智能变电站微电网设计与控制

药炜

【摘要】：在简述微电网、微电网结构、微电网控制原理的基础上，针对智能变电站的设备与负荷特点，以国网河北省邢台供电分公司110kV节固智能变电站为例，设计智能变电站微网模型，经过分析可知这种设计利用现成智能设备减少了微电网的建设成本，既充分利用了内部环境资源，又提高了变电站站用电系统的可靠性，具有现实的经济与节能意义。

【关键词】：智能变电站；微电网设计；控制

1、微电网概述

微电网是由各种分布式电源、储能单元、负荷以及监控和保护装置组成的集合；具有灵活的运行方式和可调度性能，能在并网运行和孤岛运行两种模式间切换；通过相关控制装置间的协调配合，可同时向用户提供电能和热能。根据实际情况，系统容量一般为数千瓦至数兆瓦，通常接在配电网中。对大电网来说，微电网可作为一个可控的“细胞”，是一个简单的可调度负荷；对用户来说，微电网可作为一个可定制的电网。

微电网是对智能电网的强力补充和支撑，分布式能源电力归于智能电网产生的波动，故障或者安全性问题都将被微电网吸收消化，能够抵抗一定的物理和网络攻击，实现系统的平衡和稳定。另外，微电网具有强大的备用功能，由于其可对分式式电能进行小范围的分配，调度，可保障一定区域内电力系统的有效运行。另外微电网具备极强的兼容性，可接入不同的发电和储能系统，自身实现电能的转换和存储。

2、智能变电站微电网

2.1智能变电站微电网设计

以国网河北省电力公司邢台供电分公司110kV节固智能变电站为例（变电站厂区宽敞，太阳能、风能丰富；相邻有农用配电网络），设计智能变电站微电网模型见图1。

图1110kV节固智能变电站微电网模型

微电网的控制模型为混合型微电网，其中光伏与风机发电逆变并入400V交流环网，降压到单相220V交流母线，带动变电站站内交流负荷。逆变引出220V直流母线，经过稳压补偿装置，输出可靠的直流电供直流设备与控制电源使用。并网运行时，微电网发电可以并入主网，单相220V交流母线使用双电源供电；蓄电池即可由微电网充电也可由10kV出线降压充电。智能变电站微电网考虑到失电的可能，孤岛情况下的微电网需要具有支撑微电网频率、电压，承担功率波动的功能，一般采用恒压恒频控制或是下垂控制。若采用恒压恒频控制，虽然逆变器输出端口的电压、频率维持恒定，但是相当于主分布式电源为无穷大母线，微电网内负荷需求的变化都由它满足。可以看出，采用这种控制方法的微电网必须是大容量储能装置作为系统的主控制单元。实际上智能变电站微电网电源分布较散且有容量限制，无法满足恒压恒频控制。故而智能变电站微电网更适合使用下垂控制原理，即系统中一台分布式电源频率偏离标称值过大时，系统可以通过通信，向分布式电源控制器发送指令，向下平移其有功功率-频率下垂特性曲线，假设调节过程中系统负荷不变，系统将进入新的稳态，从而实现了系统的频率调整功能。与调频原理相类似，微电网中对微电网源的无功功率-电压的静态特性的调整，微调平衡曲线实现了电压的自我调节。由此，下垂控制可以实现智能变电站微电网独立运行频率无静差和较小的电压幅值偏移。下垂控制的优点在于在微电网并网运行和离网运行模式切换时不需要更改逆变装置的控制策略，逆变装置出现故障后不影响微电网网的正常运行。而且使用下垂控制策略的逆变装置较少，可以提升了微电网网的经济性。图2为主从控制模型，采用这种控制模式，储能系统作为主控电源在微电网转为孤岛运行时可以快速为系统提供功率支撑。但是根据上述可知：这种模型多采用恒压恒频控制，对其他微电网源的出力限制较多，受系统波动影响较大，无法满足微电网进一步智能化、分布式电源多元化的要求。

图2主从控制模型

如图3为对等控制模型的结构图，在对等控制模式下，微电网中每个采用下垂控制策略的微电网源都参与微电网电压和频率的调节。110kV节固智能变电站微电网电源以太阳能、风能、蓄电池、直流生物电互为备用，在负荷变化的情况下，自动依据下垂系数分担负荷的变化量，各个微电网源通过调整各自输出电压的频率和幅值，使微电网达到一个新的稳态工作点。

图3对等控制模型

与主从控制模式相比，对等控制中的的所有微电网电源都参与功率的输出与分配，易于实现微电网电源的即插即用，便于各种负荷的接入。此外，无论在并网运行模式还是在孤岛运行模式，微电网的下垂控制策略可以不加变化，可以实现系统运行模式的无缝切换。

综上所述，110kV节固智能变电站微电网的控制模型设计见图4。如图4节固智能变电站微电网控制模型，从3个层次实现对微电网的控制。第一层站控层，主要是配电网控制系统，可以监视与控制整个站内配电网，在孤立运行时可转入微电网后台控制，智能变电站站控层与微电网系统通用一套后台系统。第二层为微电网控制层，主要单元为独立的微电网后台控制与微电网下垂特性控制器，其中下垂特性控制器可以实现并网过程中电压频率波动的再平衡，一个控制器可以同时控制多组不同分布式电源，如图中400V交流微电网上的光伏发电、风机发电及220V直流电源；此外微电网控制器还可以调节配电网与微电网之间的变压器、逆变装置联系。第三层为微电网的就地控制，原理相同于智能变电站站内的自动投切设备，如图4可以对出口负荷、保护装置、电池组、直流稳压系统进行调整与控制。

图4110kV节固智能变电站微电网控制模型

结语

微电网的形成和发展标志着电力行业整体服务意识、能源利用意识、环境保护意识的提高和改变。集中管理控制微电网分布式电源，可以使整个电力系统的性能得到最大发挥，减少主干电网在峰荷时期所承受的紧张情况，起到“削峰填谷”的作用，把微电网纳入现有电力系统的负荷管理系统，可以为电力企业提供紧急功率支持等服务。

【参考文献】：

[1]黄秀琼，高文杰，井天军，等.基于下垂特性的微电网网协调控制策略研究[J].可再生能源，2012（011）：130-132.

[2]郜登科，姜建国，张宇华.使用电压-相角下垂控制的微电网网控制策略设计[J].电力系统自动化，2012，36（5）：665-667.

[3]张双乐，李鹏，陈超，等.智能电网中微电网控制中心的应用研究[J].陕西电力，2012，40（9）：116-118.

[4]孙云岭，黄伟，王冠男，等.微源并网逆变器下垂控制策略的改进研究[J].陕西电力，2013，41（1）：77-79.