)的要求。例如IEC TS 62786:分布式電源并網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)[5]要求分布式電源并網(wǎng)點應(yīng)滿足相應(yīng)的電能質(zhì)量指標(biāo)要求；IEC TS 62898-1[6]微網(wǎng)設(shè)計導(dǎo)則要求并網(wǎng)點POC電能質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)滿足IEC TS 62749[7]相關(guān)要求。

與IEC相同，世界其他發(fā)達(dá)國家也相繼制定了分布式發(fā)電、微能源網(wǎng)并網(wǎng)的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，其中要求并網(wǎng)點滿足電能質(zhì)量指標(biāo)是并網(wǎng)的核心內(nèi)容，例如：IEEE P1547系列《分布式電網(wǎng)并網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)》(美國)；GB_Gridode_I3R31《分布式電源電網(wǎng)接入條件與運行導(dǎo)則》(英國)；JEAG9701-2005分布式電源系統(tǒng)連接電能質(zhì)量導(dǎo)則(日本)；VDEW 配網(wǎng)運行導(dǎo)則：分布式電源與低壓配網(wǎng)、中壓配網(wǎng)的連接(德國)；DEPU：風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則(丹麥)。

我國的分布式電源呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展之勢，無論是分布式電源并網(wǎng)還是微電網(wǎng)并網(wǎng)，均出臺了相關(guān)國家、行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。以380 V微能源網(wǎng)并網(wǎng)為例，GB/T 33589-2017對380 V電壓等級的微電網(wǎng)并網(wǎng)提出了如下技術(shù)要求[8]：

(1)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測。微電網(wǎng)并網(wǎng)后公共連接點的電能質(zhì)量水平應(yīng)滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)(諧波注入電流按照微電網(wǎng)與電網(wǎng)協(xié)議最大交換容量與公共連接點具有諧波源的設(shè)備總?cè)萘恐冗M(jìn)行分配)；

(2)其最大有功交換功率、有功功率變化率可遠(yuǎn)程或就地設(shè)定；功率因數(shù)應(yīng)在0.95(超前)～0.95(滯后)范圍內(nèi)可調(diào)；

(3)并網(wǎng)點電能質(zhì)量水平在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)、電網(wǎng)頻率在49.5～50.2 Hz情況下，微電網(wǎng)應(yīng)能正常并網(wǎng)運行。

分析上述國家標(biāo)準(zhǔn)對380 V電壓等級的微電網(wǎng)并網(wǎng)的技術(shù)要求可見：

(1)針對380 V電壓等級，其并網(wǎng)技術(shù)要求主要集中在并網(wǎng)后并網(wǎng)點電能質(zhì)量是否滿足要求，若滿足要求則并網(wǎng)運行，若不滿足要求則不允許并網(wǎng)(至于孤島運行與否實際上已經(jīng)與所并電網(wǎng)沒有了關(guān)系)；

(2)至于功率要求則類似于普通負(fù)載一樣，在擬定的功率及功率因數(shù)范圍即可。

分析可得出如下結(jié)論：380 V電壓等級的微電網(wǎng)并網(wǎng)與普通負(fù)荷用電沒有什么區(qū)別，完全滿足即插即用的便利化條件，即在協(xié)定的功率及功率因數(shù)范圍內(nèi)即插即用，前提是滿足電能質(zhì)量要求。

1.3 戶用微能源網(wǎng)并網(wǎng)存在的問題

目前包括中國在內(nèi)的世界各國及其國際、地區(qū)組織已基本完成分布式電源、微能源網(wǎng)并網(wǎng)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的研究制定，其中核心內(nèi)容是對并網(wǎng)點電能質(zhì)量指標(biāo)的要求，但未涉及實踐中如何操作來實現(xiàn)此目的。

實際上，微能源網(wǎng)及戶用微能源網(wǎng)作為1個整體，其電能質(zhì)量特征是比較復(fù)雜的。由于戶用微能源網(wǎng)集成了各類負(fù)載、各類分布式電源，因此其電能質(zhì)量特征也集成了此類電氣設(shè)備的共有綜合特征。一般來說，戶用微能源網(wǎng)電能質(zhì)量特征包括[9-13]：(1)穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量現(xiàn)象；(2)暫態(tài)電能質(zhì)量現(xiàn)象；(3)瞬態(tài)電能質(zhì)量現(xiàn)象。其中穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量現(xiàn)象均是GB/T 33589-2017并網(wǎng)所要求的，至于其他暫態(tài)、瞬態(tài)電能質(zhì)量現(xiàn)象涉及到戶用微電網(wǎng)各類電氣設(shè)備相關(guān)抗擾度能力，并不涉及到其并網(wǎng)約束。

2 戶用微能源網(wǎng)并網(wǎng)控制

2.1 并網(wǎng)控制策略

通過上述分析可見：戶用微能源網(wǎng)并網(wǎng)的關(guān)鍵是電能質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)督，可依據(jù)電能質(zhì)量指標(biāo)為判據(jù)實行對等控制以協(xié)調(diào)戶用微電網(wǎng)并網(wǎng)及各分布式電源的運行，但各分支路分布式電源的控制在時間上應(yīng)與并網(wǎng)裝置實現(xiàn)配合，如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)裝置控制

戶用微電網(wǎng)運行控制的核心思想是對等控制，時間配合。所謂對等控制不同于傳統(tǒng)的微電網(wǎng)對等控制，它是依據(jù)電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行的，并網(wǎng)裝置、戶用微網(wǎng)內(nèi)各分布式電源依據(jù)自身電能質(zhì)量監(jiān)測信息獨立控制并網(wǎng)點及各類分布式電源支路的開關(guān)；所謂時間配合即因電能質(zhì)量指標(biāo)而跳閘時各分布式電源優(yōu)先，并與并網(wǎng)裝置實現(xiàn)配合。上述控制策略實現(xiàn)了戶用微能源網(wǎng)的即插即用，保證了戶用微能源網(wǎng)、負(fù)載、所并配電網(wǎng)的安全可靠運行。

2.2 并網(wǎng)裝置主要功能

依據(jù)上述論述，要做到戶用微能源網(wǎng)的即插即用，其并網(wǎng)裝置應(yīng)該至少具備如下功能：

2.2.1 監(jiān)測功能

(1)電能質(zhì)量指標(biāo)監(jiān)測

并網(wǎng)裝置能夠監(jiān)測并網(wǎng)點的各類電能質(zhì)量指標(biāo)，并能夠根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超標(biāo)與否的評判；依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)包括：GB/T 12325、GB/T 12326、GB/T 14549、GB/T 24337 、GB/T 15543。

(2)其它電氣量監(jiān)測

包括功率交換量、功率因數(shù)等指標(biāo)。

2.2.2 控制功能

并網(wǎng)裝置能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策略控制戶用微能源網(wǎng)的并網(wǎng)與解列，包括計劃性并網(wǎng)或解列和非計劃性解列。

計劃性并網(wǎng)或解列包括：

(1)計劃性并網(wǎng)。首先，實現(xiàn)并網(wǎng)裝置投入，再依次投入戶用微能源網(wǎng)內(nèi)各類負(fù)荷和微能源電源。

(2)計劃性解列。先依據(jù)預(yù)定策略，依次斷開戶用微能源網(wǎng)內(nèi)的部分或全部電源、負(fù)載，再斷開并網(wǎng)裝置。

非計劃性解列依據(jù)預(yù)先設(shè)定的策略斷開并網(wǎng)裝置，并依次斷開戶用微能源網(wǎng)內(nèi)的部分或全部電源、負(fù)載，或依據(jù)預(yù)先設(shè)定的策略僅斷開預(yù)定的微能源，保證負(fù)荷持續(xù)用電。

(1)并網(wǎng)裝置接收到外部配電網(wǎng)異常信息(例如短路)或要求解列的指令；

(2)并網(wǎng)裝置監(jiān)測到并網(wǎng)點電能質(zhì)量指標(biāo)持續(xù)異常且持續(xù)時間超過閾值(采取對等控制，時間配合的策略)；

(3)微能源網(wǎng)內(nèi)部故障。

2.2.3 通信與信息

并網(wǎng)裝置配置必要的RS485、以太網(wǎng)及無線通信接口。

2.2.4 信息命令交互

并網(wǎng)裝置具有與戶用微能源網(wǎng)運營信息云平臺信息及命令交互的功能，包括：電能質(zhì)量測量數(shù)據(jù)，運行狀態(tài)信息，控制命令。

3 戶用微能源網(wǎng)并網(wǎng)裝置

滿足戶用微能源網(wǎng)的控制策略及其功能要求的并網(wǎng)裝置，能夠根據(jù)既定需求對并網(wǎng)點各類電能質(zhì)量參數(shù)、其他電氣量參數(shù)進(jìn)行全天候不間斷監(jiān)測，并根據(jù)并網(wǎng)控制策略要求對并網(wǎng)開關(guān)或戶用微電源支路進(jìn)行控制，保證電網(wǎng)及戶用微能源網(wǎng)的安全可靠運行，滿足并網(wǎng)點國家相關(guān)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的并網(wǎng)運行指標(biāo)，實現(xiàn)各類微能源的即插即用。

3.1 裝置結(jié)構(gòu)

以10 kV并網(wǎng)裝置為例，其外形尺寸見圖3，實物見圖4。裝置可依托墻面安裝，也可柱上安裝，柱上安裝應(yīng)用實例如圖5所示。并網(wǎng)裝置可控制柱上開關(guān)，其信號接線如圖6所示，具體含義見表1。

圖3 10 kV裝置外形尺寸

圖4 10 kV裝置實物照片

圖5 10 kV裝置桿體安裝實物

圖6 10 kV裝置航空插頭接線

表1 航空插頭各接線端子含義

3.2 運行實例簡介

圖7為實際運行的即插即用型微電網(wǎng)一次系統(tǒng)接線原理。并網(wǎng)電壓等級為380 V，戶用微能源網(wǎng)包括30 kW的光伏發(fā)電、5 kW的風(fēng)力發(fā)電、28.8 kW·h的儲能設(shè)備、交流充電樁及其他電能替代電氣設(shè)備。并網(wǎng)裝置實現(xiàn)了戶用微能源網(wǎng)的并網(wǎng)、隔離、控制、信息采集等功能。

圖7 即插即用型微能源網(wǎng)一次系統(tǒng)接線原理

4 結(jié) 論

本文提出的戶用微能源網(wǎng)概念能夠充分融合各類分布式電源在需求側(cè)的廣泛應(yīng)用。戶用微能源網(wǎng)并網(wǎng)以電能質(zhì)量為監(jiān)督指標(biāo)，可實現(xiàn)各類分布式電源的即插即用。對等控制，時間配合的原則是戶用微電網(wǎng)并網(wǎng)運行控制的核心思想。運行實踐表明本文提出的思路是可行的。