风电、光伏及储能微网控制策略研究

中国交通建设集团海外工程分公司 邱 琰

在电力系统中，对可再生能源利用较多的风电、光伏电力系统，可以大大缓解某些地区的电力短缺问题，但是利用这些能源存在不稳定的问题，其能源供应受到环境因素的影响，因此对于此类问题，一般会增加储能系统和自动控制系统以保证其电力微网系统的稳定运行，保证其输出电能稳定。

1 风电、光伏及储能微网系统运行说明

微网的主要构成是发电单元、负荷、储能装置、功率变换器，以及控制保护装置，是一种高效的输配电系统。风电发电技术不仅具备了更大的风机发电容量、更好的变速恒频控制机制，还具备了更环保、更有效的发电机组，在风力发电技术的发展中起到促进作用。光伏发电技术近几十年来也在高速发展，光伏发电顾名思义是将太阳能用光伏电池板进行转化，成为可以直接使用的电能。光伏发电技术在运用过程中不断革新，国际国内一直有许多专家对其进行改进，以获得稳定的最大功率的光伏发电技术。例如通过改进算法或者加以智能系统的控制。储能技术是电网运行过程中必不可少的一部分，通过储能技术来对电力进行储存，在电网产生波动时或者电力短缺时进行辅助供电，以确保电网平稳运行。风电、光伏及储能微网系统是目前较为热门的一种微网系统，其不仅具备了可再生发电技术的优点，还结合了储能系统的优点，使这种微网系统具备了较好的循环性能与较高质量的发电性能。此系统主要是由储能系统在间歇性可再生能源发电过程中进行电力储能，通过超级电容器的特性，保证在可再生能源间歇性发电过程中电力供应的稳定性。储能系统具有高速的功率调节能力，其可以智能化地跟踪电力波动程度，可以对风电及光伏发电系统进行检测，并在发生波动时及时通过功率释放及电力供给保证微网系统的稳定性，有效减少风电及光伏发电系统的输出波动对微网的影响。

2 风电、光伏及储能微网控制策略

2.1 电池组管理

风电、光伏及储能微网电力系统中的电池组主要由蓄电池－超级电容器混合电池组构成。蓄电池的能量储存量大，但是蓄电池的电池功率较低，寿命较短，并且其充电过程及放电过程速度过慢，对于需要频繁充电放电的微网系统适应性差。而超级电容器则恰恰相反，超级电容器虽然在同体积下能量储存量小于蓄电池，但是超级电容器电池功率高、寿命长，最重要的是超级电容器的充电及放电速度快，适合微网这样需要频繁充电放电的电力系统，因此将超级电容器与蓄电池结合起来形成混合电池组，对于微网系统来说，不仅有了足够大的电力容量，还可以增加其功率，延长其使用寿命，提高其充电放电速度，提高由混合电池组构成的风电、光伏及储能微网电力系统的运行效率，为电力系统的运转提高经济效益与可靠性[1]。

2.2 微网电能质量分析

在风电、光伏及储能微网电力系统的运行过程中，基于其电池组的混合特点，导致其输出功率中波动较大频率较高的部分由超级电容器承担，其中输出功率中波动较小频率较平缓的部分由蓄电池构成。在风力发电技术中，一般建立的风力发电机组发电功率从600kW 到5MW 不等，目前采用的风力发电机已从恒速恒频发展为变速恒频，其电能质量有所突破。在光伏发电技术中，一般的地面集中式光伏电站发电功率都大于风力发电技术，光伏发电具有间歇性的特点，会影响电网的电能质量。风电、光伏及储能构建的微电网系统，其主要储能部位由超级电容器及蓄电池构成，其运行时电容量为0.5～1000F，工作电压为12～400V，最大放电电流为400～2000A，最大储能量30MJ，其系统对于电网中短时大功率输出有极大帮助，电池组的配合利用极大地提高了能量密度和能量质量。

2.3 控制系统管理

风电、光伏及储能微网电力系统运行时，微网系统的AC/DC 变换器控制始终处于对电池组及电流运行状况的跟踪控制，保证其系统始终以高效率运转。风电系统及光伏发电系统在运转过程中会出现波动，并会随着时间和季节变动，这一点会导致微电网系统运行时电能输出不稳，会导致微电网系统与配电网之间的系统功率波动，造成经济损失。为避免由可再生资源间歇性导致的功率波动问题，微网管理控制系统一般采用带储能的有功和无功功率控制策略保证其功率稳定，从而保证其系统运行正常。储能有功控制策略是通过微网的AC/DC 变换器对网内电池组及发电系统实施监测，保持网内的功率平衡，当储能系统运行能力过低时，其控制管理器通过改变网间交换功率有功参考值，避免储能系统过度充放电。储能无功控制策略则是当配电网系统需要微网系统提供无功时，微源可以发出无功，当微源输出值最大无功功率，对无功负荷的需求仍不能满足时，配电网可以提供无功补偿，保证风电、光伏及储能微网电力系统的运行稳定性。

2.4 微网控制系统稳定性分析

对于并联系统的风电、光伏及储能微网电力系统稳定性控制，需要采用静止无功补偿器对无功功率进行及时的补充，维持风电、光伏发电系统的电压稳定性，同时配合蓄电池及超级电容器的混合电池组进行风电、光伏系统的有功功率调节。同时利用储能系统的优势，对风电、光伏发电系统运行过程中产生的一些不可调度的电力单元进行调控，使其成为可调度的电力单元，进而对电力系统的频率进行控制，提高电能质量，提高风电、光伏及储能微网电力系统稳定运行。

对于串联系统的风电、光伏及储能微网电力系统稳定性控制，当风电、光伏及储能微网电力系统发生电力运行不平稳时，由于系统具有由蓄电池及超级电容器构成的储能系统，其储能系统可以将串联补偿后的负荷电压快速恢复到正常数值，让发电系统的电磁转矩和机械转矩重新构成平衡状态，使负荷电压稳定在一定数值内。串联补偿方式对于电压调节有着特有的良好调节能力。

将串并联系统集合起来，通过对风电、光伏及储能微网电力系统的协调调控，不仅可以在风电、光伏发电系统运转过程中提供稳定性的支持，还可以在发生电力运行不稳定时，及时进行补偿调整，以保证电力系统整体的稳定性。

2.5 安全管理

风电、光伏及储能微网电力系统具有特殊性。风力发电系统由于环境和季节因素，容易发生间歇性断供问题，并且在不同时期其发电功率会产生较大的差异，其发电稳定性较差；而光伏发电系统则是与风力发电系统有着同样的问题，其发电过程也受到环境和季节因素的影响，存在稳定性差的问题。这两个不稳定性发电系统的构成，导致了微网电力系统控制困难，为了保证其安全管理，通过储能系统的蓄电池-超级电容器的特殊性，对电力系统内部发电量与供电量实施追踪，对输出波动时进行合适的调控，保证微电网内系统运行稳定性，从而保证风电、光伏及储能微网电力系统的安全管理。

3 微网系统运维管理重难点

3.1 优化程序及标准化运作

为了保证风电、光伏及储能微网电力系统的正常运行，需要做好对系统程序的优化工作并且做到系统运作标准化、专业化。对此，可以利用互联网技术，对系统程序进行智能化，将微网系统中的电力数据等实时传输进入云端，并通过云端远程监控确保系统正常运转，并在系统数据出现异常时，能够及时通过互联网系统进行远程调控，使其问题发生率大大降低。对于电网系统中的工作人员，除了需要定期进行技能培训外，还需不断进行安全教育和安全考试，通过此方式不断强化工作人员的技术水准与安全意识，保证其在电力系统运行过程中的运作方式符合标准规范，避免因操作失误造成的电网问题。对于长期运转的电站设备，需要由专业人员对其运转状况进行定期检查，对其设备维护与保养也需要做到定期定时，将设备的维护管理过程规范化、标准化，使电站设备使用寿命延长[2]。

3.2 提高电站运行期间调度水平

对于电站运行期间的调度水平问题，则需要通过完善值班制度、完善巡查机制、提高信息交流效率等方式进行提高。首先是对电站值班制度的完善，在电站，尤其是中国这样人口密度大的国家，其电站密度也是较大的，因此对于电站的人员调度问题需要科学规范，对电站的值班人员和值班时间通过科学规范的分配保证其人员时间达到平均，使电站运行过程中时刻都有专业人员对其进行监督和调控。而电站的巡查机制，首先需要对巡查人员进行系统的专业知识培训，使其对电站内的配套设施和电力监控系统足够熟悉，并提升其对突发事件的应对能力和处理能力，其次需对巡查人员进行人数和地区上的分配，保证每一个电力系统的运转区域都能受到专业人员的监管。最后则是提高电站的信息交流效率，这一点可以配合上述提出的智能化系统进行配套管理，通过网络云端，将上级电站的意见和命令快速传递至下级电站的每个人员手机中，使其信息传递效率大大提高，并且在电站运行期间，其监管人员可以配合智能化系统及时探查电力异常部位，将潜在的危险及时解决，以保证人民的人身安全和财产安全[3]。

3.3 增强对电站事故的预防与诊断

工作人员配合智能化管理系统，对电站运转范围内的电力系统实时监管，并对出现电力异常的部位及时检查和调节，将可能发生的安全事故扼杀在摇篮。对此，需要做到工作人员具有较高的专业水准和较强的问题处理能力，这一点需要电站管理人员对工作人员的筛选做到从严从优，对于筛选合格的人员需要定期进行培训和考试，以确保其专业水平的稳定，并对其进行专业的安全事故应对方法培养，提高其事故处理能力和防范能力，从而增强对电站事故的预防和处理能力。

3.4 增强对电力设备管理的力度

第一，对于电力设备的管理：一是要检查变压器，看其是否保持着正常运行状态，如果有受潮、颜色变化情况，需要进行接点检查；二是要定期开展红外测温工作，如果发现设备运行负荷较大，需要根据实际情况增加相应的检测次数，按照接点的情况，合理调整相应的检测周期，并加以细致记录；三是需要全方位维护断路器，按照设备的运行状态，开展细致清理工作，确保电力设备没有锈蚀问题。第二，对于电力系统变电运行设备的管理与维护，主要由以下方面组成：一是要开展传动试验工作，重点检测机电装置的运行情况，及时开展相应的停电检查作业；二是要观测电力系统中央信号系统的运行情况，做好二次回路的检查工作。第三，对于交流电与直流电系统的维护工作：一是要遵循各项管理制度和行为标准，针对蓄电池的温度和电压进行细致测量，并且定期开展电池外壳的清理工作，减少其中的锈蚀问题；二是要开展交流系统和直流系统接点的检测工作，加强重点维护工作，及时发现其中的不足之处，并加以适当处理。

4 结语

风电、光伏及储能微网电力系统是一种经济效益极高的电力微网系统，其具备的能源可持续性及稳定性是值得国家与企业大力关注的。对于发展迅速、能源需求量极大的当今中国来说，努力发展此类高效可持续的能源电力网络是缓解国内化石能源短缺的一大重要手段，是有助于中国摆脱西方国家对其能源掣肘的一个潜在方案，此电力微网系统，不仅可以造福国家社会，更可以对人们的生活作业有很高的积极作用，对于维持国内生态环境也有着积极作用。