风光储一体化的配电网研究

谢立焜

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

目前国内外关于微电网研究的文献不多，文献[1] 对电力新技术的电网运行状况进行分析，对新能源发电产生的随机性、不连续性问题进行微电网即地消纳的研究，降低电能损耗对电力网络的影响。文献[2]介绍了发电系统智能化的实施方式。通过建模仿真、试验，从系统功能、故障判断及智能化故障处理等几个方面，探讨了智能配电网的功能特征。文献[3]通过对中央控制和本地控制两方面进行研究，并提出了一种综合控制方法。考虑随机因素和基于中心控制的控制策略，该方法在计算边界时采取了局部控制的方法，并与整个计算过程相联系，可实现快速地控制过程，消除新影响，为未来提供便利。文献[4]分析了新能源发电机间接性与随机性的特点，并对新能源发电的影响进行了分析，给出了一种多变流器之间的协调控制方案及控制能量的处理策略。针对风机及蓄能设备的动态状态，提出了一种采用PID 控制器对风力发电机组发电量超标、不符合规定、储能量过放电和过充电进行控制的方法[5]。文献[6]提出一种基于直流母线电压信号进行电力管线管理的理论和方法，通过模式区分系统状态，系统模式可通过改变直流母线电压实现平滑切换，从而实现微电网独立工作和并网模式转换。

传统微电网结构研究多侧重于微电网独立结构，并不适宜用作配电网设计。传统的控制方法大多以母线电压等级分级，或是通过电流的传递控制来控制系统的安全性，负荷频繁改变的情形下，系统运行中会频繁发生电压的波动，并影响系统的稳定性。新型配电网系统运行的安全、稳定、可靠是实现系统的能源管理控制方法的保障，基于上述问题，设计了一种基于风力、光伏和储能相结合的新型配电网系统，以“源-荷-储”为基本结构，研究了基于三维控制的能量流动调节方法，对大型决策变量和多目标优化函数进行优化处理，通过建立风光储一体化系统，确保配电网安全可靠运行，其结构如图1 所示。

图1 风光储一体化结构图

1 新型配电网结构

新型配电网拟将各配电网建设成风光储一体化的微电网，由综合管理平台系统进行管控。建立独立、自主可控的综合系统，同时连接到大电网，实现配电网与大电网适当独立、并联运行。利用电力能源供需平衡与智能微网调度技术、主动并网技术，实现电力供给与需求的平衡。

下面重点分析交直流母线供电和光电互补电源发电两部分，具体包括交流负荷接入系统、储能系统、配电网接入系统、风电电源系统、光伏电源系统、直流负荷接入系统。

光伏电源系统。由于光伏单片具有低功率输出和高消耗的特性，在将多个光伏单片串并联组成光伏单板模块之前，还须使用一种增益转换器进行模块化，将多个模块并联后连接至一个直流电源线。

风力电源系统。风机系统每个模块是通过发电装置和一个三相整流器来建立的。发电机输出电压经调压后，直接连接到交直流主控电路中。通过整流后，直接与直流主电源接通，为实现永磁直驱技术，本文采用了永磁直驱风机。

储能系统。所述储能系统拟用钒电池组成，钒电池具有以下优点：（1）功率和容积相对独立，能分别调节；（2）不受外部环境干扰，性能稳定；（3）寿命长，不会因为过放电而降低工作效率，过放后可进行再充电，使容量恢复，对电池无影响。

储能系统。通过串并联变换器实现电能的储存和电能的放电，可实现能量任意在不同方向之间自由切换，实现容量、功率的提高，调节系统中的能量流动。

直流负荷接入系统。直流负荷接入系统与储能系统一样，可实现DC-DC 转换。

交流负荷接入系统。直流及交流线路，通过三相逆变电源、变压器等装置相连，为交流负载供电。

配电网接入系统。该配电网接入装置是三相整流装置，它承载了三相逆变装置的反过程。

综上所述，在建设过程中，采用了新的电力配电系统。通过直流与交流两相配电网的建设，简化了系统中的交直流传输和供电的流程，提高了设备运行的效率。

为了减少成本，提升生产力效率，降低现有电网对电力的高需求，交流母线电压设置为380 V，对应的直流母线电压设置为650 V。

2 新型配电网运行机理

大多情况下，并网和孤岛2 种方式是电网的基本运行方式。此时，可以将新型配电网作为一个可控制的微型电网来应用。当电力系统受到严重干扰，或电网受到停电的影响时，新建配电系统会迅速和大电网脱离，快速地向孤岛状态过渡，在保障重点负荷不受影响的前提下持续稳定地提供电力，增加配电网外部故障防护装置的开发与应用，减少因外部故障造成的损失。因此，配电网在新旧电力网间调度上更灵活，其可根据电网情况而调整，便于并网和孤岛模式之间的切换。

2.1 新型配电网能效管理方法研究

采用统筹式能源管理方法。控制系统先对光伏站、风力电站的电源输出和负载要求进行预测，同时预知供电需求，制订运行计划，利用电压、电流和功率状况数据信息操作系统。实现对光伏电源，风力电源、蓄能装置等的动态调节和操作控制，保证新型配电网中线路频率稳定，并提升相关的防护能力。

2.2 能源管理的主要内容和方法

监控配电网实时运行情况，实现数据采集，提供整体状态监控系统；

通过监控工作状态和自动调度输出功率确保系统稳定运行；

利用配电网供电和负荷预测系统可有效地预测配电网在一定时间范围内供电状态和负荷状况的长远趋势，能对新型电力系统发电方案进行优化，对电网运行条件进行优化、调整；

通过储能管理，对新增供需进行调节，其在保证电站直流主电源电压稳定运行和削峰填谷方面有着重要作用；

防护功能，包括装置级防护、子系统级防护以及系统级防护，按照新型配电线路运营状况，及时隔离排除故障，减小故障影响范围，确保系统安全稳定运行；

采用智能调度技术，对系统电源进行优化组合，通过对能源资源进行预测和储能管理，提升系统效率。

2.3 新型配电网一体化管理系统

用一体化设计原则建设数字化、智能化的配电网控制系统，在统一通信平台上集成监测系统的设计，通过智能调度实现配电网所有设备的监测与控制，实现农村电网信息化建设。结合目前光伏发电、风电、蓄能、电网变换器等装置现存控制方式，建立统一连接系统，实现智能化管理。

在整个集成平台管理系统中，网络可视化维护功能是一项重要的运行维护功能。运用多维统计数据与可视化管理，能够使维护人员对远端设备的状态进行整体分析和控制。此外，在设备运行中，系统提供专门的软件，管理者或基层巡查员可通过专门的软件查看设备指标并及时查找和排除异常情况。

资料的搜集和保管是信息化管理的基础，信息丢包、不能断点续传是资料收集困难的突出原因，是管理数据过程中需要解决的问题。针对这些问题，分别以多种多功能通信网关为例，对各种通信协议进行解析，结合光伏通信网关、风电通信网关、蓄能网关、电讯机、工业交换机等来进行分析，为实现效益最大化增加了断线缓存功能，解决数据传输与丢失问题。

构建高效的新型配电网管理平台，合理调整工作人员编制，统一管理电力调度，确保整个流程实现数据共享，将系统打造为垂直生态行业平台。

3 仿真测试

应用基于风光储一体化配电网仿真模型，以建模软件进行仿真，包括光伏电源系统、风力电源系统、储能系统、直流负荷接入系统、交流负荷接入系统、配电网接入系统。

先对部分子系统进行仿真测试，然后对其进行完整系统的仿真模拟。鉴于风电系统具有较强的环境响应性，只能进行风电系统的初步模拟研究。

光伏电源采用步长变扰动条件下的变步幅同步时间算法。试验中，模拟工作条件为温度23 °C，初始时为800 W/m2，0.5 s 减为400 W/m2，0.75 s 加强至 600 W/m2。

仿真结果表明：在t= 0.25 s，光伏电源稳定输出，并得到该信号的连续跟踪和监测，在实际应用中，具有较好的跟踪性和良好的系统可靠性。当t=0.5 s，光伏电源输出功率突然迅速减少，经过简短调整后重新回到功率最低值，而且仍然保持稳定；在t= 0.75 s，光强突然升高，调整后即回到了最高光强点，此后逐渐恢复。

该风电机侧整流器采用双闭环控制，内环电流和外环电机转速相配合。仿真时间设置为2 s，最大风速设定为12 m/s，在试验初期时风速7.2 m/s，经过 0.5 s 的增加为 9.6 m/s，0.75 s 后增到13 m/s。

在t= 0.1 s，风机发电机稳定输出，说明风能的最大追踪作用良好；由于风力增强风机转速突然增大，输出功率在t= 0.5 s 迅速增加，输出波形顺畅、功率波动不明显；风力发电机t= 0.75 s 后，风速超过规定风速（12 m/s），风力发电机组被损坏，限电运行。

为进一步验证新型配电网网络建设结构的科学性及能效控制效果，笔者做了一个初步的仿真实验。因为大电网的能量提供与现有电网基本相同，所以对系统内能量供应进行探讨。

模拟时长为 6 s，其中直流线路电压设置为650 V，交流线路电压设置为380 V。其中，能量蓄能器释放是负值，储能是正值。

在0～2 s 的时间里，如果风速低于规定的风速，则电源输出电流远低于负载电流，PPV+PWT＜PDCL+PACL，通过储能装置来补充功率；在2～3 s 时，如果风速与光强都达到预定值，风光电源输出功率达到10 kW，且风光输出功率和风速均达到了额定值；若在3～5 s 时，若交流负载由10 kW 减小到2 kW，则PPV+PWT＞PDCL+PACL，蓄能系统输出功率为正，需要蓄能保持系统电能平衡；在5～6 s 时，如果将直流负荷从10 kW 扩大到20 kW，则PPV+PWT＜PDCL+PACL，储能系统输出功率为负，因此须放电以保持系统的电源平衡，如表1 所示。

表1 仿真功率参数

仿真结果表明，总体直流电源电压波形平滑平稳，仅有变换频率时出现波动，说明系统的能量稳定流动，该系统中电压控制在切换模式后略微波动，这表明该系统能够平稳运行。

仿真表明，系统实现了动态调节并维持稳定的能量流动，整个系统稳定控制直流主导线路的电压，最后通过试验，证明了新型配电网结构合理性，并且能够有效地解决系统的能量管理问题。

4 结束语

本文提出基于风光储一体化的新型配电网方案，采用能量管理系统的能量控制策略以确保系统稳定运行和能量保持，同时通过仿真分析验证了所提出方案的可行性。

得出以下结论：（1）通过光伏风能技术应用，可以最大程度地发挥光伏及风能所产生的能量，提高能源利用效率，减少农村电网与大电网的依赖，减少电网与电网之间因变电所带来的干扰；（2）采用新配电系统可部分解决配电系统中长距离传输线损大的问题，实现能源本地接收、节点互补、便捷接续，减少发电设施的能源消耗，进而减少线路损耗；（3）新型配电网设计方案，有效地推动了农村电气化建设，在能源和环境污染、碳排放等众多因素中发挥着重要的作用。