风光储微电网综合能源管控与电力通信网需求

秦靖尧 韩子媛 王子衡 牛群峰

1.中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司；2.河南工业大学电气工程学院

本文基于智能电力系统和电力物联网建设背景下，对风光储微电网综合能源管控系统与电力通信网需求开展研究探讨。首先介绍风光储微电网综合能源管控系统基本结构与物联网网络架构下通信网需求，重点分析了风光储微电网中交流、直流、交直混合微电网结构、功能、存在的控制问题与研究方向。

随着国家2020年提出的碳达峰和碳中和目标，太阳能、风能、地热能等可再生能源由于不排放污染物并直接用于生产生活，其开发利用日益受到国家重视，对电力行业提出了新的任务和挑战。构建以清洁能源为主、多能互补的智能电力系统及运行可靠、接入灵活的新型电力系统网络，实现发输变配用新型电力系统综合管控，可有效支撑新能源、微电网的大比例接入，保障电力系统高效稳定运行，提高电网的智能化水平和智慧运维[1]。

1 风光储微电网综合能源管控系统

1.1 综合能源管控系统结构

由分布式新能源(Distributed Energy Resources， DER)、储能系统（Energy Storage System，ESS）、负荷与电力电子变换器构成微电网系统[2]，风光储微电网综合能源管控系统总体架构如图1所示。

图1 微电网综合能源管控系统架构图Fig.1 Architecture diagram of microgrid integrated energy management and control system

综合能源管控系统包含新能源发电、通信网、负荷和储能等各个环节，新型电力系统中，风能、太阳能为代表的分布式新能源大规模并入电网，多能互补，双向互动。各类能源监控终端设备安装在新能源现场，负责数据采集、控制等功能。本地终端设备之间采用无线通信方式(LoRa、ZigBee、NB-IoT等)增强新能源通信网对本地设备的通信覆盖，通过4G/5G、电力专网等有线/无线远程通信网与综合能源监控平台通信，综合能源监控平台实现源网荷储数据全面感知、融合分析和微网智能协同管控等功能。

1.2 通信网需求

新型电力系统分布式的新能源数量众多、区域分散、大规模接入电网的特点对现有的电力通信网提出新的需求，新能源高效并网消纳、海量数据采集与分析、接入网业务承载、源网荷储协同调度等，都对电力通信网带宽、时延和安全性提出了更高的要求。传统的光纤、电力线载波等通信方式在这些新需求下难以高效智能化支撑。基于软件定义的高度灵活、智能协作的云、管、边、端四层物联网网络架构与5G无线通信将成为替代现有通信网的新选择。5G海量接入、超高带宽、超低时延的通信特性及具有边缘计算的电力切片技术，为多类型业务提供专用网络通道、边缘云计算、端对端服务和业务需求保障。

2 风光储微电网

2.1 交流微电网

由于交流微电网能够利用现有电网标准且交流微电网理论发展较为成熟，交流微电网成为当前风光发电微电网的主要存在形式，微网通过逆变器同步幅频特征后接入大电网，目前常用于住宅与商业用电，其系统结构图如图2所示。从图2中可以看出，交流微电网系统由风光发电系统、储能系统与负荷三部分组成，经过逆变器同步幅频特征后通过并网点实现微网系统与大电网连接。光伏发电包含光伏电池组、实现最大功率点追踪MPPT的变换器以及逆变器，风力发电包含风机与变压器；储能系统通常包含多个储能单元和实现储能装置自适应充放电控制的电路；负荷主要为常规电负载及电热负载。

图2 交流微电网结构图Fig.2 AC microgrid structure diagram

交流微电网实际运行中存在着母线电压调节复杂，无功功率难以适配、电压频率功角波动等问题，易导致弃光弃风现象的发生，目前交流微电网重点集中在交流微电网经济化调度运行即系统满足功率供需平衡使发电成本最小化、高质量电压/频率控制及谐波控制、微电网协调控制即协调各分布式电源所承担负荷比例及系统功率合理分配、交流微电网内部保护及并网保护等方面研究[3-13]。

2.2 直流微电网

与交流微电网相比，采用直流母线作为微电网母线能够实现在系统运行高效的同时简化系统控制，省去多个变流器，无需考虑交流微电网中频率、相位、无功潮流、谐波等问题，需要DC/AC逆变器实现与大电网的连接，系统成本和功率损耗大幅减少，进一步降低碳排放[14，15]。其次，对直流微电网控制仅考虑母线电压，通过电流来实现潮流控制，更易于实现各子系统的协调控制。

直流微电网结构如图3所示，从图3中可以看出，光伏发电通过DC/DC变换器连接至微网直流母线，风力发电经变压器及电力电子变换器连接直流母线，储能系统通过双向DC/DC变换器接入微网直流母线以维持母线电压稳定、平衡微电网的功率波动，负荷通过逆变器接入直流母线。

图3 直流微电网结构图Fig.3 DC microgrid structure diagram

直流微电网实际运行中存在着直流母线电压跌落、功率输出不均等问题。直流微电网研究[16-20]主要集中在直流微电网配置优化、经济运行，母线电压稳定控制，系统内功率平衡与协调控制。

2.3 交直流混合微电网

交直流混合微电网同时含有交流微电网和直流微电网，可以直接向交流负荷和直流负荷供电[21]。交直流混合微电网集直流微电网及交流微电网优点于一身，大量减少了电力电子变换器的使用数量，减少微网系统的功率损耗，显著降低了微电网系统的投资成本。交直流混合微电网一般分为两种，系统架构分别如图4、图5所示，图4中的交直流混合微电网由微网交流母线侧经电力电子设备连接至大电网，图5中的交直流混合微电网由微网直流母线侧经电力电子设备连接至大电网，前者适用于交流型电源和负荷所占比重较大的区域，具备良好的电气隔离特性，但存在功率流动不可控的缺点，后者适用于直流型电源及负荷占比较大的区域，具有微电网与大电网间功率流动可控的优点[22]。

图4 混合微电网-交流母线连接大电网Fig.4 Hybrid microgrid - AC bus connecting the large grid

图5 混合微电网-直流母线连接大电网Fig.5 Hybrid microgrid - DC bus connecting the large grid

交直流混合微电网系统结构较复杂，交直流母线之间的功率协调、电能质量、系统的经济性、通讯、保护装置等方面存在诸多问题，技术尚不成熟[23]。目前对交直流混合微电网的研究[24-29]主要集中在交直流母线功率分配、电能质量及稳定性提升、交直流混合微电网配置优化等方面。

2.4 储能系统与控制策略

储能装置是微电网不可或缺的组成部分，能够提高电网运行的稳定性与安全性，同时克服传统电能即发即用局限，解决电网侧削峰填谷、调节电网有功功率及无功功率。目前蓄电池、锂电池和超级电容储能方式在微电网储能系统中应用较为广泛。新能源发电自身间歇性、波动性和随机性特点导致微网系统产生脉冲功率，加入储能系统平衡电网中的功率波动，常采用蓄电池平衡微电网中的低频波动，通过超级电容平衡微电网中的高频波动[30]，通过神经网络、智能控制、深度学习等算法实现高低频功率平衡。

微网储能系统经由综合管控系统控制充放电调节微电网的功率平衡、稳定微电网母线电压，在处于并网状态时参与一次调频，减缓大电网侧的一次调频压力，维持电网母线电压及频率稳定，提升整个电力系统的稳定性与安全性，降低电网解列风险。

风光发电部分输出功率大于负载功率时，对负载供电的同时根据发电余量及储能系统荷电状态对储能系统进行充电或将多余电能并网；风光发电功率不足时，优先使用储能系统平衡负载功率，后采用并网供电方式。

2.5 SOC电池的荷电状态估计方法

为使电池具备良好性能、延长电池使用寿命，需要对电池进行准确SOC估计[31]。然而，储能系统含有大量电池单体，每个单体的非线性并不相同，最终电池组表现出高度非线性趋势，难以实现准确的SOC估计，这个问题的存在对传统的阻安法、安时法提出了考验，近年来卡尔曼滤波、神经网络也参与到SOC估计中来，但是这些新型方法还停留在小容量电池阶段，因此有关SOC准确估计算法仍有待进一步研究。

3 结语

新能源微电网是智能电网建设的重要组成部分，是实现碳达峰和碳中和的有效途径。本文介绍了风光储微电网综合能源管控系统基本结构，探究物联网网络架构下5G、物联网在微电网上的应用，同时对交流、直流、交直混合微电网进行对比分析，给出系统结构、功能、存在的问题及目前的研究方向。

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