智能微电网关键技术的研究

张冬卉

（铁法煤业（集团）有限责任公司，辽宁 铁岭 112700）

0 前言

现阶段基于社会生产力的不断提升，对能源供应的需求量也大幅增加。并且在现有能源结构中，煤炭仍是主要的燃料之一。因此煤炭开采活动越来越频繁，相关技术得到一定的发展。而从煤炭企业的角度出发，在从事生产活动时，其本身也需要大量的能源，用于支撑各项作业。根据我国当前生态文明建设以及绿色施工的要求，应当在矿区内注重对电能的清洁应用。近年来，多数煤炭企业纷纷利用分布式光伏发电系统进行供电，以减少对环境的污染，并提高安全性和可靠性。同时为保证其有效运行，则采用智能微电网技术，改善以往负荷增长的状况，在各种恶劣天气下仍能实现稳定、持续性供电，避免发生大面积停电事故。因此相关企业需要充分把握智能微电网的运行和控制等关键技术。

1 智能微电网技术概述

1.1 智能微电网的组成

微电网一般是由分布式电源、储能装置以及能源转换装置、监控以及保护等装置共同组成的小型配电系统。其应用目的是提高分布式电源的灵活性和高效性，解决传统大电力网存在的电源不稳、输电安全性低等问题。同时通过智能微电网的控制，可对整个电力网络进行集中控制，无须利用分布式的就地控制器，使用常规的量测装置通过快速通信通道与就地控制器进行联系，以此实现对分布式电源和负荷的暂态控制，集中开展能量管理，使系统稳定安全地运行。另外一方面，智能微电网实际上具有自我控制、保护和管理的系统功能，可通过自身控制管理保证功率平衡、优化系统的运行状态，进行故障检测并保护，最大限度地规避断电风险[1]。

1.2 智能微电网的研究动态

当前对智能微电网的研究越来越丰富，在世界范围内具有一定的突破性进展。例如在美国的研究过程中，其主要是针对其系统结构、运行方式、控制和保护性进行探究，通过建立“曼德瑞沃”微电网项目，建立相应的系统模型进行仿真分析。据此制定了微电网的管理条例，并深入探究孤岛运行模式，为我国的研究提供了良好的借鉴，有效改善用户侧供电的可靠性。再例如日本对微电网的研究，主要是结合新能源产业技术，进一步加大分布式发电和可再生能源的利用，采取集合控制和网络拓扑结构等方式，实现冷热电联产综合应用，为大规模建设独立可再生电源系统奠定了坚实的基础。我国通过借鉴这一研究成果，有利于为可再生能源接入大电网提供成功经验。另外欧盟对智能微电网的探索，则是以可接入性、灵活性和经济性为基本原则，以实现用户侧负荷管理为目标，开展光伏发电接入微电网的试验研究，为我国建立光伏发电矩阵模型以及蓄电池能源模型提供了良好的借鉴。综合国外发达国家的智能微电网的发展现状，发现我国目前与其仍存在较大的差距，为充分保证微电网的智能化应用，我国还须强化技术和策略研究。

2 智能微电网运行与控制关键技术

2.1 微电网主要运行方式

在实际运用智能微电网时，其一般包括2种运行模式，一种是与大电网进行并网连接运行，另一种则是与电网断开开展孤网运行。当前比较常见的运行方式，则是以并网为主，微电网可以与大电网进行能量交换，或者是将多余电能顺利反馈到大电网或由大电网，补充微电网的发电量等。而如果系统检测到主网出现运行故障，或电能质量不符合煤炭企业的用电需求时，即可将微电网与大电网断开，进而形成孤岛运行。通过该方式，由微电网中的分布式发电（DG）进行供电，可为企业提供持续性的、可靠的供电服务[2]。

并且在不同的运行方式下，微电网会呈现出不同的特性。例如在并网运行条件下，利用公共连接点保证微电网与大电网的连接，实现与外部电网进行功率交换。此时当微电网内部的分布式电源发电量较小时，则可从外部获取补充电能。而当分布式发电量超过负荷需求时，则会将多余电能反馈到大电网中。因此，对智能微电网的并网运行，应当综合考虑电力市场的规律，对分布式电源进行灵活控制，以此降低电能消耗成本。当采用孤网运行方式时，如果大电网出现故障或质量与标准不符，可实施计划外的孤网运行模式，由DG承担全部的微电网负荷，有助于保障供电安全和平稳。而微电网主动与外部大电网进行分离，其可实现计划内的孤网独立运行，具有良好的环保性和经济性。

2.2 微电源控制方法

在煤炭企业建设智能微电网时，需要针对并网和孤网2种运行方式，采取相对应的控制策略。而对微电源的控制，则是由发电装置类型所决定的。通常情况下，包括如下3种控制方法。

2.2.1 针对分布式电源运用恒定功率控制方法

利用PQ控制原理将分布式电源的有功功率和无功功率的输出值等同于参考功率，通过对频率下垂曲线的调整，可保证有功功率在参考值范围内。如图1所示，分布式电源出口电压为额定值，此时系统频率为50 Hz，电源处于B点运行。图中的Pref和Qref为电源输出的有功和无功功率。当频率增加到51Hz时，电压幅增大到额定值的1.1倍，且电源运行到A点，其输出的有功和无功功率未发生变化。当频率降低到50 Hz时，电源出口的电压幅值减小到额定值的1.0倍，并由B点运行到C点，其输出的有功和无功功率仍没有变化[3]。

图1 智能微电网的PQ控制原理

2.2.2 下垂控制方法

其首先是对有功电压和无功频率进行解耦，按照下垂特性曲线来合理调节系统的电压和频率。根据下垂控制的原理，可利用分布式电源无功功率输出和电压幅值开展控制操作，基于无通信控制将电压和频率与参考值的差值，作为下垂控制的输入，并按照不同电压等级下的线路电抗值特性，选择适当的下垂控制措施，在实际工作中可借助PI调节器对分布式电源的电压和频率等进行调控。

2.2.3 恒压恒频控制方法

针对孤网运行状态，为使系统具有良好的稳定性，应当尽可能保证微电网提供的电网和频率平稳。因此应当注重快速跟踪负荷发生的变化。主要控制方法是设定合理的电压和频率参考值，实时对输出的2项指标结果进行做差，在PI调节器的作用下可使电压与频率的稳定、可靠。

2.3 智能微电网系统的控制模式

按照智能微电网的典型运行方式，对整个系统的控制应当结合其结构和特点，采取适当的整体控制策略。主要包括以下几种模式。

2.3.1 主从控制模式

当智能微电网实行孤网运行方式时，对电源或储能装置应用恒压恒频控制方法，可向微电网中的其他电源提供相应的电压及频率参考值，主要适用于PQ控制模式。其中对恒压恒频控制的电源及储能装置，则可作为主控制器，其他为从控制器。通常是主控器决定各个从控制器的运行方式。按照主控制器的数量，又可分为单主从以及多主从等形式。如在煤炭企业中进行并网运行，则可采用PQ控制，对孤网运行状态主控制器采用恒压恒频控制，其他微电源则以PQ控制为主，确保在各种工作条件下保证系统的可靠运行。同时，由于系统电压及频率是由主控器进行控制，所以其单元应当保证具有一定的储备容量，保证微电源的可控输出。在此基础上，对孤网运行模式下，微电网的从控制单元，可使用PQ控制方法，并利用主控单元的DG调节负荷变化情况，确保功率输出在相应范围内具有可控性[4]。

2.3.2 对等控制模式

其是指将分布式电源设置为相等地位，具有即插即用的功能，无须对微电网中的电源设置进行改变，当插入任何一个分布式电源后，均可对能量平衡按照控制关系而实现自动调节，是一种本地控制方式。常用方法则是下垂控制，可按照以往发电机的功频特点，控制输出的端电压、无功功率等。例如电力系统的频率出现降低，发电机会自动增加有功功率输出，稳定系统运行状态。再例如发电机的端电压出现下降，发电机会自动增加无功功率。在微电网的孤网运行模式下，利用下垂控制可保证对电压、频率等进行调节。一旦微电网内部负荷发生变化，可根据分布式电源的下垂系数自动调整，促使负荷变化量得到有效分担，维系微电网始终处于稳态工作状况。

2.3.3 分层控制模式

对智能微电网系统应用进行分层控制，实质是在主从控制的基础上进行单列，将管理组织划分为不同的层级，通过服从整体目标开展相对独立的控制活动。在分层式，主要是根据电力系统内部的管理体制、组织、电网结构、电压等级等，对微电网的有功频率、无功电压以及线路等进行有效管控。而且在分层控制模式中，通常会设置有中央控制器，主要作用是向微电网中的电源或储能装置下达控制信号。在控制过程中，先由中心控制器对分布式电源的发电功率、负荷需求量等开展预测，并制定针对性的运行计划。通过采集带压、功率和电流等参数，进一步优化运行状态。例如控制分布式电源、储能装置和负荷装置的启停等，充分保证电压及频率的稳定性，发挥良好保护作用。

3 智能微电网系统构建

3.1 光伏发电系统建模

智能微电网系统的分布式电源，主要是采用光伏电池，其是利用光生伏特效应，将光能转化为可利用的电能，具有清洁、无污染的优势，是未来绿色能源发展的重要趋势。基于微电网的应用，可构建光伏发电系统模型，为微电网的运行控制提供良好基础。首先应当确定分布式光伏电池的等效电路，其如图2所示。

图2 智能微电网中光伏电池等效电路

其次要注重对光伏阵列的设置，现阶段所应用的光伏电池单个工作电压在0.45 V～0.5 V，工作电流范围在20mA～25mA。在实际使用时，光伏电池往往不能作为单独的电源，需要将其进行串联或并联后封装，形成电池组。标准条件下，1个组件中含有36～40个光伏电池，可产生约16V的电压。为充分满足用电需求，应当将多个组件再次进行串联和并联，形成阵列形态[5]。

3.2 蓄电池储能系统建模

储能装置是智能微电网系统中的重要组成部分，在利用分布式电源时，蓄电池储能是一种具有可控性的微电源形式。例如在孤网运行模式下，能够有效地支撑和调节系统内的电压和频率，在并网运行模式下，可实现功率输出。为保证智能微电网系统的平稳工作，须对蓄电池储能系统进行建模。首先认知到蓄电池的电化学性质，将氧化还原反应所释放的能源直接转化为电能，起到储存能量的作用。并且当内部能量消耗尽之后，可采用充电方式恢复，为外部用电设备提供输出电流。在建模时根据谢菲尔德模型进行适当改进，将可控电压源串联电阻作为重要组成部分，比较精确地表达蓄电池的化学特性。对蓄电池储能系统进行并网控制，最为有效的方法则是恒定功率控制方式，利用逆变器实现能源转换。在控制时先要测量蓄电池输出的有功功率及无功功率，再将有功和无功值输送到恒定功率控制模块中，进而产生用于电流内环的信号，基于逆变器输出与测量基准点同步进行控制。

4 智能微电网控制策略

4.1 采用逆变器控制方式

从整体角度出发，对煤炭企业智能微电网的控制策略，主要是通过逆变器而实现的。这是由于微电网中的分布式电源是以逆变器作为接口，形成分布式发电系统模块。主从控制策略，是利用功率控制和电压频率控制方法。其中相对分布式发电系统模块，可采用恒定功率控制，向系统中增加有功和无功功率即可，在应用较为广泛的光伏发电系统中，可以最大功率输出，提高能源利用效率，有助于提升煤炭企业的经济效益和社会效益。

4.2 采用电压频率控制方式

针对分布式光伏发电和蓄电池储能电池组网形式，可采用电压频率的控制策略，保证智能微电网系统的高效、稳定运行。例如综合考虑蓄电池储能的可控特性，应实施恒定功率输出或者恒压频率输出等，为系统工作提供合适的电压和频率。同时在孤网运行模式下，也能够保证在并离网转化时，对不同控制方法及策略的切换，灵活的适应各种系统运行控制需求。 例如当联网切换到孤网状态时，蓄电池的有功功率和无功功率会有所增加，通过主控制蓄电池对系统的功率进行有效补偿，则能够避免在孤岛断开后出现系统不平衡的现象，科学可靠地应用智能微电网。

5 结语

综上所述，在当前新时代下，电力系统的建设发展具有较大的进步。智能微电网作为新能源供电的主要系统模式，能够增强电网的安全可靠性。因此应当充分掌握智能微电网的关键技术，充分把控其运行模式和控制方法，并结合光伏发电以及蓄电池储能装置等建立模型，为微电网组合提供支持。在控制智能微电网时，相关工作人员可通过逆变器控制和电压频率调节2种方式，有效避免故障对微电网和主网产生不利影响，提升能源转化和供配电效率以及质量。