智能微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究

張冬卉

（鐵法煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 鐵嶺 112700）

0 前言

現(xiàn)階段基于社會(huì)生產(chǎn)力的不斷提升，對(duì)能源供應(yīng)的需求量也大幅增加。并且在現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)中，煤炭仍是主要的燃料之一。因此煤炭開(kāi)采活動(dòng)越來(lái)越頻繁，相關(guān)技術(shù)得到一定的發(fā)展。而從煤炭企業(yè)的角度出發(fā)，在從事生產(chǎn)活動(dòng)時(shí)，其本身也需要大量的能源，用于支撐各項(xiàng)作業(yè)。根據(jù)我國(guó)當(dāng)前生態(tài)文明建設(shè)以及綠色施工的要求，應(yīng)當(dāng)在礦區(qū)內(nèi)注重對(duì)電能的清潔應(yīng)用。近年來(lái)，多數(shù)煤炭企業(yè)紛紛利用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行供電，以減少對(duì)環(huán)境的污染，并提高安全性和可靠性。同時(shí)為保證其有效運(yùn)行，則采用智能微電網(wǎng)技術(shù)，改善以往負(fù)荷增長(zhǎng)的狀況，在各種惡劣天氣下仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、持續(xù)性供電，避免發(fā)生大面積停電事故。因此相關(guān)企業(yè)需要充分把握智能微電網(wǎng)的運(yùn)行和控制等關(guān)鍵技術(shù)。

1 智能微電網(wǎng)技術(shù)概述

1.1 智能微電網(wǎng)的組成

微電網(wǎng)一般是由分布式電源、儲(chǔ)能裝置以及能源轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控以及保護(hù)等裝置共同組成的小型配電系統(tǒng)。其應(yīng)用目的是提高分布式電源的靈活性和高效性，解決傳統(tǒng)大電力網(wǎng)存在的電源不穩(wěn)、輸電安全性低等問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)智能微電網(wǎng)的控制，可對(duì)整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中控制，無(wú)須利用分布式的就地控制器，使用常規(guī)的量測(cè)裝置通過(guò)快速通信通道與就地控制器進(jìn)行聯(lián)系，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式電源和負(fù)荷的暫態(tài)控制，集中開(kāi)展能量管理，使系統(tǒng)穩(wěn)定安全地運(yùn)行。另外一方面，智能微電網(wǎng)實(shí)際上具有自我控制、保護(hù)和管理的系統(tǒng)功能，可通過(guò)自身控制管理保證功率平衡、優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行故障檢測(cè)并保護(hù)，最大限度地規(guī)避斷電風(fēng)險(xiǎn)[1]。

1.2 智能微電網(wǎng)的研究動(dòng)態(tài)

當(dāng)前對(duì)智能微電網(wǎng)的研究越來(lái)越豐富，在世界范圍內(nèi)具有一定的突破性進(jìn)展。例如在美國(guó)的研究過(guò)程中，其主要是針對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、控制和保護(hù)性進(jìn)行探究，通過(guò)建立“曼德瑞沃”微電網(wǎng)項(xiàng)目，建立相應(yīng)的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析。據(jù)此制定了微電網(wǎng)的管理?xiàng)l例，并深入探究孤島運(yùn)行模式，為我國(guó)的研究提供了良好的借鑒，有效改善用戶側(cè)供電的可靠性。再例如日本對(duì)微電網(wǎng)的研究，主要是結(jié)合新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)，進(jìn)一步加大分布式發(fā)電和可再生能源的利用，采取集合控制和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方式，實(shí)現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)綜合應(yīng)用，為大規(guī)模建設(shè)獨(dú)立可再生電源系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我國(guó)通過(guò)借鑒這一研究成果，有利于為可再生能源接入大電網(wǎng)提供成功經(jīng)驗(yàn)。另外歐盟對(duì)智能微電網(wǎng)的探索，則是以可接入性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性為基本原則，以實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)負(fù)荷管理為目標(biāo)，開(kāi)展光伏發(fā)電接入微電網(wǎng)的試驗(yàn)研究，為我國(guó)建立光伏發(fā)電矩陣模型以及蓄電池能源模型提供了良好的借鑒。綜合國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的智能微電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)我國(guó)目前與其仍存在較大的差距，為充分保證微電網(wǎng)的智能化應(yīng)用，我國(guó)還須強(qiáng)化技術(shù)和策略研究。

2 智能微電網(wǎng)運(yùn)行與控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 微電網(wǎng)主要運(yùn)行方式

在實(shí)際運(yùn)用智能微電網(wǎng)時(shí)，其一般包括2種運(yùn)行模式，一種是與大電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)連接運(yùn)行，另一種則是與電網(wǎng)斷開(kāi)開(kāi)展孤網(wǎng)運(yùn)行。當(dāng)前比較常見(jiàn)的運(yùn)行方式，則是以并網(wǎng)為主，微電網(wǎng)可以與大電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，或者是將多余電能順利反饋到大電網(wǎng)或由大電網(wǎng)，補(bǔ)充微電網(wǎng)的發(fā)電量等。而如果系統(tǒng)檢測(cè)到主網(wǎng)出現(xiàn)運(yùn)行故障，或電能質(zhì)量不符合煤炭企業(yè)的用電需求時(shí)，即可將微電網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開(kāi)，進(jìn)而形成孤島運(yùn)行。通過(guò)該方式，由微電網(wǎng)中的分布式發(fā)電（DG）進(jìn)行供電，可為企業(yè)提供持續(xù)性的、可靠的供電服務(wù)[2]。

并且在不同的運(yùn)行方式下，微電網(wǎng)會(huì)呈現(xiàn)出不同的特性。例如在并網(wǎng)運(yùn)行條件下，利用公共連接點(diǎn)保證微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)與外部電網(wǎng)進(jìn)行功率交換。此時(shí)當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部的分布式電源發(fā)電量較小時(shí)，則可從外部獲取補(bǔ)充電能。而當(dāng)分布式發(fā)電量超過(guò)負(fù)荷需求時(shí)，則會(huì)將多余電能反饋到大電網(wǎng)中。因此，對(duì)智能微電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)綜合考慮電力市場(chǎng)的規(guī)律，對(duì)分布式電源進(jìn)行靈活控制，以此降低電能消耗成本。當(dāng)采用孤網(wǎng)運(yùn)行方式時(shí)，如果大電網(wǎng)出現(xiàn)故障或質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)不符，可實(shí)施計(jì)劃外的孤網(wǎng)運(yùn)行模式，由DG承擔(dān)全部的微電網(wǎng)負(fù)荷，有助于保障供電安全和平穩(wěn)。而微電網(wǎng)主動(dòng)與外部大電網(wǎng)進(jìn)行分離，其可實(shí)現(xiàn)計(jì)劃內(nèi)的孤網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，具有良好的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2 微電源控制方法

在煤炭企業(yè)建設(shè)智能微電網(wǎng)時(shí)，需要針對(duì)并網(wǎng)和孤網(wǎng)2種運(yùn)行方式，采取相對(duì)應(yīng)的控制策略。而對(duì)微電源的控制，則是由發(fā)電裝置類型所決定的。通常情況下，包括如下3種控制方法。

2.2.1 針對(duì)分布式電源運(yùn)用恒定功率控制方法

利用PQ控制原理將分布式電源的有功功率和無(wú)功功率的輸出值等同于參考功率，通過(guò)對(duì)頻率下垂曲線的調(diào)整，可保證有功功率在參考值范圍內(nèi)。如圖1所示，分布式電源出口電壓為額定值，此時(shí)系統(tǒng)頻率為50 Hz，電源處于B點(diǎn)運(yùn)行。圖中的Pref和Qref為電源輸出的有功和無(wú)功功率。當(dāng)頻率增加到51Hz時(shí)，電壓幅增大到額定值的1.1倍，且電源運(yùn)行到A點(diǎn)，其輸出的有功和無(wú)功功率未發(fā)生變化。當(dāng)頻率降低到50 Hz時(shí)，電源出口的電壓幅值減小到額定值的1.0倍，并由B點(diǎn)運(yùn)行到C點(diǎn)，其輸出的有功和無(wú)功功率仍沒(méi)有變化[3]。

圖1 智能微電網(wǎng)的PQ控制原理

2.2.2 下垂控制方法

其首先是對(duì)有功電壓和無(wú)功頻率進(jìn)行解耦，按照下垂特性曲線來(lái)合理調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓和頻率。根據(jù)下垂控制的原理，可利用分布式電源無(wú)功功率輸出和電壓幅值開(kāi)展控制操作，基于無(wú)通信控制將電壓和頻率與參考值的差值，作為下垂控制的輸入，并按照不同電壓等級(jí)下的線路電抗值特性，選擇適當(dāng)?shù)南麓箍刂拼胧趯?shí)際工作中可借助PI調(diào)節(jié)器對(duì)分布式電源的電壓和頻率等進(jìn)行調(diào)控。

2.2.3 恒壓恒頻控制方法

針對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)盡可能保證微電網(wǎng)提供的電網(wǎng)和頻率平穩(wěn)。因此應(yīng)當(dāng)注重快速跟蹤負(fù)荷發(fā)生的變化。主要控制方法是設(shè)定合理的電壓和頻率參考值，實(shí)時(shí)對(duì)輸出的2項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行做差，在PI調(diào)節(jié)器的作用下可使電壓與頻率的穩(wěn)定、可靠。

2.3 智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制模式

按照智能微電網(wǎng)的典型運(yùn)行方式，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制應(yīng)當(dāng)結(jié)合其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，采取適當(dāng)?shù)恼w控制策略。主要包括以下幾種模式。

2.3.1 主從控制模式

當(dāng)智能微電網(wǎng)實(shí)行孤網(wǎng)運(yùn)行方式時(shí)，對(duì)電源或儲(chǔ)能裝置應(yīng)用恒壓恒頻控制方法，可向微電網(wǎng)中的其他電源提供相應(yīng)的電壓及頻率參考值，主要適用于PQ控制模式。其中對(duì)恒壓恒頻控制的電源及儲(chǔ)能裝置，則可作為主控制器，其他為從控制器。通常是主控器決定各個(gè)從控制器的運(yùn)行方式。按照主控制器的數(shù)量，又可分為單主從以及多主從等形式。如在煤炭企業(yè)中進(jìn)行并網(wǎng)運(yùn)行，則可采用PQ控制，對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)主控制器采用恒壓恒頻控制，其他微電源則以PQ控制為主，確保在各種工作條件下保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。同時(shí)，由于系統(tǒng)電壓及頻率是由主控器進(jìn)行控制，所以其單元應(yīng)當(dāng)保證具有一定的儲(chǔ)備容量，保證微電源的可控輸出。在此基礎(chǔ)上，對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行模式下，微電網(wǎng)的從控制單元，可使用PQ控制方法，并利用主控單元的DG調(diào)節(jié)負(fù)荷變化情況，確保功率輸出在相應(yīng)范圍內(nèi)具有可控性[4]。

2.3.2 對(duì)等控制模式

其是指將分布式電源設(shè)置為相等地位，具有即插即用的功能，無(wú)須對(duì)微電網(wǎng)中的電源設(shè)置進(jìn)行改變，當(dāng)插入任何一個(gè)分布式電源后，均可對(duì)能量平衡按照控制關(guān)系而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，是一種本地控制方式。常用方法則是下垂控制，可按照以往發(fā)電機(jī)的功頻特點(diǎn)，控制輸出的端電壓、無(wú)功功率等。例如電力系統(tǒng)的頻率出現(xiàn)降低，發(fā)電機(jī)會(huì)自動(dòng)增加有功功率輸出，穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。再例如發(fā)電機(jī)的端電壓出現(xiàn)下降，發(fā)電機(jī)會(huì)自動(dòng)增加無(wú)功功率。在微電網(wǎng)的孤網(wǎng)運(yùn)行模式下，利用下垂控制可保證對(duì)電壓、頻率等進(jìn)行調(diào)節(jié)。一旦微電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷發(fā)生變化，可根據(jù)分布式電源的下垂系數(shù)自動(dòng)調(diào)整，促使負(fù)荷變化量得到有效分擔(dān)，維系微電網(wǎng)始終處于穩(wěn)態(tài)工作狀況。

2.3.3 分層控制模式

對(duì)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行分層控制，實(shí)質(zhì)是在主從控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行單列，將管理組織劃分為不同的層級(jí)，通過(guò)服從整體目標(biāo)開(kāi)展相對(duì)獨(dú)立的控制活動(dòng)。在分層式，主要是根據(jù)電力系統(tǒng)內(nèi)部的管理體制、組織、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電壓等級(jí)等，對(duì)微電網(wǎng)的有功頻率、無(wú)功電壓以及線路等進(jìn)行有效管控。而且在分層控制模式中，通常會(huì)設(shè)置有中央控制器，主要作用是向微電網(wǎng)中的電源或儲(chǔ)能裝置下達(dá)控制信號(hào)。在控制過(guò)程中，先由中心控制器對(duì)分布式電源的發(fā)電功率、負(fù)荷需求量等開(kāi)展預(yù)測(cè)，并制定針對(duì)性的運(yùn)行計(jì)劃。通過(guò)采集帶壓、功率和電流等參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)。例如控制分布式電源、儲(chǔ)能裝置和負(fù)荷裝置的啟停等，充分保證電壓及頻率的穩(wěn)定性，發(fā)揮良好保護(hù)作用。

3 智能微電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模

智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的分布式電源，主要是采用光伏電池，其是利用光生伏特效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為可利用的電能，具有清潔、無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)綠色能源發(fā)展的重要趨勢(shì)。基于微電網(wǎng)的應(yīng)用，可構(gòu)建光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，為微電網(wǎng)的運(yùn)行控制提供良好基礎(chǔ)。首先應(yīng)當(dāng)確定分布式光伏電池的等效電路，其如圖2所示。

圖2 智能微電網(wǎng)中光伏電池等效電路

其次要注重對(duì)光伏陣列的設(shè)置，現(xiàn)階段所應(yīng)用的光伏電池單個(gè)工作電壓在0.45 V～0.5 V，工作電流范圍在20mA～25mA。在實(shí)際使用時(shí)，光伏電池往往不能作為單獨(dú)的電源，需要將其進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)后封裝，形成電池組。標(biāo)準(zhǔn)條件下，1個(gè)組件中含有36～40個(gè)光伏電池，可產(chǎn)生約16V的電壓。為充分滿足用電需求，應(yīng)當(dāng)將多個(gè)組件再次進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)，形成陣列形態(tài)[5]。

3.2 蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)建模

儲(chǔ)能裝置是智能微電網(wǎng)系統(tǒng)中的重要組成部分，在利用分布式電源時(shí)，蓄電池儲(chǔ)能是一種具有可控性的微電源形式。例如在孤網(wǎng)運(yùn)行模式下，能夠有效地支撐和調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的電壓和頻率，在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，可實(shí)現(xiàn)功率輸出。為保證智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的平穩(wěn)工作，須對(duì)蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行建模。首先認(rèn)知到蓄電池的電化學(xué)性質(zhì)，將氧化還原反應(yīng)所釋放的能源直接轉(zhuǎn)化為電能，起到儲(chǔ)存能量的作用。并且當(dāng)內(nèi)部能量消耗盡之后，可采用充電方式恢復(fù)，為外部用電設(shè)備提供輸出電流。在建模時(shí)根據(jù)謝菲爾德模型進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，將可控電壓源串聯(lián)電阻作為重要組成部分，比較精確地表達(dá)蓄電池的化學(xué)特性。對(duì)蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)控制，最為有效的方法則是恒定功率控制方式，利用逆變器實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換。在控制時(shí)先要測(cè)量蓄電池輸出的有功功率及無(wú)功功率，再將有功和無(wú)功值輸送到恒定功率控制模塊中，進(jìn)而產(chǎn)生用于電流內(nèi)環(huán)的信號(hào)，基于逆變器輸出與測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)同步進(jìn)行控制。

4 智能微電網(wǎng)控制策略

4.1 采用逆變器控制方式

從整體角度出發(fā)，對(duì)煤炭企業(yè)智能微電網(wǎng)的控制策略，主要是通過(guò)逆變器而實(shí)現(xiàn)的。這是由于微電網(wǎng)中的分布式電源是以逆變器作為接口，形成分布式發(fā)電系統(tǒng)模塊。主從控制策略，是利用功率控制和電壓頻率控制方法。其中相對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)模塊，可采用恒定功率控制，向系統(tǒng)中增加有功和無(wú)功功率即可，在應(yīng)用較為廣泛的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，可以最大功率輸出，提高能源利用效率，有助于提升煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4.2 采用電壓頻率控制方式

針對(duì)分布式光伏發(fā)電和蓄電池儲(chǔ)能電池組網(wǎng)形式，可采用電壓頻率的控制策略，保證智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。例如綜合考慮蓄電池儲(chǔ)能的可控特性，應(yīng)實(shí)施恒定功率輸出或者恒壓頻率輸出等，為系統(tǒng)工作提供合適的電壓和頻率。同時(shí)在孤網(wǎng)運(yùn)行模式下，也能夠保證在并離網(wǎng)轉(zhuǎn)化時(shí)，對(duì)不同控制方法及策略的切換，靈活的適應(yīng)各種系統(tǒng)運(yùn)行控制需求。 例如當(dāng)聯(lián)網(wǎng)切換到孤網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，蓄電池的有功功率和無(wú)功功率會(huì)有所增加，通過(guò)主控制蓄電池對(duì)系統(tǒng)的功率進(jìn)行有效補(bǔ)償，則能夠避免在孤島斷開(kāi)后出現(xiàn)系統(tǒng)不平衡的現(xiàn)象，科學(xué)可靠地應(yīng)用智能微電網(wǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在當(dāng)前新時(shí)代下，電力系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展具有較大的進(jìn)步。智能微電網(wǎng)作為新能源供電的主要系統(tǒng)模式，能夠增強(qiáng)電網(wǎng)的安全可靠性。因此應(yīng)當(dāng)充分掌握智能微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，充分把控其運(yùn)行模式和控制方法，并結(jié)合光伏發(fā)電以及蓄電池儲(chǔ)能裝置等建立模型，為微電網(wǎng)組合提供支持。在控制智能微電網(wǎng)時(shí)，相關(guān)工作人員可通過(guò)逆變器控制和電壓頻率調(diào)節(jié)2種方式，有效避免故障對(duì)微電網(wǎng)和主網(wǎng)產(chǎn)生不利影響，提升能源轉(zhuǎn)化和供配電效率以及質(zhì)量。