基于微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行特性研究

陳 濤

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引 言

微電網(wǎng)是現(xiàn)代電能供應(yīng)的常見網(wǎng)絡(luò)形式，能克服傳統(tǒng)的分布式電源的弱項(xiàng)，最大限度地緩和分布式發(fā)電與大電網(wǎng)之間的矛盾，并且能利用現(xiàn)代化清潔能源，對(duì)友好型社會(huì)的發(fā)展十分有利。從其自身的運(yùn)行優(yōu)勢來看，微電網(wǎng)具有自我控制功能，可與外電網(wǎng)一同運(yùn)行，也能獨(dú)立運(yùn)行，獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng)又被稱為“孤網(wǎng)”[1]。微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的核心在于對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的控制，其內(nèi)電壓頻率的穩(wěn)定與微電源功率之間的分?jǐn)偪删S持電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)微電網(wǎng)處于孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)部的分布式電源與儲(chǔ)能系統(tǒng)所呈現(xiàn)的控制方式及負(fù)荷類型均不同，受負(fù)荷的影響，微電網(wǎng)內(nèi)部的電壓頻率也會(huì)出現(xiàn)變化。

1 風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)概述

風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。下面以某一風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，這一微電網(wǎng)系統(tǒng)適用于接配10 kV模型，電網(wǎng)頻率為50 Hz，而外電網(wǎng)的等效模型為External Grid及10/0.4 kV的變壓器，將其與斷路器Breaker相連接后，系統(tǒng)的主要配置包括風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)WTG（20 kW）及儲(chǔ)能裝置BESS（20、40 kW）等。其中，Breaker的開關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí)，微電網(wǎng)是并網(wǎng)運(yùn)行的。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備組與光伏系統(tǒng)皆采用PQ控制方式來維持并網(wǎng)運(yùn)行。儲(chǔ)能裝置則采用等效運(yùn)行模式，將電源中的直流電源與電壓源以雙向變流器為基礎(chǔ)，組成對(duì)整體系統(tǒng)形成控制和調(diào)節(jié)作用的運(yùn)行模式，并由配電網(wǎng)與分布式電源共同承擔(dān)供電的負(fù)荷[2]。風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)由配電網(wǎng)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電壓頻率，分布式電源則采用恒功的方法來調(diào)節(jié)各個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的電壓頻率。Breaker的開關(guān)處于斷開狀態(tài)時(shí)，微電網(wǎng)的運(yùn)行模式則從并網(wǎng)運(yùn)行變?yōu)楣戮W(wǎng)運(yùn)行，此時(shí)微電網(wǎng)系統(tǒng)的邏輯開關(guān)將對(duì)儲(chǔ)能方式加以調(diào)節(jié)，使負(fù)荷的供電需求由網(wǎng)內(nèi)的分布式電源承擔(dān)為主。此外，它的儲(chǔ)能裝置的控制模式將從PQ替換為V/f，使微電網(wǎng)中的電壓頻率與功率之間保持平衡狀態(tài)[3]。

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

2 微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行仿真系統(tǒng)分析

2.1 微電網(wǎng)孤網(wǎng)算例分析

2.1.1 初始狀態(tài)

光伏、風(fēng)機(jī)的功率為0 kW，SOC（State of Charge，電池荷電狀態(tài)，也叫剩余電量）值為60%，當(dāng)儲(chǔ)能電池的輸出超出儲(chǔ)能裝置的額定功率Pnom時(shí)，切除部次以保證重要部分的負(fù)荷供電穩(wěn)定，使之留有10%的余量。切除3 kW，3 s時(shí)，WTG與PV的電力輸出為5 kW與10 kW；4 s時(shí)，PV增加5 kW，Load2減少2 kW；5 s時(shí)，PV增加7 kW，此時(shí)對(duì)BESS采取充電操作；6 s時(shí)，WTG增加5 kW，Load1減少10 kW。

2.1.2 BESS持續(xù)充電

7 s時(shí)，Load2減少為0 kW，若BESS的輸入超出Pnom，則可以減少WTG的出力；8 s時(shí)，PV為25 kW，WTG則退出運(yùn)行狀態(tài)。

如圖2所示，技術(shù)人員所構(gòu)建的微電網(wǎng)系統(tǒng)模型是正確的，利用協(xié)調(diào)、控制等手段可以有效避免主電源儲(chǔ)能電池的有效釋放，使系統(tǒng)中負(fù)荷供電的可靠性更強(qiáng)，并且能達(dá)到大功率、狀態(tài)相對(duì)平衡的控制目標(biāo)[4]。如果微電網(wǎng)系統(tǒng)中電能功率變化較大，則系統(tǒng)中電壓的頻率波動(dòng)也會(huì)較為明顯，此時(shí)儲(chǔ)能電池中的電量尚且充足，允許系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，但短期內(nèi)也會(huì)相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)電壓的頻率超出可控范圍之外，微電網(wǎng)系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)。由此可見，對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行維持和分析是十分重要的[5]。

圖2 微電網(wǎng)運(yùn)行的特性示意圖

2.2 微電網(wǎng)電壓、頻率的特性分析

微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的電壓頻率與主控電源之間是息息相關(guān)的，對(duì)微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行中儲(chǔ)能裝置的不同功率輸出進(jìn)行研究是非常重要的，要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的功率波動(dòng)控制進(jìn)行研究。由于低壓電網(wǎng)波動(dòng)影響會(huì)隨著電壓變化而變化，但總體來說，負(fù)荷低壓電網(wǎng)的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部電壓不會(huì)造成較大影響，在仿真系統(tǒng)中只需著重對(duì)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性進(jìn)行研究[6]。為防止微電網(wǎng)中儲(chǔ)能裝置的充放處于過量狀態(tài)，且適當(dāng)延長微電網(wǎng)系統(tǒng)的使用年限，可將微電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置中的SOC值設(shè)置在合理的區(qū)間內(nèi)，并且要設(shè)定儲(chǔ)能裝置的充放電功率值，盡可能避免SOC值迅速達(dá)到極限。技術(shù)人員要根據(jù)SOC儲(chǔ)能電池的不同狀態(tài)來約束其充放電功率，并將這些情況細(xì)化為不同的區(qū)間，實(shí)現(xiàn)有效的約束，便于合理儲(chǔ)能及調(diào)節(jié)。劃分的各部分區(qū)間可如表1所示。表1中，SOC值為0%～10%時(shí)，是系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的下限狀態(tài)，儲(chǔ)能單元中的電能極度匱乏，必須通過充電操作來補(bǔ)充電能；SOC值為10%～20%時(shí)，微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能單元所剩電能有限，已處于不足的狀態(tài)，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)依據(jù)放電功率來約束電能使用情況，放電功率計(jì)算公式為[7]；SOC值為20%～80%時(shí)，系統(tǒng)處于正常的工作狀態(tài)，能在額定功率下完成充放電工作，并不需要額外的電能釋放約束；SOC值為80%～90%時(shí)，則系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置中的電能較多，會(huì)自動(dòng)對(duì)充電功率進(jìn)行約束，放電功率計(jì)算公式為；SOC值為90%～100%時(shí)，是系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的上限狀態(tài)，此時(shí)儲(chǔ)能單元智能放電，而不能持續(xù)充電。

表1 儲(chǔ)能裝置區(qū)間劃分示意表

2.3 不同荷電狀態(tài)下微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行特性的仿真分析

當(dāng)微電網(wǎng)處于孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的容量相對(duì)較小，且分布式的電源功率輸出會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷功率及電壓頻率等產(chǎn)生影響，導(dǎo)致系統(tǒng)存在較大的波動(dòng)。在主電源儲(chǔ)能的形式下，微電網(wǎng)內(nèi)部的電壓頻率調(diào)節(jié)可有效維持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[8]。對(duì)于不同負(fù)荷擾動(dòng)程度的系統(tǒng)來說，在不同額定功率下其呈現(xiàn)出的特性存在明顯的差別。在本次實(shí)驗(yàn)中，該微電網(wǎng)系統(tǒng)的輸出光伏為20 kW，風(fēng)機(jī)退出后，Load1的功率為10 kW，Load2的功率為6 kW。在實(shí)驗(yàn)中將微電網(wǎng)系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置額定功率設(shè)置為15 kW、20 kW和25 kW，所對(duì)應(yīng)的SOC值為16%、18%、60%，2 s后Load2以0.5 s為時(shí)間間隔，儲(chǔ)能裝置的額定功率處于3 kW、6 kW、12 kW、15 kW和18 kW變化中，并發(fā)現(xiàn)以下變化規(guī)律：儲(chǔ)能額定功率為25 kW時(shí)輸出的最大功率為25 kW，儲(chǔ)能額定功率為20 kW時(shí)輸出的最大功率為20 kW，儲(chǔ)能額定功率為15 kW時(shí)輸出的最大功率為15 kW。由此可知，當(dāng)微電網(wǎng)的儲(chǔ)能功率達(dá)到一定狀態(tài)時(shí)，隨著微電網(wǎng)中負(fù)荷擾動(dòng)功率的增加，該系統(tǒng)中的電壓值也會(huì)存在較大的變化，若負(fù)荷值的變化較大，那么電壓的變化范圍會(huì)超出規(guī)定的區(qū)間，此時(shí)技術(shù)人員需要采取相應(yīng)的措施予以控制和調(diào)節(jié)[9]。當(dāng)額定功率處于25 kW、20 kW和15 kW時(shí)，微電網(wǎng)中儲(chǔ)能電池的符合功率會(huì)變化為15 kW、12 kW和9 kW，且變化量約占輸出功率的60%。對(duì)同一負(fù)荷的擾動(dòng)情況，儲(chǔ)能電池的額定功率數(shù)值較大，則對(duì)于微電網(wǎng)系統(tǒng)的擾動(dòng)情況所起到的平抑作用反而能呈現(xiàn)出較好的效果，同時(shí)所需處理時(shí)間較短，有利于微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 研究結(jié)論分析

通過本次實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，搭建微電網(wǎng)系統(tǒng)后，對(duì)孤網(wǎng)運(yùn)行模式的負(fù)荷擾動(dòng)及儲(chǔ)能電池的額定功率進(jìn)行對(duì)比研究，得出了關(guān)于微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的特性。一是微電網(wǎng)中儲(chǔ)能電池的額定功率及負(fù)荷的擾動(dòng)情況，對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響是不容忽視的。系統(tǒng)的儲(chǔ)能電池在正常的工作狀態(tài)下所設(shè)定的額定功率越大，對(duì)系統(tǒng)電壓頻率的調(diào)節(jié)作用越來越強(qiáng)，依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)功率的變化擾動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間也就會(huì)相應(yīng)縮短，從而使微電網(wǎng)系統(tǒng)在孤網(wǎng)狀態(tài)下的運(yùn)行穩(wěn)定性越來越強(qiáng)[10]。二是隨著微電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷波動(dòng)幅值增加，系統(tǒng)電壓頻率會(huì)隨之增加，但負(fù)荷波動(dòng)的幅值一旦超出預(yù)計(jì)的范圍，那么電壓頻率也會(huì)超出既定范圍，并且會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來不良影響。為避免這一問題，技術(shù)人員在實(shí)際的工作中，應(yīng)對(duì)不同類型、不同性質(zhì)的儲(chǔ)能電池SOC值進(jìn)行研究，依據(jù)其所對(duì)應(yīng)的最大輸出功率的不同來調(diào)整負(fù)荷波動(dòng)的平抑措施。配置儲(chǔ)能功率時(shí)要充分考慮這一方面的因素，使負(fù)荷和電源功率達(dá)到最大的波動(dòng)幅值，再進(jìn)一步制定最為適宜的投切方案，對(duì)該微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行控制，使之達(dá)到理想的運(yùn)行效果[11]。

3 結(jié) 論

微電網(wǎng)的孤網(wǎng)運(yùn)行特性較為明顯，其中包括負(fù)荷擾動(dòng)及儲(chǔ)能電池對(duì)微電網(wǎng)電壓及頻率的影響，即負(fù)荷擾動(dòng)與電壓影響成正比，儲(chǔ)能電池額定輸出功率與微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓及頻率變化成正比。維持系統(tǒng)內(nèi)電壓穩(wěn)定，才可快速分擔(dān)電能功率，維持微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本次實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，微電網(wǎng)內(nèi)電源及儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制方式或負(fù)荷類型或儲(chǔ)能裝置容量等，均會(huì)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的電壓頻率帶來明顯的影響。要想深入研究微電網(wǎng)系統(tǒng)的變化頻率，僅依靠仿真實(shí)驗(yàn)來證明是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。技術(shù)人員需要通過具體的數(shù)值變化來研究微電網(wǎng)系統(tǒng)中孤網(wǎng)的運(yùn)行特性，將定量研究與定性研究方法融入實(shí)際研究工作中，以取得良好的研究效果。