風光儲一體化的配電網研究

謝立焜

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

目前國內外關于微電網研究的文獻不多，文獻[1] 對電力新技術的電網運行狀況進行分析，對新能源發電產生的隨機性、不連續性問題進行微電網即地消納的研究，降低電能損耗對電力網絡的影響。文獻[2]介紹了發電系統智能化的實施方式。通過建模仿真、試驗，從系統功能、故障判斷及智能化故障處理等幾個方面，探討了智能配電網的功能特征。文獻[3]通過對中央控制和本地控制兩方面進行研究，并提出了一種綜合控制方法。考慮隨機因素和基于中心控制的控制策略，該方法在計算邊界時采取了局部控制的方法，并與整個計算過程相聯系，可實現快速地控制過程，消除新影響，為未來提供便利。文獻[4]分析了新能源發電機間接性與隨機性的特點，并對新能源發電的影響進行了分析，給出了一種多變流器之間的協調控制方案及控制能量的處理策略。針對風機及蓄能設備的動態狀態，提出了一種采用PID 控制器對風力發電機組發電量超標、不符合規定、儲能量過放電和過充電進行控制的方法[5]。文獻[6]提出一種基于直流母線電壓信號進行電力管線管理的理論和方法，通過模式區分系統狀態，系統模式可通過改變直流母線電壓實現平滑切換，從而實現微電網獨立工作和并網模式轉換。

傳統微電網結構研究多側重于微電網獨立結構，并不適宜用作配電網設計。傳統的控制方法大多以母線電壓等級分級，或是通過電流的傳遞控制來控制系統的安全性，負荷頻繁改變的情形下，系統運行中會頻繁發生電壓的波動，并影響系統的穩定性。新型配電網系統運行的安全、穩定、可靠是實現系統的能源管理控制方法的保障，基于上述問題，設計了一種基于風力、光伏和儲能相結合的新型配電網系統，以“源-荷-儲”為基本結構，研究了基于三維控制的能量流動調節方法，對大型決策變量和多目標優化函數進行優化處理，通過建立風光儲一體化系統，確保配電網安全可靠運行，其結構如圖1 所示。

圖1 風光儲一體化結構圖

1 新型配電網結構

新型配電網擬將各配電網建設成風光儲一體化的微電網，由綜合管理平臺系統進行管控。建立獨立、自主可控的綜合系統，同時連接到大電網，實現配電網與大電網適當獨立、并聯運行。利用電力能源供需平衡與智能微網調度技術、主動并網技術，實現電力供給與需求的平衡。

下面重點分析交直流母線供電和光電互補電源發電兩部分，具體包括交流負荷接入系統、儲能系統、配電網接入系統、風電電源系統、光伏電源系統、直流負荷接入系統。

光伏電源系統。由于光伏單片具有低功率輸出和高消耗的特性，在將多個光伏單片串并聯組成光伏單板模塊之前，還須使用一種增益轉換器進行模塊化，將多個模塊并聯后連接至一個直流電源線。

風力電源系統。風機系統每個模塊是通過發電裝置和一個三相整流器來建立的。發電機輸出電壓經調壓后，直接連接到交直流主控電路中。通過整流后，直接與直流主電源接通，為實現永磁直驅技術，本文采用了永磁直驅風機。

儲能系統。所述儲能系統擬用釩電池組成，釩電池具有以下優點：（1）功率和容積相對獨立，能分別調節；（2）不受外部環境干擾，性能穩定；（3）壽命長，不會因為過放電而降低工作效率，過放后可進行再充電，使容量恢復，對電池無影響。

儲能系統。通過串并聯變換器實現電能的儲存和電能的放電，可實現能量任意在不同方向之間自由切換，實現容量、功率的提高，調節系統中的能量流動。

直流負荷接入系統。直流負荷接入系統與儲能系統一樣，可實現DC-DC 轉換。

交流負荷接入系統。直流及交流線路，通過三相逆變電源、變壓器等裝置相連，為交流負載供電。

配電網接入系統。該配電網接入裝置是三相整流裝置，它承載了三相逆變裝置的反過程。

綜上所述，在建設過程中，采用了新的電力配電系統。通過直流與交流兩相配電網的建設，簡化了系統中的交直流傳輸和供電的流程，提高了設備運行的效率。

為了減少成本，提升生產力效率，降低現有電網對電力的高需求，交流母線電壓設置為380 V，對應的直流母線電壓設置為650 V。

2 新型配電網運行機理

大多情況下，并網和孤島2 種方式是電網的基本運行方式。此時，可以將新型配電網作為一個可控制的微型電網來應用。當電力系統受到嚴重干擾，或電網受到停電的影響時，新建配電系統會迅速和大電網脫離，快速地向孤島狀態過渡，在保障重點負荷不受影響的前提下持續穩定地提供電力，增加配電網外部故障防護裝置的開發與應用，減少因外部故障造成的損失。因此，配電網在新舊電力網間調度上更靈活，其可根據電網情況而調整，便于并網和孤島模式之間的切換。

2.1 新型配電網能效管理方法研究

采用統籌式能源管理方法。控制系統先對光伏站、風力電站的電源輸出和負載要求進行預測，同時預知供電需求，制訂運行計劃，利用電壓、電流和功率狀況數據信息操作系統。實現對光伏電源，風力電源、蓄能裝置等的動態調節和操作控制，保證新型配電網中線路頻率穩定，并提升相關的防護能力。

2.2 能源管理的主要內容和方法

監控配電網實時運行情況，實現數據采集，提供整體狀態監控系統；

通過監控工作狀態和自動調度輸出功率確保系統穩定運行；

利用配電網供電和負荷預測系統可有效地預測配電網在一定時間范圍內供電狀態和負荷狀況的長遠趨勢，能對新型電力系統發電方案進行優化，對電網運行條件進行優化、調整；

通過儲能管理，對新增供需進行調節，其在保證電站直流主電源電壓穩定運行和削峰填谷方面有著重要作用；

防護功能，包括裝置級防護、子系統級防護以及系統級防護，按照新型配電線路運營狀況，及時隔離排除故障，減小故障影響范圍，確保系統安全穩定運行；

采用智能調度技術，對系統電源進行優化組合，通過對能源資源進行預測和儲能管理，提升系統效率。

2.3 新型配電網一體化管理系統

用一體化設計原則建設數字化、智能化的配電網控制系統，在統一通信平臺上集成監測系統的設計，通過智能調度實現配電網所有設備的監測與控制，實現農村電網信息化建設。結合目前光伏發電、風電、蓄能、電網變換器等裝置現存控制方式，建立統一連接系統，實現智能化管理。

在整個集成平臺管理系統中，網絡可視化維護功能是一項重要的運行維護功能。運用多維統計數據與可視化管理，能夠使維護人員對遠端設備的狀態進行整體分析和控制。此外，在設備運行中，系統提供專門的軟件，管理者或基層巡查員可通過專門的軟件查看設備指標并及時查找和排除異常情況。

資料的搜集和保管是信息化管理的基礎，信息丟包、不能斷點續傳是資料收集困難的突出原因，是管理數據過程中需要解決的問題。針對這些問題，分別以多種多功能通信網關為例，對各種通信協議進行解析，結合光伏通信網關、風電通信網關、蓄能網關、電訊機、工業交換機等來進行分析，為實現效益最大化增加了斷線緩存功能，解決數據傳輸與丟失問題。

構建高效的新型配電網管理平臺，合理調整工作人員編制，統一管理電力調度，確保整個流程實現數據共享，將系統打造為垂直生態行業平臺。

3 仿真測試

應用基于風光儲一體化配電網仿真模型，以建模軟件進行仿真，包括光伏電源系統、風力電源系統、儲能系統、直流負荷接入系統、交流負荷接入系統、配電網接入系統。

先對部分子系統進行仿真測試，然后對其進行完整系統的仿真模擬。鑒于風電系統具有較強的環境響應性，只能進行風電系統的初步模擬研究。

光伏電源采用步長變擾動條件下的變步幅同步時間算法。試驗中，模擬工作條件為溫度23 °C，初始時為800 W/m2，0.5 s 減為400 W/m2，0.75 s 加強至 600 W/m2。

仿真結果表明：在t= 0.25 s，光伏電源穩定輸出，并得到該信號的連續跟蹤和監測，在實際應用中，具有較好的跟蹤性和良好的系統可靠性。當t=0.5 s，光伏電源輸出功率突然迅速減少，經過簡短調整后重新回到功率最低值，而且仍然保持穩定；在t= 0.75 s，光強突然升高，調整后即回到了最高光強點，此后逐漸恢復。

該風電機側整流器采用雙閉環控制，內環電流和外環電機轉速相配合。仿真時間設置為2 s，最大風速設定為12 m/s，在試驗初期時風速7.2 m/s，經過 0.5 s 的增加為 9.6 m/s，0.75 s 后增到13 m/s。

在t= 0.1 s，風機發電機穩定輸出，說明風能的最大追蹤作用良好；由于風力增強風機轉速突然增大，輸出功率在t= 0.5 s 迅速增加，輸出波形順暢、功率波動不明顯；風力發電機t= 0.75 s 后，風速超過規定風速（12 m/s），風力發電機組被損壞，限電運行。

為進一步驗證新型配電網網絡建設結構的科學性及能效控制效果，筆者做了一個初步的仿真實驗。因為大電網的能量提供與現有電網基本相同，所以對系統內能量供應進行探討。

模擬時長為 6 s，其中直流線路電壓設置為650 V，交流線路電壓設置為380 V。其中，能量蓄能器釋放是負值，儲能是正值。

在0～2 s 的時間里，如果風速低于規定的風速，則電源輸出電流遠低于負載電流，PPV+PWT＜PDCL+PACL，通過儲能裝置來補充功率；在2～3 s 時，如果風速與光強都達到預定值，風光電源輸出功率達到10 kW，且風光輸出功率和風速均達到了額定值；若在3～5 s 時，若交流負載由10 kW 減小到2 kW，則PPV+PWT＞PDCL+PACL，蓄能系統輸出功率為正，需要蓄能保持系統電能平衡；在5～6 s 時，如果將直流負荷從10 kW 擴大到20 kW，則PPV+PWT＜PDCL+PACL，儲能系統輸出功率為負，因此須放電以保持系統的電源平衡，如表1 所示。

表1 仿真功率參數

仿真結果表明，總體直流電源電壓波形平滑平穩，僅有變換頻率時出現波動，說明系統的能量穩定流動，該系統中電壓控制在切換模式后略微波動，這表明該系統能夠平穩運行。

仿真表明，系統實現了動態調節并維持穩定的能量流動，整個系統穩定控制直流主導線路的電壓，最后通過試驗，證明了新型配電網結構合理性，并且能夠有效地解決系統的能量管理問題。

4 結束語

本文提出基于風光儲一體化的新型配電網方案，采用能量管理系統的能量控制策略以確保系統穩定運行和能量保持，同時通過仿真分析驗證了所提出方案的可行性。

得出以下結論：（1）通過光伏風能技術應用，可以最大程度地發揮光伏及風能所產生的能量，提高能源利用效率，減少農村電網與大電網的依賴，減少電網與電網之間因變電所帶來的干擾；（2）采用新配電系統可部分解決配電系統中長距離傳輸線損大的問題，實現能源本地接收、節點互補、便捷接續，減少發電設施的能源消耗，進而減少線路損耗；（3）新型配電網設計方案，有效地推動了農村電氣化建設，在能源和環境污染、碳排放等眾多因素中發揮著重要的作用。