微電網(wǎng)特征與關(guān)鍵技術(shù)研究

孫景文，王藝鋼

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇 常州 213000）

0 引 言

隨著能源發(fā)展的不斷進(jìn)步，微電網(wǎng)技術(shù)受到了更多關(guān)注。充分應(yīng)用微電網(wǎng)作為分布式電源的控制模式，為電力行業(yè)打造既能滿足獨(dú)立運(yùn)行又能實(shí)現(xiàn)可控單元并網(wǎng)運(yùn)行的應(yīng)用體系，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的和諧統(tǒng)一。

1 微電網(wǎng)技術(shù)概述

微電網(wǎng)構(gòu)造過程中，將分布式電源與用戶要求的貼合度作為關(guān)鍵，綜合分析相關(guān)要素對微電網(wǎng)的容量大小和微電網(wǎng)電壓等級產(chǎn)生的影響，保證供電和輸電距離配置的合理性，從而提升應(yīng)用效益。從微電網(wǎng)實(shí)際容量規(guī)模和電壓等級的層面對其進(jìn)行分類，如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)分級示意圖

二級子微電網(wǎng)屬于低壓等級，容量規(guī)模不足2 MW，為單設(shè)施級微電網(wǎng)。這種電網(wǎng)等級結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效能有限，一般會集中應(yīng)用在小型工業(yè)建筑、居民樓或單幢建筑物中[1]。

一級子微電網(wǎng)屬于中低壓等級，容量規(guī)模在5～10 MW，屬于饋線級微電網(wǎng)，是不同型號或容量較小的微電網(wǎng)利用相應(yīng)的方式組合形成的統(tǒng)一體系。基于微電網(wǎng)具備的普適性特征，其一般會應(yīng)用在公共設(shè)施等環(huán)境中。

主網(wǎng)屬于中低壓等級，容量規(guī)模在5～10 MW，屬于變電站級微電網(wǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，劃分為變電站和饋線用戶級微電網(wǎng)，由于其級別的特殊性，因此被廣泛應(yīng)用在變電站供電區(qū)域[2]。

2 微電網(wǎng)技術(shù)特征

2.1 運(yùn)行模式多樣性

在微電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境中，孤網(wǎng)運(yùn)行或并網(wǎng)運(yùn)行皆可，需要結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用要求采取對應(yīng)的處理方式[3]。孤網(wǎng)運(yùn)行模式指微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間處于斷開狀態(tài)，依據(jù)自身內(nèi)部分布式電源提供可靠電力資源完成負(fù)荷處理（見圖2），在保證電能輸送效能的同時(shí)，整合具體的應(yīng)用運(yùn)行結(jié)構(gòu)。并網(wǎng)運(yùn)行模式指微電網(wǎng)借助公共連接節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)開關(guān)進(jìn)行處理，有效實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)的接入。

圖2 微電網(wǎng)分布式電源控制原理

微電網(wǎng)完全與外部大電網(wǎng)斷開聯(lián)系，這種微電網(wǎng)一般是處于海島地區(qū)、山區(qū)地區(qū)等，能更好地進(jìn)行分散電力需求的控制處理[4]。在某些電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不足的情況下，微電網(wǎng)暫時(shí)與外部大電網(wǎng)斷開聯(lián)系，這種斷開模式能有效提升其涉及區(qū)域內(nèi)用電的可靠性和安全性。

2.2 結(jié)構(gòu)多樣性

對于微電網(wǎng)技術(shù)體系而言，微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的前提就是選取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)模式。微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式是指基于微電網(wǎng)體系拓?fù)湟?guī)則（見圖3）建立的結(jié)構(gòu)，分布式電源的布局模式和電能質(zhì)量會對微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式產(chǎn)生影響，這就需要匹配不同模式的微電網(wǎng)供電體系。

圖3 微電網(wǎng)拓?fù)湟?guī)則

不同的供電制式下，結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)會存在差異化的特點(diǎn)。對于直流微電網(wǎng)，分布式電源、儲能裝置以及負(fù)荷都會借助相應(yīng)的方式直接傳輸?shù)街绷髂妇€，盡量避免電力變換環(huán)節(jié)產(chǎn)生的影響，并維持電能利用率的最優(yōu)化，同時(shí)降低頻率控制難度。對于交流微電網(wǎng)，主要是設(shè)置分布式電源，利用相應(yīng)的手段將儲能裝置和負(fù)荷連接到交流母線，在不改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和配電網(wǎng)模式的基礎(chǔ)上架設(shè)微電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，最大程度上提高應(yīng)用效能和水平[5]。

目前，許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始逐步推廣微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)和微電網(wǎng)示范工程項(xiàng)目，并且也取得了相應(yīng)的成果。我國在相關(guān)研究方面的投入也在增大，但是由于微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模式的設(shè)計(jì)規(guī)劃具有適地性，因此要秉持因地制宜的原則結(jié)合可靠性、經(jīng)濟(jì)性、適用性等因素構(gòu)建更加靈活的控制體系，確保設(shè)計(jì)內(nèi)容滿足要求。綜合分析負(fù)荷的分類特性，依據(jù)供電半徑、能源狀態(tài)等確定微電網(wǎng)最終的實(shí)際容量，形成最適宜的總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，推動微電網(wǎng)技術(shù)的全面進(jìn)步。

3 微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 運(yùn)行控制技術(shù)

對于整個(gè)微電網(wǎng)應(yīng)用體系而言，微電網(wǎng)運(yùn)行控制是核心。相較于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)，微電網(wǎng)的運(yùn)行控制和系統(tǒng)內(nèi)部分布式電源種類、滲透深度以及控制策略相關(guān)聯(lián)。為了保證微電網(wǎng)應(yīng)用效能，要選取適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行處理模式，滿足不同運(yùn)行環(huán)境下的需求。為了保證微電網(wǎng)運(yùn)行控制效果最優(yōu)，從單元級分布式電源控制和系統(tǒng)級微電網(wǎng)控制兩個(gè)方面開展相應(yīng)的分析研究，更好地評估微電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)內(nèi)容，保證相關(guān)工作都能落實(shí)到位[6]。

常見的分布式電源控制模式主要分為3種，即下垂控制、恒功率控制以及恒壓恒頻控制。結(jié)合分布式電源自身的實(shí)際處理特性和入網(wǎng)目的，按照對應(yīng)的模式選取相應(yīng)的控制方式，從而確保控制效果的最優(yōu)化，更好地發(fā)揮微電網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢作用。

在微電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展初期，微電網(wǎng)系統(tǒng)控制主要分為主從控制和對等控制兩種基礎(chǔ)模式，需結(jié)合實(shí)際應(yīng)用要求選取匹配其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的控制方法。目前，主從控制是應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)模式[7]。在技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，相關(guān)研究人員也陸續(xù)開展了對主從控制和對等控制相結(jié)合技術(shù)的研究，以實(shí)現(xiàn)綜合分析。

3.2 微電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)

微電網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境中，保護(hù)措施非常關(guān)鍵，在微電網(wǎng)異常故障狀態(tài)下能及時(shí)完成故障的識別和定位。同時(shí)采取相應(yīng)的處理方案，以保證微電網(wǎng)能及時(shí)恢復(fù)安全運(yùn)行[8]。微電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)基于自適應(yīng)繼電器保護(hù)系統(tǒng)建立的應(yīng)用模式，將差動保護(hù)、過流保護(hù)、距離保護(hù)等環(huán)節(jié)都應(yīng)用在微電網(wǎng)控制體系中。基于微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行在控制特性方面存在一定差異，需要結(jié)合兩種不同的模式選取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)技術(shù)方案，以便更好地提升微電網(wǎng)保護(hù)水平。

3.2.1 故障定位

借助負(fù)序功率方向元件和故障分量方向元件等，建立基于定位分析的故障管控模式，實(shí)現(xiàn)電流突變量分析過程，并以此獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，完成故障定位。在定位過程中，匯總實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)，確定故障是微電網(wǎng)外部故障還是內(nèi)部故障，結(jié)合故障情況推薦相應(yīng)的處理措施。

3.2.2 運(yùn)行處理

在實(shí)時(shí)性評估判定過程中，結(jié)合故障位置信息選取較為合理的故障保護(hù)策略，依據(jù)故障特征解列相關(guān)情況和參數(shù)完成孤網(wǎng)運(yùn)行分析工作，保證故障實(shí)時(shí)性判定工作不會影響微電網(wǎng)和大電網(wǎng)連接的效能。在微電網(wǎng)和大電網(wǎng)連接狀態(tài)下：如果微電網(wǎng)出現(xiàn)解列進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行的情況，則表示出現(xiàn)了外部故障；如果微電網(wǎng)解列后依舊在大電網(wǎng)中穿越運(yùn)行，則證明是內(nèi)部故障[9]。在全面評估故障情況后就能依據(jù)相應(yīng)的處理模式完成故障的排除，有效保證微電網(wǎng)保護(hù)效果滿足應(yīng)用預(yù)期，為電源保護(hù)和饋線保護(hù)等工作的落實(shí)予以支持。

3.3 微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化技術(shù)

基于間歇性電源出力完成負(fù)荷需求預(yù)測、調(diào)度策略分析等，在獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息后建立較為合理且經(jīng)濟(jì)的調(diào)度模型，通過配置分析工作維持系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，在提升資源利用率的同時(shí)避免環(huán)境污染，也能實(shí)現(xiàn)離線經(jīng)濟(jì)調(diào)度和在線經(jīng)濟(jì)調(diào)度的可控化管理。除此之外，在微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行技術(shù)體系中，要全面分析功率預(yù)測內(nèi)容并設(shè)置優(yōu)化調(diào)度模型，配合優(yōu)化調(diào)度算法等開展具體工作，從而提高微電網(wǎng)應(yīng)用效能和綜合效果[10]。

4 結(jié) 論

綜上所述，通過整合技術(shù)要點(diǎn)和要求，建立健全更加可控合理的管控平臺，秉持因地制宜、因時(shí)制宜的原則制定更加規(guī)范的微電網(wǎng)技術(shù)管理方案，保證微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)能發(fā)揮實(shí)際作用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的雙贏。