風光儲互補微電網系統的設計及應用

關鍵詞： 風力發電 儲能系統 監控 線路模擬 光伏發電

中圖分類號： TM92 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）16-0094-04

隨著新能源發電規模的逐步擴大，許多電網的系統也變得更加完善，其中的監控系統則是對相關參數進行檢測[1]。分布式發電機儲能技術在發展中也降低了系統開發的成本，微電網已經成為了電網發展的未來趨勢。因為微電網具有較強的靈活性、安全性，吸引了很多的用戶參與進來，無論是在學術界還是社會上都得到了廣泛關注，朝著大眾化趨勢發展。

1 微電網系統的總體架構

目前，在實驗室中已經具有3 kW 的單向光伏系統（10 套）、10 kW 三相光伏系統（2 套）、2 kW 室外水平軸風力系統（2 套）、2 kW 室外垂直風力系統（2 套）、5 kW的雙饋異步風力發電系統及永磁同步風力發電系統。本文以某技術職業學校作為平臺，所以需要與校園交流母線進行連接，滿足系統自身需求后，對大電網進行電流的輸送，另一端需要與模擬的架空線路進行連接架空航線進行連接，從而讓學生在實驗室中能夠完成相應的試驗。母線兩端與裝置的開關連接，借助Modbus 協議產生通信，為系統的正常運行打下良好的基礎。

2 微電網中的子系統

2.1 光伏系統

光伏系統包括光伏電池組件、變流設備、并網發電系統柜等，可實現功能的多元化，同時進行發電、控制、監控、保護等。在設計中，光伏板被分為固定式光伏板和雙軸跟蹤式光伏板，如圖1、圖2 所示。其中的總功率可達到52 kW，在串聯的過程中，形成了光伏陣列，隨后將其進行逆變，接入交流母線，便于對光伏板的控制[2]，子系統當中的光伏組件必須要逆變，在逆變之后才能并入交流母線當中。

2.2 風力發電系統

該系統能夠對風機的電壓、逆變器輸出電壓、電流等數據進行收集，讓設備的運行更加安全[3]，風力控制器則是通過ARM 內核芯片進行數據采集和儲存。結合當地的氣候特點發現室外的風力發電系統所占的電量比較小。對風力發電系統進行模擬，包括5 kW 的模擬永磁風機、5 kW 的雙饋異步風機，通過系統能夠對遠程控制的變頻器進行操控，就可以加快其中的風速。變流器內部結構如圖3 所示，可借助IPM 模塊對變流器的網側、機側進行構建，通過450 V 對直流電容進行電解，使用兩串聯、四并聯的方式可有效提高系統的容量。借助溫度傳感器可以對變流的IPM 溫度進行測量，實時觀察溫度的變化。

2.3 儲能管理系統

在儲能管理系統當中，包括儲能雙向變流器、蓄電池柜。儲能的雙向變流器主要是對蓄能電池和市網進行連接，將儲存后的電能進行釋放，可供系統負載，吸收了多余的電能，并將其進行儲存，讓直流電能與交流電能進行相互的轉換，蓄電池柜主要是對24 組的鉛酸電池進行串聯，可對并網充電和放電，有著獨立逆變的功能，電池電壓一般控制在12 V，容量一般控制在200 Ah[4]。

2.4 線路模擬

在線路的模擬中，包括10 kV 的輸電線路與模擬系統故障柜。在輸出電路中，會安裝部分的輸電線路，將π單元當作線路中的電抗器，在接入線路后，會組成模擬輸電線路。而π單元也會對5 km 線路參數進行模擬，從而制作出空心電抗器。模擬架空的線路如圖4 所示。等效值為單元長度架空線路，R0為1.68 Ω，L₀為9.11 mH，C₀為9 nF。

在變壓器的選擇上，選擇額定容量為50 kVA，形成了三相三柱雙繞組的形式故障時間可承受10 s，短路試驗可多次進行。

2.5 負荷

在負荷當中，必須要有3 種類型的模擬負荷，分別為感性負荷、阻性負荷以及容性負荷[5]。

3 微電網監控與能量管理系統

3.1 監控系統結構

在監控系統中，遠程配電控制需要與本地保護進行協調，才能產生作用。監控系統的作用主要分為三類，如表1 所示。

監控系統可對相關實時信息進行收集，包括線路、配電網、負載情況、DG 電源點等，從而達到實時監控的效果。在微網的日常運作中可以保持能量的平衡，為系統的安全運行打下良好的基礎。檢測微電網時，能量管理起到的作用非常關鍵，對DG、負載、能量儲存設備進行了集成，并作為配電網接口的中心進行運行。

3.2 微電網監控系統的組成

微電網監控系統由光伏發電監控、風力發電監控、儲能監控、負荷監控、微電網綜合監控組成。

3.2.1 光伏發電監控

在光伏發電監控當中，對光伏發電的運行數據與報警信息進行全面檢測，對光伏發電的各個方面進行數據分析和統計，保證對光伏發電進行全面的控制，其中的作用包括以下5 點：（1）對發電量進行實時的監控，監控范圍包括日發電量、總發電量及CO2 減排總量；（2）對光伏逆變器設備的參數進行有效監測，其中包括了直流電壓和直流電流、交流電壓和交流電流、發電頻率、功率因數等[6]；（3）對逆變器的運行狀態進行監測，通過聲光報警的方式對相關設備故障進行顯示，并且可以通過監控設備對設備故障的原因和時間進行查詢，詳見圖5；（4）對光伏發電的發電量進行預測，可對之后的工作安排進行優化調整；（5）對光伏發電進行調整，可有效控制逆變器。

3.2.2 風力發電監控

風力發電的監控主要是對風電機組的運行信息和報警信息進行實時監控，對風力發電各方面的數據進行統計，保證風力發電的整體操控。

3.2.3 儲能監控

儲能電池監控的主要作用表現為以下5 點：（1）對放電的容量進行實時的顯示，其中包括可放電時間、最大放電功率、總充電量、儲能總放電量等；（2）遙信，主要對變流器當中的運行狀態和相關參數進行監控；（3）遙測，主要對雙向變流器的電流、電壓、交流電壓、輸出功率進行監控；（4）遙調，通過遠程功能，可以對電池的充電時間、充電量進行調節，能夠遠程對雙向變流器的相關參數進行調整；（5）遙控，通過遠程對雙向變流器進行操控，從而起到充電、放電的作用。

3.2.4 負荷監控

負荷監控主要是對監控負載的報警情況進行監測，并全方位地進行負載的數據分析，從而進行實時監控。作用主要表現在以下兩點：（1）對監控系統的電壓負荷、電流負荷、功率進行監測；（2）記錄系統最大負荷的功率和時間。

3.2.5 微電網綜合監控

這是對微電網系統中的綜合信息進行監控，其中包括了微電網系統的監控頻率、配電功率、總發電量等。除此之外，還能對監控系統的實時信息進行反應，如微電網斷路器工作的狀態、是否出現報警信息等。

3.3 能量管理

微電網中的能量管理可對系統內的功率、負載進行預測。通過分布式電源的性質，對系統內部進行優化，保證系統的安全性與穩定性，在一定程度上提高了微電網的利用效率。

在孤島運行的過程中，離網能量的平衡調節是呈分布式電源進行輸出，由于電池輸出有著較大的功率，所以會保證系統離網后正常運行。對此，需要通過分布式用電，保證負載持續供電，流程為自動調度→離網運行→負載gt;發電功率（若大于，則繼續；若不大于，則重新調度）→DG 均最大出力→電池未回復→阻性負荷關閉→感性負荷關閉→容性負荷關閉→電池欠壓→關閉外接負荷。

在微電網并網的運行過程中，需要記錄負荷峰谷的用電情況與光伏發電的情況，從而對儲能進行預測，控制充電與放電，具體流程為自動調度→并網運行→風力、光伏最大功率出力→判斷風電的時段（若為模擬風電時段，則繼續；若為模擬谷電時段，則充電）→電池欠壓（若欠壓，則恒流充電，若不欠壓，則繼續）→電池是否恢復（若恢復，并網待機；若未恢復，則繼續）→負荷gt;發電功率（若gt;，則繼續，若lt;，則并網待機）→恒功率放電。

4 結語

綜上所述，本文主要是對風光儲互補型的微電網系統進行設計，并且對其進行深入的優化，在一定程度上提高了風力發電、光伏發電的并網可行性，還對微電網的平穩性、可調度性進行了改善。在調整了相關參數后，可以對微電網的系統進行遠程監控，且對相關數據分析后進行狀態的評估，在短期的調度中，能量優化和管理可有效改善負荷的頻率，降低其中的損耗，保證運行的安全性和穩定性。目前，此系統還可以進行深入的改善，從而實現更加環保、更加節能、更加便捷的儲能方式。