智能變電站微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與控制

藥煒

【摘要】：在簡述微電網(wǎng)、微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、微電網(wǎng)控制原理的基礎(chǔ)上，針對智能變電站的設(shè)備與負(fù)荷特點(diǎn)，以國網(wǎng)河北省邢臺(tái)供電分公司110kV節(jié)固智能變電站為例，設(shè)計(jì)智能變電站微網(wǎng)模型，經(jīng)過分析可知這種設(shè)計(jì)利用現(xiàn)成智能設(shè)備減少了微電網(wǎng)的建設(shè)成本，既充分利用了內(nèi)部環(huán)境資源，又提高了變電站站用電系統(tǒng)的可靠性，具有現(xiàn)實(shí)的經(jīng)濟(jì)與節(jié)能意義。

【關(guān)鍵詞】：智能變電站；微電網(wǎng)設(shè)計(jì)；控制

1、微電網(wǎng)概述

微電網(wǎng)是由各種分布式電源、儲(chǔ)能單元、負(fù)荷以及監(jiān)控和保護(hù)裝置組成的集合；具有靈活的運(yùn)行方式和可調(diào)度性能，能在并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行兩種模式間切換；通過相關(guān)控制裝置間的協(xié)調(diào)配合，可同時(shí)向用戶提供電能和熱能。根據(jù)實(shí)際情況，系統(tǒng)容量一般為數(shù)千瓦至數(shù)兆瓦，通常接在配電網(wǎng)中。對大電網(wǎng)來說，微電網(wǎng)可作為一個(gè)可控的“細(xì)胞”，是一個(gè)簡單的可調(diào)度負(fù)荷；對用戶來說，微電網(wǎng)可作為一個(gè)可定制的電網(wǎng)。

微電網(wǎng)是對智能電網(wǎng)的強(qiáng)力補(bǔ)充和支撐，分布式能源電力歸于智能電網(wǎng)產(chǎn)生的波動(dòng)，故障或者安全性問題都將被微電網(wǎng)吸收消化，能夠抵抗一定的物理和網(wǎng)絡(luò)攻擊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定。另外，微電網(wǎng)具有強(qiáng)大的備用功能，由于其可對分式式電能進(jìn)行小范圍的分配，調(diào)度，可保障一定區(qū)域內(nèi)電力系統(tǒng)的有效運(yùn)行。另外微電網(wǎng)具備極強(qiáng)的兼容性，可接入不同的發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)，自身實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。

2、智能變電站微電網(wǎng)

2.1智能變電站微電網(wǎng)設(shè)計(jì)

以國網(wǎng)河北省電力公司邢臺(tái)供電分公司110kV節(jié)固智能變電站為例（變電站廠區(qū)寬敞，太陽能、風(fēng)能豐富；相鄰有農(nóng)用配電網(wǎng)絡(luò)），設(shè)計(jì)智能變電站微電網(wǎng)模型見圖1。

圖1110kV節(jié)固智能變電站微電網(wǎng)模型

微電網(wǎng)的控制模型為混合型微電網(wǎng)，其中光伏與風(fēng)機(jī)發(fā)電逆變并入400V交流環(huán)網(wǎng)，降壓到單相220V交流母線，帶動(dòng)變電站站內(nèi)交流負(fù)荷。逆變引出220V直流母線，經(jīng)過穩(wěn)壓補(bǔ)償裝置，輸出可靠的直流電供直流設(shè)備與控制電源使用。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)發(fā)電可以并入主網(wǎng)，單相220V交流母線使用雙電源供電；蓄電池即可由微電網(wǎng)充電也可由10kV出線降壓充電。智能變電站微電網(wǎng)考慮到失電的可能，孤島情況下的微電網(wǎng)需要具有支撐微電網(wǎng)頻率、電壓，承擔(dān)功率波動(dòng)的功能，一般采用恒壓恒頻控制或是下垂控制。若采用恒壓恒頻控制，雖然逆變器輸出端口的電壓、頻率維持恒定，但是相當(dāng)于主分布式電源為無窮大母線，微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷需求的變化都由它滿足?？梢钥闯觯捎眠@種控制方法的微電網(wǎng)必須是大容量儲(chǔ)能裝置作為系統(tǒng)的主控制單元。實(shí)際上智能變電站微電網(wǎng)電源分布較散且有容量限制，無法滿足恒壓恒頻控制。故而智能變電站微電網(wǎng)更適合使用下垂控制原理，即系統(tǒng)中一臺(tái)分布式電源頻率偏離標(biāo)稱值過大時(shí)，系統(tǒng)可以通過通信，向分布式電源控制器發(fā)送指令，向下平移其有功功率-頻率下垂特性曲線，假設(shè)調(diào)節(jié)過程中系統(tǒng)負(fù)荷不變，系統(tǒng)將進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的頻率調(diào)整功能。與調(diào)頻原理相類似，微電網(wǎng)中對微電網(wǎng)源的無功功率-電壓的靜態(tài)特性的調(diào)整，微調(diào)平衡曲線實(shí)現(xiàn)了電壓的自我調(diào)節(jié)。由此，下垂控制可以實(shí)現(xiàn)智能變電站微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行頻率無靜差和較小的電壓幅值偏移。下垂控制的優(yōu)點(diǎn)在于在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)不需要更改逆變裝置的控制策略，逆變裝置出現(xiàn)故障后不影響微電網(wǎng)網(wǎng)的正常運(yùn)行。而且使用下垂控制策略的逆變裝置較少，可以提升了微電網(wǎng)網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。圖2為主從控制模型，采用這種控制模式，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主控電源在微電網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行時(shí)可以快速為系統(tǒng)提供功率支撐。但是根據(jù)上述可知：這種模型多采用恒壓恒頻控制，對其他微電網(wǎng)源的出力限制較多，受系統(tǒng)波動(dòng)影響較大，無法滿足微電網(wǎng)進(jìn)一步智能化、分布式電源多元化的要求。

圖2主從控制模型

如圖3為對等控制模型的結(jié)構(gòu)圖，在對等控制模式下，微電網(wǎng)中每個(gè)采用下垂控制策略的微電網(wǎng)源都參與微電網(wǎng)電壓和頻率的調(diào)節(jié)。110kV節(jié)固智能變電站微電網(wǎng)電源以太陽能、風(fēng)能、蓄電池、直流生物電互為備用，在負(fù)荷變化的情況下，自動(dòng)依據(jù)下垂系數(shù)分擔(dān)負(fù)荷的變化量，各個(gè)微電網(wǎng)源通過調(diào)整各自輸出電壓的頻率和幅值，使微電網(wǎng)達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。

圖3對等控制模型

與主從控制模式相比，對等控制中的的所有微電網(wǎng)電源都參與功率的輸出與分配，易于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電源的即插即用，便于各種負(fù)荷的接入。此外，無論在并網(wǎng)運(yùn)行模式還是在孤島運(yùn)行模式，微電網(wǎng)的下垂控制策略可以不加變化，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行模式的無縫切換。

綜上所述，110kV節(jié)固智能變電站微電網(wǎng)的控制模型設(shè)計(jì)見圖4。如圖4節(jié)固智能變電站微電網(wǎng)控制模型，從3個(gè)層次實(shí)現(xiàn)對微電網(wǎng)的控制。第一層站控層，主要是配電網(wǎng)控制系統(tǒng)，可以監(jiān)視與控制整個(gè)站內(nèi)配電網(wǎng)，在孤立運(yùn)行時(shí)可轉(zhuǎn)入微電網(wǎng)后臺(tái)控制，智能變電站站控層與微電網(wǎng)系統(tǒng)通用一套后臺(tái)系統(tǒng)。第二層為微電網(wǎng)控制層，主要單元為獨(dú)立的微電網(wǎng)后臺(tái)控制與微電網(wǎng)下垂特性控制器，其中下垂特性控制器可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)過程中電壓頻率波動(dòng)的再平衡，一個(gè)控制器可以同時(shí)控制多組不同分布式電源，如圖中400V交流微電網(wǎng)上的光伏發(fā)電、風(fēng)機(jī)發(fā)電及220V直流電源；此外微電網(wǎng)控制器還可以調(diào)節(jié)配電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間的變壓器、逆變裝置聯(lián)系。第三層為微電網(wǎng)的就地控制，原理相同于智能變電站站內(nèi)的自動(dòng)投切設(shè)備，如圖4可以對出口負(fù)荷、保護(hù)裝置、電池組、直流穩(wěn)壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整與控制。

圖4110kV節(jié)固智能變電站微電網(wǎng)控制模型

結(jié)語

微電網(wǎng)的形成和發(fā)展標(biāo)志著電力行業(yè)整體服務(wù)意識(shí)、能源利用意識(shí)、環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高和改變。集中管理控制微電網(wǎng)分布式電源，可以使整個(gè)電力系統(tǒng)的性能得到最大發(fā)揮，減少主干電網(wǎng)在峰荷時(shí)期所承受的緊張情況，起到“削峰填谷”的作用，把微電網(wǎng)納入現(xiàn)有電力系統(tǒng)的負(fù)荷管理系統(tǒng)，可以為電力企業(yè)提供緊急功率支持等服務(wù)。

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