智能微电网在城市保底电网应用关键技术研究

王雨潼 王 科

（1 华北电力大学 北京 100080 2 中国南方电网公司 广东广州 510530）

引言

随着能源清洁转型和能源互联网技术进步，电力系统的形态正在发生转变化，逐步由超高压、大容量、集中式向新能源、分布式、低碳化方向转变。另一方面，现代社会对电力的依赖性越来越强，自然灾害或外力破坏带来的大面积停电的威胁与日俱增。

如何适应新趋势变化，找到二者的平衡点是当前面临的一个重要研究难题。本文从城市保底电网规划建设的需求出发，对在其中应用当前方兴未艾的智能微电网技术进行分析，提出相应的控制策略。

1 保底电网概念的提出和需求

保底电网是近年来电网公司为应对台风、低温、雨雪凝冻等自然灾害，强化安全底线，创新电网发展理念而提出来的，目的是在自然灾害来临时能尽量能减小损失，灾后能能够快速恢复[1]。保底电网以保障市政基本运转、尽量降低社会影响为出发点，以城市应急指挥机构、通信供水等核心基础设施等为保障对象，选取重要变电站、重要线路和抗灾保障电源进行差异化建设，形成保障指挥应急机构不停电、核心基础设施可以快速复电的最小规模网架。在严重自然灾害情况下，保底电网可分为多个局部电网独立运行。

综合防灾保障体系是城市保底电网规划的核心。通过积极引导抗灾保障电源、用户自备电源、应急移动电源等，推动形成“大电网联络支撑、抗灾保障电源分区分层自平衡运行、用户自备应急电源兜底、应急移动电源补充”的综合放在保障体系，从而有效提升城市保底电网供电的安全可靠性。

智能微电网是由负荷、分布式能源、储能设备、电力电子器件、测量监控及保护装置等汇集而成的小型电力系统，能够满足用户对电能质量和供电安全的需求，既可并网运行，也可孤岛运行。

面对台风等重大自然灾害时，微电网可充分发挥其智能、清洁、自治、可靠、灵活、互动的特点，保障局部小电网的稳定运行，为城市保底电网综合防灾保障体系提供重要支撑。

2 微电网应用于城市保底电网控制策略

2.1 控制需求

在自然灾害情况，整个外部大电网处于不稳定状态，需要微电网能对其供电区域的有功、无功进行独立控制，平滑的与外部电网并列和分离，并具有校正电压跌落和系统不平衡的能力。在孤岛运行模式下，通过调节可控发电单元、储能单元和需求侧管理，平衡功率差额，维持电压和频率稳定；在并网模式下，微电网和主网通过联络线进行功率交换[2-4]。

2.2 关键控制策略

2.2.1 无缝切换控制

微电网的无缝切换技术可以提高其供电可靠性，当外部电网故障时，仍可维持微电网内重要负荷的持续供电。若要实现无缝切换，需要具备以下技术条件：

（1）公共连接处有快速监测微电网孤岛的保护设备，并将模式切换命令快速发给相关控制设备；

（2）具备高抗扰动能力的主电源设备；

（3）采用静态电力电子双向开关，开合时间小于10ms；

（4）分布式电源逆变装置应具备低电压穿越能力；

（5）高速的通信网络。

2.2.2 运行控制

微电网运行控制策略包括恒PQ 控制、下垂控制和恒频恒压控制三种：

（1）恒PQ 控制。控制分布式电源输出的有功功率和无功功率等于其参考功率，且不随频率、电压变化而变化。参考功率可以是：①中央控制单位发出的计划发电曲线；②根据平滑可再生能源功率波动给出的参考值。

（2）下垂控制。模拟常规电网的一次调频，主要有P-f，Q-U调差率方式和P-U，Q-f 反调差率控制方式。

（3）恒频恒压控制。控制接入点的频率、电压恒定，检测量为接入点的频率和电压。

其中（1）用于并网模式，（2）、（3）用于离网模式。

2.3 仿真验证

本文采用Digslient 仿真软件对提出的控制策略进行验证，在5s 时微电网投入运行，有功由0 增至500kW，在5.5 秒时发生三相短路故障，微电网公共连接点残压为0.25p.u.。微电网从并网PQ 控制状态转为离网VF 状态，5.6 秒时转为孤网运行，用时仅100ms 左右。接入点仿真波形如图1 所示。

故障电流峰值为1.26p.u.，故障切除后功率恢复期间超调约为0。微电网主电源具备低电压穿越能力后，只需很小的过流能力即可在电压跌落时保持逆变器不脱网。

图1 微电网PQ转VF仿真波形

3 应用案例

2018 年4 月，南方电网公司在广州南沙投产城市中心区智能微电网项目，在台风自然灾害多发区域建成一个可实现离网孤岛长期运行的微电网，其中光伏发电260kW、储能系统1.5MWh、柴油发电机350kW。实现可再生能源100%消纳，极端天气外电中断时，可保障用户一周以上的供电。

项目利用本文提出的控制策略，实现了可再生能源100%消纳，抵御自然灾害和极端天气情况下核心负荷一周以上不间断供电，并利用无缝控制策略可在灾后快速恢复重要负荷供电。同时项目具有黑启动能力，极大提高整个供电系统的安全性、可靠性和可控性，探索微电网在保底电网的示范应用。

结语

为提高电网的防灾抗灾能力，保障自然灾害情况下重要用户的稳定供电，本文从保底电网规划建设需求出发，提出将智能微电网应用于保底电网，并提出了微电网在孤岛运行和并网运行情况下的无缝切换和运行控制策略，可为各地保底电网规划建设提供参考。