高速公路微电网研究

王希平杨建杜金彪

文章编号：1000033X（2016）12012805

收稿日期：20160522

基金项目：河南省交通厅重点项目（220024140173）

摘要：针对高速公路供电呈带状、供电距离长、负载耗电量小、地理位置分散等造成的供电难且费用大的问题，介绍了微电网的概念及其特点，并对现有微电网的优势进行了分析；结合高速公路现状给出了高速公路微电网管理系统结构模型，对风电互补设备、储电设备、负载进行系统论述；研究高速公路微电网在孤岛和并网两种运行模式下电源、负载、储电池的运行状态，给出相应的运行策略。分析表明，高速公路微电网可实现。

关键词：高速公路；微电网；可再生能源；风电互补设备

中图分类号：U415.54文献标志码：B

Research on Microgrid of Expressway

WANG Xiping1， YANG Jian2， DU Jinbiao2

（1. Henan Provincial Management Center for Expressway Toll Collection and Loan Repayment，

Zhengzhou 450016， Henan， China； 2. School of Information Engineering，

Changan University， Xian 710064，Shaanxi，China）

Abstract： In order to solve the problems of difficulty in power supply and high cost because of the long distance， low power consumption by the load and the sprawling of expressways， microgrid and its characteristics were introduced， and the advantages of current microgrid were analyzed. Structural model for the management system of microgrid was proposed for expressway. Wind power complementary equipment， power storage equipment and the load were related. The status of power， load and the battery of microgrid in island mode or connected to the grid was studied， and corresponding operation strategies were put forward. The analysis shows that the idea of microgrid for expressway is feasible.

Key words： expressway； microgrid； recyclable energy； wind power complementary equipment

0引言

随着社会经济的不断发展，传统化石能源储存量急速减少，能源问题愈来愈严峻；加之电力系统老化、环境污染加剧、能源利用率低及用户要求的逐渐提高，实现可再生能源开发逐渐成为现代社会的普遍共识[12]。高速公路上常规的可再生能源主要包括太阳能、风能、生物质能；而高速公路周边的常规可再生能源所含种类相对复杂，不仅有分布广泛的太阳能、风能和生物质能，还有水能、地热能。受目前可再生能源利用技术以及高速公路现状的限制，高速公路及周边可再生能源利用率相对较高的为风能和太阳能[34]，采用风光互补的形式是高速公路供电的理想选择。

高速公路负载具有距离长、区域跨度大、设备多、分布呈带状的特点，若采用传统的集中式供电，势必会导致能源浪费和经济成本增加，而且还会造成一定的环境污染。近年来，以风电、光电为代表的分布式发电技术得到了迅速发展，成为目前发电领域的重要组成部分[56]。同时，传统电网与分布式发电的矛盾也逐渐显现，分布式供电源可控性差，波动明显，降低了电力系统的安全性和稳定性[79]。《分布式资源与电力系统的互联标准》（IEEEP1547）规定，当电力系统发生故障时，分布式电源需立即停止运行，这降低了分布式供电系统的效益。微电网（Microgrid，MG）作为一种新的电网拓扑，克服了分布式供电系统的缺陷，在分布式发电接入容量和系统可靠性等方面均有独到优势[10]，得到了广泛的关注。

1微电网

1.1微电网的概念

欧洲将微电网（Microgrid，MG）定义为各种分布式发电设备、储能设备、负载设备以及监控和保护设备组成的集合。中国对微电网的定义为：以分布式发电技术和储能技术为基础，集中整合小型分布式发电设备提供的电能，通过节点与电网连接，具有独立的自主调节、调度、管理和保护功能的小型发电、配电网络，可独立自治运行（孤岛运行），也能与外网连接进行取电和输电（并网运行）。

1.2MG的特点

MG代表了一种将分布式能源（DER）整合到公用网络的新方法。一个MG由一个或多个分布式能源、负载、储能设备组成，是一种范围相对较小的低电压的电力系统，可以在孤岛与并网2种模式下实现正常运作。它具有以下几方面的优势。

（1）有效地实现了传统发电机与可再生资源的集成。

（2）通过对多个分布式能源与传统发电机（主系统）的优化调度降低运营成本。

（3）通过减少人工操作降低其复杂性并降低运营成本。

（4）在边远地区，降低负载供应时的传输和分配成本。

（5）在工业和商业领域，提高能源质量和可靠性。

（6）作为一个单一、可控的系统实现操作，如负载调度可以减少输电阻塞和抵消新的发电能力的需求。

2高速公路微电网系统

2.1高速公路微电网基本结构模型

高速公路微电网系统由风电设备、光电设备、蓄能设备、外电网作为供电电源，高速公路交通数据采集设备、可变信息板、收费站用电设施、服务区照明设施等用电设备作为负载，通过电网连接构成。其结构如图1所示。

图1中T1～T4为变压器，DC/AC模块可将直流电转换为交流电，由于风电设备输出交流电的频率具有随机性，需先将其转换为直流电，再转换为工频直流电。支路1 为与外网相连接的公共连接（Point of Common Coupling，PCC）；各支路分别装有智能开关，能够有效切断负载电流。除此之外，根据微电网实际情况需配备相应的监控及保护设施。

3微电网系统研究

3.1孤岛微电网

3.1.1孤岛全时序状态模拟及可靠性分析

当处于微电网孤岛时，外电网脱离微电网系统，网内负载的工作状态将直接对孤岛系统的可靠性产生影响。本文采用全时序模拟分析孤岛微电网运行状态及负载的供电可靠性，图3所示是在孤岛模式下，微电网元件每一时段内的运行状态及负载的可靠性。横坐标代表孤岛运行时间，纵坐标为负载运行状态；风电设备和光电设备中的“0”、“1”分别代表不发电、正常发电；储能设备中“1”、“-1”、“0”分别代表储能设备充电、放电及不工作。Psum、PL、Pbat分别为该时段的输出总功率、负载需求及储能输出。微电网全时序状态模拟主要分为如下4种情况。

图3微电网孤岛全时序状态模拟

（1）风电设备、光电设备、储能设备均正常运行。此时微电网内部所有电源及储能都正常工作，储能设备根据输出功率与负载需求的比较进行充放电，以保持功率供需平衡；若储能放电仍不能满足负载，即需进行负载削减。如图3时段1、2 所示。

（2）风电设备不运行，光电设备和储能设备正常运行。此时微电网主要由光电设备对负载供电。储能设备根据输出功率与负载需求的比较进行充放电，以保持功率供需平衡；若储能放电不能满足负载需求，需要进行负载消减，如图3时段3、4 所示。

（3）光电设备不运行，风电设备和储能设备正常运行。此时储能设备平衡风电设备的随机性出力，共同对微电网内部负载供电，当储能设备无法满足负载需求时则需要负载消减。如图3时段5、6 所示。

（4）风电设备、光电设备不运行。此时主要依靠储能设备放电，当储能设备无法满足负载需求时则需要负载消减。如图3时段7、8所示。

3.1.2负载消减策略

在孤岛模式下，微电网元件出力不足或者出现故障时，为确保剩余负载可以正常供电，通常采用负载削减的方法。本文采用的削减原则是基于负载分块的思想，需考虑计及负载位置及重要程度，分析其与孤岛可靠性之间的关系。因为并非所有负载都安装着能够随时切断负载电流的智能开关。所以，当需要切断负载时，以开关为边界对负载分块削减，具体削减策略分析如下。

（1）将智能开关作为边界，对孤岛内部负载进行分块。

（2）根据负载位置及重要程度来定义负载削减系数。

αi=maxLCn，n∈i

βi=1mindn，n∈i

ILi=αi+βi（7）

式中：αi为第i块负载的重要程度系数；LCn为第n个负载点的重要程度因子；βi为第i块负载的位置削减系数；dn为第n个负载点与孤岛电源的电气距离，它与微电网结构有关，与支路长度无关，相邻两负载点电气距离为1。ILi为考虑负载位置与重要程度因素后，第i块负载的削减系数，其值越小，表示越优先削减该负载块。

3.1.3强制放电策略

在孤岛模式下，当输出功率大于负载需求时，储能设备充电。当储能装置已达到饱和状态，需要对其进行强制放电策略，以保证设备的正常运行及资源的合理利用。

近年来，国内新能源汽车发展迅速，被称之为“快充”的直流充电桩已经被运用在国内城市道路交通中。充电桩一般提供常规充电和快速充电2种设施，通过人机交换界面刷卡进行充电。充电桩配电设施用电要求为：输入电压220 V；输出功率5 kW；频率为50 Hz；插头与插座正确连接后，带负载分合方可闭合，实现对插座供电；漏电保护装置应该安装在供电电缆进侧，当IT系统配电线路接地线时，绝缘监测装置发出音响或者灯光信号。

3.2并网微电网

3.2.1并网全时序状态模拟及可靠性分析

微电网并网时，与外电网实现连接，微电网通过与外电网的功率交换实现微电网功率的平衡。本节通过全时序模拟分析并网运行状态，假设内部负载都处于正常运行状态，负载功率PL为一恒值。图4为在孤岛模式下微电网元件每一时段内的运行状态及负载的可靠性。横坐标代表并网运行时间，纵坐标为元件状态：风光设备中的“0”、“1”分别代表不发电、正常发电；储能设备中“1”、“-1”、“0”分别代表储能设备充电、放电及不工作状态；外网中“1”、“-1”、“0”分别代表微电网向外电网供电、外电网向微电网供电及不工作。微电网全时序状态模拟主要分为如下3种情况。

图4微电网并网全时序状态模拟

（1）风光设备正常运行，输出功率无法满足负载要求时，外电网供电，储电设备根据外电网输出功率的大小进行充放电操作，使外电网的输出维持在一定范围内。如图4时段1、2所示。

（2）风光设备正常运行，输出功率满足负载要求，并向外电网输出功率，储电池根据风电设备向外电网输出功率的大小进行充放电操作，使外电网的输出维持在一定范围内。如图4时段3、4所示。

（3）风光设备不运行，微电网主要由外网对负载进行供电，储电设备根据外网输出功率大小进行充放电，使外网输出功率平衡。如图4时段5、6所示。

3.2.2储电设备平衡策略

储电设备对于微电网系统意义重大，不仅需要平衡外电网输出，保证外网安全，而且在外电网突然断开时，有能力补充突发的能量缺额，处理过多功率不平衡的情况，因此蓄电池不宜处于充满或无储电状态。根据高速公路路段实际情况确定蓄电池的充放电标准，当SOC（State of Charge，荷电状态）大于80%时，对蓄电池进行强制放电；当SOC小于80%时，通过外网对蓄电池进行充电操作；当SOC等于80%时，停止充放电操作。

4结语

高速公路微电网运行方式灵活，可根据当地情况进行规划，可构建复合微电网系统，根据供电情况转换供电模式，提高系统运行的可靠性和运行的经济性。在完全无电路段或电网接入不便的地区，可以构建孤岛结构，为高速公路负载进行供电。微电网在环保性、经济性、可靠性方面都有其优势。根据高速公路自身的特点，微电网供电必将成为未来高速公路供电的一大组成部分，在社会经济、环境保护等方面带来巨大的效益。

参考文献：

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[责任编辑：王玉玲]

（第33卷卷终）