微电网供电模式的理论分析及工程应用

第20卷第3期石健将等 一种输入端自然均流/高电压增益组合式变换器研究15户用微电网供电模式的理论分析及工程应用王利利，刘巍，全少理，李鹏，李秋燕(国网河南省电力公司电力经济技术研究院，河南省郑州市)TheoreticalAnalysisandEngineeringApplicationofPowerSupplyModeofHomeMicro-gridWANGLili,LIUWei,QUANShaoli,LIPeng,LIQiuyan(StateGridHenanEconomicResearchInstitute,Zhengzhou,HenanProvince,China)ABSTRACT:Micro-gridisapromisingconceptthatisconsideredasanalternativesolutionforreducingtheinfluenceofintegrationofdistributedgenerationintodistributionsystemandimprovingpowersupplyreliabilityaswellaspowerquality.Thebasicstructureandclassificationofmicro-gridareintroducedfirstly.Then,thetypicalpowersupplymodeofmicro-gridisproposedfromtheperspectiveofthetheoreticalanalysis.Furthermore,thesystematicdesigningschemesandequipmentsselectingprincipleoftheintegratedsupervisorycontrolsystemofthehomemicro-gridarepresented.Thetypicalpowersupplymodewhichisappliedtopracticalengineeringisdesignedcombiningwiththedistributionofwindandsolarpowerintheprairiearea.Theoptimalcapacityofdistributedgenerationsisalsoanalyzedaccordingtotheactualdemand.Theresultofthispapercanbeusedtouidetheconstructionofthehomemicro-grid.KEYWORDS:homemicro-grid;powersupplymode;integrateddesign;distributedgenerations;engineeringapplication摘要：微电网对于减小分布式电源接入对配电网的影响，提高供电可靠性和电能质量具有重要的意义。首先介绍微电网的基本结构和分类，然后从理论分析的角度阐述智能微电网的供电模式，并进一步提出适用于户用微电网的调、配、用一体化的综合监控平台系统设计和设备选型原则。结合草原上风能与光伏资源的分布情况，设计应用于实际工程的典型供电模式，并根据实际情况对各种分布式电源的容量进行优化配置，其对于户用型微电网的建设具有一定的指导意义。关键词：户用微电网；供电模式；一体化设计；分布式发电；工程应第3卷第8期 智能电网 0 引言近年来，环境压力和能源转型正逐渐改变电能的产生、输送和分配方式，越来越多的分布式电源通过各种形式接入到电网中。同时通信、计算机、自动化等各种技术在电力系统中的广泛应用为电能的利用方式提供了新的平台。为了充分发挥分布式电源的潜在优势，提高电力系统的安全性、可靠性及智能化水平，改善用户的供电质量，微电网近些年得到了广泛的研究和应用。在运行方式方面：微电网灵活多样，既可以联网运行，又可以孤岛运行；在接入方式方面：微电网与配电网之间可以实现“即插即用”。因此，在广大偏远及农牧地区，微电网具有经济可靠的优点。事实上，微电网已成为我国解决广大偏远地区电力供应问题的主要手段之一，户用微电网的建设也逐渐成为当前的研究热点。本文首先简要介绍了微电网的定义和特点，然后对户用微电网的供电模式进行理论分析，提出了适用于户用微电网的调配用一体化设计方案，结合国内某草原地区的分布式资源条件，建立了户用微电网示范工程，并推介出分布式电源的最优容量配置方案。1 微电网供电模式的基本内涵供电模式是指界定了电网结构、供电单元和电网装备等供电系统主要组成要素的电网规划设计方案，深度介于电网规划与初步设计之间，属于典型设计范畴。在微电网规划设计阶段，一般把微电网的电气接线方式、微电网结构方案、微电网接入配电网方案、分布式电源容量配置、用户接入微电网方案、微电网布置建设方案，甚至微电网智能控制与调度等内容，都称为微电网供电模式。微电网供电模式可以参考电网规划理论，以相关规程规范为支撑，在电压等级匹配、DR容量配置优化、微电网布置优化等优化设计的基础上，对微电网结构、微电网并网形式与位置、可控电气装备等要素、要点进行优化配置，如图1所示。图1 微电网供电模式的内涵分析Fig.1 The basic diagram of power supply mode in Micro-grid 基于微电网供电模式的内涵，得出微电网典型设计可以分为三个层次，如图2所示。图2 微电网典型设计的层次分析Fig.2 The hierarchy analysis of typical design in Micro-grid微电网供电模式通常与特定的自然环境、分布式资源及负荷特性、配电网电压等级具有直接的联系，因此本文提出的微电网供电模式基本思路为：以分布式资源和当地社会经济发展水平为基础，以满足微电网用电需求为立足点，以微电网建设实践及微电网技术发展为依托，根据用户的实际需求和配电网的电气条件，综合考虑分布式电源、负荷、经济、环境、技术等多方面因素，采用合适的电压等级、合理的微电网结构、适当的微电网并网位置、智能的管理、调度、控制等技术手段，制定符合当地特色、与当地经济发展水平相适应的微电网供电模式。在微电网工程项目中，能够以绿色发电和智能用电为核心，展示现代信息技术、新材料技术、储能技术和新电网结构等给电网带来的巨大变化，容许新能源发电单元的接入，实现微电网中各个环节的优化与自适应互动控制、用电的智能化与高效化。为此，需要解决的计算机监控系统的难点是：配电智能化、用电智能化、可再生能源接入技术等如何集成一个统一的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制）监控硬件和软件平台系统，实现微电网的信息整合与共享、综合监视与操作控制等。2 微电网调配用一体化设计平台2.1总体概述本着经济合理、可靠适用以及保护用户投资利益的原则，为用户提供一流的产品、一流的技术和一流的服务。结合多年来从事电网调度自动化监控系统及变电站自动化监控系统的成功经验，根据用户的需要，调、配、用一体化监控系统的配置方案如图3所示。该配置方案中，设立了一个微电网综合监控控制中心。在控制大厅设置1个微电网控制调度台,1个配电调度台,1个用电管理调度台。同时在控制设备室配有2台热备冗余的实时服务器，实时服务器兼做历史服务器，1台智能化用电管理服务器，1台微电网能量管理服务器以及1台维护工作站。主机设备使用国际上著名厂商生产的高档服务器、工作站计算机，服务器采用稳定可靠的UNIX操作系统，操作员站采用WINDOWS操作界面以及大型商用数据库和引进的技术领先的SCADA软件构成一套智能化微电网综合监控系统。不仅技术先进，设计合理，而且设备选配比较经济，具有较高的性能价格比，确保了系统长期安全可靠运行。图 3 微电网调配用综合监控系统平台Fig.3 The integrated monitoring and controlling system in Micro-grid 微电网系统采用硬件通信服务器将控制中心和400V综合自动化设备进行隔离，相互之间可以进行数据交换。系统对关键环节（包括硬件、软件、运行功能、数据流程等）采用各种冗余措施，保证了系统的可用性；同时，本系统采用组件化技术，保证故障自限，故障实现隔离，避免系统由于局部故障而导致全局故障。本方案在系统硬件、软件的设计及方案的制定中将充分考虑系统设备的可靠性、可维修性和可扩性，采用模块化、冗余设计。2.2 硬件设备配置本系统配置的硬件设备名称、数量和主要实现的功能如表1所示。表1 调配用一体化系统典型硬件设备介绍Tab.1 The typical hardware of the integrating system of dispatching，distribution and utilization 名称数量主要功能实时SCADA服务器1微电网实时数据采集和处理，为控制、配电监控及用电管理应用，提供相应的数据服务历史SCADA服务器1历史数据的存储、记录和管理，通过切换，作为实时服务器的备用能量管理系统服务器1实现微电网的能量管理，监控微电网的运行状态用电服务管理服务器1采集分析用电数据，并实时传输到实时SCADA服务器调度工作站4实现系统的人机交互维护工作站2实时监测系统的运行状态，维护系统的正常运行传真/打印设备1记录和发布系统的运行情况，打印相关报表2.3 软件系统配置调配用一体化系统主站是在一体化的支撑平台上实现调度和配网的各类应用功能。系统的软件体系由操作系统、实时信息服务平台、应用功能共三个层次组成。（1）软件系统整体采用UNIX/Windows平台架构，服务器采用UNIX操作系统，满足系统核心设备安全稳定的要求，工作站采用Windows操作系统，方便操作。商用数据库采用Sybase。（2）实时信息服务平台为各种应用功能的实现提供通用的支撑服务，包括网络数据传输软总线、实时数据服务、历史数据服务、图形界面服务、报表服务、系统管理服务、权限管理服务、通用告警服务、通用计算服务等。（3）应用功能包括数据采集功能、SCADA功能，集控监控功能，电网分析功能（网络建模、网络拓扑、状态估计、调度员潮流、负荷预报、电压无功优化AVQC），配电自动化，安全Web数据整合发布功能。上述应用功能之间相对独立，基于实时信息服务平台实现有机地集成和整合。在软件系统中，最核心的内容就是数据的采集，本系统采用调配分组采集、互为备用的策略，即采用两组前置机进行数据采集，每组配备两条前置机以主备方式工作，一组采集调度数据，一组采集配网数据，同时实现两组间的互备，一组前置机退出运行，不影响数据的采集。调配采集的数据在系统服务层进行统一存储、查询、计算和显示。3 微电网供电模式的典型应用3.1 设计原则（1）微电网的建设应综合考虑接入地区配电网的设备水平和运行情况，充分论证智能微电网的发展模式和分布式资源介入电网的方式；（2）微电网电气系统建设的框架应综合考虑可靠性、可接入性、灵活性、多样性、可控性、交互性、独立性、通用性等诸多因素，并体现其智能化要求；（3）微电网内可再生能源发电单元、储能系统向当地交流负载提供的电能及向电网发送的电能，质量应满足国家的相关标准。（4）微电网必须具备与配电自动化系统、调度系统进行数据通信的能力，能够将采集到的微电网电气运行工况上传至配电自动化系统和调度系统，同时具备接受地方配电网运行部门的控制调节指令。3.2 分布式资源条件分析本文建立的户用微电网系统位于河北省承德市域内，处于我国风力资源和光照资源较为丰富的地区。利用美国NASA系统中的数据，项目地点的月风速（10m高处）和光照强度数据见图4和图5。图4 试点区域的月平均风速Fig.4 The average wind speed in selected area图5 试点区域的月平均光照强度Fig.5 The average wind speed in selected area3.3 工程项目的示意图结合当地可再生能源状况和负荷需求，综合考虑、计算、分析后，确定微电网的结构示意图如图7所示，风、光、储单元的详细参数整理在表2中。图6 微电网的结构示意图Fig.6 The structure diagram of demonstration project 表2 微电网示范工程中分布式电源的参数 Tab.2 The Parameters of distributed Generations in the demonstration project名称额定电压额定电流额定功率风力发电48V20A1kW光伏发电48V16A500W储能锂电池48V15A150Ah3.4 各个系统的调试在完成风力发电机、光伏阵列、储能电池、电能变换设备、各种开关与控制等设备的安装，及电力线路和通信线路的敷设后，需要对微电网工程相关部分进行调试。3.4.1控制系统的调试控制系统调试需在蓄电池能量充足或者存在市电的条件下进行，具体的调试过程如下：（1）确认控制柜前端所有断路器均处于断开状态；（2）检测蓄电池电压是否过低（直流45V）；（3）检测后备电源输入输出电压是否正常（输入电压范围是交流200V40V，输出电压范围是直流48V2V）；（4）闭合并网断路器，观测中央控制器与各单元控制器是否正常工作；（5）查看各控制单元与中央控制器通讯是否异常，控制指示灯是否工作；（6）通过中央控制器查看各控制单元待机数据是否正常，主要包括：温度、输入电压、输出电压、输入电流、输出电流，除温度为200外，其余值应在零值左右。3.4.2发电系统的调试控制系统调试完成以后，需要对发电系统按照“风、光、蓄、逆”的次序依次调试。如风、光发电能量不足，可采用市电进行补充替代。（1）控制风力发电单元单独运行，输出电压稳定在48V附近，闭合该单元的输出断路器，直流母线电压也在48V左右，无问题后停止其工作；（2）控制光伏单元单独运行，调试步骤与风力发电单元相同。需要注意的是，如果光伏输入不满足调试条件，不可直接用市电进行替代，需要将市电整流为合适的电压值方可进行；（3）确认所有发电单元工作均无问题后，在保证任一发电单元工作的前提下，使蓄电池单元投入运行。此时蓄电池处于充电状态，观察中央控制器显示的蓄电池相关数据；暂停蓄电池单元工作，运行逆变单元，通过显示面板的电压表观测输出电压值，此时电压为交流220V。确认控制系统与发电系统均无问题后，可将所有断路器闭合，通过开机键使系统投入运行。3.5 微电网运行3.5.1 微电网正常运行在风光资源充足时，如果蓄电池荷电状态小于设定值，则清洁能源和电网共同给蓄电池充电；如果蓄电池荷电状态大于设定值，则可实现：1）蓄电池优先功能，将蓄电池的一部分能量和多余的清洁能源逆变送往交流侧，由电网和清洁能源共同向负荷供电；2）并网馈电功能，将多余的清洁能源逆变送向电网。在风光资源不充足时，如果蓄电池荷电状态小于设定值，则由电网给负荷供电的同时给蓄电池充电；如果蓄电池荷电状态大于设定值，蓄电池优先功能，将蓄电池的一部分能量和多余的清洁能源逆变送往交流侧，由电网和清洁能源共同向负荷供电。3.5.2 异常事件处理（1）电网停电，转入孤岛运行方式，向蓄电池充电，同时向负载供电，蓄电池充电完成后将在清洁能源充足情况下投入卸荷，使系统平衡，直至电网恢复供电。（2）电网电压频率异常，为维持负载的正常供应，断开电网转入离网运行方式，直至电网恢复正常。（3）在负荷侧发生短路或过电流情况下，系统断路器跳闸并在延时后自动重合闸，以消除临时故障，重合闸失败时，转为永久故障，系统停机，直至手动复归。3.5.3 控制单元运行微电网工程的实时数据采集与监控系统（SCADA）由远程监控、现场调度和发电单元控制三个层次构成。远程监视与控制通过通用无线分组业务(GPRS)与现场调度控制单元连接，现场调度则通过RS485通信总线与各个单元控制器连接。远程监控终端通过GPRS实现对调度中心的数据读取和必要控制，即所谓的遥视、遥信、遥控和遥调；现场调度中心对各个单元进行监控、实现自动优化调度策略、伺服远程监控终端、处理应急事件并上报；监测数据就近出力，各个单元控制部分则监视本单元运行状态、伺服现场调度中心、处理紧急事件并及时上报。3.5.4调度单元运行（1）实时调度：控制中心优先将本地电源发出的电能供给用户，尽可能保证用户不从市电取电。当负载需求小于风能、光能的发电功率供应时，对蓄电池进行充电；如果蓄电池电量满荷，则切除供电单元。不同的负荷类型划分成三个等级：第一等级为照明负荷，系统优先对照明负荷供电；第二等级为家用电器，满足照明负荷之后的多余电量供给家用电器；第三等级为空调以及农机具等较大功率的用电设备。（2）季节性互补调度：风光资源作为不同的发电手段，在时间上具有一定的互补性。风资源本身的随机性很大。太阳能发电相对较为稳定，但在阴天和夜晚无法工作。风、光两种发电方式独立运行很难保证发电的连续性和可靠性，但两者在时间上的互补性解决了发电不连续的难题，结合多时间尺度下储能系统的功率存放，则可以为系统提供备用能量，大大提高了供电可靠性。3.5.5综合运行分析鉴于风机和光伏发电受气象条件的影响比较明显，因此，我们利用月平均发电量的形式，对两种分布式电源在2013年的功率输出情况进行统计计算，得出的发电量情况见图7。图7 2013年光伏和风力发电量统计Fig.7 The output power computation of wind and solar in 2013从上图可以得出以下的结论：（1）结合图4中月平均风速的情况，风力发电的输出电量与风速有直接的相关性，但是当风速过低时，风机不能启动，因此造成7、8月份风力发电的效率较低；（2）从光伏系统的发电量看，在光照强度较高的夏秋两季，都具有较好的发电效率，因此建议在示范工程的基础上继续建设光伏发电；（3）从风光互补的角度分析，风力发电和光伏发电具有一定时间互补性，多种能源的综合利用是提高微电网运行效率的重要理念；（4）从时间尺度看，在夏季风机由于风机发电能力比较低，尽管光伏发电量较大，但总体的发电量还是显著降低，为实现功率的稳定输出，还需要建设一组光伏发电系统；（5）从与负荷的对应关系来看，示范工程中2kW的平均功率基本可以满足一个家庭的生活用电需求，按照每天用电时间为3h计算，每年的用电量约为2200kWh，而分布式发电系统的总电量为1918.58k kWh，如果再安装一组太阳能光伏板，在时间尺度下将很好的满足居民用电的需求。4 结论本文结合微电网示范工程项目的实际情况，分析了微电网典型的供电模式，并提出了调配用一体化监控系统的总体建设方案和软硬件配置要求，然后从调试、控制和运行等方面综合分析了示范工程存在的问题，为项目的进一步完善指明了方向。参考文献1 王成山，李鹏分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战J电力系统自动化，2010，34(2)：10 - 14WANG Chengshan,LI Peng. 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