基于微電網孤網運行特性研究

陳 濤

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引 言

微電網是現代電能供應的常見網絡形式，能克服傳統的分布式電源的弱項，最大限度地緩和分布式發電與大電網之間的矛盾，并且能利用現代化清潔能源，對友好型社會的發展十分有利。從其自身的運行優勢來看，微電網具有自我控制功能，可與外電網一同運行，也能獨立運行，獨立運行的微電網又被稱為“孤網”[1]。微電網孤網運行的核心在于對電網系統的控制，其內電壓頻率的穩定與微電源功率之間的分攤可維持電網系統穩定運行。當微電網處于孤網運行狀態時，微電網內部的分布式電源與儲能系統所呈現的控制方式及負荷類型均不同，受負荷的影響，微電網內部的電壓頻率也會出現變化。

1 風光儲微電網系統概述

風光儲微電網組成結構如圖1所示。下面以某一風光儲微電網系統為例進行分析，這一微電網系統適用于接配10 kV模型，電網頻率為50 Hz，而外電網的等效模型為External Grid及10/0.4 kV的變壓器，將其與斷路器Breaker相連接后，系統的主要配置包括風力發電系統WTG（20 kW）及儲能裝置BESS（20、40 kW）等。其中，Breaker的開關處于閉合狀態時，微電網是并網運行的。而風力發電機設備組與光伏系統皆采用PQ控制方式來維持并網運行。儲能裝置則采用等效運行模式，將電源中的直流電源與電壓源以雙向變流器為基礎，組成對整體系統形成控制和調節作用的運行模式，并由配電網與分布式電源共同承擔供電的負荷[2]。風光儲微電網系統由配電網來調節系統的電壓頻率，分布式電源則采用恒功的方法來調節各個系統內的電壓頻率。Breaker的開關處于斷開狀態時，微電網的運行模式則從并網運行變為孤網運行，此時微電網系統的邏輯開關將對儲能方式加以調節，使負荷的供電需求由網內的分布式電源承擔為主。此外，它的儲能裝置的控制模式將從PQ替換為V/f，使微電網中的電壓頻率與功率之間保持平衡狀態[3]。

圖1 微電網系統組成與結構

2 微電網孤網運行仿真系統分析

2.1 微電網孤網算例分析

2.1.1 初始狀態

光伏、風機的功率為0 kW，SOC（State of Charge，電池荷電狀態，也叫剩余電量）值為60%，當儲能電池的輸出超出儲能裝置的額定功率Pnom時，切除部次以保證重要部分的負荷供電穩定，使之留有10%的余量。切除3 kW，3 s時，WTG與PV的電力輸出為5 kW與10 kW；4 s時，PV增加5 kW，Load2減少2 kW；5 s時，PV增加7 kW，此時對BESS采取充電操作；6 s時，WTG增加5 kW，Load1減少10 kW。

2.1.2 BESS持續充電

7 s時，Load2減少為0 kW，若BESS的輸入超出Pnom，則可以減少WTG的出力；8 s時，PV為25 kW，WTG則退出運行狀態。

如圖2所示，技術人員所構建的微電網系統模型是正確的，利用協調、控制等手段可以有效避免主電源儲能電池的有效釋放，使系統中負荷供電的可靠性更強，并且能達到大功率、狀態相對平衡的控制目標[4]。如果微電網系統中電能功率變化較大，則系統中電壓的頻率波動也會較為明顯，此時儲能電池中的電量尚且充足，允許系統進行相應的調節，但短期內也會相對穩定。當系統電壓的頻率超出可控范圍之外，微電網系統就會出現不穩。由此可見，對微電網運行的狀態進行維持和分析是十分重要的[5]。

圖2 微電網運行的特性示意圖

2.2 微電網電壓、頻率的特性分析

微電網系統運行的電壓頻率與主控電源之間是息息相關的，對微電網孤網運行中儲能裝置的不同功率輸出進行研究是非常重要的，要對系統內的功率波動控制進行研究。由于低壓電網波動影響會隨著電壓變化而變化，但總體來說，負荷低壓電網的波動對系統內部電壓不會造成較大影響，在仿真系統中只需著重對系統電壓的穩定性進行研究[6]。為防止微電網中儲能裝置的充放處于過量狀態，且適當延長微電網系統的使用年限，可將微電網儲能裝置中的SOC值設置在合理的區間內，并且要設定儲能裝置的充放電功率值，盡可能避免SOC值迅速達到極限。技術人員要根據SOC儲能電池的不同狀態來約束其充放電功率，并將這些情況細化為不同的區間，實現有效的約束，便于合理儲能及調節。劃分的各部分區間可如表1所示。表1中，SOC值為0%～10%時，是系統儲能裝置的下限狀態，儲能單元中的電能極度匱乏，必須通過充電操作來補充電能；SOC值為10%～20%時，微電網中的儲能單元所剩電能有限，已處于不足的狀態，需要儲能系統依據放電功率來約束電能使用情況，放電功率計算公式為[7]；SOC值為20%～80%時，系統處于正常的工作狀態，能在額定功率下完成充放電工作，并不需要額外的電能釋放約束；SOC值為80%～90%時，則系統儲能裝置中的電能較多，會自動對充電功率進行約束，放電功率計算公式為；SOC值為90%～100%時，是系統儲能裝置的上限狀態，此時儲能單元智能放電，而不能持續充電。

表1 儲能裝置區間劃分示意表

2.3 不同荷電狀態下微電網孤網運行特性的仿真分析

當微電網處于孤網運行狀態時，系統的容量相對較小，且分布式的電源功率輸出會對整個系統的負荷功率及電壓頻率等產生影響，導致系統存在較大的波動。在主電源儲能的形式下，微電網內部的電壓頻率調節可有效維持系統運行的穩定性[8]。對于不同負荷擾動程度的系統來說，在不同額定功率下其呈現出的特性存在明顯的差別。在本次實驗中，該微電網系統的輸出光伏為20 kW，風機退出后，Load1的功率為10 kW，Load2的功率為6 kW。在實驗中將微電網系統的儲能裝置額定功率設置為15 kW、20 kW和25 kW，所對應的SOC值為16%、18%、60%，2 s后Load2以0.5 s為時間間隔，儲能裝置的額定功率處于3 kW、6 kW、12 kW、15 kW和18 kW變化中，并發現以下變化規律：儲能額定功率為25 kW時輸出的最大功率為25 kW，儲能額定功率為20 kW時輸出的最大功率為20 kW，儲能額定功率為15 kW時輸出的最大功率為15 kW。由此可知，當微電網的儲能功率達到一定狀態時，隨著微電網中負荷擾動功率的增加，該系統中的電壓值也會存在較大的變化，若負荷值的變化較大，那么電壓的變化范圍會超出規定的區間，此時技術人員需要采取相應的措施予以控制和調節[9]。當額定功率處于25 kW、20 kW和15 kW時，微電網中儲能電池的符合功率會變化為15 kW、12 kW和9 kW，且變化量約占輸出功率的60%。對同一負荷的擾動情況，儲能電池的額定功率數值較大，則對于微電網系統的擾動情況所起到的平抑作用反而能呈現出較好的效果，同時所需處理時間較短，有利于微電網系統穩定運行。

2.4 研究結論分析

通過本次實驗研究發現，搭建微電網系統后，對孤網運行模式的負荷擾動及儲能電池的額定功率進行對比研究，得出了關于微電網孤網運行的特性。一是微電網中儲能電池的額定功率及負荷的擾動情況，對微電網系統穩定性的影響是不容忽視的。系統的儲能電池在正常的工作狀態下所設定的額定功率越大，對系統電壓頻率的調節作用越來越強，依據系統內功率的變化擾動調節時間也就會相應縮短，從而使微電網系統在孤網狀態下的運行穩定性越來越強[10]。二是隨著微電網系統的負荷波動幅值增加，系統電壓頻率會隨之增加，但負荷波動的幅值一旦超出預計的范圍，那么電壓頻率也會超出既定范圍，并且會對系統的穩定性帶來不良影響。為避免這一問題，技術人員在實際的工作中，應對不同類型、不同性質的儲能電池SOC值進行研究，依據其所對應的最大輸出功率的不同來調整負荷波動的平抑措施。配置儲能功率時要充分考慮這一方面的因素，使負荷和電源功率達到最大的波動幅值，再進一步制定最為適宜的投切方案，對該微電網系統的運行情況進行控制，使之達到理想的運行效果[11]。

3 結 論

微電網的孤網運行特性較為明顯，其中包括負荷擾動及儲能電池對微電網電壓及頻率的影響，即負荷擾動與電壓影響成正比，儲能電池額定輸出功率與微電網系統的電壓及頻率變化成正比。維持系統內電壓穩定，才可快速分擔電能功率，維持微電網系統穩定運行。本次實驗研究發現，微電網內電源及儲能系統的控制方式或負荷類型或儲能裝置容量等，均會對微電網系統內的電壓頻率帶來明顯的影響。要想深入研究微電網系統的變化頻率，僅依靠仿真實驗來證明是遠遠不夠的。技術人員需要通過具體的數值變化來研究微電網系統中孤網的運行特性，將定量研究與定性研究方法融入實際研究工作中，以取得良好的研究效果。