實驗室微電網簡介

謝鴻齡++牛林++劉祥明++劉水

【摘要】近年來國內部分高校已經開始微電網技術的研究，本文將以實驗室微電網為對象，介紹實驗室微電網的結構、控制方式、運行方式以及常用控制策略；通過對實驗室微電網的介紹，讓讀者了解實驗室微電網的控制方式和運行狀態(tài)，以及風、光、儲多能如何互補、平衡，與外電網的能量配合等問題。

【中圖分類號】TM7-2 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）02-0260-02

一、微電網發(fā)展背景

可再生能源發(fā)電成為新能源利用的重要途徑，尤其是清潔能源的開發(fā)和利用，包括風能、太陽能等清潔能源；然而隨著越來越多的分布式發(fā)電（風力發(fā)電、光伏發(fā)電）接入電網，傳統(tǒng)配電網的結構將發(fā)生變化[1]。分布式發(fā)電中的涉及整流和逆變等電力電子裝置，勢必給整個電網帶來較大的諧波，這是新能源在利用時不得不面對的問題。微電網的提出為新能源的利用提供了新的思路[1][2]。

二、微電網的定義

微電網[1]是一種小型電網，包括傳統(tǒng)電網的所有部分，包括發(fā)電、輸電、變電、配電、負載等五大方面，將風力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電、負荷、儲能、控制裝置有機整合在一起，將新能源電源作為微電網的組成部分，通過微電網與外電網相連，最大程度的利用新能源[1][2]。

三、實驗室微電網的構成

微電網實驗室包括發(fā)電、輸電、變電、配電、用電五大部分組成，以20kW光伏、4臺2kW風機為電源，由光伏并網逆變器、風機并網控制器、電池管理系統(tǒng)（BMS）、雙向儲能變流器（PCS）、單體容量為100Ah聚儲能鋰電池、并離網控制裝置MSD-831、380V母線、母線斷路器、通信管理機等裝置組成實驗室微電網系統(tǒng)。

四、微電網的控制

微電網的控制，軟件方面是由微電網能量管理系統(tǒng)來完成，硬件方面是由并離網控制器、雙向儲能變流器等設備組成[1][2]；微電網能量管理系統(tǒng)監(jiān)控著各個開關的狀態(tài)，包括風力發(fā)電機、光伏組件與母線之間的開關，微電網與外電網之間的開關，以及氣象條件，如風速、氣溫等[1][2]；還可以采集風力發(fā)電、光伏發(fā)電的發(fā)電曲線、發(fā)電量以及光照強度等信息；微電網能量管理系統(tǒng)可以對所監(jiān)控的開關、設備進行后臺操作；通過微電網能量管理系統(tǒng)自身的控制策略還可對微電網作出相應的運行控制，如離網能量平衡、儲能SOE維護、黑啟動等。

五、微電網的運行

實驗室微電網的運行有并網運行與孤島運行兩種方式，發(fā)電方式為風力發(fā)電和光伏發(fā)電兩種新能源發(fā)電，光伏組件發(fā)電后由匯流箱匯流進入光伏逆變器[1][3]，逆變后接入母線；風力發(fā)電機發(fā)電后由地下電纜接入風機控制柜，電源接入母線后，則由母線分配電能給本地負載使用，同時與外電網相連，可將多余電能送入外電網[1][2]；當并網運行時，微電網所發(fā)出電能，如太陽能發(fā)電、風能發(fā)電，一方面供給本地一、二、三級負荷，另一方面對本地儲能充電，剩余電量進入外電網；當外電網故障時則與外電網斷開，獨立運行。

1.并網運行

當環(huán)境風速達到3m/s時，風力發(fā)電機啟動發(fā)電，并通過風機控制器接入380V母線；光伏組件在有光照的情況下通過匯流箱和光伏逆變器將電能接入380V母線；微電網在滿足本地負載和儲能的情況下，若電源出力充足，則送入外電網；并網運行時微電網電源出力優(yōu)先本地負載和儲能[1][3]，如果對微電網電源出力有限制，則會按照預先設置的交換功率曲線對電源出力進行調控，不一定是額定運行，可能是調度運行；如果微電網電源出力不足，則由微電網電源與外電網電能同時對微電網本地負載和儲能供電。

2.孤島運行

當外電網遭受攻擊或者故障時，則微電網檢測故障后由微電網并離網控制器將微電網與外電網斷開，微電網轉入孤島運行[1]，此時由微電網的電源對儲能和本地負載供電；有時由于特殊原因，比如天氣等原因，微電網電源出力不足，則不足部分由儲能提供電能供給本地負載，如果出現(xiàn)微電網電源出力嚴重不足甚至沒有出力，則儲能獨自供給負載，隨著儲能下降，則將三級負載切除，隨后切除二級負載，若電源仍不能恢復，則一級負載切除，微電網停止供電；當微電網電源出力恢復，則恢復一級負載，隨之恢復二級、三級負載，同時維護儲能；當外電網恢復后，則由孤島運行轉為并網運行，繼續(xù)和外電網并網運行。

3.控制策略

實驗室微電網通過微電網管理系統(tǒng)來控制，控制策略包括黑啟動、離網能量平衡、防逆流、儲能SOC自動維護、交換功率控制、儲能充放電曲線控制、并網自動恢復、平滑出力控制等策略，實驗室微電網系統(tǒng)的常用控制策略為離網能量平衡和儲能SOC自動維護。

（1）離網能量平衡

當微電網并網運行時，風電和光伏發(fā)電如果出力足，除了供給儲能和本地負載以外，剩余電量將送入外電網，當微電網獨立運行時，則離網能量平衡策略保證發(fā)電、儲能、負載之間的平衡，離網運行后，如果風電和光伏發(fā)電出力足，則保證儲能和本地負載的基礎上，將多余出力限制[1][2]；如果出力不足，則不足部分由儲能供給；儲能則扮演著制衡者的角色，風電和光伏發(fā)電如果出力足則儲能是和本地負載一起得到電能，若儲能已經達到上限，則由負載自身消耗，若不能消耗，則限制風、光出力；風電和光伏發(fā)電如果出力不足，則儲能為電源的角色，儲能和風、光一起供給本地負載，讓儲能、風力、光伏在離網下達到平衡。

（2）儲能SOC自動維護

實驗室微電網儲能由電池管理系統(tǒng)（BMS）、雙向儲能變流器（PCS）、單體容量為100Ah聚儲能鋰電池構成，電池管理系統(tǒng)監(jiān)測每個單體電池的電壓、電流的大小[1]，雙向儲能變流器的直流側與電池相連，交流側與變壓器相連，當直流側和交流側都有電，則微電網處于并網運行，風、光出力對儲能電池和負載供電，當電池管理系統(tǒng)檢測充電已達到上限，則進入維護，電能全部供給負載，剩余送出外電網，若沒有剩余甚至出力不足，則由外電網供給本地負載，同時對儲能電池逆變后充電；當外電網失電，雙向儲能變流器的交流側母線失電，則由并離網控制裝置MSD-831發(fā)出并網轉離網運行的信號，則微電網孤島運行[1][2]；此時儲能SOC自動維護對電池繼續(xù)維護，如果風光出力足，則供給負載和電池，若電池不需要充電，則限制風光出力；如果風光出力不足，則儲能電池放電供給本地負載，隨著電池儲能下降，將分步驟切除一、二、三級負荷，保證電池電量處于最低下限時停止供電，讓儲能得到維護；當出力恢復或者外電網恢復時，則逐漸恢復一、二、三級負載，同時對儲能充電，當電池電量達到上限，則停止充電。endprint

六、結語

實驗室微電網已經具備了微電網的基本結構，包括風能、光能、儲能，通過黑啟動、離網能量平衡、防逆流、儲能SOC自動維護、交換功率控制、儲能充放電曲線控制、并網自動恢復、平滑出力控制等策略，可以研究實驗室微電網與外電網在能量方面的優(yōu)化配置；后續(xù)將繼續(xù)增加柴油發(fā)電機作為補充能源的微電網與外電網在風、光、儲、備等多方能量的平衡研究，最大限度的利用新能源，微電網具備自己的電源，將風、光等新能源、儲能以及備用電源和本地負載有機整合，控制各個能量之間的分配和外電網的電能達到平衡；這將是未來電網發(fā)展的重要方向之一。

參考文獻

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

Shi shan-shan，Lu zong-xiang，Zhou shuang-xi，Min yong.The characteristics and development direction of Chinas micro-grid[J].China power，2009，7（42）：21-25.

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Zuo wen-xia，Li peng-sen，Wu xi-ke，Cheng jun-zhao.Microgrid technology and development overview[J].China power，2009，7（42）：26-30.

第一作者：謝鴻齡，男，碩士，助教，主要從事微電網運行、電子變流研究，申報專利13項，其中以第一作者身份申報發(fā)明專利兩項，獲得授權實用新型專利11項；主持云南省科技廳青年項目一項，紅河學院校級項目一項，參與國家自科基金項目一項，紅河學院教改項目兩項，博士啟動項目一項；在第一屆全國大學生“恩智浦”杯智能汽車競賽中獲西部賽區(qū)光電組三等獎。

第二作者：牛林（1963-），女，教授，碩士，主要研究方向為過程控制。

第三作者：劉祥明（1979-），男，講師，博士，主要研究方向為智能機器人。

第四作者：劉水（1987-），女，學士，畢業(yè)于昆明理工大學津橋學院，計算機科學技術專業(yè)，現(xiàn)工作于紅河州氣象局，主要從事氣象信息技術等信息工作。endprint