曹鹏 徐俊山 马廷 王永军
榆林协合生态新能源有限公司 陕西榆林 719200
摘要：为了减小分布式发电并网给电网带来的负面影响，同时又能发挥其固有优势，一个有效可行的解决方案是采用系统方法，将发电装置与其邻近负荷当成一个子系统，即微电网。对于微电网的概念及结构，各国及各研究机构均有各自的观点，国际上尚未形成共识。当前，微电网的研究与发展尚未成熟，在技术和政策领域均有众多问题需要解决。在技术领域的问题有：1)电能质量问题，包括：电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变等；2）运行控制策略；3）能源利用效率的最大化；4）对主网保护的影响；5）对配电网网损、短路容量的影响。本文将以陕西榆林协合生态新能源有限公司承建的基于商业化运行的风光储智能微电网项目为研究课题，利用分布式光伏、大功率风机及站用电负荷为试验平台，通过采集各项数据，分析光储、风光储、单储、离网时间、合理的能源配比等主要技术和经济指标，把可再生能源发电，储能，智能输配电，能源管理结合在一起。实现了风-储-荷、光-储-荷、风-光-储-荷、储-荷等各种工况下的并网转离网、离网转并网的无缝、平滑、毫秒级的切换，并通过具体实例，进行了实证分析，论证了本文研究方法的正确性。
关键词：微网，储能，并离网运行，黑启动，经济运行
1绪论
1.1 项目的背景及意义
近年来，随着风电、光伏等可再生能源发电技术的不断成熟，大电网与分布式发电系统相结合的发展模式越来越受到重视。这种模式能够延缓或避免更新输配电设施的投资，并可以为用户提供紧急或后备电源，从而可以在一定程度上提高整个系统的供电可靠性和稳定性。随着我国电力体制改革的深入推进，结合地区风光电站弃风弃光限电严重等问题，在可再生能源尤其是分布式能源蓬勃发展的背景下，发展智能微电网能够有效克服大电网的诸多缺陷，提升可再生能源的高效利用，具有良好的经济和社会效益。
1.2 项目概述
本风光储智能微电网项目为国内首个商业化兆瓦级风光储互补型智能微电网项目，项目由一台GW121/2000型直驱式风力发电机组、150kWp分布式屋顶光伏、1MW/0.5MWh储能系统、微电网控制系统和能量管理系统等硬软件设施组成，实现源网荷储的高效、稳定、经济运行。
项目以生产现场厂用负荷为试验平台，通过采集各项数据，分析光储、风光储、单储、离网时间、投资回报率等主要技术和经济指标，把可再生能源发电，储能，智能输配电，能源管理结合在一起。实现了风-储-荷、光-储-荷、风-光-储-荷、储-荷等各种工况下的并网转离网、离网转并网的无缝、平滑、毫秒级的切换，且电能质量优于国标。
本论文主要分析微电网系统在并网及离网模式下的安全、经济、稳定运行，实现绿色能源的高渗透比运行；研究微电网中分布式电源、储能系统的配置优化，并离网运行模式无缝切换，黑启动控制策略以及微电网的市场化交易模式、管理方式、应用场景分析以及市场化推广策略。
2微电网多电源协调控制策略
2.1 微电网协调控制概述
根据现有的研究，目前主要有三种微电网协调控制思想：基于分层控制模式的协调控制，基于能量管理系统的协调控制，基于多代理系统的协调控制。现有的微电网协调控制策略中，往往将分层控制模式和能量管理系统相结合，即为基于分层控制与能量管理的协调控制。
2.2 协调控制策略的架构
本项目微电网选择了基于分层控制与能量管理的协调控制，该控制策略采用两层控制架构：上层的微电网集中控制层，下层的微电源/储能/负荷就地控制层，其控制架构见图2.1所示。
图2-1 微电网多电源协调控制架构图
2.2.1 微电网集中控制层
微电网集中控制层又分为上层的微电网能量管理主站和下层的微电网中央控制器两部分。
能量管理主站是微电网的大脑，也是微电网优化管理、提高能源利用效率的基础。它由两大功能模块组成：微电网运行监控子系统与微电网能量管理子系统。
微电网中央控制器的作用分为五个方面：一是采集微电网运行过程中的各种工况数据，包括各种遥测量、遥信量、继电保护信息和时间信息等；二是根据采集的运行工况数据以及来自能量管理主站的指令，按照微电源与储能的实时调度策略，向各种微电源/储能/负荷的就地控制器发送调度与投切指令，合理调配微电网内各种电源的输出功率，保持微电网内的实时功率平衡及联络线功率控制等目标，保证系统的稳定高效运行；三是利用Web Service通过工控机实现系统的就地监控：四是通过嵌入其中的协议转换程序实现上下层不同通信协议之间的转换；五是将微电网能量管理主站下发的测控保护参数修改指令下发至下层的测控保护装置。
2.2.2 微电源/储能/负荷就地控制层
微电源/储能/负荷就地控制层由各种微电源控制器、储能控制器、负荷控制器、并网点测控保护、线路测控保护、断路器、电能质量分析仪，计量表计等组成，其一方面将微电源、储能，负荷以及各种控制、保护、检测和计量设备的运行工况数据上传至微电网中央控制器，另一方面根据微电网中央控制器下发的实时调度指令以及参数修改指令，实现对各种底层设备的控制。
2.2.3 微电源与储能的实时调度
微电网运行过程中，微电网中央控制器根据采集的实时工况数据和微电网能量管理主站的计划指令执行微电源与储能的实时调度策略，并根据执行结果向微电源/储能/负荷就地控制层发送实时调度指令，同时将采集的系统运行工况数据和其向就地控制层下发的调度指令信息一并上送至微电网能量管理主站。
2.3 微电网中央控制器的控制模式
2.3.1 并网运行
并网运行时，微电网中央控制器执行并网运行时微电源与储能的实时调度策略。为最大化利用可再生能源，存在间歇性和不稳定性的微电源以最大输出功率运行。储能系统起到平抑微电源出力波动、削峰填谷、提高可再生能源利用效率等作用，储能控制器按照微电网中央控制器下发的指令调整储能系统的充放电功率。
2.3.2 离网运行
离网运行时，微电网中央控制器执行孤网运行时微电源与储能的实时调度策略。储能装置作为主电源以恒压恒频（v／f控制方式运行，其它微电源则根据微电网中央控制器下发的指令调整各自的功率因数及投切状态，在储能装置及可控微电源的调节能力不足以保持微电网内的功率平衡时，由微电网中央控制器下发切机或切负荷指令。
2.3.3 并网转离网
当微电网检测到pcc点电压/频率发生骤变，或微电网有流向配电网的短路电流时，并网点测控保护装置发出动作信号给并网点断路器，并网点断路器跳开，微电网转为离网运行。这种模式切换是事先未知的，因而称之为非计划孤网。由于在切换前微电网与配电网之间的联络线上往往有功率流动，即微电网内的功率供给和功率需求是不匹配的，那么在切换的过程中，微电网瞬间失去了配电网的支撑，内部就会出现功率不平衡的情况，微电网中央控制器需要在检测到离网的瞬间立即向储能发送指令使其控制模式从PQ转换为v/f实现微电网从并网模式向离网模式的切换。
2.3.4 离网转并网
离网运行期间，微电网中央控制器实时检测公共连接点的电压、频率等参数，待PCC点的运行参数恢复正常，则向微电网能量管理主站发送可并网信号，微电网中央控制器在准同期装置检测到同期条件满足后发出合闸信号给PCC点的并网开关，实现微电网向配电网的同期并网。并网后，微电网中央控制器重新执行并网运行时微电源与储能的实时调度策略，发送指令逐步将己切除的微电源/负荷重新投入，恢复正常并网运行。
3微电网多电源协调控制策略的实现
3.1 微电网及控制系统设计
从微电网的集中控制和就地控制角度具体划分如下图：
图3-1 集中控制和就地控制角度具体划分图
微网集中控制层：对微电网整体进行协调控制与保护，实现对微电网系统的实时模式控制电源与负荷的实时动态调节，确保微电网系统的安全稳定运行。
就地控制层：实现本地控制与保护。主要完成微电网组成单元的保护与控制，实现对具体开关分布式电源储能变流器负荷的一体化监测保护与控制。
3.2 系统运行
3.2.1 微网系统并网运行模式的应用
微电网控制系统对光伏系统、风机系统、储能系统、并网点和关键线路的潮流信息和状态量的快速采集获取，并对电源、储能、负荷进行实时管理，完成系统控制策略，并构建安全稳定运行防线。并网运行具体控制如下：并网模式运行时储能、风机和光伏全部采用PQ控制模式，风机、光伏出力优先满足负荷用电需求，剩余电量上送电网。风机、光伏出力具有先天互补性，功率波动小于单一的风机或者光伏出力。
3.2.2 微网系统离网运行
离网模式运行时储能系统运行在VF-droop控制模式，用于维持系统的电压频率。风机、光伏运行在PQ模式，为系统提供动力电源，储能系统通过搬移电量平衡风机、光伏和负荷的差额功率。
微网控制器根据储能SOC大小，调节光伏和风机出力，保证系统电压和频率稳定运行。在没有光伏和风能情况下，随电池SOC下降到一定程度，先切除非重要负荷，保证重要负荷的连续运行。
微网控制系统和能量管理系统协调控制光伏、储能、风电和负荷，以系统电能质量最优、光伏和风机出力最大为控制目标，实现系统的稳定、经济运行。
3.2.3 并离网无缝切换策略的应用
（1）并网模式转离网模式
并网模式运行时风机、储能和光伏均运行在PQ模式，风机、光伏发电优先在负荷范围内消纳，剩余电量上送电网获得电量收益；离网运行时储能运行在VF-droop模式，稳定电网电压和频率，风机、光伏运行在PQ模式，同时需要断开和公共电网的联络开关。
并网模式转离网模式的运行录波见下图：
图3-2 微电网并网转离网过程
（2）离网模式转并网模式的应用
离网模式运行时风机、光伏均运行在PQ模式，储能系统运行在VF-droop模式，稳定电网电压和频率，风机、光伏发电在负荷范围内消纳，储能系统吸收剩余电量，保证功率实时平衡。
微电网离网转并网模式录波见下图。
图3-3 离网转并网运行模式
3.2.4 微网系统黑启动策略
微电网采用储电变流器作为黑启动电源。在系统停电后，根据综自后台信息，确定微网系统范围断路器位置以及并网点断路器位置，检查告警信息和故障信息；在确认完毕所有信息后，通过能量管理系统下发微网系统黑启动命令；储能变流器接收到启动命令后根据设置的离网信息建立电网电压和频率，风机和光伏跟踪电网信息，同步之后并网发电，风机和光伏工作在最大出力模式；当电源出力至系统稳定时，再逐步分批地增加负荷，直至全部非负荷恢复完毕或者负荷达到电源的额定出力。
图3-4 微电网黑启动过程
4结论与展望
4.1结论
本文针对典型的大电源（兆瓦级风机）、小储能配比的模式下，深入分析了储能在微网离网运行、并网运行、黑启动运行，以及并、离网两种模式无缝切换过程中的作用。项目包括风力发电、光伏发电、蓄电池储能的组成的微网平台。在储能控制器能够可靠实现微网的离网和并网运行控制，有效削减光伏、风电等可再生能源发电输出功率间歇性和随机性等不足，确保微网的稳定运行和供电可靠性。本文主要成果如下：
1）对风力发电、光伏、储能、负荷进行特性分析并根据项目的需要进行能配比的分析研究和其可行性验证。
2）建立微电网系统，研究系统在并网转离网、离网转并网、黑启动等模式下的微电网经济运行策略。
4.2展望
微电网在我国的研究还处在起步阶段，微电网的经济运行等方面还有需要有更多的研究，本文只是研究微电网在计划性的并离网模式下的科学稳定运行和能配比探索，以后还需要在非计划性并离网运行模式的探索。随着电网的建设和接入要求的提升，对接入电网的微电网系统将会提出更高的要求，随着新能源占比的提升，电网运行的不稳定因素将增加，如果微网系统能在电网突然波动时能起到支撑和稳定或迅速离网运行而保电网的作用，这将是以后的一个研究方向。
参考文献：
[1]刘畅,袁荣湘,刘斌,等.微电网运行与发展研究[J].南方电网技术,2010,4(5):43-47.
[2]雷振,韦钢,蔡阳,等.含分布式电源区域节点的配电网模型和可靠性计算[J].电力系统自动化,2011(1):39-43.
[3]赵晶晶,杨秀,符杨.考虑分布式发电孤岛运行方式的智能配电网供电恢复策略研究[J].电力系统保护与控制,2011,39(17):45-49..
[4]池海涛.微电网中分布式电源以及大功率电力电子器件的控制与改进[D].上海交通大学,2010.