DQZHAN技術訊：電力系統(tǒng)規(guī)劃設計-微網(wǎng)運行與控制
微電網(wǎng)，現(xiàn)在無疑是比較前沿的內容，國內這塊與國外相比有一些差距。參與做過一些微電網(wǎng)規(guī)劃，比如三沙島的，也參觀過一些實驗室的微電網(wǎng)模型，許繼的示范項目，試著總結一二。
一、微電網(wǎng)概述
首先說說分布式能源和微電網(wǎng)的區(qū)別吧。
分布式能源（DER）：一般定義為包括分布式發(fā)電（DG）、儲能裝置（ES）和與公共電網(wǎng)相連的系統(tǒng)。其中DG是指滿足終端用戶的特殊需求，接在用戶側的小型發(fā)電系統(tǒng)，主要有內燃機，微型燃氣輪機、燃料電池、太陽能、風能等發(fā)電系統(tǒng)。
分布式能源有很多優(yōu)點，比如可實現(xiàn)能源綜合梯級利用，彌補大電網(wǎng)穩(wěn)定性方面不足，環(huán)境友好等，但是它的*本質缺點在于不可控和隨機波動性，從而造成高滲透率下對電網(wǎng)穩(wěn)定的負面影響。
所以，分布式能源和微電網(wǎng)的本質區(qū)別就在于前者不可控，后者可控。
微電網(wǎng)（MG）把分布式發(fā)電、儲能裝置、負荷通過控制系統(tǒng)協(xié)調控制，形成單一可控單元，直接接在用戶側，優(yōu)點是非常明顯的。
電力系統(tǒng)規(guī)劃設計-微網(wǎng)運行與控制
微電網(wǎng)的控制模式和策略是里面的關鍵部分，無論是系統(tǒng)級的主從、對等和綜合性控制模式，還是逆變器級的P/Q、U/f、下垂控制，乃至和儲能相結合的控制方式，都是微電網(wǎng)的核心部分。而這些，在分布式能源系統(tǒng)里面是不會涉及的。
所以說，很多外面在搞的微網(wǎng)項目，特別是中國人在國外援建，都是在混淆概念，沒有控制系統(tǒng)，其實只能叫做分布式發(fā)電（分布式能源系統(tǒng)都算不上）。
所以說微電網(wǎng)的核心在于“自治獨立，協(xié)調互濟”，自治獨立指的是微電網(wǎng)具備阻斷電網(wǎng)故障影響的能力，使微電網(wǎng)的孤網(wǎng)運行具有不失負荷或者少失負荷；協(xié)調互濟指的是微電網(wǎng)和主網(wǎng)可以建立互相支援的關系。
國外這塊，美國，歐盟和日本研究和應用較為**，三者之間對于微電網(wǎng)的定義略有區(qū)別但不大，國內這塊，學校里面天大好像還可以，示范工程許繼有兩個。
二、微電網(wǎng)的架構
微電網(wǎng)的體系結構一般采用國際上比較成熟的三層結構（許繼的示范工程也是如此）：配電網(wǎng)調度層、微電網(wǎng)集中控制層、分布式電源和負荷就地控制層。
電力系統(tǒng)規(guī)劃設計-微網(wǎng)運行與控制
這塊就不多展開了，比較直白。
三、微電網(wǎng)控制策略
控制策略是微電網(wǎng)的核心關鍵部分。
微電網(wǎng)的運行分為并網(wǎng)運行和離網(wǎng)運行（孤島運行），控制策略也是圍繞這兩種狀態(tài)和切換過程進行。
微電網(wǎng)控制體系主要如下圖所示：
電力系統(tǒng)規(guī)劃設計-微網(wǎng)運行與控制
**層為逆變型電源的逆變器級控制
這一層的控制模式主要分為：恒功率控制(PQ控制)、恒壓/恒頻控制(V/f控制)和下垂控制(Droop控制)。
恒功率控制(PQ控制)：顧名思義，就是實現(xiàn)有功和無功的控制=參考值。當光伏、風機等分布式發(fā)電系統(tǒng)采用*大功率追蹤控制時，屬于恒功率控制。微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，由電網(wǎng)提供電壓和頻率參考，各分布式電源一般采用恒功率控制。當然，部分可控型分布式電源也可采用f-P和V-Q下垂控制方法，在電網(wǎng)電壓幅值和頻率降低時，能夠支撐電網(wǎng)電壓和頻率。
【干貨】電力系統(tǒng)規(guī)劃設計-微網(wǎng)運行與控制
恒壓/恒頻控制(V/f控制)和下垂控制(Droop控制)：
恒壓/恒頻控制，即控制電壓和頻率。
下垂控制，則比較重要且復雜些，即選擇與傳統(tǒng)發(fā)電機相似的頻率一次下垂特性曲線（DroopCharacter）作為控制方式，即分別通過P/f下垂控制和Q/V下垂控制來獲取穩(wěn)定的頻率和電壓，這種控制方法對微網(wǎng)中的微源輸出的有功功率和無功功率分別進行控制，無需機組間的通信協(xié)調，實現(xiàn)了微源即插即用和對等控制的目標。
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微電網(wǎng)孤立運行時，需由微電網(wǎng)內主電源建立電壓和頻率參考，該層控制可分為主從控制模式和對等控制模式。
在主從控制模式中，微電網(wǎng)內的一個分布式電源(或儲能設備)采取V/f控制，為微電網(wǎng)提供電壓和頻率參考，而其他分布式電源則采用PQ控制。
在對等控制模式中，微電網(wǎng)中參與電壓、頻率調節(jié)和控制的多個可控型分布式電源(或儲能設備)在控制上都具有同等的地位，通常選擇P-f和Q-V下垂控制方法，根據(jù)分布式電源接入點就地信息進行控制。
與主從控制模式相比，在對等控制模式中采用下垂控制的分布式電源可以自動參與輸出功率的分配，易于實現(xiàn)分布式電源的即插即用。
所以一般來說，下垂控制核心在于負荷功率變化時，不同分布式電源的功率自動通信和共享，P/Q控制核心在于根據(jù)實際運行情況，對分布式電源有功和無功指定控制。
兩者區(qū)別已經(jīng)很清楚了，直觀的說一個主要對外，一個主要對內。PQ控制對外用于并網(wǎng)，被處理為一個恒定的功率輸出；下垂控制用于孤島，沒有公網(wǎng)的電壓頻率支撐，要自治地負責系統(tǒng)的電壓頻率的調節(jié)滿足要求。
**層控制
微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，**層控制的主要目標為降低微電網(wǎng)內可再生能源與負荷的波動對主網(wǎng)的影響，使微電網(wǎng)作為一個友好、可控的負荷接入主網(wǎng)。
通過微電網(wǎng)中心控制器(MGCC)對各分布式電源下發(fā)合理的功率指令，通過聯(lián)絡線功率控制可實現(xiàn)這一點。微電網(wǎng)孤立運行時，采用主從控制模式能維持微電網(wǎng)電壓和頻率恒定，負荷的變化主要由主電源跟隨，需要通過MGCC實現(xiàn)各分布式電源間的功率合理分配。采用對等控制模式時，能同時解決電壓頻率穩(wěn)定控制和輸出功率合理分配，但這是一種有差控制，負載變化前后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓和頻率會有所變化。此時，該層控制的目標主要是恢復微電網(wǎng)電壓和頻率。
微電網(wǎng)運行模式無縫切換控制也在**層控制中實現(xiàn)，該部分應具備電網(wǎng)故障檢測、微電網(wǎng)與電網(wǎng)同步等功能，并對微電網(wǎng)并網(wǎng)靜態(tài)開關和主電源控制模式切換進行協(xié)調控制。
電力系統(tǒng)規(guī)劃設計-微網(wǎng)運行與控制
第三層控制
該層主要為微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)層，通過相應能量優(yōu)化算法：①確定微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，與大電網(wǎng)之間聯(lián)絡線輸出功率參考值(作為微電網(wǎng)**層控制目標參考值);②在微電網(wǎng)孤立運行時，調整各分布式電源輸出功率參考值或下垂曲線穩(wěn)態(tài)參考點和分配比例系數(shù)設定等信息，實現(xiàn)微電網(wǎng)經(jīng)濟運行等功能。
這里其實只是簡單總結了下微電網(wǎng)的控制模式，在實際運行中和儲能模塊相結合這塊還是非常復雜的，特別是離網(wǎng)控制，涉及穩(wěn)態(tài)，動態(tài)和暫態(tài)的三態(tài)控制，并網(wǎng)控制稍微簡單些，只需考慮穩(wěn)態(tài)控制即可。
四、微電網(wǎng)規(guī)劃
微電網(wǎng)規(guī)劃這塊國內目前也還是慢慢開始做，并不是很成熟。
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里面具體的可以看一些文獻和資料，定容、儲能、協(xié)調控制，優(yōu)化算法結合在一起，還是比較復雜的。
用的軟件主要是HOMER軟件，軟件本身還是比較強大的，我沒有用過就不多說了，以后想抽空學下。
五、微電網(wǎng)保護
微電網(wǎng)保護問題根源在于分布式電源使得配電系統(tǒng)從單電源輻射式網(wǎng)絡變?yōu)椤俺绷麟p向性網(wǎng)絡”，主要是三個問題：1）分布式電源與原有配電網(wǎng)保護的配合問題2）分布式電源對線路重合閘的影響3）孤島監(jiān)測和反孤島措施。
傳統(tǒng)配電網(wǎng)典型保護設計方案通常是主饋線采用電流速斷保護和過流保護組成的兩段式保護，并配置三相一次重合閘裝置。電流速斷按照線路末端故障有靈敏度的方法整定，過流保護按保護線路全長加時限整定。
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1）分布式電源與原有配電網(wǎng)保護的配合問題
如圖所示。
一是導致本線路部分保護靈敏度降低及拒動，部分保護的靈敏度增加。如圖，當K3發(fā)生接地故障時，由于MG的分流作用，使B3感受到的故障電流減小，B3的靈敏度降低：當K2點發(fā)生接地故障，B4將流過MG提供的故障電流，使保護B4的靈敏度增加。
二是導致本線路保護誤動。當母線處或K1發(fā)生接地故障時，B3流過MG提供的反方向短路電流，當MG饋入電網(wǎng)的功率足夠大時，將使B3誤動。
三是導致相鄰線路保護誤動，失去選擇性。當K4發(fā)生接地故障，B1流過MG提供的短路電流，如果MG的容量足夠大，那么B1的保護范圍將可能延伸到下一段線路，使保護失去選擇性。
2）分布式電源對線路重合閘的影響
依舊如圖。
K3發(fā)生接地故障，保護B3的電流速斷保護立即動作斷開故障線路，但MG的PCC從檢測外部故障到SS斷開MG需要一段時間，期間MG和B3所在的饋線構成孤島運行，如果此時保護B3的前加速動作，可能會造成非同期合閘。同時，MG繼續(xù)向故障點提供電路電流，可能使故障點電弧重燃，擴大事故。
保護B3的前加速必須與PCC處的靜態(tài)開關SS動作時間配合。所以，必須限制MG提供的短路電流，以公共配電網(wǎng)電流速斷或定時限過流保護的定值為約束條件，以減輕MG接入對重合閘前加速，后加速的影響。
3）防孤島保護
孤島效應當主電網(wǎng)由于故障或檢修而停止對部分負荷供電時,用戶側的分布式電源可能與負荷構成一個可獨立運行的孤網(wǎng)系統(tǒng),從而脫離電網(wǎng)調度系統(tǒng)的控制,如果不能明確地給出孤網(wǎng)系統(tǒng)與主電網(wǎng)的斷開點,則可能引發(fā)一系列人身和運行隱患。
這塊內容涉及到一些孤島監(jiān)測方法，可以結合IEEE1547孤島檢測標準看看。
4）微電網(wǎng)保護措施
一是微電網(wǎng)系統(tǒng)級保護。關鍵是其與公共配電網(wǎng)的連接點PCC，可知，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行對配電網(wǎng)繼電保護的影響因素主要取決于兩個因素：注入配電網(wǎng)的短路電流大小和持續(xù)時間。當公共電網(wǎng)發(fā)生長久性故障或微電網(wǎng)的運行狀態(tài)不符合標準時，要求微電網(wǎng)進入孤網(wǎng)運行，PCC的迅速動作能減輕微電網(wǎng)對公共配電網(wǎng)繼電保護的不利影響。所以，PCC安裝的控制與保護裝置必需能夠檢測并準確判斷電網(wǎng)的各種故障情況，迅速做出響應，決定微電網(wǎng)是否進入孤網(wǎng)運行。
二是微電網(wǎng)單元級保護。當公共電網(wǎng)發(fā)生故障或電能質量下降，如過電壓，電壓偏低等，對于敏感負荷，需要微點網(wǎng)快速斷開與公共電網(wǎng)的連接，微電網(wǎng)進入孤網(wǎng)運行模式。微電網(wǎng)單元及保護主要是應對微電網(wǎng)內部發(fā)生的各種故障所配置的保護。
具體來說比如限制DG的容量與接入位置，配電網(wǎng)故障時，DG立即退出，引入故障電流限制手段如故障限流器等。
保護這塊確實不擅長，也就隨便總結一些。
六、微電網(wǎng)工程實例
許繼河南分布式光伏發(fā)電及微電網(wǎng)運行控制試點工程是國內頭個包含光伏發(fā)電、電力儲能，并具有微電**性的試點工程，是國家電網(wǎng)公司**的微電網(wǎng)試點項目。該項目以河南財政稅務高等?？茖W校屋頂380kW光伏項目為依托，由380kW光伏電源、2組100kW/100kWh儲能系統(tǒng)、約34路用電負荷、相關控制單元和保護單元構成光儲聯(lián)合微電網(wǎng)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)到離網(wǎng)，離網(wǎng)到并網(wǎng)的平滑過渡。
電力系統(tǒng)規(guī)劃設計-微網(wǎng)運行與控制
圖中的負荷回路和光伏發(fā)電回路實際上對應有多路負荷回路和光伏回路。本示范工程將離網(wǎng)狀態(tài)定義為：1DL和2DL均跳開，即孤島狀態(tài)。并網(wǎng)狀態(tài)定義為：1DL和2DL有一個合上。
正常運行時，1DL及分段3DL合上，2DL斷開，微電網(wǎng)為并網(wǎng)運行。系統(tǒng)和光伏電源同時給用電負載供電。
如果系統(tǒng)故障，導致1DL斷開，微電網(wǎng)進入離網(wǎng)運行，光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)和用電負荷構成微電網(wǎng)的計劃孤島運行模式，持續(xù)供電。當系統(tǒng)電源恢復，則合上1DL或2DL開關，微電網(wǎng)由離網(wǎng)運行轉入并網(wǎng)運行。
此項目的保護與控制裝置有：光伏逆變器，儲能變流器，微電網(wǎng)系統(tǒng)控制器，負荷控制器，饋線保護控制器。除了以上保護控制器外，還有一套后臺集中控制中心完成系統(tǒng)的集中控制和管理。
在微電網(wǎng)的并網(wǎng)、離網(wǎng)過程中，系統(tǒng)控制流程如圖所示。
電力系統(tǒng)規(guī)劃設計-微網(wǎng)運行與控制
本項目中所有光伏逆變器在這整個過程中均作P/Q控制。在并網(wǎng)狀態(tài)，按*大出力發(fā)電，在離網(wǎng)狀態(tài)，由后臺集中控制中心根據(jù)需要控制出力。在整個過程中，光伏回路可以認為是功率為負值的負載回路。
儲能回路二配置的2#儲能變流器在這整個過程中均作P/Q控制，由后臺集中控制中心根據(jù)需要進行充放電控制。在過程中，儲能回路可認為是功率可調節(jié)的負載回路。
儲能回路一配置的1#儲能變流器在并網(wǎng)狀態(tài)作P/Q控制，由后臺集中控制中心根據(jù)需要進行充放電控制。在離網(wǎng)狀態(tài)作V/f控制，穩(wěn)定系統(tǒng)的電壓和頻率，作為微電網(wǎng)的主電源，其他光伏回路和儲能回路根據(jù)此電壓和頻率作P/Q控制，共同維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
負荷控制器主要完成離網(wǎng)后的快速負荷切除功能，饋線保護控制器完成饋線的保護控制功能。
