智能微网及其可靠并网研究

智能微网及其可靠并网研究

罗志巍

（新疆新能源研究院有限责任公司新疆维吾尔自治区830026）

摘要：为了提高配电系统供电可靠性和促进可再生能源高效利用，分布式发电微网技术受到越来越多的重视。微网在配电系统中的应用日益广泛，但相应的可靠性分析方法尚不完善。

关键词：智能微网；可靠性；仿真系统

引言

智能微网可视为一个小型的电力系统，其供电安全性、保护与控制等问题同样需要关注，但智能微网与传统的电网在功能、结构上存在诸多不同，因此关注的重点与研究方法也截然不同。为了实现各种分布式电源的无缝接入，智能微网需要解决一系列复杂的问题。

一、智能微网的概念和特征

微网作为智能配电网的重要有机组成部分，在技术和装备上实现智能化是其基本要求。关于智能微网的概念在国际上也尚未统一。认为智能微网是大型电力系统的现代化、小型化的形式，能够提供更高的供电可靠性，更易满足用户增长的需求，最大可能地利用清洁能源和促进技术的创新。我国学者认为：智能微网即微网的智能化，通过采用先进的电力技术、通信技术、计算机技术和控制技术在实现微网现有功能的基础上，满足微网对未来电力、能源、环境和经济的更高发展需求。通过智能微网的定义可以看出，智能微网具有以下特征。

（1）并网和独立两种运行模式。这是智能微网与带有负荷的分布式发电系统的本质区别。智能微网在并网运行时，可以对大电网起到削峰填谷的作用，是大电网稳定运行的有力支撑。当电网发生故障时，智能微网可以迅速从大电网中解列，独立运行，为政府、医院、交通枢纽等重要负荷持续供电，提高了供电可靠性。

（2）稳定。微网独立运行时，能够在稳态和暂态过程中实现功率平衡和电压/频率稳定，有效解决电压、谐波问题，避免间歇式电源对周围用户电能质量的直接影响。

（3）兼容。微网是实现分布式电源并网的最有效的方法，它将原来布局分散的可再生能源进行整合，并通过储能装置和控制保护装置实时平滑功率波动，维持供需平衡和系统稳定，能够有效克服分布式电源的随机性和间歇性缺点，解决分布式电源的接入问题。

（4）灵活。智能微网可以作为大电网的一个受控单元，实现分布式电源的“即插即用”，而且可根据用户需求灵活提供定价不同、级别不同的电能质量，满足用户多样化的需求。

（5）经济。微网作为可再生能源发电的有效载体能够显著提高可再生能源的利用效率，同时微网与中小型热电联产相结合，通过实现温度对口、梯级利用和能质匹配，减少不同能源形态的转换，满足用户供电、供热、制冷、湿度控制和生活用水等多种需求，从而显著提高能源利用效率，优化能源结构，减少污染排放，实现节能降耗的目标，而且微网实现了市场交易和资产配置的统一管理。

二、智能微网的可靠性并网

微网是以分布式发电为基础的复杂供能网络，相对于大电网存在着并网运行、大电网故障时解列孤岛运行、重并网等多种运行状态。

随着电力电子器件的广泛使用，谐波污染越来越严重，另外，分布式电源发电随机性和供电不确定，也直接导致了微网的谐波存在。大量谐波的存在将会直接影响并网之后的电能可靠性和微网内部负荷的可靠供电，解决智能微网内部谐波问题对于实现可靠并网至关重要。智能配电网自愈控制技术己成为提高配电网供电可靠性和安全性，抵御连锁故障与大而积停电事故发生，解决大量分布式电源接入的主要技术手段，也是解决该问题有效的方法之一。

在并网前，2个独立系统运行的频率、电压、相角很难调整到完全一致，因此，有必要研究两者满足何种关系才能够实现最可靠、安全的并网，达到电压、频率的平滑无缝切换。

三、仿真实验系统构建

1、外部拓扑结构

电网的外部拓扑结构主要由电网模型、智能监测装置模型两部分组成。

电网模型包含了公共网并网节点（PCC）、通用母线（BUS）、输电线路}Line}、断路器CQF）、发电机（U）,节点负荷（Si）、动态负荷（5u）等电气设备。智能监测装置模型（PQM）包含了电气工频信号的智能监测、波形测量和数据共享通信等一系列监测功能。此外，还有DU外部模型的并网。

上述组成模型或器件，少有现成的完备模块，需要利用Matlab的基本元件搭建、模块化制作而成，构建方法如下。

PCC和通用母线需要通过分别短接三相电阻的ABC三相，从短接线上拉出若干连接点，模块化制作为电气母线（Bus）。

供电线路（Line）由2个三相线路模块（Branch）串接制作而成，再从串接线上引出连接点，作为故障、干扰源（fault）等的连接通道，通过修改Branch的阻抗参数，实现调节故障等接入点的位置。

电源（U）被设计成简单和复杂两种模型。简单模型由三相电源与变压器组合而成，可设置其容量、频率、内阻抗等参数，用于入门级教学场景;而涉及到发电机动态性能实验时，需要用复杂模型叫，先按照发电机动态过程的数学模型，包括电压方程和运动方程建模，再用Matlab语言编程，最后转换成基本运算模块组合成复杂电机模型。

智能监测装置（PQM）也称电能质量监测设备，其模型是由电压电流测量模块、功率测量模块和示波器模块连接组成，能完成三相电压、电流和功率等数据及波形的实时监测。

节点负荷由三相RLC负载模块制作，而动态负荷在PLC可调负载的基础上，并接了旋转电动机模块。

分布式电源（DU）是封装了风力发电、光伏发电和储能系统等丰富内容的智能微网外部模型。

2、智能微网的内部结构

智能微网的内部结构包括风力发电、光伏发电、储能系统和内部负荷等部分。

风力发电系统由6个风机模块与风机控制器组成，模拟3台600W水平轴风力发电机和3台600W垂直轴风力发电机。通过6只风机控制器将风机模型发出的交流电转换成直流电并连接到直流母线上，直流母线输入到蓄电池组，蓄电池组再经一台4kW的风机逆变器连接到微电网母线。

光伏发电系统由64个光伏电池组件和光伏逆变器组成，总容量为12.4kWp。光伏组件分4路接入光伏逆变器直流侧，经过逆变成为交流电，再连接到微电网母线。光伏电池组件是由Matlab中的基本元件按照单个光伏电池的物理特性，搭建成类似于小型光控电流源的光伏电池板，模拟195Wp单晶A级板光伏组件。它不但能分析光伏电池随着光照强度和温度不同而变化的1-LI和尸一非线性特性，并可仿真光伏电池工作在最大功率点以及稳定工作区域时的线性关系。

储能系统由大容量电池和双向整流逆变器组成。

总容量76.8kW•h，由192只单体200A•h的电池模块连接而成，电池串额定电压384V，经过双向整流逆变器连接到400V微电网母线。

风机控制器、光伏逆变器、双向整流逆变器等模型是由Matlab元件库中的晶闸管等电力电子器件搭建而成的，用于“交直流转换”的整流、逆变控制回路。

监控系统由智能微网内部多处设置的PQM完成电能质量的监测，由断路器完成回路的通断。内部负荷包括电动汽车、手机充电桩、空调、照明、可调RLC动态阻抗等各类负荷设备的等效模型。

结语

微网技术虽然在中国还不成熟，还有很多技术方面的、政策方面的、管理方面的问题有待解决，但它顺应了中国大力促进可再生能源发电、走可持续发展道路的要求，因此对其可靠并网进行深入研究具有重大意义。

参考文献

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