智能微電網(wǎng)保護(hù)和控制技術(shù)研究

舒薇

（懷化學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院）

1 引言

以分布式為最主要特點的智能微電網(wǎng)是一種新型的電網(wǎng)系統(tǒng)，它可以以自身作為分散且獨立的供電系統(tǒng)，也可以與市政電網(wǎng)并聯(lián)形成統(tǒng)一的大電網(wǎng)系統(tǒng)。智能微電網(wǎng)的組成主要有電源模塊、電力轉(zhuǎn)換模塊、電力儲存模塊、輸送模塊、負(fù)載模塊和保護(hù)模塊幾個部分。智能微電網(wǎng)系統(tǒng)集合了發(fā)電和配電的職能，在為用戶提供電力之外，還可以為用戶進(jìn)行供熱，進(jìn)而延伸發(fā)展為能源系統(tǒng)[1]。

2 智能微電網(wǎng)簡介

智能微電網(wǎng)是規(guī)模較小的分散的獨立系統(tǒng)，是能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)運行，也可以孤立運行。它是將分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)[2]。微電網(wǎng)主要組成結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 智能微電網(wǎng)組成結(jié)構(gòu)

智能微電網(wǎng)技術(shù)代表了未來分布式電力能源供應(yīng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，是未來智能配用電系統(tǒng)的重要組成部分，對推進(jìn)節(jié)能減排和實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。憑借微電網(wǎng)的運行控制和保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，可以實現(xiàn)其并網(wǎng)模式運轉(zhuǎn)或孤島模式運轉(zhuǎn)，最大限度地利用分布式電源，提高供電可靠性和電能質(zhì)量。近幾年，智能微電網(wǎng)成為國內(nèi)外研究的熱點，這類電網(wǎng)可以有效就近消納分布式能源發(fā)出的電能，不需要遠(yuǎn)距離長途輸配電，因此，可以大大提高電能的利用率，實現(xiàn)就近發(fā)電、就近用電，并且隨著分布式發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，微電網(wǎng)成為未來電網(wǎng)的一個發(fā)展趨勢。國家電網(wǎng)的“十三五”規(guī)劃中明確指出，分布式電源微電網(wǎng)的發(fā)展是未來能源變革的重要一環(huán)。以風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏為主的分布式新能源開發(fā)主要本著“因地制宜，科學(xué)利用”的原則，從本質(zhì)上講，就是在用戶側(cè)就近布置發(fā)電設(shè)備，就近使用，從而提高用電效率，減少輸電損耗與成本。可以預(yù)見，隨著我國電改的深入實施，現(xiàn)有供電系統(tǒng)中，政府職能與企業(yè)職能將逐步分開，發(fā)電與輸配電網(wǎng)徹底分離，發(fā)電側(cè)競爭市場機制的建立，從而為分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。正在發(fā)生中的能源變革也為分布式電源在電網(wǎng)中應(yīng)用提供了巨大機遇[3]。智能微電網(wǎng)有兩大優(yōu)點。

1）發(fā)電側(cè)“智能化”

微電網(wǎng)要與大電網(wǎng)“友好相處”并支撐大電網(wǎng)，就需要以信息通信、能源調(diào)度等層面的智能功能為保障。當(dāng)智能微電網(wǎng)并聯(lián)入大電網(wǎng)系統(tǒng)時，智能微電網(wǎng)可以輔助大電網(wǎng)進(jìn)行電力峰谷的調(diào)節(jié)，在大電網(wǎng)進(jìn)入用電高峰時，通過智能微電網(wǎng)為大電網(wǎng)系統(tǒng)補充供電，降低大電網(wǎng)的供電壓力；在大電網(wǎng)用電低谷時，可以由大電網(wǎng)的空閑負(fù)載為智能微電網(wǎng)供電，這樣就可以幫助降低大電網(wǎng)系統(tǒng)由于用電落差過大導(dǎo)致故障產(chǎn)生的機會，保障整個電網(wǎng)運行的穩(wěn)定。同時，智能微電網(wǎng)也可以獨自以孤島模式來運轉(zhuǎn)，在遇到大電網(wǎng)故障或者負(fù)載不足的情況時，智能微電網(wǎng)可以自動識別并切斷與主網(wǎng)的連接，保證自身系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)[4]。

2）用電側(cè)“智能化”

即幫助用戶在不同時段實現(xiàn)科學(xué)用電，比如無人值守地控制智能充電樁的充電、放電等。智能微電網(wǎng)由許多獨立供電單元對用戶直接進(jìn)行輸電，這樣系統(tǒng)就有足夠的靈活性調(diào)整能力，為不同電壓要求的用戶提供單獨調(diào)整。

隨著風(fēng)力發(fā)電、太陽能等綠色新能源發(fā)電技術(shù)的普及，分布式發(fā)電系統(tǒng)滿足了日益提高的供電穩(wěn)定性要求、用電負(fù)荷快速增長的要求、提高了新能源的綜合利用效果。不過分布式發(fā)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)也有問題，比如節(jié)點接入的費用需求較高、系統(tǒng)控制難度大、對市政大電網(wǎng)存在電壓和頻率的沖擊等，影響了它的發(fā)展[5]。

3 智能微電網(wǎng)的運轉(zhuǎn)特點

3.1 并網(wǎng)模式下智能微電網(wǎng)的運轉(zhuǎn)特點

在并網(wǎng)模式下，智能微電網(wǎng)需要通過公共連接點并聯(lián)進(jìn)入大電網(wǎng)系統(tǒng)。在并網(wǎng)過程中，如果智能微電網(wǎng)自身的分布式發(fā)電單元的電力無法達(dá)到使用負(fù)荷要求，就必須借助外部能量滿足負(fù)荷要求。如果智能微電網(wǎng)自身的分布式發(fā)電單元產(chǎn)生的電力在滿足使用符合要求后還有結(jié)余，那么這部分結(jié)余的電能就會被大電網(wǎng)吸收。在并入大電網(wǎng)后，智能微電網(wǎng)的自身功率需要借助大電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其自身頻率也隨之變化，保持運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定。同時，智能微電網(wǎng)的電壓也要借由大電網(wǎng)系統(tǒng)支持。在智能微電網(wǎng)分布式發(fā)電單元中，定壓的穩(wěn)定性只針對局部，因此對局部電壓的調(diào)整極為關(guān)鍵，容易導(dǎo)致分布式電源發(fā)生電壓偏移現(xiàn)象[6]。

3.2 孤網(wǎng)模式下智能微電網(wǎng)的運轉(zhuǎn)特點

智能微電網(wǎng)以獨立的模式運轉(zhuǎn)被稱作孤網(wǎng)運行。孤網(wǎng)運行一般還分為計劃內(nèi)與計劃外兩種情況。在并網(wǎng)模式下遇到突發(fā)情況導(dǎo)致大電網(wǎng)無法滿足使用標(biāo)準(zhǔn)時，智能微電網(wǎng)自動切換到孤網(wǎng)模式，這種情況就叫作計劃外孤網(wǎng)運轉(zhuǎn)。計劃外孤網(wǎng)運轉(zhuǎn)可以保證智能微電網(wǎng)長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，提升了供電的安全性。在智能微電網(wǎng)孤網(wǎng)模式中頻率的控制至關(guān)重要[8]。傳統(tǒng)微電網(wǎng)的頻率控制主要基于旋轉(zhuǎn)體來完成，由于發(fā)電設(shè)備具有極強的慣性，這就導(dǎo)致頻率變化很大。智能微電網(wǎng)主要由電力轉(zhuǎn)換設(shè)備組成，主要設(shè)備沒有與旋轉(zhuǎn)體直接相連，在進(jìn)行智能微電網(wǎng)頻率控制時，需要借助儲能設(shè)備或者頻率下垂等方式實現(xiàn)對頻率的控制[7]。

4 智能微電網(wǎng)的控制模式研究

與大電網(wǎng)不同，智能微電網(wǎng)是一個可控的獨立系統(tǒng)，其控制設(shè)備主要有負(fù)荷調(diào)節(jié)器、分布式電源控制設(shè)備、中央能量管理系統(tǒng)以及繼電保護(hù)裝置等。智能微電網(wǎng)中有多個電源和多處負(fù)荷，負(fù)載的變化、電源的波動，都需要通過儲能系統(tǒng)或外部電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。這些電源的調(diào)節(jié)、切換和控制就是由微網(wǎng)控制中心來完成的。微網(wǎng)控制中心除了監(jiān)控每個新能源發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和負(fù)載的電力參數(shù)、開關(guān)狀態(tài)和電力質(zhì)量與能量參數(shù)外，還要進(jìn)行節(jié)能和電力質(zhì)量的提高[8]。

智能微電網(wǎng)控制的主要目標(biāo)：針對每一個微型電源的接口處電壓展開合理調(diào)節(jié)，從而確保電壓的穩(wěn)定性；微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運行期間，所有微型電流都需要保持快速響應(yīng)狀態(tài)，這樣就可以降低用戶的負(fù)荷；基于系統(tǒng)的實際需求和運轉(zhuǎn)情況，實現(xiàn)平滑從主電網(wǎng)平滑的分離。

智能微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)主要有主從控制模式、對等控制模式以及分層控制模式三種。

1）主從控制模式

智能微電網(wǎng)孤網(wǎng)工作時，主要采用主從控制模式，由于沒有大電網(wǎng)的支撐，孤網(wǎng)系統(tǒng)要控制電壓和頻率來滿足孤網(wǎng)系統(tǒng)中敏感符合的要求。通常選擇VF控制模式對分布式發(fā)電設(shè)備進(jìn)行控制，所有從控制器都可以決定自己的運轉(zhuǎn)模式。根據(jù)主控制器的數(shù)量可分為單主從控制模式和多主從控制模式[9]。

2）對等控制模式

對等控制模式區(qū)別于主從控制模式，沒有主控制器占據(jù)主要控制地位，而是給予所有分布式發(fā)電單元相同的地位。這種平等特性賦予了智能微電網(wǎng)“即插即用”的能力，并且不影響系統(tǒng)的電源基礎(chǔ)，可以根據(jù)需求隨時加入分布式電源，微電網(wǎng)系統(tǒng)會智能進(jìn)行調(diào)節(jié)來平衡系統(tǒng)負(fù)荷。“即插即用”的特性同時也方便了DG的接入，這樣就降低了通信費用的投入和電網(wǎng)建設(shè)的成本，同時智能微電網(wǎng)無論運行在何種模式下都不需要調(diào)整DG的控制模式，更便于平滑的切換系統(tǒng)[10]。

3）分層控制模式

分層控制是主從控制的一種。分層控制首先將需要管理的單元歸類為不同的層級，每一個層級設(shè)有一個控制單元。從整個系統(tǒng)層面考慮，管理控制的靈活性極為重要，通過分層控制模式可以利用電力系統(tǒng)的自身組織、體制和結(jié)構(gòu)等調(diào)度各個層級，以職責(zé)、單位、任務(wù)等作為指標(biāo)，展開對電源的有功功率、線路潮流以及無功電壓的控制與管理。分層控制模式一般只設(shè)有單獨的中央控制單元，它可以預(yù)測DG對負(fù)荷的要求，繼而根據(jù)要求來安排合理的運轉(zhuǎn)計劃，通過采集電流、電壓等信息來適當(dāng)調(diào)整計劃，在確保電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的同時為系統(tǒng)提供保護(hù)（見圖2）。

圖2 智能微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)圖

5 智能微電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)

智能微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤網(wǎng)兩種運行模式下如何判別是微電網(wǎng)內(nèi)部故障或者主網(wǎng)故障，繼而在確定故障位置后如何及時、高效的進(jìn)行保護(hù)是智能微電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)的難點所在。智能微電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)在保護(hù)方法和邏輯上均與傳統(tǒng)大電網(wǎng)不同，在實際保護(hù)工作中需要重視四個特點

①獨立孤網(wǎng)運行模式下的智能微電網(wǎng)產(chǎn)生的短路電流與并網(wǎng)運行模式下存在差異。

②智能微電網(wǎng)中包含了許多獨立的分布式發(fā)電單元，這些獨立的分布式單元在短路時產(chǎn)生的電流也有極大差別。

③基于“即插即用”的特性，智能微電網(wǎng)能比傳統(tǒng)大電網(wǎng)更加快速高效地修復(fù)故障，恢復(fù)穩(wěn)定運行。

④智能微電網(wǎng)有許多復(fù)雜情況的拓?fù)錁?gòu)造[11]。

基于上述智能微電網(wǎng)的特點，要保障智能微電網(wǎng)保護(hù)措施有效開展需要在整個過程中優(yōu)先解決以下問題。

①記錄整理已發(fā)生故障的特征信息模型，便于在發(fā)生故障時迅速查找、定位故障類型和解決方案。因為智能微電網(wǎng)中發(fā)電單元設(shè)備的參數(shù)不同，其電流、電壓暫態(tài)穩(wěn)定特性不同，這樣就可以依據(jù)發(fā)生故障時產(chǎn)生的電流、電壓的在太穩(wěn)定特性數(shù)據(jù)來整理故障排查數(shù)據(jù)庫。

②開發(fā)智能微電網(wǎng)有效性故障的鑒別、修復(fù)技術(shù)。智能微電網(wǎng)是由多種類型的分布式發(fā)電單元構(gòu)成，他們在運轉(zhuǎn)模式、組織方式、控制模式方面各有特點，所以要開發(fā)出可以快速反應(yīng)鑒別、修復(fù)電網(wǎng)復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題的技術(shù)。

③進(jìn)一步加速新型智能終端設(shè)備與現(xiàn)有傳統(tǒng)設(shè)備的融合和升級，通過智能設(shè)備覆蓋智能微電網(wǎng)的控制和保護(hù)工作，完成微電網(wǎng)的智能化自動控制和保護(hù)[12]。

④要保證智能微電網(wǎng)高速通訊系統(tǒng)和線路的穩(wěn)定性和安全性，智能微電網(wǎng)在進(jìn)行自動化控制網(wǎng)絡(luò)切換和故障識別、修復(fù)等作業(yè)時，對傳感器信號的實時性要求極高，如果通訊收到延遲和阻斷就可能對電網(wǎng)穩(wěn)定運行造成極大影響，所以通信系統(tǒng)要保證全年、全時段的穩(wěn)定（見圖3）。

圖3 智能微電網(wǎng)保護(hù)策略

6 結(jié)語

綜上所述，智能微電網(wǎng)是不同于我國傳統(tǒng)電網(wǎng)模式的新型、智能電網(wǎng)系統(tǒng)和技術(shù)。智能微電網(wǎng)是目前發(fā)展最快的新型電能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，智能微電網(wǎng)與市政大電網(wǎng)進(jìn)行電力交換，雙方互為備用，是實現(xiàn)主動式配電網(wǎng)的一種有效方式，這樣可以提高供電的穩(wěn)定度。智能微電網(wǎng)在降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性等方面具有巨大潛力。智能微電網(wǎng)將成為今后我國電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的重要部分，其關(guān)鍵技術(shù)還需要不斷精進(jìn)和完善。