風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)控制策略研究

中國交通建設(shè)集團(tuán)海外工程分公司 邱 琰

在電力系統(tǒng)中，對可再生能源利用較多的風(fēng)電、光伏電力系統(tǒng)，可以大大緩解某些地區(qū)的電力短缺問題，但是利用這些能源存在不穩(wěn)定的問題，其能源供應(yīng)受到環(huán)境因素的影響，因此對于此類問題，一般會增加儲能系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)以保證其電力微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，保證其輸出電能穩(wěn)定。

1 風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行說明

微網(wǎng)的主要構(gòu)成是發(fā)電單元、負(fù)荷、儲能裝置、功率變換器，以及控制保護(hù)裝置，是一種高效的輸配電系統(tǒng)。風(fēng)電發(fā)電技術(shù)不僅具備了更大的風(fēng)機(jī)發(fā)電容量、更好的變速恒頻控制機(jī)制，還具備了更環(huán)保、更有效的發(fā)電機(jī)組，在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展中起到促進(jìn)作用。光伏發(fā)電技術(shù)近幾十年來也在高速發(fā)展，光伏發(fā)電顧名思義是將太陽能用光伏電池板進(jìn)行轉(zhuǎn)化，成為可以直接使用的電能。光伏發(fā)電技術(shù)在運(yùn)用過程中不斷革新，國際國內(nèi)一直有許多專家對其進(jìn)行改進(jìn)，以獲得穩(wěn)定的最大功率的光伏發(fā)電技術(shù)。例如通過改進(jìn)算法或者加以智能系統(tǒng)的控制。儲能技術(shù)是電網(wǎng)運(yùn)行過程中必不可少的一部分，通過儲能技術(shù)來對電力進(jìn)行儲存，在電網(wǎng)產(chǎn)生波動時或者電力短缺時進(jìn)行輔助供電，以確保電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行。風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)系統(tǒng)是目前較為熱門的一種微網(wǎng)系統(tǒng)，其不僅具備了可再生發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點，還結(jié)合了儲能系統(tǒng)的優(yōu)點，使這種微網(wǎng)系統(tǒng)具備了較好的循環(huán)性能與較高質(zhì)量的發(fā)電性能。此系統(tǒng)主要是由儲能系統(tǒng)在間歇性可再生能源發(fā)電過程中進(jìn)行電力儲能，通過超級電容器的特性，保證在可再生能源間歇性發(fā)電過程中電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。儲能系統(tǒng)具有高速的功率調(diào)節(jié)能力，其可以智能化地跟蹤電力波動程度，可以對風(fēng)電及光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行檢測，并在發(fā)生波動時及時通過功率釋放及電力供給保證微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效減少風(fēng)電及光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出波動對微網(wǎng)的影響。

2 風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)控制策略

2.1 電池組管理

風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)電力系統(tǒng)中的電池組主要由蓄電池－超級電容器混合電池組構(gòu)成。蓄電池的能量儲存量大，但是蓄電池的電池功率較低，壽命較短，并且其充電過程及放電過程速度過慢，對于需要頻繁充電放電的微網(wǎng)系統(tǒng)適應(yīng)性差。而超級電容器則恰恰相反，超級電容器雖然在同體積下能量儲存量小于蓄電池，但是超級電容器電池功率高、壽命長，最重要的是超級電容器的充電及放電速度快，適合微網(wǎng)這樣需要頻繁充電放電的電力系統(tǒng)，因此將超級電容器與蓄電池結(jié)合起來形成混合電池組，對于微網(wǎng)系統(tǒng)來說，不僅有了足夠大的電力容量，還可以增加其功率，延長其使用壽命，提高其充電放電速度，提高由混合電池組構(gòu)成的風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率，為電力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)提高經(jīng)濟(jì)效益與可靠性[1]。

2.2 微網(wǎng)電能質(zhì)量分析

在風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，基于其電池組的混合特點，導(dǎo)致其輸出功率中波動較大頻率較高的部分由超級電容器承擔(dān)，其中輸出功率中波動較小頻率較平緩的部分由蓄電池構(gòu)成。在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，一般建立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率從600kW 到5MW 不等，目前采用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)已從恒速恒頻發(fā)展為變速恒頻，其電能質(zhì)量有所突破。在光伏發(fā)電技術(shù)中，一般的地面集中式光伏電站發(fā)電功率都大于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，光伏發(fā)電具有間歇性的特點，會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量。風(fēng)電、光伏及儲能構(gòu)建的微電網(wǎng)系統(tǒng)，其主要儲能部位由超級電容器及蓄電池構(gòu)成，其運(yùn)行時電容量為0.5～1000F，工作電壓為12～400V，最大放電電流為400～2000A，最大儲能量30MJ，其系統(tǒng)對于電網(wǎng)中短時大功率輸出有極大幫助，電池組的配合利用極大地提高了能量密度和能量質(zhì)量。

2.3 控制系統(tǒng)管理

風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行時，微網(wǎng)系統(tǒng)的AC/DC 變換器控制始終處于對電池組及電流運(yùn)行狀況的跟蹤控制，保證其系統(tǒng)始終以高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。風(fēng)電系統(tǒng)及光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)波動，并會隨著時間和季節(jié)變動，這一點會導(dǎo)致微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時電能輸出不穩(wěn)，會導(dǎo)致微電網(wǎng)系統(tǒng)與配電網(wǎng)之間的系統(tǒng)功率波動，造成經(jīng)濟(jì)損失。為避免由可再生資源間歇性導(dǎo)致的功率波動問題，微網(wǎng)管理控制系統(tǒng)一般采用帶儲能的有功和無功功率控制策略保證其功率穩(wěn)定，從而保證其系統(tǒng)運(yùn)行正常。儲能有功控制策略是通過微網(wǎng)的AC/DC 變換器對網(wǎng)內(nèi)電池組及發(fā)電系統(tǒng)實施監(jiān)測，保持網(wǎng)內(nèi)的功率平衡，當(dāng)儲能系統(tǒng)運(yùn)行能力過低時，其控制管理器通過改變網(wǎng)間交換功率有功參考值，避免儲能系統(tǒng)過度充放電。儲能無功控制策略則是當(dāng)配電網(wǎng)系統(tǒng)需要微網(wǎng)系統(tǒng)提供無功時，微源可以發(fā)出無功，當(dāng)微源輸出值最大無功功率，對無功負(fù)荷的需求仍不能滿足時，配電網(wǎng)可以提供無功補(bǔ)償，保證風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.4 微網(wǎng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

對于并聯(lián)系統(tǒng)的風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制，需要采用靜止無功補(bǔ)償器對無功功率進(jìn)行及時的補(bǔ)充，維持風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，同時配合蓄電池及超級電容器的混合電池組進(jìn)行風(fēng)電、光伏系統(tǒng)的有功功率調(diào)節(jié)。同時利用儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢，對風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的一些不可調(diào)度的電力單元進(jìn)行調(diào)控，使其成為可調(diào)度的電力單元，進(jìn)而對電力系統(tǒng)的頻率進(jìn)行控制，提高電能質(zhì)量，提高風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

對于串聯(lián)系統(tǒng)的風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制，當(dāng)風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)電力系統(tǒng)發(fā)生電力運(yùn)行不平穩(wěn)時，由于系統(tǒng)具有由蓄電池及超級電容器構(gòu)成的儲能系統(tǒng)，其儲能系統(tǒng)可以將串聯(lián)補(bǔ)償后的負(fù)荷電壓快速恢復(fù)到正常數(shù)值，讓發(fā)電系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩重新構(gòu)成平衡狀態(tài)，使負(fù)荷電壓穩(wěn)定在一定數(shù)值內(nèi)。串聯(lián)補(bǔ)償方式對于電壓調(diào)節(jié)有著特有的良好調(diào)節(jié)能力。

將串并聯(lián)系統(tǒng)集合起來，通過對風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)控，不僅可以在風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中提供穩(wěn)定性的支持，還可以在發(fā)生電力運(yùn)行不穩(wěn)定時，及時進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)整，以保證電力系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。

2.5 安全管理

風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)電力系統(tǒng)具有特殊性。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于環(huán)境和季節(jié)因素，容易發(fā)生間歇性斷供問題，并且在不同時期其發(fā)電功率會產(chǎn)生較大的差異，其發(fā)電穩(wěn)定性較差；而光伏發(fā)電系統(tǒng)則是與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有著同樣的問題，其發(fā)電過程也受到環(huán)境和季節(jié)因素的影響，存在穩(wěn)定性差的問題。這兩個不穩(wěn)定性發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成，導(dǎo)致了微網(wǎng)電力系統(tǒng)控制困難，為了保證其安全管理，通過儲能系統(tǒng)的蓄電池-超級電容器的特殊性，對電力系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)電量與供電量實施追蹤，對輸出波動時進(jìn)行合適的調(diào)控，保證微電網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，從而保證風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)電力系統(tǒng)的安全管理。

3 微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維管理重難點

3.1 優(yōu)化程序及標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)作

為了保證風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要做好對系統(tǒng)程序的優(yōu)化工作并且做到系統(tǒng)運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化。對此，可以利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對系統(tǒng)程序進(jìn)行智能化，將微網(wǎng)系統(tǒng)中的電力數(shù)據(jù)等實時傳輸進(jìn)入云端，并通過云端遠(yuǎn)程監(jiān)控確保系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并在系統(tǒng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，能夠及時通過互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，使其問題發(fā)生率大大降低。對于電網(wǎng)系統(tǒng)中的工作人員，除了需要定期進(jìn)行技能培訓(xùn)外，還需不斷進(jìn)行安全教育和安全考試，通過此方式不斷強(qiáng)化工作人員的技術(shù)水準(zhǔn)與安全意識，保證其在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中的運(yùn)作方式符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，避免因操作失誤造成的電網(wǎng)問題。對于長期運(yùn)轉(zhuǎn)的電站設(shè)備，需要由專業(yè)人員對其運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)行定期檢查，對其設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)也需要做到定期定時，將設(shè)備的維護(hù)管理過程規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，使電站設(shè)備使用壽命延長[2]。

3.2 提高電站運(yùn)行期間調(diào)度水平

對于電站運(yùn)行期間的調(diào)度水平問題，則需要通過完善值班制度、完善巡查機(jī)制、提高信息交流效率等方式進(jìn)行提高。首先是對電站值班制度的完善，在電站，尤其是中國這樣人口密度大的國家，其電站密度也是較大的，因此對于電站的人員調(diào)度問題需要科學(xué)規(guī)范，對電站的值班人員和值班時間通過科學(xué)規(guī)范的分配保證其人員時間達(dá)到平均，使電站運(yùn)行過程中時刻都有專業(yè)人員對其進(jìn)行監(jiān)督和調(diào)控。而電站的巡查機(jī)制，首先需要對巡查人員進(jìn)行系統(tǒng)的專業(yè)知識培訓(xùn)，使其對電站內(nèi)的配套設(shè)施和電力監(jiān)控系統(tǒng)足夠熟悉，并提升其對突發(fā)事件的應(yīng)對能力和處理能力，其次需對巡查人員進(jìn)行人數(shù)和地區(qū)上的分配，保證每一個電力系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域都能受到專業(yè)人員的監(jiān)管。最后則是提高電站的信息交流效率，這一點可以配合上述提出的智能化系統(tǒng)進(jìn)行配套管理，通過網(wǎng)絡(luò)云端，將上級電站的意見和命令快速傳遞至下級電站的每個人員手機(jī)中，使其信息傳遞效率大大提高，并且在電站運(yùn)行期間，其監(jiān)管人員可以配合智能化系統(tǒng)及時探查電力異常部位，將潛在的危險及時解決，以保證人民的人身安全和財產(chǎn)安全[3]。

3.3 增強(qiáng)對電站事故的預(yù)防與診斷

工作人員配合智能化管理系統(tǒng)，對電站運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的電力系統(tǒng)實時監(jiān)管，并對出現(xiàn)電力異常的部位及時檢查和調(diào)節(jié)，將可能發(fā)生的安全事故扼殺在搖籃。對此，需要做到工作人員具有較高的專業(yè)水準(zhǔn)和較強(qiáng)的問題處理能力，這一點需要電站管理人員對工作人員的篩選做到從嚴(yán)從優(yōu)，對于篩選合格的人員需要定期進(jìn)行培訓(xùn)和考試，以確保其專業(yè)水平的穩(wěn)定，并對其進(jìn)行專業(yè)的安全事故應(yīng)對方法培養(yǎng)，提高其事故處理能力和防范能力，從而增強(qiáng)對電站事故的預(yù)防和處理能力。

3.4 增強(qiáng)對電力設(shè)備管理的力度

第一，對于電力設(shè)備的管理：一是要檢查變壓器，看其是否保持著正常運(yùn)行狀態(tài)，如果有受潮、顏色變化情況，需要進(jìn)行接點檢查；二是要定期開展紅外測溫工作，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷較大，需要根據(jù)實際情況增加相應(yīng)的檢測次數(shù)，按照接點的情況，合理調(diào)整相應(yīng)的檢測周期，并加以細(xì)致記錄；三是需要全方位維護(hù)斷路器，按照設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，開展細(xì)致清理工作，確保電力設(shè)備沒有銹蝕問題。第二，對于電力系統(tǒng)變電運(yùn)行設(shè)備的管理與維護(hù)，主要由以下方面組成：一是要開展傳動試驗工作，重點檢測機(jī)電裝置的運(yùn)行情況，及時開展相應(yīng)的停電檢查作業(yè)；二是要觀測電力系統(tǒng)中央信號系統(tǒng)的運(yùn)行情況，做好二次回路的檢查工作。第三，對于交流電與直流電系統(tǒng)的維護(hù)工作：一是要遵循各項管理制度和行為標(biāo)準(zhǔn)，針對蓄電池的溫度和電壓進(jìn)行細(xì)致測量，并且定期開展電池外殼的清理工作，減少其中的銹蝕問題；二是要開展交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)接點的檢測工作，加強(qiáng)重點維護(hù)工作，及時發(fā)現(xiàn)其中的不足之處，并加以適當(dāng)處理。

4 結(jié)語

風(fēng)電、光伏及儲能微網(wǎng)電力系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)效益極高的電力微網(wǎng)系統(tǒng)，其具備的能源可持續(xù)性及穩(wěn)定性是值得國家與企業(yè)大力關(guān)注的。對于發(fā)展迅速、能源需求量極大的當(dāng)今中國來說，努力發(fā)展此類高效可持續(xù)的能源電力網(wǎng)絡(luò)是緩解國內(nèi)化石能源短缺的一大重要手段，是有助于中國擺脫西方國家對其能源掣肘的一個潛在方案，此電力微網(wǎng)系統(tǒng)，不僅可以造福國家社會，更可以對人們的生活作業(yè)有很高的積極作用，對于維持國內(nèi)生態(tài)環(huán)境也有著積極作用。