風能和光伏智能微電網(wǎng)并網(wǎng)分析

劉耿博，曹彥哲，張 路

（西安麥格米特電氣有限公司，陜西 西安710075）

光伏通過搭配風能等能源搭建成智能微電網(wǎng)，逐漸發(fā)展為一種趨勢，相關(guān)研究人員通過實踐分析驗證，提出了在并網(wǎng)狀態(tài)下更好均衡風能和光伏智能微電網(wǎng)能量管控辦法，并在并網(wǎng)智能微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計過程中搭建了風光柴儲智能電網(wǎng)系統(tǒng)，保證并網(wǎng)管理的有效性。因此，相關(guān)研究人員認為，有必要對風能和光伏智能微電網(wǎng)并網(wǎng)設(shè)計展開深入研究，不斷提高智能微電網(wǎng)能力管理能力。

1 風能與光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)組成

相關(guān)研究人員對風能和光伏智能微電網(wǎng)并網(wǎng)問題展開深入研究，相關(guān)系統(tǒng)開發(fā)者根據(jù)風能與光伏混合微電網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)需要，搭建了智能微電網(wǎng)模型，進一步優(yōu)化風能與光伏智能電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)置了驅(qū)動型變速風力發(fā)電機、變壓器等相關(guān)裝置，借助光伏逆變器將光伏列陣并入配網(wǎng)內(nèi)，通過操作實現(xiàn)光伏逆變器現(xiàn)有功率雙向流通目標。變速器與風力機耦合過程中，對風力發(fā)電系統(tǒng)的運行要求不高，大大降低了風電機后期維護難度，為保證風能和光伏發(fā)電系統(tǒng)運行性能，需要采用效率較高的單級逆變式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

1.1 風力發(fā)電機變流器

風力發(fā)電機變流器在實際工作中，直驅(qū)同步發(fā)電機在勵磁調(diào)節(jié)過程中，實現(xiàn)對發(fā)電機電壓的有效控制。在能與光伏智能電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方面，應用的變流器采取的是二極管整流器設(shè)計，設(shè)置了6個功率開關(guān)，系統(tǒng)后端設(shè)計了濾波器，有效抑制了諧波對系統(tǒng)運行狀態(tài)的影響。

1.2 風力發(fā)電機變流器控制

系統(tǒng)開發(fā)者在模型搭建支持下，加強對風力發(fā)電機組控制策略的設(shè)計，切實提高了可再生能源的利用率，精準計算出系統(tǒng)的運行功率，并在模型中輸入風力發(fā)電機變流器各項參數(shù)信息，加強對相關(guān)信息的驗證，保證各項信息的準確性，并在模型試驗分析下，搭建風力發(fā)電機變流器內(nèi)部控制框架，優(yōu)化風力發(fā)電機變流器整體性能。

1.3 光伏逆變器

為保證光伏列陣最大功率的運行點，需要充分考量光照、溫度等相關(guān)要素條件，尤其要保證電壓的穩(wěn)定性，加強對電壓穩(wěn)定性的監(jiān)控。相關(guān)設(shè)計人員采用了電導增量法等方法，獲取到帶電導的變化量，進而實現(xiàn)了對光伏逆變器電導變化量的追蹤和控制。

1.4 蓄電池逆變控制

設(shè)計人員加強對綜合要素的考量，儲能蓄電池采用的是直流電壓源；低網(wǎng)絡(luò)頻率需要依靠無功功率，并依靠有功功率解決。當風能和光伏智能微網(wǎng)并行運行時，網(wǎng)絡(luò)外部的電網(wǎng)提供支持，將蓄電池調(diào)節(jié)為輸出有功，進而起到抑制風力發(fā)電機光伏列陣有功波電壓浮動的目標，避免出現(xiàn)微電網(wǎng)鼓搗運行效應，一旦發(fā)現(xiàn)此類問題，需要將蓄電池調(diào)節(jié)為主控單元，保證蓄電池有功輸出和無功輸出的順暢性。

2 微電網(wǎng)在智能電網(wǎng)中的作用

微電網(wǎng)屬于局部的電力系統(tǒng)，通過局部操作控制會增加微電網(wǎng)連接數(shù)和網(wǎng)絡(luò)分布情況，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行的關(guān)鍵是控制技術(shù)的應用。從微電網(wǎng)功能服務(wù)模式看，可靠性較強，支持網(wǎng)絡(luò)改造和安裝，運行中具有較高的安全性，直接關(guān)系著供電質(zhì)量問題；通過對資源的利用控制，大大提高了可再生能源所占的份額，尤其對于偏遠的山區(qū)地帶，構(gòu)建智能微電網(wǎng)降低了經(jīng)濟運輸成本，并在能源占有足夠份額的情況下加強對環(huán)境的保護，加快推動生態(tài)文明建設(shè)。

當前，世界各地積極采用微電網(wǎng)，并在不斷試驗過程中加快對可再生資源發(fā)電的普及，整體的穩(wěn)定性、保護性較高，相關(guān)設(shè)計人員根據(jù)微電網(wǎng)的可再生能源發(fā)電原理進行優(yōu)化設(shè)計，構(gòu)建了光伏陣列輸出曲線圖，并通過實驗分析確保實際功率經(jīng)由微電網(wǎng)設(shè)施輸出，保證發(fā)電效率和質(zhì)量，研究人員基于模型和實際數(shù)據(jù)對比分析光伏發(fā)電輸出情況，將微電網(wǎng)中的不平衡假定為凈進口，并經(jīng)由平衡出口到電網(wǎng)[1]。

微電網(wǎng)作為規(guī)模更細化的電力系統(tǒng)，在智能電網(wǎng)中的作用優(yōu)勢顯著。從電源實用角度看，微電網(wǎng)配電設(shè)施具有一定的潛力，支持再生一體化，可有效避免私人運營商處理，更好維護用戶的合法權(quán)益；在微電網(wǎng)運行狀態(tài)下，實現(xiàn)了對電能質(zhì)量的控制，提供了高質(zhì)量的供電服務(wù)，支持在多個行業(yè)內(nèi)提供負載。從智能電網(wǎng)運行情況看，在網(wǎng)絡(luò)連接支持下，實施分布式的控制形式，大大提高了能源利用率，保證了電能質(zhì)量，優(yōu)化可再生資源的使用，有效把控消費者的用電成本問題，最大程度上滿足了消費者用電需求問題；提高電力系統(tǒng)用電效率，保證用電質(zhì)量。

3 光伏發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響

3.1 電能質(zhì)量

風能和光伏智能微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，風力發(fā)電機和光伏陣列是按照最大功率輸出的，無功功率恒定參考值為“0”；同時，在并網(wǎng)運行期間蓄電池參與到有功功率調(diào)節(jié)中，并將無功功率的輸出也指定為“0”；相關(guān)研究人員對風能與光伏智能微電網(wǎng)并網(wǎng)運行狀態(tài)進行深入研究分析，發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)運行時，風力發(fā)電機、光伏列陣、蓄電池等功率的輸出可精確地計算出來，實驗發(fā)現(xiàn)，當風速緩慢時，風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速頻率也會隨之下降，此時風力發(fā)電機輸出的無功功率在“0”附近；當光照強度上升時，光伏陣列也會隨之發(fā)生變化，并在控制直流母線電壓后，更加精準地追蹤到光伏陣列功率的運行點[2]。基于時間因素決定著風力發(fā)電機在和光伏陣的波動情況，可通過調(diào)節(jié)蓄電池下垂特性進行有功調(diào)節(jié)，最大程度上保持電壓穩(wěn)定。風能和光伏電源輸出無功為“0”，此時配電網(wǎng)會為變壓器等相關(guān)設(shè)備提供無功功率；一旦有功功率發(fā)生相應的變化，則發(fā)揮蓄電池電壓調(diào)節(jié)作用，確保電壓的穩(wěn)定性。

3.2 孤島效應

孤島運行效應出現(xiàn)時，蓄電池對主控單元進行控制，進而將電壓控制在穩(wěn)定范圍內(nèi)；當風能和光伏智能電網(wǎng)并網(wǎng)孤島效應出現(xiàn)時，風電發(fā)電機、光伏電池以及配電網(wǎng)輸出的有功功率呈現(xiàn)的是波形，此時的負荷消耗功率會增加；將本地的光伏電池輸出功率和蓄電池輸出功率控制在標準范圍內(nèi)時，滿足風能和光伏功率需求后，其余的有功功率會注入到配電網(wǎng)中。

3.3 低電壓穿越

一旦出現(xiàn)電網(wǎng)故障，甚至電場并網(wǎng)點電壓跌落時，風機可不間斷地保持并網(wǎng)運行；當光伏電站遭遇電力系統(tǒng)故障，引起并網(wǎng)電壓下降時，光伏發(fā)電站仍能保證在不脫網(wǎng)狀態(tài)下持續(xù)運行。

3.4 電能計量

光伏發(fā)電電能的計量較傳統(tǒng)電能計量方式具有顯著的優(yōu)勢，生產(chǎn)電能滿足電荷后仍有盈余，支持將盈余的電能輸送到電網(wǎng)中，更好支持電網(wǎng)的運行。

4 風能和光伏智能電網(wǎng)一體化設(shè)計方案

相關(guān)設(shè)計人員從風能和光伏智能微電網(wǎng)運行效率和質(zhì)量提高視角進行分析，結(jié)合實際情況制定了風能和光伏智能電網(wǎng)一體化設(shè)計方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括太陽能電池組件、充電站以及電站內(nèi)各項負責能量控制管理的監(jiān)控系統(tǒng)。支持光伏系統(tǒng)獨立運行，提供了多種運行供電模式；一體化設(shè)計方案中采用的是低電壓單母線形式，可將光伏列陣由太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，在并網(wǎng)逆變器支持下，將低電壓單母線并入配網(wǎng)中，大大提高了儲能系統(tǒng)的備用電功能，可隨時為充電機提供電，進而保證充電站電力供應質(zhì)量。

4.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

從光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計看，系統(tǒng)設(shè)計人員將光伏組件功率設(shè)定為320 Wp的太陽電池組件，系統(tǒng)運行狀態(tài)下的電壓為36.5 V。光伏組件的配置作為系統(tǒng)新能源生產(chǎn)單位，要求光伏列陣在串聯(lián)過程中，保證輸出功率的穩(wěn)定性和準確性，并將直流匯入到并網(wǎng)逆變器中，經(jīng)由逆變器輸送到電網(wǎng)母線中。

4.2 儲能系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)性能的優(yōu)化直接關(guān)系著系統(tǒng)整體運行狀態(tài)，設(shè)計人員從系統(tǒng)靈活性和多樣性角度出發(fā)，深化智能并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計，最大程度上提高系統(tǒng)聯(lián)合運行性能，保證系統(tǒng)運行的協(xié)調(diào)性，更好地提高風能和光伏智能微電網(wǎng)系統(tǒng)在實際應用中的可行性和適應性[3]。在本系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計人員將鐵鋰電池作為智能微電網(wǎng)運行的主電源，保證系統(tǒng)運行頻率；在能量儲能模塊中，將超級電容作為功率型儲能，加強對系統(tǒng)外部故障問題的優(yōu)化，進而實現(xiàn)了并網(wǎng)和離網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換，發(fā)揮了外部電網(wǎng)母線電壓作用，優(yōu)化了風能和光伏智能微電網(wǎng)運行狀態(tài)。

4.3 能量管理調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

能量管理控制系統(tǒng)是智能微電網(wǎng)系統(tǒng)較為核心的控制單元，為保證系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運行，相關(guān)人員在一體化方案設(shè)計過程中，充分考慮充電站用電情況，系統(tǒng)可將多余的電能通過儲能系統(tǒng)靈活地調(diào)動起來，進而保證光伏發(fā)電系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。在以太網(wǎng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器支持下，更好地控制通信系統(tǒng)運行，對接收到的信息數(shù)據(jù)集中進行控制管理，并有效調(diào)動相關(guān)設(shè)備執(zhí)行控制器。

5 結(jié)論

綜上所述，風能和光伏智能微電網(wǎng)并網(wǎng)設(shè)計，有效提高了配電網(wǎng)運行速率，提高電力供應的穩(wěn)定性，保證相關(guān)電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，減少故障因素出現(xiàn)，相關(guān)設(shè)計人員結(jié)合新能源配置和利用率情況，切實制定了一體化設(shè)計方案，優(yōu)化風能和光伏智能微電網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計，大大提高了電網(wǎng)運行效率，切實為新能源推廣和應用貢獻力量。