DQZHAN技術(shù)訊：電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)-微網(wǎng)運(yùn)行與控制
微電網(wǎng)，現(xiàn)在無(wú)疑是比較前沿的內(nèi)容，國(guó)內(nèi)這塊與國(guó)外相比有一些差距。參與做過(guò)一些微電網(wǎng)規(guī)劃，比如三沙島的，也參觀過(guò)一些實(shí)驗(yàn)室的微電網(wǎng)模型，許繼的示范項(xiàng)目，試著總結(jié)一二。
一、微電網(wǎng)概述
首先說(shuō)說(shuō)分布式能源和微電網(wǎng)的區(qū)別吧。
分布式能源（DER）：一般定義為包括分布式發(fā)電（DG）、儲(chǔ)能裝置（ES）和與公共電網(wǎng)相連的系統(tǒng)。其中DG是指滿(mǎn)足終端用戶(hù)的特殊需求，接在用戶(hù)側(cè)的小型發(fā)電系統(tǒng)，主要有內(nèi)燃機(jī)，微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、太陽(yáng)能、風(fēng)能等發(fā)電系統(tǒng)。
分布式能源有很多優(yōu)點(diǎn)，比如可實(shí)現(xiàn)能源綜合梯級(jí)利用，彌補(bǔ)大電網(wǎng)穩(wěn)定性方面不足，環(huán)境友好等，但是它的*本質(zhì)缺點(diǎn)在于不可控和隨機(jī)波動(dòng)性，從而造成高滲透率下對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定的負(fù)面影響。
所以，分布式能源和微電網(wǎng)的本質(zhì)區(qū)別就在于前者不可控，后者可控。
微電網(wǎng)（MG）把分布式發(fā)電、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷通過(guò)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，形成單一可控單元，直接接在用戶(hù)側(cè)，優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的。
電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)-微網(wǎng)運(yùn)行與控制
微電網(wǎng)的控制模式和策略是里面的關(guān)鍵部分，無(wú)論是系統(tǒng)級(jí)的主從、對(duì)等和綜合性控制模式，還是逆變器級(jí)的P/Q、U/f、下垂控制，乃至和儲(chǔ)能相結(jié)合的控制方式，都是微電網(wǎng)的核心部分。而這些，在分布式能源系統(tǒng)里面是不會(huì)涉及的。
所以說(shuō)，很多外面在搞的微網(wǎng)項(xiàng)目，特別是中國(guó)人在國(guó)外援建，都是在混淆概念，沒(méi)有控制系統(tǒng)，其實(shí)只能叫做分布式發(fā)電（分布式能源系統(tǒng)都算不上）。
所以說(shuō)微電網(wǎng)的核心在于“自治獨(dú)立，協(xié)調(diào)互濟(jì)”，自治獨(dú)立指的是微電網(wǎng)具備阻斷電網(wǎng)故障影響的能力，使微電網(wǎng)的孤網(wǎng)運(yùn)行具有不失負(fù)荷或者少失負(fù)荷；協(xié)調(diào)互濟(jì)指的是微電網(wǎng)和主網(wǎng)可以建立互相支援的關(guān)系。
國(guó)外這塊，美國(guó)，歐盟和日本研究和應(yīng)用較為**，三者之間對(duì)于微電網(wǎng)的定義略有區(qū)別但不大，國(guó)內(nèi)這塊，學(xué)校里面天大好像還可以，示范工程許繼有兩個(gè)。
二、微電網(wǎng)的架構(gòu)
微電網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)一般采用國(guó)際上比較成熟的三層結(jié)構(gòu)（許繼的示范工程也是如此）：配電網(wǎng)調(diào)度層、微電網(wǎng)集中控制層、分布式電源和負(fù)荷就地控制層。
電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)-微網(wǎng)運(yùn)行與控制
這塊就不多展開(kāi)了，比較直白。
三、微電網(wǎng)控制策略
控制策略是微電網(wǎng)的核心關(guān)鍵部分。
微電網(wǎng)的運(yùn)行分為并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)運(yùn)行（孤島運(yùn)行），控制策略也是圍繞這兩種狀態(tài)和切換過(guò)程進(jìn)行。
微電網(wǎng)控制體系主要如下圖所示：
電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)-微網(wǎng)運(yùn)行與控制
**層為逆變型電源的逆變器級(jí)控制
這一層的控制模式主要分為：恒功率控制(PQ控制)、恒壓/恒頻控制(V/f控制)和下垂控制(Droop控制)。
恒功率控制(PQ控制)：顧名思義，就是實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的控制=參考值。當(dāng)光伏、風(fēng)機(jī)等分布式發(fā)電系統(tǒng)采用*大功率追蹤控制時(shí)，屬于恒功率控制。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由電網(wǎng)提供電壓和頻率參考，各分布式電源一般采用恒功率控制。當(dāng)然，部分可控型分布式電源也可采用f-P和V-Q下垂控制方法，在電網(wǎng)電壓幅值和頻率降低時(shí)，能夠支撐電網(wǎng)電壓和頻率。
【干貨】電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)-微網(wǎng)運(yùn)行與控制
恒壓/恒頻控制(V/f控制)和下垂控制(Droop控制)：
恒壓/恒頻控制，即控制電壓和頻率。
下垂控制，則比較重要且復(fù)雜些，即選擇與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相似的頻率一次下垂特性曲線(xiàn)（DroopCharacter）作為控制方式，即分別通過(guò)P/f下垂控制和Q/V下垂控制來(lái)獲取穩(wěn)定的頻率和電壓，這種控制方法對(duì)微網(wǎng)中的微源輸出的有功功率和無(wú)功功率分別進(jìn)行控制，無(wú)需機(jī)組間的通信協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了微源即插即用和對(duì)等控制的目標(biāo)。
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微電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí)，需由微電網(wǎng)內(nèi)主電源建立電壓和頻率參考，該層控制可分為主從控制模式和對(duì)等控制模式。
在主從控制模式中，微電網(wǎng)內(nèi)的一個(gè)分布式電源(或儲(chǔ)能設(shè)備)采取V/f控制，為微電網(wǎng)提供電壓和頻率參考，而其他分布式電源則采用PQ控制。
在對(duì)等控制模式中，微電網(wǎng)中參與電壓、頻率調(diào)節(jié)和控制的多個(gè)可控型分布式電源(或儲(chǔ)能設(shè)備)在控制上都具有同等的地位，通常選擇P-f和Q-V下垂控制方法，根據(jù)分布式電源接入點(diǎn)就地信息進(jìn)行控制。
與主從控制模式相比，在對(duì)等控制模式中采用下垂控制的分布式電源可以自動(dòng)參與輸出功率的分配，易于實(shí)現(xiàn)分布式電源的即插即用。
所以一般來(lái)說(shuō)，下垂控制核心在于負(fù)荷功率變化時(shí)，不同分布式電源的功率自動(dòng)通信和共享，P/Q控制核心在于根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)分布式電源有功和無(wú)功指定控制。
兩者區(qū)別已經(jīng)很清楚了，直觀的說(shuō)一個(gè)主要對(duì)外，一個(gè)主要對(duì)內(nèi)。PQ控制對(duì)外用于并網(wǎng)，被處理為一個(gè)恒定的功率輸出；下垂控制用于孤島，沒(méi)有公網(wǎng)的電壓頻率支撐，要自治地負(fù)責(zé)系統(tǒng)的電壓頻率的調(diào)節(jié)滿(mǎn)足要求。
**層控制
微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，**層控制的主要目標(biāo)為降低微電網(wǎng)內(nèi)可再生能源與負(fù)荷的波動(dòng)對(duì)主網(wǎng)的影響，使微電網(wǎng)作為一個(gè)友好、可控的負(fù)荷接入主網(wǎng)。
通過(guò)微電網(wǎng)中心控制器(MGCC)對(duì)各分布式電源下發(fā)合理的功率指令，通過(guò)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率控制可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。微電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí)，采用主從控制模式能維持微電網(wǎng)電壓和頻率恒定，負(fù)荷的變化主要由主電源跟隨，需要通過(guò)MGCC實(shí)現(xiàn)各分布式電源間的功率合理分配。采用對(duì)等控制模式時(shí)，能同時(shí)解決電壓頻率穩(wěn)定控制和輸出功率合理分配，但這是一種有差控制，負(fù)載變化前后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓和頻率會(huì)有所變化。此時(shí)，該層控制的目標(biāo)主要是恢復(fù)微電網(wǎng)電壓和頻率。
微電網(wǎng)運(yùn)行模式無(wú)縫切換控制也在**層控制中實(shí)現(xiàn)，該部分應(yīng)具備電網(wǎng)故障檢測(cè)、微電網(wǎng)與電網(wǎng)同步等功能，并對(duì)微電網(wǎng)并網(wǎng)靜態(tài)開(kāi)關(guān)和主電源控制模式切換進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。
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第三層控制
該層主要為微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)層，通過(guò)相應(yīng)能量?jī)?yōu)化算法：①確定微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，與大電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線(xiàn)輸出功率參考值(作為微電網(wǎng)**層控制目標(biāo)參考值);②在微電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí)，調(diào)整各分布式電源輸出功率參考值或下垂曲線(xiàn)穩(wěn)態(tài)參考點(diǎn)和分配比例系數(shù)設(shè)定等信息，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等功能。
這里其實(shí)只是簡(jiǎn)單總結(jié)了下微電網(wǎng)的控制模式，在實(shí)際運(yùn)行中和儲(chǔ)能模塊相結(jié)合這塊還是非常復(fù)雜的，特別是離網(wǎng)控制，涉及穩(wěn)態(tài)，動(dòng)態(tài)和暫態(tài)的三態(tài)控制，并網(wǎng)控制稍微簡(jiǎn)單些，只需考慮穩(wěn)態(tài)控制即可。
四、微電網(wǎng)規(guī)劃
微電網(wǎng)規(guī)劃這塊國(guó)內(nèi)目前也還是慢慢開(kāi)始做，并不是很成熟。
電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)-微網(wǎng)運(yùn)行與控制
里面具體的可以看一些文獻(xiàn)和資料，定容、儲(chǔ)能、協(xié)調(diào)控制，優(yōu)化算法結(jié)合在一起，還是比較復(fù)雜的。
用的軟件主要是HOMER軟件，軟件本身還是比較強(qiáng)大的，我沒(méi)有用過(guò)就不多說(shuō)了，以后想抽空學(xué)下。
五、微電網(wǎng)保護(hù)
微電網(wǎng)保護(hù)問(wèn)題根源在于分布式電源使得配電系統(tǒng)從單電源輻射式網(wǎng)絡(luò)變?yōu)椤俺绷麟p向性網(wǎng)絡(luò)”，主要是三個(gè)問(wèn)題：1）分布式電源與原有配電網(wǎng)保護(hù)的配合問(wèn)題2）分布式電源對(duì)線(xiàn)路重合閘的影響3）孤島監(jiān)測(cè)和反孤島措施。
傳統(tǒng)配電網(wǎng)典型保護(hù)設(shè)計(jì)方案通常是主饋線(xiàn)采用電流速斷保護(hù)和過(guò)流保護(hù)組成的兩段式保護(hù)，并配置三相一次重合閘裝置。電流速斷按照線(xiàn)路末端故障有靈敏度的方法整定，過(guò)流保護(hù)按保護(hù)線(xiàn)路全長(zhǎng)加時(shí)限整定。
電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)-微網(wǎng)運(yùn)行與控制
1）分布式電源與原有配電網(wǎng)保護(hù)的配合問(wèn)題
如圖所示。
一是導(dǎo)致本線(xiàn)路部分保護(hù)靈敏度降低及拒動(dòng)，部分保護(hù)的靈敏度增加。如圖，當(dāng)K3發(fā)生接地故障時(shí)，由于MG的分流作用，使B3感受到的故障電流減小，B3的靈敏度降低：當(dāng)K2點(diǎn)發(fā)生接地故障，B4將流過(guò)MG提供的故障電流，使保護(hù)B4的靈敏度增加。
二是導(dǎo)致本線(xiàn)路保護(hù)誤動(dòng)。當(dāng)母線(xiàn)處或K1發(fā)生接地故障時(shí)，B3流過(guò)MG提供的反方向短路電流，當(dāng)MG饋入電網(wǎng)的功率足夠大時(shí)，將使B3誤動(dòng)。
三是導(dǎo)致相鄰線(xiàn)路保護(hù)誤動(dòng)，失去選擇性。當(dāng)K4發(fā)生接地故障，B1流過(guò)MG提供的短路電流，如果MG的容量足夠大，那么B1的保護(hù)范圍將可能延伸到下一段線(xiàn)路，使保護(hù)失去選擇性。
2）分布式電源對(duì)線(xiàn)路重合閘的影響
依舊如圖。
K3發(fā)生接地故障，保護(hù)B3的電流速斷保護(hù)立即動(dòng)作斷開(kāi)故障線(xiàn)路，但MG的PCC從檢測(cè)外部故障到SS斷開(kāi)MG需要一段時(shí)間，期間MG和B3所在的饋線(xiàn)構(gòu)成孤島運(yùn)行，如果此時(shí)保護(hù)B3的前加速動(dòng)作，可能會(huì)造成非同期合閘。同時(shí)，MG繼續(xù)向故障點(diǎn)提供電路電流，可能使故障點(diǎn)電弧重燃，擴(kuò)大事故。
保護(hù)B3的前加速必須與PCC處的靜態(tài)開(kāi)關(guān)SS動(dòng)作時(shí)間配合。所以，必須限制MG提供的短路電流，以公共配電網(wǎng)電流速斷或定時(shí)限過(guò)流保護(hù)的定值為約束條件，以減輕MG接入對(duì)重合閘前加速，后加速的影響。
3）防孤島保護(hù)
孤島效應(yīng)當(dāng)主電網(wǎng)由于故障或檢修而停止對(duì)部分負(fù)荷供電時(shí),用戶(hù)側(cè)的分布式電源可能與負(fù)荷構(gòu)成一個(gè)可獨(dú)立運(yùn)行的孤網(wǎng)系統(tǒng),從而脫離電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的控制,如果不能明確地給出孤網(wǎng)系統(tǒng)與主電網(wǎng)的斷開(kāi)點(diǎn),則可能引發(fā)一系列人身和運(yùn)行隱患。
這塊內(nèi)容涉及到一些孤島監(jiān)測(cè)方法，可以結(jié)合IEEE1547孤島檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)看看。
4）微電網(wǎng)保護(hù)措施
一是微電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)保護(hù)。關(guān)鍵是其與公共配電網(wǎng)的連接點(diǎn)PCC，可知，微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)配電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響因素主要取決于兩個(gè)因素：注入配電網(wǎng)的短路電流大小和持續(xù)時(shí)間。當(dāng)公共電網(wǎng)發(fā)生長(zhǎng)久性故障或微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)不符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，要求微電網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行，PCC的迅速動(dòng)作能減輕微電網(wǎng)對(duì)公共配電網(wǎng)繼電保護(hù)的不利影響。所以，PCC安裝的控制與保護(hù)裝置必需能夠檢測(cè)并準(zhǔn)確判斷電網(wǎng)的各種故障情況，迅速做出響應(yīng)，決定微電網(wǎng)是否進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行。
二是微電網(wǎng)單元級(jí)保護(hù)。當(dāng)公共電網(wǎng)發(fā)生故障或電能質(zhì)量下降，如過(guò)電壓，電壓偏低等，對(duì)于敏感負(fù)荷，需要微點(diǎn)網(wǎng)快速斷開(kāi)與公共電網(wǎng)的連接，微電網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運(yùn)行模式。微電網(wǎng)單元及保護(hù)主要是應(yīng)對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生的各種故障所配置的保護(hù)。
具體來(lái)說(shuō)比如限制DG的容量與接入位置，配電網(wǎng)故障時(shí)，DG立即退出，引入故障電流限制手段如故障限流器等。
保護(hù)這塊確實(shí)不擅長(zhǎng)，也就隨便總結(jié)一些。
六、微電網(wǎng)工程實(shí)例
許繼河南分布式光伏發(fā)電及微電網(wǎng)運(yùn)行控制試點(diǎn)工程是國(guó)內(nèi)頭個(gè)包含光伏發(fā)電、電力儲(chǔ)能，并具有微電**性的試點(diǎn)工程，是國(guó)家電網(wǎng)公司**的微電網(wǎng)試點(diǎn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目以河南財(cái)政稅務(wù)高等專(zhuān)科學(xué)校屋頂380kW光伏項(xiàng)目為依托，由380kW光伏電源、2組100kW/100kWh儲(chǔ)能系統(tǒng)、約34路用電負(fù)荷、相關(guān)控制單元和保護(hù)單元構(gòu)成光儲(chǔ)聯(lián)合微電網(wǎng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)到離網(wǎng)，離網(wǎng)到并網(wǎng)的平滑過(guò)渡。
電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)-微網(wǎng)運(yùn)行與控制
圖中的負(fù)荷回路和光伏發(fā)電回路實(shí)際上對(duì)應(yīng)有多路負(fù)荷回路和光伏回路。本示范工程將離網(wǎng)狀態(tài)定義為：1DL和2DL均跳開(kāi)，即孤島狀態(tài)。并網(wǎng)狀態(tài)定義為：1DL和2DL有一個(gè)合上。
正常運(yùn)行時(shí)，1DL及分段3DL合上，2DL斷開(kāi)，微電網(wǎng)為并網(wǎng)運(yùn)行。系統(tǒng)和光伏電源同時(shí)給用電負(fù)載供電。
如果系統(tǒng)故障，導(dǎo)致1DL斷開(kāi)，微電網(wǎng)進(jìn)入離網(wǎng)運(yùn)行，光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)和用電負(fù)荷構(gòu)成微電網(wǎng)的計(jì)劃孤島運(yùn)行模式，持續(xù)供電。當(dāng)系統(tǒng)電源恢復(fù)，則合上1DL或2DL開(kāi)關(guān)，微電網(wǎng)由離網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)入并網(wǎng)運(yùn)行。
此項(xiàng)目的保護(hù)與控制裝置有：光伏逆變器，儲(chǔ)能變流器，微電網(wǎng)系統(tǒng)控制器，負(fù)荷控制器，饋線(xiàn)保護(hù)控制器。除了以上保護(hù)控制器外，還有一套后臺(tái)集中控制中心完成系統(tǒng)的集中控制和管理。
在微電網(wǎng)的并網(wǎng)、離網(wǎng)過(guò)程中，系統(tǒng)控制流程如圖所示。
電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)-微網(wǎng)運(yùn)行與控制
本項(xiàng)目中所有光伏逆變器在這整個(gè)過(guò)程中均作P/Q控制。在并網(wǎng)狀態(tài)，按*大出力發(fā)電，在離網(wǎng)狀態(tài)，由后臺(tái)集中控制中心根據(jù)需要控制出力。在整個(gè)過(guò)程中，光伏回路可以認(rèn)為是功率為負(fù)值的負(fù)載回路。
儲(chǔ)能回路二配置的2#儲(chǔ)能變流器在這整個(gè)過(guò)程中均作P/Q控制，由后臺(tái)集中控制中心根據(jù)需要進(jìn)行充放電控制。在過(guò)程中，儲(chǔ)能回路可認(rèn)為是功率可調(diào)節(jié)的負(fù)載回路。
儲(chǔ)能回路一配置的1#儲(chǔ)能變流器在并網(wǎng)狀態(tài)作P/Q控制，由后臺(tái)集中控制中心根據(jù)需要進(jìn)行充放電控制。在離網(wǎng)狀態(tài)作V/f控制，穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓和頻率，作為微電網(wǎng)的主電源，其他光伏回路和儲(chǔ)能回路根據(jù)此電壓和頻率作P/Q控制，共同維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
負(fù)荷控制器主要完成離網(wǎng)后的快速負(fù)荷切除功能，饋線(xiàn)保護(hù)控制器完成饋線(xiàn)的保護(hù)控制功能。
