智能微電網關鍵技術的研究

張冬卉

（鐵法煤業（集團）有限責任公司，遼寧 鐵嶺 112700）

0 前言

現階段基于社會生產力的不斷提升，對能源供應的需求量也大幅增加。并且在現有能源結構中，煤炭仍是主要的燃料之一。因此煤炭開采活動越來越頻繁，相關技術得到一定的發展。而從煤炭企業的角度出發，在從事生產活動時，其本身也需要大量的能源，用于支撐各項作業。根據我國當前生態文明建設以及綠色施工的要求，應當在礦區內注重對電能的清潔應用。近年來，多數煤炭企業紛紛利用分布式光伏發電系統進行供電，以減少對環境的污染，并提高安全性和可靠性。同時為保證其有效運行，則采用智能微電網技術，改善以往負荷增長的狀況，在各種惡劣天氣下仍能實現穩定、持續性供電，避免發生大面積停電事故。因此相關企業需要充分把握智能微電網的運行和控制等關鍵技術。

1 智能微電網技術概述

1.1 智能微電網的組成

微電網一般是由分布式電源、儲能裝置以及能源轉換裝置、監控以及保護等裝置共同組成的小型配電系統。其應用目的是提高分布式電源的靈活性和高效性，解決傳統大電力網存在的電源不穩、輸電安全性低等問題。同時通過智能微電網的控制，可對整個電力網絡進行集中控制，無須利用分布式的就地控制器，使用常規的量測裝置通過快速通信通道與就地控制器進行聯系，以此實現對分布式電源和負荷的暫態控制，集中開展能量管理，使系統穩定安全地運行。另外一方面，智能微電網實際上具有自我控制、保護和管理的系統功能，可通過自身控制管理保證功率平衡、優化系統的運行狀態，進行故障檢測并保護，最大限度地規避斷電風險[1]。

1.2 智能微電網的研究動態

當前對智能微電網的研究越來越豐富，在世界范圍內具有一定的突破性進展。例如在美國的研究過程中，其主要是針對其系統結構、運行方式、控制和保護性進行探究，通過建立“曼德瑞沃”微電網項目，建立相應的系統模型進行仿真分析。據此制定了微電網的管理條例，并深入探究孤島運行模式，為我國的研究提供了良好的借鑒，有效改善用戶側供電的可靠性。再例如日本對微電網的研究，主要是結合新能源產業技術，進一步加大分布式發電和可再生能源的利用，采取集合控制和網絡拓撲結構等方式，實現冷熱電聯產綜合應用，為大規模建設獨立可再生電源系統奠定了堅實的基礎。我國通過借鑒這一研究成果，有利于為可再生能源接入大電網提供成功經驗。另外歐盟對智能微電網的探索，則是以可接入性、靈活性和經濟性為基本原則，以實現用戶側負荷管理為目標，開展光伏發電接入微電網的試驗研究，為我國建立光伏發電矩陣模型以及蓄電池能源模型提供了良好的借鑒。綜合國外發達國家的智能微電網的發展現狀，發現我國目前與其仍存在較大的差距，為充分保證微電網的智能化應用，我國還須強化技術和策略研究。

2 智能微電網運行與控制關鍵技術

2.1 微電網主要運行方式

在實際運用智能微電網時，其一般包括2種運行模式，一種是與大電網進行并網連接運行，另一種則是與電網斷開開展孤網運行。當前比較常見的運行方式，則是以并網為主，微電網可以與大電網進行能量交換，或者是將多余電能順利反饋到大電網或由大電網，補充微電網的發電量等。而如果系統檢測到主網出現運行故障，或電能質量不符合煤炭企業的用電需求時，即可將微電網與大電網斷開，進而形成孤島運行。通過該方式，由微電網中的分布式發電（DG）進行供電，可為企業提供持續性的、可靠的供電服務[2]。

并且在不同的運行方式下，微電網會呈現出不同的特性。例如在并網運行條件下，利用公共連接點保證微電網與大電網的連接，實現與外部電網進行功率交換。此時當微電網內部的分布式電源發電量較小時，則可從外部獲取補充電能。而當分布式發電量超過負荷需求時，則會將多余電能反饋到大電網中。因此，對智能微電網的并網運行，應當綜合考慮電力市場的規律，對分布式電源進行靈活控制，以此降低電能消耗成本。當采用孤網運行方式時，如果大電網出現故障或質量與標準不符，可實施計劃外的孤網運行模式，由DG承擔全部的微電網負荷，有助于保障供電安全和平穩。而微電網主動與外部大電網進行分離，其可實現計劃內的孤網獨立運行，具有良好的環保性和經濟性。

2.2 微電源控制方法

在煤炭企業建設智能微電網時，需要針對并網和孤網2種運行方式，采取相對應的控制策略。而對微電源的控制，則是由發電裝置類型所決定的。通常情況下，包括如下3種控制方法。

2.2.1 針對分布式電源運用恒定功率控制方法

利用PQ控制原理將分布式電源的有功功率和無功功率的輸出值等同于參考功率，通過對頻率下垂曲線的調整，可保證有功功率在參考值范圍內。如圖1所示，分布式電源出口電壓為額定值，此時系統頻率為50 Hz，電源處于B點運行。圖中的Pref和Qref為電源輸出的有功和無功功率。當頻率增加到51Hz時，電壓幅增大到額定值的1.1倍，且電源運行到A點，其輸出的有功和無功功率未發生變化。當頻率降低到50 Hz時，電源出口的電壓幅值減小到額定值的1.0倍，并由B點運行到C點，其輸出的有功和無功功率仍沒有變化[3]。

圖1 智能微電網的PQ控制原理

2.2.2 下垂控制方法

其首先是對有功電壓和無功頻率進行解耦，按照下垂特性曲線來合理調節系統的電壓和頻率。根據下垂控制的原理，可利用分布式電源無功功率輸出和電壓幅值開展控制操作，基于無通信控制將電壓和頻率與參考值的差值，作為下垂控制的輸入，并按照不同電壓等級下的線路電抗值特性，選擇適當的下垂控制措施，在實際工作中可借助PI調節器對分布式電源的電壓和頻率等進行調控。

2.2.3 恒壓恒頻控制方法

針對孤網運行狀態，為使系統具有良好的穩定性，應當盡可能保證微電網提供的電網和頻率平穩。因此應當注重快速跟蹤負荷發生的變化。主要控制方法是設定合理的電壓和頻率參考值，實時對輸出的2項指標結果進行做差，在PI調節器的作用下可使電壓與頻率的穩定、可靠。

2.3 智能微電網系統的控制模式

按照智能微電網的典型運行方式，對整個系統的控制應當結合其結構和特點，采取適當的整體控制策略。主要包括以下幾種模式。

2.3.1 主從控制模式

當智能微電網實行孤網運行方式時，對電源或儲能裝置應用恒壓恒頻控制方法，可向微電網中的其他電源提供相應的電壓及頻率參考值，主要適用于PQ控制模式。其中對恒壓恒頻控制的電源及儲能裝置，則可作為主控制器，其他為從控制器。通常是主控器決定各個從控制器的運行方式。按照主控制器的數量，又可分為單主從以及多主從等形式。如在煤炭企業中進行并網運行，則可采用PQ控制，對孤網運行狀態主控制器采用恒壓恒頻控制，其他微電源則以PQ控制為主，確保在各種工作條件下保證系統的可靠運行。同時，由于系統電壓及頻率是由主控器進行控制，所以其單元應當保證具有一定的儲備容量，保證微電源的可控輸出。在此基礎上，對孤網運行模式下，微電網的從控制單元，可使用PQ控制方法，并利用主控單元的DG調節負荷變化情況，確保功率輸出在相應范圍內具有可控性[4]。

2.3.2 對等控制模式

其是指將分布式電源設置為相等地位，具有即插即用的功能，無須對微電網中的電源設置進行改變，當插入任何一個分布式電源后，均可對能量平衡按照控制關系而實現自動調節，是一種本地控制方式。常用方法則是下垂控制，可按照以往發電機的功頻特點，控制輸出的端電壓、無功功率等。例如電力系統的頻率出現降低，發電機會自動增加有功功率輸出，穩定系統運行狀態。再例如發電機的端電壓出現下降，發電機會自動增加無功功率。在微電網的孤網運行模式下，利用下垂控制可保證對電壓、頻率等進行調節。一旦微電網內部負荷發生變化，可根據分布式電源的下垂系數自動調整，促使負荷變化量得到有效分擔，維系微電網始終處于穩態工作狀況。

2.3.3 分層控制模式

對智能微電網系統應用進行分層控制，實質是在主從控制的基礎上進行單列，將管理組織劃分為不同的層級，通過服從整體目標開展相對獨立的控制活動。在分層式，主要是根據電力系統內部的管理體制、組織、電網結構、電壓等級等，對微電網的有功頻率、無功電壓以及線路等進行有效管控。而且在分層控制模式中，通常會設置有中央控制器，主要作用是向微電網中的電源或儲能裝置下達控制信號。在控制過程中，先由中心控制器對分布式電源的發電功率、負荷需求量等開展預測，并制定針對性的運行計劃。通過采集帶壓、功率和電流等參數，進一步優化運行狀態。例如控制分布式電源、儲能裝置和負荷裝置的啟停等，充分保證電壓及頻率的穩定性，發揮良好保護作用。

3 智能微電網系統構建

3.1 光伏發電系統建模

智能微電網系統的分布式電源，主要是采用光伏電池，其是利用光生伏特效應，將光能轉化為可利用的電能，具有清潔、無污染的優勢，是未來綠色能源發展的重要趨勢。基于微電網的應用，可構建光伏發電系統模型，為微電網的運行控制提供良好基礎。首先應當確定分布式光伏電池的等效電路，其如圖2所示。

圖2 智能微電網中光伏電池等效電路

其次要注重對光伏陣列的設置，現階段所應用的光伏電池單個工作電壓在0.45 V～0.5 V，工作電流范圍在20mA～25mA。在實際使用時，光伏電池往往不能作為單獨的電源，需要將其進行串聯或并聯后封裝，形成電池組。標準條件下，1個組件中含有36～40個光伏電池，可產生約16V的電壓。為充分滿足用電需求，應當將多個組件再次進行串聯和并聯，形成陣列形態[5]。

3.2 蓄電池儲能系統建模

儲能裝置是智能微電網系統中的重要組成部分，在利用分布式電源時，蓄電池儲能是一種具有可控性的微電源形式。例如在孤網運行模式下，能夠有效地支撐和調節系統內的電壓和頻率，在并網運行模式下，可實現功率輸出。為保證智能微電網系統的平穩工作，須對蓄電池儲能系統進行建模。首先認知到蓄電池的電化學性質，將氧化還原反應所釋放的能源直接轉化為電能，起到儲存能量的作用。并且當內部能量消耗盡之后，可采用充電方式恢復，為外部用電設備提供輸出電流。在建模時根據謝菲爾德模型進行適當改進，將可控電壓源串聯電阻作為重要組成部分，比較精確地表達蓄電池的化學特性。對蓄電池儲能系統進行并網控制，最為有效的方法則是恒定功率控制方式，利用逆變器實現能源轉換。在控制時先要測量蓄電池輸出的有功功率及無功功率，再將有功和無功值輸送到恒定功率控制模塊中，進而產生用于電流內環的信號，基于逆變器輸出與測量基準點同步進行控制。

4 智能微電網控制策略

4.1 采用逆變器控制方式

從整體角度出發，對煤炭企業智能微電網的控制策略，主要是通過逆變器而實現的。這是由于微電網中的分布式電源是以逆變器作為接口，形成分布式發電系統模塊。主從控制策略，是利用功率控制和電壓頻率控制方法。其中相對分布式發電系統模塊，可采用恒定功率控制，向系統中增加有功和無功功率即可，在應用較為廣泛的光伏發電系統中，可以最大功率輸出，提高能源利用效率，有助于提升煤炭企業的經濟效益和社會效益。

4.2 采用電壓頻率控制方式

針對分布式光伏發電和蓄電池儲能電池組網形式，可采用電壓頻率的控制策略，保證智能微電網系統的高效、穩定運行。例如綜合考慮蓄電池儲能的可控特性，應實施恒定功率輸出或者恒壓頻率輸出等，為系統工作提供合適的電壓和頻率。同時在孤網運行模式下，也能夠保證在并離網轉化時，對不同控制方法及策略的切換，靈活的適應各種系統運行控制需求。 例如當聯網切換到孤網狀態時，蓄電池的有功功率和無功功率會有所增加，通過主控制蓄電池對系統的功率進行有效補償，則能夠避免在孤島斷開后出現系統不平衡的現象，科學可靠地應用智能微電網。

5 結語

綜上所述，在當前新時代下，電力系統的建設發展具有較大的進步。智能微電網作為新能源供電的主要系統模式，能夠增強電網的安全可靠性。因此應當充分掌握智能微電網的關鍵技術，充分把控其運行模式和控制方法，并結合光伏發電以及蓄電池儲能裝置等建立模型，為微電網組合提供支持。在控制智能微電網時，相關工作人員可通過逆變器控制和電壓頻率調節2種方式，有效避免故障對微電網和主網產生不利影響，提升能源轉化和供配電效率以及質量。