摘要：我国可再生能源发展”十三五”规划指出，要通过不断完善可再生能源扶持政策，创新可再生能源发展方式和优化发展布局，加快促进可再生能源技术进步和成本降低，进一步扩大可再生能源应用规模，提高可再生能源在能源消费中的比重，推动我国能源结构优化升级。但风能、太阳能等可再生能源发、用电存在间歇性、波动性强，接入电网技术性能差和对电网注入谐波等一系列问题。大量的分布式电源并入电网以后，改变了传统配电网潮流单向流动的现状，给配电网带来了很多新的技术问题，如：（1）电网调整问题；（2）继电保护问题；（3）对短路电流水平的影响；（4）对配电网电能质量的影响。而智能微电网的深度开发和建设则能够有效的解决以上技术问题。智能微电网能够使新能源发电真正代替现有的火力发电，可以有效地应对未来的能源短缺、环境污染和气候变化问题。
关键词：智能微电网；分布式电源；储能技术；能源管理
一、引言
智能微电网是微网技术的智能化，通过采用先进的电力技术、通信技术、计算机技术和控制技术将分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统[1]。关键技术主要包括：能量优化调度技术、储能技术、保护控制技术、微电源运行模式的无缝切换技术。智能微电网的特点主要体现在以下几个方面：（1）采用先进的量测、传感技术进行检测；（2）通过模型仿真和潮流分析，合理预测和分配电力；（3）对监测状态进行有效控制；（4）接入分布式发电，自适应处理技术；（5）数据到信息的提升，优化运行方式。
二、研究内容
2.1能量优化调度技术
能量经济优化调度是微网研究的重要方面，对于这项技术，国际上很多国家开展了对微网的研究，并提出了微网的概念和发展目标。近10多年来，微网在理论和实际应用中均取得了丰硕的成果[2-4]。本研究将从负荷资源性质的角度寻求优化微网运行的方案。微网中负荷按其可调度性大致可分为 3类，即重要负荷，可调整负荷及可平移负荷。电力系统中存在着大量的能与电网友好合作的可平移负荷，在微网调度中考虑可平移负荷的影响，有利于提高微网运行经济性。
（1）负荷平移
负荷平移流程图如图2-1所示，通过最小二乘法确定电力系统中的可平移负荷单元数量，采集和分析可平移负荷基础数据，确定目标负荷曲线，建立目标函数使平移后得到的负荷曲线和目标负荷曲线的吻合度最高，建立可平移负荷模型，利用内点法求解可平移负荷模型，最终得出负荷平移结果。
图2-1 负荷平移流程图
（2）可平移负荷模型求解
可平移负荷模型是一个典型线性约束二次规划问题。常规的二次规划算法有有效集法、信赖域法和内点法。考虑到可平移负荷模型中优化变量个数较多，规模较大，因此应采用内点法求解。
2.2储能技术
大容量储能装置在微电网中的作用：1、削峰填谷，减少负荷冲击；2、平抑、稳定风电或太阳能发电的输出功率；3、改善电能质量；4、充当应急电源。分布式储能装置主要包括以下几种：抽水储能电站、飞轮发电、压缩控制储能、蓄电池、超级电容、超导储能、电感储能。
本文通过对多种类型的储能进行建模和相关控制策略的研究，通过对各个单元的分析计算，构建含多种分布式电源的微电网系统平台，仿真分析不同运行控制方法、不同工况下，储能在微电网稳定运行中的作用。研制储能控制装置，开发智能算法，以保证储能在微电网中的高效应用。
（1）储能变流器主电路设计
储能变流器主电路为带△/Y0隔离变压器式拓扑，如图2-2所示。主电路系统主要包括三相逆变桥，LC滤波和△/Y0隔离变压器等[5]。
图2-2 带△/Y0隔离变压器三相逆变器主电路拓扑
储能逆变器控制系统结构框图如图2-3所示。实现储能主电路电压电流采样、数据处理及产生
信号的操作，采用
总线实现各功能模块间的通信，
用于储能单元与上位机通信。为提高相同直流侧电压下的逆变器输出线电压基波最大值，脉宽调制方式选用空间矢量脉宽调制
。
图2-3 储能逆变器控制系统框图
（2）锁相环的实现
下垂控制是一种基于频率偏差来分配功率的方法，因此需要尽可能提高系统频率的提取精度。频率的提取主要依靠锁相环技术，其构成一般包括鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及分频器等部分，如图2-4所示。基于瞬时
理论的软件锁相环技术（
）是一种依靠dq0坐标系中
控制的检测技术，采用这种技术的稳态效果好，跟踪速度快，其原理如图2-5所示[6]。
图2-4 锁相环基本结构框图
图2-5 软件锁相环技术工作原理图
（3）孤岛微电网下的储能系统并联与冗余技术
通过搭建储能逆变器并联系统实验平台研究分析储能系统并联与冗余技术，实验平台拓扑结构如图2-6所示，主要包括蓄电池储能，DC/AC逆变器，传输线路及公共负荷四个部分。储能装置为逆变器直流侧提供平稳的母线电压。储能逆变器的输出线电压经LC滤波后，通过一定长度的传输线路接入交流母线。电源由储能单元提供，储能单元由上位机监控，传输线路由RL串联阻抗模拟，公共负荷为RLC并联型负荷，而且公共负荷可实现负荷阶跃变化并可灵活控制为平衡和不平衡的情况[7]。
图2-6 实验平台拓扑结构
2.3微电源运行模式的无缝切换技术
并网和孤岛两种运行模式下的无缝切换是微电网中微源的一个重要功能，是微电网的一大特色，也是微源明显不同于一般分布式电源和并网逆变器的显著特征。微源的无缝切换控制是微电网控制的重要内容之一，是实现微电网灵活运行的关键课题，直接关系到微电网能否对外部电网的实时状态信息进行快速响应，从而实现工作模式的灵活转换[8]。
在微源并网和孤岛两种稳态运行模式下，以及两种模式切换的过渡过程中，自始至终都要确保本地重要敏感负荷的不间断供电，这是微源实现无缝切换的前提保证。除此之外，还要保证在模式转换的过程中，负载电压的幅值和相位不发生大的波动以及无较大的并网电流冲击，只有完美的实现了以上这三点，才能真正成功的实现两种运行模式的无缝切换[9]。
（1）运行模式无缝切换的条件
具有无缝切换功能微源的整个系统包括控制指令、运行模式和控制效果三部分，如图2-7所示。其中控制指令可由能量管理系统（EMS）通过通讯线路发出，也可由微源自身的控制器给出，两者共同为微源运行模式的管理者。运行模式包括孤岛和并网两种稳态运行模式以及两者之间的过渡过程。控制效果则是微源控制器追求的目标，即在整个模式的切换过程中，要确保负载电压在时间上的连续性，不能出现瞬间的电力中断，即做到无缝，同时要保证波形质量，即幅值和相位都不能出现大的波动[10]。
图2-7 微源无缝切换功能的系统框图
微源孤岛运行时，应实时检测电网电压的状态，当电网电压恢复正常时，微源控制器需要逐渐调整自身输出电压的状态，当满足一定的条件时，方可从孤岛模式切换到并网运行模式，即重新并网，需要满足的条件如下：
1）微源输出电压和电网电压的相位几乎同步；
2）微源输出电压和电网电压的幅值几乎相等。
最理想的并网条件是微源输出电压和电网电压两者的波形完全重合，这样才能保证静态开关闭合瞬间不产生并网冲击电流，但这种理想情况几乎很难实现。通常的情况就是以上两条所述，即两者的相位和幅值都相差无几，这样就会保证静态开关闭合瞬间不产生大的并网冲击电流[11]。
（2）离网控制
三相微源系统中，三相静态开关顺序关断的过程中负载电压骤升至母线电压的一半，严重威胁负载安全，因此，必须研究SCR强制关断策略，以缩短三相静态开关的关断时间，防止负载电压骤升[12]。
微源离网控制策略如图2-8所示：
图2-8 微源离网控制策略结构图
定义0代表孤岛运行，1代表并网运行，该运行模式指令可以由EMS或本地控制器发出。电网电压的状态同样用0和1表示，0代表电网故障，1代表电网正常。
假定初始状态为正常电网下的微源并网运行，SCR触发脉冲为高，静态开关闭合，SPDT_2选择控制策略模式1，微源采用并网控制策略运行。当电网电压出现故障或运行模式指令改为孤岛运行模式时，SCR的触发脉冲被封锁，同时SPDT_2选择控制策略模式0，此时微源转入电压源运行模式运行[13]。
（3）重新并网控制
当电网电压恢复正常时，微源需要在保证本地负载电压不间断供电的情况下，重新并入电网，并网过程中首先要满足本地负载电压和电网电压同步这一必要前提，然后同时实现控制策略的转换和静态开关的闭合，这样才能保证静态开关闭合瞬间不会产生并网电流冲击以及本地负载电压的平滑过渡。并网瞬间控制策略需要从孤岛时的电压源模式转换为并网时的改进型电流源并网模式[14]。
微源重新并网控制策略结构如图2-9所示，0和1的定义同上，该运行模式指令也是由EMS或本地控制器发出。当微源接收到并网指令时，首先检测电网电压的状态，当电网电压正常时，微源开始逐渐调整滤波电容电压的给定，使之缓慢地跟踪电网电压，当两者的差别在满足同步标准的范围之内时，发出高电平阶跃信号，静态开关闭合，同时SPDT_2转向模式1，实现控制策略转换，微源进入并网运行模式[15]。
图2-9 微源重新并网控制策略结构图
三、结语
图3-1 典型的微网系统
根据上述研究，为了实现含多种分布式能源的微电网数模混合实时仿真，在含多种分布式能源的孤岛型微电网特性和模型研究的基础上，利用数模混合仿真平台，建立含多种分布式能源的孤岛型微电网数模混合仿真系统。仿真分析不同的分布式电源类型、不同的运行控制方式、不同的接入位置和装机容量对微电网关键节点的影响及其规律，分析可再生能源高渗透率下微电网稳定运行的要素及其边界条件，以及储能对系统稳定运行的作用，建立孤岛型微电网稳定分析与控制方法。
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论文作者:徐晓华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/20
标签：电网论文; 电压论文; 负荷论文; 储能论文; 模式论文; 孤岛论文; 技术论文; 《电力设备》2018年第34期论文;