基于分布式發(fā)電的模塊化智能微網(wǎng)體系探究

摘? 要：微電網(wǎng)是一種將分布式發(fā)電、儲能裝置、交直流負載、監(jiān)控保護裝置等有機結(jié)合在一起的小型配電系統(tǒng)，通過與配電網(wǎng)的信息交換，可以大大提高配電系統(tǒng)供電的可靠性與靈活性。不斷完善微網(wǎng)接入標準，實現(xiàn)微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制與發(fā)展，提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性，是未來電網(wǎng)的重要任務(wù)之一。文章討論基于高校實訓室的模塊化智能微電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行方式與能源管理。

關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電;模塊化;智能微網(wǎng)

中圖分類號：TM727? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）05-0063-04

Research on Modularization Intelligent Microgrid System Based on

Distributed Generation

ZHU Gaowei

（Guizhou Vocational Technology College of Electronics & Information，Kaili? 556000，China）

Abstract：Microgrid is a kind of small power distribution system which combines distributed generation，energy storage device，AC/DC load，monitoring and protection device together organically. Through information exchange with power distribution network，the reliability and flexibility of power supply of power distribution system can be greatly improved. One of the important tasks of the future power grid is to continuously improve the access standard of microgrid，so as to realize the coordinated control and development of microgrid and power distribution network，and improve the economy of power grid operation. This paper discusses the system structure，operation mode and energy management of modularization intelligent microgrid based on university training room.

Keywords：distributed generation;modularization;intelligent microgrid

0? 引? 言

分布式發(fā)電靠近用戶側(cè)，可以充分利用可再生能源，發(fā)電形式靈活，可以大大緩解能源危機問題，提高供電可靠性。目前分布式發(fā)電主要包括燃氣輪機發(fā)電技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)、風力發(fā)電技術(shù)、燃料電池發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)、分布式儲能技術(shù)等。智能微電網(wǎng)以分布式發(fā)電為基礎(chǔ)，搭配儲能裝置、用電負荷、控制裝置等，通過一個公共節(jié)點與電網(wǎng)相連。

作為電力行業(yè)的一個新興的發(fā)展方向，智能微電網(wǎng)涵蓋知識面廣，對于高校的課程教學提出了很大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的教學方式大多以理論為主，教學手段單一，進行分布式發(fā)電智能微網(wǎng)的研究，建設(shè)智能微網(wǎng)實訓平臺，可以提高學生的動手能力，激發(fā)學生的學習興趣。本文以高校智能微網(wǎng)實訓室設(shè)備為論證依據(jù)，介紹以光伏發(fā)電和風力發(fā)電為基礎(chǔ)的高校智能微電網(wǎng)實訓平臺的體系構(gòu)成與運行方式。

1? 微網(wǎng)類型

按用電規(guī)模，可以將微電網(wǎng)分為簡單微電網(wǎng)、企業(yè)微電網(wǎng)、區(qū)域微電網(wǎng)、獨立微電網(wǎng)。簡單微電網(wǎng)的用電容量通常在2 MW以下，用電規(guī)模較小，負荷形式多樣;企業(yè)微電網(wǎng)用電容量通常在2～5 MW，通常不包括商業(yè)和工業(yè)負荷;區(qū)域微電網(wǎng)用電容量在5 MW以上，包括居民、商業(yè)和工業(yè)負荷;獨立微電網(wǎng)主要見于偏遠山區(qū)，搭配柴油發(fā)電機組，滿足地區(qū)用電。

按負荷類型，可以將微電網(wǎng)分為直流微電網(wǎng)、交流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)，考慮到負荷情況，交直流混合微電網(wǎng)用途更為廣泛。交直流微網(wǎng)中含有直流母線和交流母線，可以同時給直流負荷和交流負荷供電。

2? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括分布式發(fā)電單元、分布式能源接入單元、儲能與穩(wěn)定控制單元、微網(wǎng)接入與能量管理單元、交直流負荷管理單元、微網(wǎng)監(jiān)控平臺等。

2.1? 分布式發(fā)電單元

分布式發(fā)電單元包括光伏發(fā)電單元和風力發(fā)電單元。光伏發(fā)電單元采用太陽能電池組件，并搭配傳感器，用來檢測溫濕度以及光照度的變化;風力發(fā)電部分采用永磁水平軸風力發(fā)電機，搭配傳感器，用來檢測風速及風向的變化。

2.2? 分布式能源接入單元

分布式能源接入單元主要由光伏控制器、風力控制器、投切開關(guān)、計量儀表等模塊組成，主要完成分布式能源的接入與計量，通過投切開關(guān)將光伏發(fā)電與風力發(fā)電的能量匯集至直流母線，接線圖如圖1所示。

影響光伏發(fā)電功率的因素較多，由于環(huán)境的變化會導(dǎo)致光伏電壓電流的波動，為避免直接充電給蓄電池造成損壞，需要將光伏發(fā)電能量送入光伏控制器，通過對光伏發(fā)電電壓和電流進行調(diào)節(jié)，并加入蓄電池的充放電保護功能，可以保證蓄電池的使用壽命。風力控制器可以將風力發(fā)電機發(fā)出的三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡饕ㄗ儔浩?、整流電路和濾波電路等，其中濾波電路主要用于濾除直流中的交流成分。

2.3? 儲能與穩(wěn)定控制單元

儲能與穩(wěn)定控制單元主要由蓄電池、雙向變流器、投切開關(guān)、隔離開關(guān)、儲能電池計量等模塊組成，主要完成對蓄電池組的充放電管理，以及微網(wǎng)交直流母線間的雙向變流，接線圖如圖2所示。

雙向變流器是微網(wǎng)直流母線和交流母線之間的連接器件。當工作于并網(wǎng)模式時，可以將配電網(wǎng)的交流電變?yōu)橹绷麟?，并傳輸給微網(wǎng)直流母線，對蓄電池進行充電，同時也可以將蓄電池和分布式發(fā)電單元中的直流電逆變成交流電，送入配電網(wǎng)中;當工作于離網(wǎng)模式時，可以將蓄電池中的直流電和分布式發(fā)電單元的直流電逆變?yōu)榻涣麟?，供交流負載使用。

2.4? 微網(wǎng)接入與能量管理單元

微網(wǎng)接入與能量管理單元主要由微網(wǎng)交流母線、投切開關(guān)、隔離開關(guān)等模塊組成，主要完成與市電電網(wǎng)的能量交互，接線圖如圖3所示。

可利用能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)對電網(wǎng)的能量管理與調(diào)度，當微網(wǎng)工作于并網(wǎng)模式時，能源管理系統(tǒng)根據(jù)負荷用電情況以及分布式發(fā)電情況形成預(yù)期的趨勢曲線，根據(jù)該曲線可以調(diào)整儲能的充放電狀態(tài)，進行微網(wǎng)的削峰填谷，實現(xiàn)功率平衡。

2.5? 交直流負荷管理單元

交直流負荷管理單元主要由交直流模擬負載、計量儀表、電流互感器、交流接觸器、繼電器等模塊組成，用于模擬微電網(wǎng)負荷投切控制和帶負載運行參數(shù)分析，接線圖如圖4所示。

在交直流負荷管理單元中，包括了微網(wǎng)直流母線和微網(wǎng)交流母線，可以分別為直流負荷和交流負荷供電。

2.6? 微網(wǎng)監(jiān)控平臺

微網(wǎng)監(jiān)控平臺主要由計算機、組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)等組成，主要完成對微電網(wǎng)運行的監(jiān)測與控制，對于儀表類、板卡類等設(shè)備采用Modbus RTU通信方式，連接至同一個COM口的設(shè)備應(yīng)保證其設(shè)備地址不同。對于PLC采用以太網(wǎng)通信方式，最后連接至能源管理中心EMS，通過能源管理中心對整個系統(tǒng)的各個模塊進行集中監(jiān)控與管理，通過對歷史數(shù)據(jù)的采集，并通過曲線、報表等方式分析系統(tǒng)的運行情況，監(jiān)控平臺的功能主要包括實時監(jiān)控、業(yè)務(wù)管理與智能決策，微網(wǎng)監(jiān)控平臺接線示意圖如圖5所示。

監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)可以利用上位機組態(tài)軟件，通過畫面設(shè)計、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、IO驅(qū)動、腳本程序等功能實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時監(jiān)控，組態(tài)畫面包括系統(tǒng)主接線、微網(wǎng)接入、電池管理、光伏發(fā)電、風力發(fā)電、儲能單元、歷史報表、趨勢曲線等。

3? 運行方式

微電網(wǎng)包括并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運行方式。當處于并網(wǎng)運行方式時，若負載功率大于發(fā)電功率，微網(wǎng)從配電網(wǎng)吸收部分電能，若負載功率小于發(fā)電功率，微電網(wǎng)向配電網(wǎng)輸送部分電能;當處于離網(wǎng)運行方式時，若負載功率大于發(fā)電功率，可通過自動減載裝置切除部分負載，若負載功率小于發(fā)電功率，可自動切除部分分布式發(fā)電裝置或通過儲能供電的方式保證功率的匹配。

當微電網(wǎng)從離網(wǎng)模式向并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換時，首先需要對微電網(wǎng)和配電網(wǎng)進行同期檢查，確定滿足同期條件后，閉合并網(wǎng)斷路器，系統(tǒng)進入并網(wǎng)運行狀態(tài)，離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)過程圖如圖6所示。當微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式向離網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換時，需要進行孤島檢測，切除多余的負荷與部分分布式發(fā)電裝置，之后逐步恢復(fù)分布式發(fā)電裝置的供電和被切除的負荷，保證整個系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定，并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)過程圖如圖7所示。

4? 能源管理

微電網(wǎng)的能源管理是指通過對分布式發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、負荷裝置中的數(shù)據(jù)進行實時采集與分析，進行優(yōu)化控制，從而實現(xiàn)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，提高能源利用效率。主要包括分布式發(fā)電預(yù)測、負荷預(yù)測、功率平衡等。

4.1? 分布式發(fā)電預(yù)測

分布式發(fā)電預(yù)測用來對分布式發(fā)電的短期和長期發(fā)電功率進行預(yù)測，通過對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，預(yù)測其內(nèi)在規(guī)律。影響光伏發(fā)電的因素主要包括光照度和溫度，影響風力發(fā)電的因素主要是風力的大小，通過對歷史日的氣象參數(shù)進行統(tǒng)計分析，找出與待測日氣象參數(shù)最相似的歷史日作為相似日，根據(jù)相似日的分布式發(fā)電情況來預(yù)測待測日的分布式發(fā)電情況，可以對相關(guān)的氣象參數(shù)進行加權(quán)，來保證預(yù)測的準確性。目前分布式預(yù)測方法主要包括卡爾曼濾波法、空間相關(guān)性法、支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

4.2? 負荷預(yù)測

負荷預(yù)測用來對未來的電力負荷情況進行預(yù)測，通過分析用電需求，及時調(diào)整發(fā)電能量，從而調(diào)整系統(tǒng)未來的運行狀態(tài)。負荷預(yù)測是微電網(wǎng)計劃、運行、控制的重要依據(jù)，對于微電網(wǎng)的經(jīng)濟運行有著重要的意義。目前負荷預(yù)測的方法主要包括時間序列法、小波分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

4.3? 功率平衡

微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行時，配電網(wǎng)根據(jù)經(jīng)濟運行原則，向微電網(wǎng)下達交換功率定值，微電網(wǎng)根據(jù)交換功率定值來控制分布式發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及負荷裝置。當實際交換功率與配電網(wǎng)的給定值相差過大時，通過切除或恢復(fù)部分負荷裝置或發(fā)電機組，將交換功率調(diào)整到計劃值附近，保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定經(jīng)濟運行。當微電網(wǎng)從并網(wǎng)向離網(wǎng)切換的瞬間，由于配電網(wǎng)終止供電，微電網(wǎng)一般會存在較大的功率缺額，這樣會導(dǎo)致微電網(wǎng)內(nèi)部頻率下降，從而使保護裝置相繼跳閘，為保證微電網(wǎng)的長期穩(wěn)定運行，需要調(diào)整儲能裝置功率或切除部分負荷，使微電網(wǎng)重新快速達到平衡狀態(tài)。

微電網(wǎng)在離網(wǎng)運行時，由于分布式發(fā)電系統(tǒng)受環(huán)境因素的影響較大，會使得微電網(wǎng)內(nèi)部電壓波動較大，因此需要對電壓值進行實時監(jiān)測并采取相應(yīng)措施，避免因電壓突變對微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成影響。當微電網(wǎng)從離網(wǎng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)后，由配電網(wǎng)調(diào)度計劃來決定微電網(wǎng)的輸出功率的大小。

5? 結(jié)? 論

本文分析了以光伏發(fā)電和風力發(fā)電為基礎(chǔ)的高校智能微網(wǎng)實訓平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式，采用模塊化的體系結(jié)構(gòu)，通過智能微網(wǎng)系統(tǒng)的搭建，采用理實一體化的教學方式，對于提高教學方法，優(yōu)化教學內(nèi)容，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量有著重要的現(xiàn)實意義。

隨著電力需求的日益廣泛和能源規(guī)模的日趨緊張，微電網(wǎng)在未來配電網(wǎng)中的比例會不斷增加，微電網(wǎng)與現(xiàn)有配電網(wǎng)的協(xié)同發(fā)展必將成為配電領(lǐng)域的一大課題，因此對于微電網(wǎng)的探究與應(yīng)用勢在必行?？紤]離網(wǎng)和并網(wǎng)狀態(tài)下的控制結(jié)構(gòu)，搭建微電網(wǎng)的數(shù)字仿真平臺，進行微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)等方面有待進一步的深入研究。

參考文獻：

[1] 秦燕.基于分布式風光互補發(fā)電系統(tǒng)的智能微網(wǎng)探究 [J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018，36（4）：70-71.

[2] 時珊珊，魯宗相，周雙喜，等.中國微電網(wǎng)的特點和發(fā)展方向 [J].中國電力，2009，42（7）：21-25.

[3] 劉廣斌.智能微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計 [J].硅谷，2012（4）：73-74.

[4] 王成山，王守相.智能微網(wǎng)在分布式能源接入中的作用與挑戰(zhàn) [J].中國科學院院刊，2016，31（2）：232-240.

[5] 謝冬冬，劉俊杰.民辦高校智能微電網(wǎng)科研實訓系統(tǒng)研究 [J].機電信息.2019（26）：142-143.

作者簡介：朱高偉（1988—），男，漢族，河南洛陽人，講師，本科，研究方向：自動化分析、機器學習等。