基于可再生能源發電的微網技術研究

張 彥，王 偉，趙義術

（1.國網技術學院，山東 濟南 250002；2.山東電力經濟技術研究院，山東 濟南 250001）

0 引言

近幾年，世界各國大力支持新能源及可再生能源發電系統的開發，無論在技術領域還是規模上都取得了突破性進展。隨著經濟和社會的發展，人們生活水平不斷提高，致使世界能源消費量處于持續、較快地增長過程中，與此同時，煤、石油等傳統的一次能源正在日益枯竭，人類迫切需要尋找新的替代能源來實現社會的可持續發展。 過去一個世紀以來，化石能源的大量開采和利用造成了人類生存環境的惡化，要求所尋找的替代能源必須是可再生的清潔能源，因此，開發利用風力發電、太陽能發電、燃料電池等環保型發電新技術，將是實現真正可持續發展的必由之路。

智能電網建設提出要能很好地滿足大規模新能源接入的要求，成為接納新能源的“高速公路”［1］。在發電環節，智能電網通過完善新能源發電接入電網的技術標準，規范新能源電站必需具備的性能指標，引導新能源發電技術與先進裝備的開發與應用。智能電網將配置適當規模的儲能系統，并合理控制儲能系統的運行，有效抑制新能源的功率波動，降低電網運行風險。智能電網將實現新能源與常規能源的優化配置，并將采用先進輸電技術以滿足大規模新能源電力輸送的要求。 在智能電網調度系統中，間歇性新能源發電實時功率預測技術將讓聽天由命的新能源盡在電網調度的掌控之中。智能化的配用電設備和系統，將為新能源的分布式接入提供保障。

1 微網概述

1.1 微網概念

為了改善分布式電源單機接入成本高、控制困難等缺點，減少分布式電源對大電網的沖擊，提出了微網［2-3］概念。 2002年，美國電力可靠性技術解決方案協會（consortium for electric reliability technology solutions，CERTS）介紹，微電網［4-5］就是一種由負荷和微型電源共同組成的系統，它可以同時提供電能和熱量。 微電網內部的電源主要由電力電子器件負責能量轉換，并提供必要的控制。微電網相對于外電網表現為單一的受控單元，并可以同時滿足用戶對電能質量和供電安全等方面的要求。

1.2 微網的特點

微網集合了可再生能源發電技術、分布式發電技術、電力電子變流技術、儲能技術等多種電力新技術，將會成為未來可再生能源發電的主要并網運行方式，其結構與特點主要體現在以下方面：微網由以風能、太陽能、燃料電池等新能源為主的分布式電源、配套的電力電子變換器、儲能系統及負荷組成；微網中的各種新能源發電可以起到互補作用，較單一類型的分布式發電系統穩定性有所增強；微網中配置的儲能系統，可以在新能源電源受自然條件影響時穩定并網點的電壓、電流及頻率，減小電壓波動和電壓閃變現象，改善電能質量，保證整個系統正常運行；電力電子器件為分布式電源和交流母線提供接口，實現電源輸出最大功率跟蹤、能量轉化與控制；微網具有獨立和并網兩種運行模式，在上級網絡出現故障時，可以切換為獨立運行，因此可以繼續保電，提高供電可靠性。

智能電網的最終目標就是要實現電網運行的高效、經濟、安全、可靠，同時又能最大化吸收各種新能源及可再生能源發電技術的接入，實現多種能源的互補利用。在智能電網發展過程中，配電網需要從被動式網絡向主動式網絡轉變，而微電網作為智能電網配電網的核心部分，其先進的控制系統和靈活的運行方式恰好滿足了智能電網的要求，并且整合高比重的可再生能源發電，提高系統的整體效率和靈活性。

2 “微網化”系統設計

近幾年，國內多個研究中心和大學開展了風—光—蓄復合發電系統研究，這是由多種可再生能源發電裝置聯合構成的“微網化”可靠供電系統，該類系統是微網發展的初級模式。

國網技術學院新能源實驗室為研究基于可再生能源發電的微網技術，設計并建設了一個基于三相交流母線的微型發電系統，其中，包含15 kWp的光伏發電、15 kW的風力發電、由蓄電池組成的儲能系統以及負荷系統，該系統具有獨立和并網兩種運行模式，其交流母線結構圖如圖1所示。

圖1 微網結構圖

2.1 光伏發電子系統

整個太陽能光伏發電子系統由光伏（PV）陣列、光伏逆變器、蓄電池組、防雷保護系統、電池方陣支架、電站監控系統等組成。 電池方陣的直流輸出，通過光伏逆變器逆變成50 Hz、230 V有效值的單相電，并組合成三相交流電，與實驗室三相交流母線連接，給負荷供電，同時將多余電量經過雙向變流器給蓄電池充電。

光伏陣列由72塊210 Wp的高效單晶硅光伏組件組成，組件功率共15.12 kW，分為A、B、C三相。光伏電池組件的支架系統為固定支架，支架角度為42°。電池組件在標準測試條件下（環境溫度25℃，太陽輻照度為AM1.5，1 000 W/m2）的標稱功率為210 Wp，工作電壓為26.6 V，工作電流為7.89 A，開路電壓為33.2 V，短路電流為8.1 A。

（2）性能波動問題 為解決管板性能問題，采取措施：①成分調控。我們梳理了SA-508 GR.3 CL1材質的核電堆芯筒體、管板等的性能數據、成分和金相報告，綜合考慮各種因素后，重新制訂了管板化學成分方案。②調質熱處理工藝方案。根據化學成分、性能要求和取樣位置等，編制熱處理工藝（見圖4）。

每相24塊光伏電池組件，采用12串2并的方式連接（圖2），每相電池陣列的直流輸出，分別通過單相光伏并網逆變器后接入A、B、C三相交流母線。每相的工作電壓為319.2V，工作電流15.78A。開路電壓398.4 V，短路電流16.2 A。

圖2 單相光伏組件連接方式示意圖

光伏逆變器。選用3臺德國SMA的單相光伏并網逆變器SMC5000A型，其主要功能是把來自太陽能電池方陣輸出的直流電轉換成與交流母線電壓、相位、頻率一致的交流電。并網逆變器SMC5000A的最大光伏輸入功率為5 750 Wp，輸入電壓范圍為246～480 V，最大輸入電流為26 A，直流電壓紋波小于10%，額定交流輸出功率為5500W，輸出電流諧波THD小于4%，電網工作電壓范圍為220～240 V，電網工作頻率為50 Hz，最大效率為96.1%，該逆變器具有錯極性保護、過壓保護、短路保護、對地故障檢測、孤島保護等功能。

整個光伏發電子系統有可靠的操作和雷電過電壓防護。具有過壓保護、對地故障保護、孤島效應保護、過載保護、短路故障保護等完善的保護功能。

2.2 風力發電子系統

3臺單機容量5 kW的永磁低速直驅風力發電機發出三相非工頻正弦交流電，經過風能控制器整流成直流、再輸出給逆變器，由逆變器轉換成幅值、頻率穩定的交流電，接至A、B、C三相交流母線，其中風能控制器帶有自動卸荷功能。

風力發電機。由于風機的安裝位置位于濟南市區，加上風機周圍的障礙物較多，濟南年平均風速較低，因此選用5 kW低風速風力發電機。此風力發電機為3葉片，額定風速為9 m/s，工作風速范圍為3～25 m/s，抗最大風能力為50 m，額定功率為5 kW，最大輸出功率為6.5 kW，采用側偏的調速方式，發電機為永磁低速三相交流發電機。

風能控制器。額定功率5 kW，最大輸出電流30 A，與5 kW的風力發電機組相匹配，能夠將風機輸出的三相交流電能轉換為直流電，在風力發電機轉速過快、輸出電壓過高或輸出電流過大時，采用主動泄荷或者極限短路的方式，使風機工作在正常特性范圍內。

風能并網逆變器。將風能控制器整流成的直流電逆變成幅值、頻率穩定的交流電，采用升壓變壓器隔離，具有電網過、欠壓，電網過、欠頻，輸出電流過載等多項保護功能。并同時具有主動式和被動式孤島運行檢出功能。工作電壓范圍為DC180～380 V，最大輸入電流25 A，額定輸入功率6 kW，額定電網電壓為（380±15%）V，額定輸出電流9.2 A，額定工作頻率為（50±2%）Hz，功率因數大于0.99%，諧波小于5%。

2.3 儲能子系統

蓄電池與整流/逆變雙向變換器Sunny Island一起，構成標準的交流母線系統，是整個系統的核心部分，是重要的儲能元件。蓄電池組的選型與負載的用電量有直接關系。

蓄電池。在此系統中，選用了24塊2V/600Ah的密封鉛酸免維護膠體電池，蓄電池組容量為48V/600Ah。

Sunny Island的工作原理。Sunny Island與蓄電池組連接，通過控制交流端電壓和頻率組成交流母線系統。發電量比較高的時間段內（如白天輻射較強，或者負載耗電較少時），Sunny Island可以將母線中的多余電量充到蓄電池中。在用電較多的時間段內（如晚上或者負載耗電較多時），Sunny Island可以將蓄電池存儲的直流電逆變為交流，送入交流母線中。其額定交流電壓為230 V，額定交流頻率50Hz，額定交流電流21A，輸出電壓諧波小于3%，功率因數為1。

2.4 負荷子系統

負荷子系統主要由自動交流負載系統、燈光負載，主要用于交流母線系統離網運行時的系統負載使用。其中自動交流負載為三相四線制，星形連接的可調交流負載，整體由阻性10.5 kW、感性18.5 kVA、容性20.5 kvar組成，主要用于交流母線系統離網運行時的系統負載使用，燈光負載容量為5 kW。

除此，本發電系統還包括保護及綜合測控系統、智能監控系統、蓄電池監測系統和故障錄波系統等。

3 實驗結果

實驗表明，該微網系統獨立運行時，各電源、負載，儲能系統依靠自身的調節作用能夠保證系統的穩定運行。

3.1 實驗數據

各子系統發出有功功率情況如表1和表2所示。

表1 蓄電池儲能系統充電狀態遙測瞬時值

表2 蓄電池儲能系統放電狀態遙測瞬時值

3.2 實驗波形

由故障錄波系統采集的風力發電機輸出三相非工頻交流電的線電壓 Uab、Ubc、Uca，光伏電池輸出三相直流電壓Ua、Ub、Uc，以及蓄電池直流電壓U的瞬時波形如圖3所示。

圖3 風力發電機、光伏電池及蓄電池輸出電壓波形

A、B、C 三相交流母線上相電壓 Ua、Ub、Uc的瞬時波形如圖4所示，其有效值分別為229.474 V、230.590V、229.854V，相位分別為 96.014°、335.911°、215.781°。

圖4 母線相電壓Ua、Ub、Uc的波形

系統運行數據及波形表明，無論是天氣條件如何變化（風、光條件如何波動），該系統都能安全的獨立帶負荷運行。

4 微網并網技術研究的關鍵問題

微網系統有獨立運行和并外電網運行兩種模式，目前獨立穩定的運行基本得以實現，但是并外電網運行中仍存在一些待解決的技術問題。

微網的功率控制技術［6］。從配電網接入點來看，微網成整體負荷特性，但是從微網獨立運行的特性可以看出由于新能源電源受自然條件影響波形很大，因此微網系統一旦接入配電網，會使接入點的功率值發生改變并產生波動，整個配電網的潮流分布會隨之改變，且隨饋入點功率的變化而改變。因此微網要并電網運行還需要新能源發電功率預測技術及并網點功率控制技術。

微網能量管理系統。 隨著微網技術的成熟和電網公司政策的制定，微網并網運行后，不僅能依靠大電網運行，還將需要在自身電力充足時向大電網輸送能量，服從電網的統一調度。因此需要建立能夠實現對微網的全面監控、調度的微網能量管理系統（Microgrid EMS），MEMS能夠 實現數據采集與通信、編制運行計劃、接收市場報價、監視網絡安全等。

微網的保護。 微網中的電源與負荷的電氣距離較近，電源類型多樣，交直流電源通過變流器與微網連接，電壓等級較低。 網絡結構、電源特性及電壓等級上的差異使得微網電流故障類型和傳統的閉式輸電網絡和輻射型配電網的情形存在較大差別，因此需要對電源等值模型、微網暫態過程等問題進行詳細分析及實驗驗證，以確定微網中保護裝置的整定值。

5 結語

隨著目前新能源發電和可再生能源發電的迅速發展，微網以其靈活的運行方式以及運行穩定的優點，將會成為未來電網發展戰略中一項重要的技術，有益于大電網的安全穩定運行。微網技術的研究成果對健全與推動智能電網技術的發展具有重要意義。

［1］ 劉振亞.智能電網知識讀本［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］ XIAO Hong-fei，LIU Shi-rong，ZHENG Ling-wei，et al.Prelim inaryResearchonMicrogridTechnology［J］.Powersystemprotection and control，2009，37（8）：114-119.

［3］ Y.W.Li，D.M.Vilathgamuwa，and P.C.Loh.Design，analysis and real-time testing of controllers for multi-bus microgrid system［J］.Power Electron，2004，19（5）：1195-1204.

［4］ 徐衛文.微網控制綜述［J］.中國科技信息，2011（19）：70-71.

［5］ 王志霞，張會民，田偉.微網研究綜述［J］.電氣應用，2010，29（6）：76-80.

［6］ 張玲，王偉，盛銀波.基于清潔能源發電系統的微網技術［J］.電網與清潔能源，2009（25）：40-43.