智能微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)探究

高吉榮

（山東理工職業(yè)學(xué)院，山東 濟寧 272067）

0 引 言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，越來越多的能源出現(xiàn)短缺現(xiàn)象，環(huán)境保護也成為人們關(guān)注的重點。我國傳統(tǒng)的電網(wǎng)模式是距離遠、高壓強的大電網(wǎng)模式，安全性及可靠性都存在諸多問題。所以，可再生能源的出現(xiàn)和使用越來越受到人們的歡迎。分布式電源的特點是污染小、利用率高、安裝簡單等。但是，如果有大量的分布式電源接入配電網(wǎng)，就會直接對配電網(wǎng)造成極大的負面影響。此時，微電網(wǎng)技術(shù)的使用有效緩解了當(dāng)前分布式發(fā)電存在的接入問題，合理優(yōu)化了負荷的增長形式，在降低能耗的同時提高了電力系統(tǒng)的安全性與可靠性，在天氣惡劣的情況下仍然能夠不受影響為用戶提供電力，可以最大化滿足人們對電能質(zhì)量的需求。

1 智能微電網(wǎng)簡介

微電網(wǎng)技術(shù)也被稱之為微網(wǎng)，所構(gòu)成的發(fā)配電系統(tǒng)是由儲能裝置、監(jiān)控、分布式電源、保護裝置以及負荷等共同組成的。微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的提出是基于分布式電源靈活性、高效性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，能夠有效解決形式、數(shù)量較為豐富多樣的電源并網(wǎng)問題。微電網(wǎng)在開發(fā)期間需要促進分布式電源與可再生能力實現(xiàn)大規(guī)模接入，可以為負荷多種能源而提供一定的可靠性。這是實現(xiàn)主動式配電網(wǎng)的一個重要手段，還能夠促進傳統(tǒng)電網(wǎng)平穩(wěn)過渡至微電網(wǎng)[1]。

2 智能微電網(wǎng)的運行方式

2.1 并網(wǎng)運行方式下微電網(wǎng)的運行特性

在并網(wǎng)運行模式下，微電網(wǎng)必須依靠PCC點才能夠完成與大電網(wǎng)之間的連接。在完成連接期間，如果微電網(wǎng)內(nèi)部分布式電源具備的電能無法滿足負荷需求，那么微電網(wǎng)需要通過外部能量的吸收進一步滿足負荷需求。如果微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源所具備的電能在滿足負荷需求的同時還有剩余，那么大電網(wǎng)會逐漸吸收這些電能。

并網(wǎng)運行期間，它所產(chǎn)生的內(nèi)在功率需要經(jīng)過大電網(wǎng)實現(xiàn)平衡調(diào)節(jié)，同時頻率會因為大電網(wǎng)的變化而隨之發(fā)生改變，以此不斷維持自身的穩(wěn)定性。就電壓的角度來說，微電網(wǎng)是需要依靠外部的大電網(wǎng)維持電壓支撐的。由于分布式電源中定壓呈現(xiàn)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[2]。如果局部電壓沒能得到有效控制，會導(dǎo)致分布式電源發(fā)生電壓偏移現(xiàn)象。

2.2 孤網(wǎng)運行方式下微電網(wǎng)的運行特性

微電網(wǎng)以獨立的方式運行被稱為孤網(wǎng)運行。通常情況下，孤網(wǎng)運行還包括計劃內(nèi)與計劃外兩種。在孤網(wǎng)運行時，如果電網(wǎng)發(fā)生故障或者大電網(wǎng)的電能質(zhì)量低于標(biāo)準(zhǔn)，微電網(wǎng)則可以實現(xiàn)獨立運行，這就是計劃外孤網(wǎng)運行。計劃外運行既能夠保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，也能夠確保大電網(wǎng)正常運行，大幅提高了供電安全性。站在環(huán)保的角度上，微電網(wǎng)一般會主動脫離大電網(wǎng)實現(xiàn)獨立運行，這樣的行為是計劃內(nèi)運行方式。

通常來說，在孤網(wǎng)運行期間，微電網(wǎng)的頻率控制非常重要。就傳統(tǒng)角度而言，頻率的控制是基于旋轉(zhuǎn)體控制的前提完成的，主要原因是發(fā)電機具備極強的慣性，所以頻率方面所發(fā)生的變化極大[3]。微電網(wǎng)的構(gòu)成是以電力變換器件為主，大部分都沒有與旋轉(zhuǎn)體相連接。加上燃料電池的慣性非常小，所以在控制微電網(wǎng)頻率時，應(yīng)該借助儲能設(shè)備或者頻率下垂等方式實現(xiàn)對頻率的控制。電壓方面的控制實際上是一個局部控制，所以無論是并網(wǎng)情況還是孤網(wǎng)情況都沒有太大差別。

3 智能微電網(wǎng)的控制模式

3.1 主從控制模式

當(dāng)微電網(wǎng)呈現(xiàn)孤網(wǎng)運行時，是以主從控制為主的，而儲能裝置方面的控制也需要借助頻率或者電壓來實現(xiàn)。選擇U/F方式完成對DG的控制，而該控制器則被稱為主控制器，DG控制為從控制器。所有的從控制器都能夠按照主控器的方式?jīng)Q定自己的運行方式。

以主控制的數(shù)量為依據(jù)，可進一步細分為單主從或者多主從控制。并網(wǎng)運行時一般會選擇PQ方式展開控制，而孤網(wǎng)運行時則選用U/F的控制方法，其他電源以PQ進行控制，這樣可以確保兩種工作模式能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的運行[4]。

3.2 對等控制模式

實際上，對等控制在微電網(wǎng)中的含義是賦予所有分布式電源同樣的地位，而不是像主控制單元一樣占據(jù)了較為重要的地位。目前，在對等控制模式下的微電網(wǎng)都具有“即插即用”性能，且該性能并不會改變微電網(wǎng)的電源基礎(chǔ)，可以隨意接入分布式電源，而系統(tǒng)則會根據(jù)自身所具備的調(diào)節(jié)功能進行平衡。所以，將對等控制模式應(yīng)用于微電網(wǎng)，簡單利用本地控制的手段平衡分布式電源就可以實現(xiàn)，可以選擇不同分布式電源建立通信。

對等控制與主從控制相比，分布式電源都能夠自動分配功率動態(tài)，便于智能電網(wǎng)實現(xiàn)“即插即用”的功能，同時也便于DG的接入，在節(jié)約通信費用的同時也節(jié)約了微電網(wǎng)成本。基于這樣的情況，微電網(wǎng)無論處于何種運行狀態(tài)，都不需要改變微電網(wǎng)對于DG的控制模式，很大程度上方便了切換的實現(xiàn)。

3.3 分層控制模式

分層控制是主從控制的一種。所謂分層控制實際上就是將管理組織細分為多個不同的層級，每一個層級都需要服從整體目標(biāo)。站在整體目標(biāo)的層面上，控制活動的獨立性很重要。加上選擇分層控制方式，可以充分利用電力系統(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。

一般來說，分層控制通常具備一個中央控制器。這個中央控制器的作用是向微電網(wǎng)發(fā)送控制信號。一般來說，中央控制器可以通過預(yù)測方式了解DG對負荷的需求，從而根據(jù)其需求情況為其制定合理的運行計劃，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。

3.4 控制模式的比較與分析

一般主從控制在運行期間需要依賴PQ完成控制，原因是該控制模式是以風(fēng)能和光能為主，具備極大的不確定性。例如：在孤網(wǎng)運行期間，微型燃氣輪機一般選擇恒頻恒壓的方式進行控制，以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，該模式以一個DG作為主控制單元，在一定程度上要求DG之間應(yīng)建立通信，成本增加的同時降低了可靠性[5]。此外，該種控制方法對于整個系統(tǒng)的依賴性較強，一旦主控制單位通信失敗，那么整個微電網(wǎng)就會徹底癱瘓。

對等控制方法在控制過程中不需要DG之間建立通信，因為所有分布式電源的地位高度相一致，展開控制的過程中冗余性的存在是必然。但是，該種控制方法沒有對電壓和頻率的恢復(fù)展開考慮，會導(dǎo)致發(fā)電機出現(xiàn)二次調(diào)頻問題，一旦微電網(wǎng)遭到破壞，將無法保證頻率的質(zhì)量。

分層控制的特點是通信聯(lián)系并不要以強聯(lián)系的方式為主，而中心控制器能夠完成對微電網(wǎng)的管理，且隨著科技的快速發(fā)展又出現(xiàn)了多微電網(wǎng)概念，而在這樣的環(huán)境下分層控制成為了首選。Agent控制技術(shù)的優(yōu)勢在于具備自發(fā)性、自治性和一定的響應(yīng)能力，所以將其應(yīng)用于微電網(wǎng)可以有效滿足其在分散控制方面的需求。

4 智能微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 微電網(wǎng)的運行

就目前來說，微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行方式分為兩種：一是同大電網(wǎng)相連實現(xiàn)并網(wǎng)運行；二是獨立孤網(wǎng)運行。

正常運行狀態(tài)下，微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式下展開運行，可以與大電網(wǎng)展開能量交換，也能夠?qū)⒍嘤嗟碾娔軅鬏斀o大電網(wǎng)。如果微電網(wǎng)中發(fā)電量不足，大電網(wǎng)可以為其提供能量。在微電網(wǎng)試驗平臺中可以展開相關(guān)的驗證。在合理的控制手段下，微電網(wǎng)可以選擇并網(wǎng)運行或者孤網(wǎng)運行，并在兩種運行模式之下實現(xiàn)有序的轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)在監(jiān)測期間如果發(fā)現(xiàn)主網(wǎng)中存在故障或者因電能過低無法滿足運行時，微電網(wǎng)則會自動切斷與大電網(wǎng)之間的連接轉(zhuǎn)換為孤網(wǎng)運行模式，同時微電網(wǎng)中的負荷或通過DG完成供電[6]。這樣的情況下，系統(tǒng)能夠有效為用戶以及負荷提供充足、可靠的電能，是孤網(wǎng)運行的意義所在。

4.2 微電網(wǎng)的控制

與大電網(wǎng)相比，微電網(wǎng)是一個可以控制的單元模塊，自身具備的電能可以有效滿足用戶對于負荷方面的需求，所以在實現(xiàn)功能的同時也要注意對微電網(wǎng)的控制和管理。一般的控制方式就是利用控制設(shè)備來完成。控制設(shè)備由可控制負荷管理器、分布式電源控制、中央能量管理系統(tǒng)以及繼電保護裝置等組成[7]。在微電網(wǎng)的控制過程中，一旦出現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)故障，該控制系統(tǒng)應(yīng)該在第一時間做出判斷和響應(yīng)。需要先斷開與主電網(wǎng)的連接，并快速就微電網(wǎng)內(nèi)部的發(fā)電裝置進行轉(zhuǎn)換，以此保證微電網(wǎng)順利轉(zhuǎn)換為孤島運行模式。

微電網(wǎng)控制的主要目標(biāo)：能夠有效調(diào)節(jié)微電網(wǎng)內(nèi)部的饋線潮流，分別控制無功和有功；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，每一個微型電流都應(yīng)該保持快速響應(yīng)狀態(tài)，以此減輕用戶的負荷；基于系統(tǒng)的實際需求和運行情況，利用平滑方式完成對主電網(wǎng)的分離。

4.3 微電網(wǎng)的保護

就微電網(wǎng)的保護角度而言，傳統(tǒng)形式下的保護方式與實際運行中的微電網(wǎng)保護方式之間存在很大的差異：饋電潮流是以雙向流通的方式為主；無論微電網(wǎng)處于何種運行方式，其內(nèi)部所分布的饋線非常多，各種短路的電流之間也存在極大差別。

所以，微電網(wǎng)在兩種不同的運行情況下如何快速感知微電網(wǎng)內(nèi)部故障或者并網(wǎng)運行時主網(wǎng)所發(fā)生的故障，當(dāng)感知到故障后如何對其展開快速、有效的保護，是當(dāng)前微電網(wǎng)的技術(shù)難點。在孤網(wǎng)運行期間，一般內(nèi)部分布式電源發(fā)生故障而產(chǎn)生的故障電流非常小，而大電網(wǎng)中的保護裝置基本上感應(yīng)不到其故障，因此需要選擇更加靈敏有效的故障診斷方式。

在微電網(wǎng)中能夠影響保護環(huán)節(jié)的部分包括分布式發(fā)電系統(tǒng)、微電網(wǎng)容量以及負荷類型等。因為分布式發(fā)電系統(tǒng)與儲能元件的類型不同，對于保護裝置帶來的影響也不盡相同。加上微電網(wǎng)處于不同的拓撲結(jié)構(gòu)下都會對保護裝置造成影響，因此這些方面需要格外重視[8]。

4.4 微電網(wǎng)的經(jīng)濟性

在推廣和不斷發(fā)展微電網(wǎng)技術(shù)的過程中，它所具備的經(jīng)濟性極為重要。微電網(wǎng)處于經(jīng)濟性運行期間，可以充分借鑒和應(yīng)用大電網(wǎng)的電能交易或者資源配置方面的經(jīng)驗，以此實現(xiàn)微電網(wǎng)的優(yōu)化。微電網(wǎng)具備的優(yōu)勢較多，如微電網(wǎng)可以按照客戶的實際需求為其提供相應(yīng)的電能，具備極強的個人服務(wù)特色。目前，它的經(jīng)濟性主要表現(xiàn)在兩個方面。一方面，運行方式與投資都得到了極大提升。就能量管理系統(tǒng)而言，可以有效滿足當(dāng)?shù)貙﹄姟帷⒗洹㈦娔苜|(zhì)量等方面的需求，并以此為依據(jù)決定微電網(wǎng)中分布式發(fā)電系統(tǒng)運行和配網(wǎng)所需要的電能總量。另一方面，微電網(wǎng)的經(jīng)濟效益需要完成量化與評估，這是促進微電網(wǎng)運行和加大投資的重要手段。但是，目前還沒有一套高效率且完善的方法能夠評估和量化微電網(wǎng)。

5 結(jié) 論

智能微電網(wǎng)技術(shù)上就是集分布式發(fā)電、儲能裝置以及用戶負荷于一體的組合，能夠使其形成一個相對微小且可控制的電力網(wǎng)絡(luò)，還能夠根據(jù)客戶的不同需求為其提供電能和熱能需求。這樣既妥善解決了分布式電能的接入問題，也可最大限度地利用分布式能源具備的節(jié)能性、高效性以及靈活性等優(yōu)勢，促使微電網(wǎng)成為大電網(wǎng)的重要補充。