智能變電站微電網設計與控制

藥煒

【摘要】：在簡述微電網、微電網結構、微電網控制原理的基礎上，針對智能變電站的設備與負荷特點，以國網河北省邢臺供電分公司110kV節固智能變電站為例，設計智能變電站微網模型，經過分析可知這種設計利用現成智能設備減少了微電網的建設成本，既充分利用了內部環境資源，又提高了變電站站用電系統的可靠性，具有現實的經濟與節能意義。

【關鍵詞】：智能變電站；微電網設計；控制

1、微電網概述

微電網是由各種分布式電源、儲能單元、負荷以及監控和保護裝置組成的集合；具有靈活的運行方式和可調度性能，能在并網運行和孤島運行兩種模式間切換；通過相關控制裝置間的協調配合，可同時向用戶提供電能和熱能。根據實際情況，系統容量一般為數千瓦至數兆瓦，通常接在配電網中。對大電網來說，微電網可作為一個可控的“細胞”，是一個簡單的可調度負荷；對用戶來說，微電網可作為一個可定制的電網。

微電網是對智能電網的強力補充和支撐，分布式能源電力歸于智能電網產生的波動，故障或者安全性問題都將被微電網吸收消化，能夠抵抗一定的物理和網絡攻擊，實現系統的平衡和穩定。另外，微電網具有強大的備用功能，由于其可對分式式電能進行小范圍的分配，調度，可保障一定區域內電力系統的有效運行。另外微電網具備極強的兼容性，可接入不同的發電和儲能系統，自身實現電能的轉換和存儲。

2、智能變電站微電網

2.1智能變電站微電網設計

以國網河北省電力公司邢臺供電分公司110kV節固智能變電站為例（變電站廠區寬敞，太陽能、風能豐富；相鄰有農用配電網絡），設計智能變電站微電網模型見圖1。

圖1110kV節固智能變電站微電網模型

微電網的控制模型為混合型微電網，其中光伏與風機發電逆變并入400V交流環網，降壓到單相220V交流母線，帶動變電站站內交流負荷。逆變引出220V直流母線，經過穩壓補償裝置，輸出可靠的直流電供直流設備與控制電源使用。并網運行時，微電網發電可以并入主網，單相220V交流母線使用雙電源供電；蓄電池即可由微電網充電也可由10kV出線降壓充電。智能變電站微電網考慮到失電的可能，孤島情況下的微電網需要具有支撐微電網頻率、電壓，承擔功率波動的功能，一般采用恒壓恒頻控制或是下垂控制。若采用恒壓恒頻控制，雖然逆變器輸出端口的電壓、頻率維持恒定，但是相當于主分布式電源為無窮大母線，微電網內負荷需求的變化都由它滿足。可以看出，采用這種控制方法的微電網必須是大容量儲能裝置作為系統的主控制單元。實際上智能變電站微電網電源分布較散且有容量限制，無法滿足恒壓恒頻控制。故而智能變電站微電網更適合使用下垂控制原理，即系統中一臺分布式電源頻率偏離標稱值過大時，系統可以通過通信，向分布式電源控制器發送指令，向下平移其有功功率-頻率下垂特性曲線，假設調節過程中系統負荷不變，系統將進入新的穩態，從而實現了系統的頻率調整功能。與調頻原理相類似，微電網中對微電網源的無功功率-電壓的靜態特性的調整，微調平衡曲線實現了電壓的自我調節。由此，下垂控制可以實現智能變電站微電網獨立運行頻率無靜差和較小的電壓幅值偏移。下垂控制的優點在于在微電網并網運行和離網運行模式切換時不需要更改逆變裝置的控制策略，逆變裝置出現故障后不影響微電網網的正常運行。而且使用下垂控制策略的逆變裝置較少，可以提升了微電網網的經濟性。圖2為主從控制模型，采用這種控制模式，儲能系統作為主控電源在微電網轉為孤島運行時可以快速為系統提供功率支撐。但是根據上述可知：這種模型多采用恒壓恒頻控制，對其他微電網源的出力限制較多，受系統波動影響較大，無法滿足微電網進一步智能化、分布式電源多元化的要求。

圖2主從控制模型

如圖3為對等控制模型的結構圖，在對等控制模式下，微電網中每個采用下垂控制策略的微電網源都參與微電網電壓和頻率的調節。110kV節固智能變電站微電網電源以太陽能、風能、蓄電池、直流生物電互為備用，在負荷變化的情況下，自動依據下垂系數分擔負荷的變化量，各個微電網源通過調整各自輸出電壓的頻率和幅值，使微電網達到一個新的穩態工作點。

圖3對等控制模型

與主從控制模式相比，對等控制中的的所有微電網電源都參與功率的輸出與分配，易于實現微電網電源的即插即用，便于各種負荷的接入。此外，無論在并網運行模式還是在孤島運行模式，微電網的下垂控制策略可以不加變化，可以實現系統運行模式的無縫切換。

綜上所述，110kV節固智能變電站微電網的控制模型設計見圖4。如圖4節固智能變電站微電網控制模型，從3個層次實現對微電網的控制。第一層站控層，主要是配電網控制系統，可以監視與控制整個站內配電網，在孤立運行時可轉入微電網后臺控制，智能變電站站控層與微電網系統通用一套后臺系統。第二層為微電網控制層，主要單元為獨立的微電網后臺控制與微電網下垂特性控制器，其中下垂特性控制器可以實現并網過程中電壓頻率波動的再平衡，一個控制器可以同時控制多組不同分布式電源，如圖中400V交流微電網上的光伏發電、風機發電及220V直流電源；此外微電網控制器還可以調節配電網與微電網之間的變壓器、逆變裝置聯系。第三層為微電網的就地控制，原理相同于智能變電站站內的自動投切設備，如圖4可以對出口負荷、保護裝置、電池組、直流穩壓系統進行調整與控制。

圖4110kV節固智能變電站微電網控制模型

結語

微電網的形成和發展標志著電力行業整體服務意識、能源利用意識、環境保護意識的提高和改變。集中管理控制微電網分布式電源，可以使整個電力系統的性能得到最大發揮，減少主干電網在峰荷時期所承受的緊張情況，起到“削峰填谷”的作用，把微電網納入現有電力系統的負荷管理系統，可以為電力企業提供緊急功率支持等服務。

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