實驗室微電網簡介

謝鴻齡++牛林++劉祥明++劉水

【摘要】近年來國內部分高校已經開始微電網技術的研究，本文將以實驗室微電網為對象，介紹實驗室微電網的結構、控制方式、運行方式以及常用控制策略；通過對實驗室微電網的介紹，讓讀者了解實驗室微電網的控制方式和運行狀態，以及風、光、儲多能如何互補、平衡，與外電網的能量配合等問題。

【中圖分類號】TM7-2 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）02-0260-02

一、微電網發展背景

可再生能源發電成為新能源利用的重要途徑，尤其是清潔能源的開發和利用，包括風能、太陽能等清潔能源；然而隨著越來越多的分布式發電（風力發電、光伏發電）接入電網，傳統配電網的結構將發生變化[1]。分布式發電中的涉及整流和逆變等電力電子裝置，勢必給整個電網帶來較大的諧波，這是新能源在利用時不得不面對的問題。微電網的提出為新能源的利用提供了新的思路[1][2]。

二、微電網的定義

微電網[1]是一種小型電網，包括傳統電網的所有部分，包括發電、輸電、變電、配電、負載等五大方面，將風力發電、光伏發電等新能源發電、負荷、儲能、控制裝置有機整合在一起，將新能源電源作為微電網的組成部分，通過微電網與外電網相連，最大程度的利用新能源[1][2]。

三、實驗室微電網的構成

微電網實驗室包括發電、輸電、變電、配電、用電五大部分組成，以20kW光伏、4臺2kW風機為電源，由光伏并網逆變器、風機并網控制器、電池管理系統（BMS）、雙向儲能變流器（PCS）、單體容量為100Ah聚儲能鋰電池、并離網控制裝置MSD-831、380V母線、母線斷路器、通信管理機等裝置組成實驗室微電網系統。

四、微電網的控制

微電網的控制，軟件方面是由微電網能量管理系統來完成，硬件方面是由并離網控制器、雙向儲能變流器等設備組成[1][2]；微電網能量管理系統監控著各個開關的狀態，包括風力發電機、光伏組件與母線之間的開關，微電網與外電網之間的開關，以及氣象條件，如風速、氣溫等[1][2]；還可以采集風力發電、光伏發電的發電曲線、發電量以及光照強度等信息；微電網能量管理系統可以對所監控的開關、設備進行后臺操作；通過微電網能量管理系統自身的控制策略還可對微電網作出相應的運行控制，如離網能量平衡、儲能SOE維護、黑啟動等。

五、微電網的運行

實驗室微電網的運行有并網運行與孤島運行兩種方式，發電方式為風力發電和光伏發電兩種新能源發電，光伏組件發電后由匯流箱匯流進入光伏逆變器[1][3]，逆變后接入母線；風力發電機發電后由地下電纜接入風機控制柜，電源接入母線后，則由母線分配電能給本地負載使用，同時與外電網相連，可將多余電能送入外電網[1][2]；當并網運行時，微電網所發出電能，如太陽能發電、風能發電，一方面供給本地一、二、三級負荷，另一方面對本地儲能充電，剩余電量進入外電網；當外電網故障時則與外電網斷開，獨立運行。

1.并網運行

當環境風速達到3m/s時，風力發電機啟動發電，并通過風機控制器接入380V母線；光伏組件在有光照的情況下通過匯流箱和光伏逆變器將電能接入380V母線；微電網在滿足本地負載和儲能的情況下，若電源出力充足，則送入外電網；并網運行時微電網電源出力優先本地負載和儲能[1][3]，如果對微電網電源出力有限制，則會按照預先設置的交換功率曲線對電源出力進行調控，不一定是額定運行，可能是調度運行；如果微電網電源出力不足，則由微電網電源與外電網電能同時對微電網本地負載和儲能供電。

2.孤島運行

當外電網遭受攻擊或者故障時，則微電網檢測故障后由微電網并離網控制器將微電網與外電網斷開，微電網轉入孤島運行[1]，此時由微電網的電源對儲能和本地負載供電；有時由于特殊原因，比如天氣等原因，微電網電源出力不足，則不足部分由儲能提供電能供給本地負載，如果出現微電網電源出力嚴重不足甚至沒有出力，則儲能獨自供給負載，隨著儲能下降，則將三級負載切除，隨后切除二級負載，若電源仍不能恢復，則一級負載切除，微電網停止供電；當微電網電源出力恢復，則恢復一級負載，隨之恢復二級、三級負載，同時維護儲能；當外電網恢復后，則由孤島運行轉為并網運行，繼續和外電網并網運行。

3.控制策略

實驗室微電網通過微電網管理系統來控制，控制策略包括黑啟動、離網能量平衡、防逆流、儲能SOC自動維護、交換功率控制、儲能充放電曲線控制、并網自動恢復、平滑出力控制等策略，實驗室微電網系統的常用控制策略為離網能量平衡和儲能SOC自動維護。

（1）離網能量平衡

當微電網并網運行時，風電和光伏發電如果出力足，除了供給儲能和本地負載以外，剩余電量將送入外電網，當微電網獨立運行時，則離網能量平衡策略保證發電、儲能、負載之間的平衡，離網運行后，如果風電和光伏發電出力足，則保證儲能和本地負載的基礎上，將多余出力限制[1][2]；如果出力不足，則不足部分由儲能供給；儲能則扮演著制衡者的角色，風電和光伏發電如果出力足則儲能是和本地負載一起得到電能，若儲能已經達到上限，則由負載自身消耗，若不能消耗，則限制風、光出力；風電和光伏發電如果出力不足，則儲能為電源的角色，儲能和風、光一起供給本地負載，讓儲能、風力、光伏在離網下達到平衡。

（2）儲能SOC自動維護

實驗室微電網儲能由電池管理系統（BMS）、雙向儲能變流器（PCS）、單體容量為100Ah聚儲能鋰電池構成，電池管理系統監測每個單體電池的電壓、電流的大小[1]，雙向儲能變流器的直流側與電池相連，交流側與變壓器相連，當直流側和交流側都有電，則微電網處于并網運行，風、光出力對儲能電池和負載供電，當電池管理系統檢測充電已達到上限，則進入維護，電能全部供給負載，剩余送出外電網，若沒有剩余甚至出力不足，則由外電網供給本地負載，同時對儲能電池逆變后充電；當外電網失電，雙向儲能變流器的交流側母線失電，則由并離網控制裝置MSD-831發出并網轉離網運行的信號，則微電網孤島運行[1][2]；此時儲能SOC自動維護對電池繼續維護，如果風光出力足，則供給負載和電池，若電池不需要充電，則限制風光出力；如果風光出力不足，則儲能電池放電供給本地負載，隨著電池儲能下降，將分步驟切除一、二、三級負荷，保證電池電量處于最低下限時停止供電，讓儲能得到維護；當出力恢復或者外電網恢復時，則逐漸恢復一、二、三級負載，同時對儲能充電，當電池電量達到上限，則停止充電。endprint

六、結語

實驗室微電網已經具備了微電網的基本結構，包括風能、光能、儲能，通過黑啟動、離網能量平衡、防逆流、儲能SOC自動維護、交換功率控制、儲能充放電曲線控制、并網自動恢復、平滑出力控制等策略，可以研究實驗室微電網與外電網在能量方面的優化配置；后續將繼續增加柴油發電機作為補充能源的微電網與外電網在風、光、儲、備等多方能量的平衡研究，最大限度的利用新能源，微電網具備自己的電源，將風、光等新能源、儲能以及備用電源和本地負載有機整合，控制各個能量之間的分配和外電網的電能達到平衡；這將是未來電網發展的重要方向之一。

參考文獻

[1]李富生.微電網技術及工程應用[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]時珊珊，魯宗相，周雙喜，閔勇.中國微電網的特點和發展方向[J].中國電力，2009，7（42）：21-25.

Shi shan-shan，Lu zong-xiang，Zhou shuang-xi，Min yong.The characteristics and development direction of Chinas micro-grid[J].China power，2009，7（42）：21-25.

[3]左文霞，李澍森，吳夕科，程軍照.微電網技術及發展概況[J].中國電力，2009，7（42）：26-30.

Zuo wen-xia，Li peng-sen，Wu xi-ke，Cheng jun-zhao.Microgrid technology and development overview[J].China power，2009，7（42）：26-30.

第一作者：謝鴻齡，男，碩士，助教，主要從事微電網運行、電子變流研究，申報專利13項，其中以第一作者身份申報發明專利兩項，獲得授權實用新型專利11項；主持云南省科技廳青年項目一項，紅河學院校級項目一項，參與國家自科基金項目一項，紅河學院教改項目兩項，博士啟動項目一項；在第一屆全國大學生“恩智浦”杯智能汽車競賽中獲西部賽區光電組三等獎。

第二作者：牛林（1963-），女，教授，碩士，主要研究方向為過程控制。

第三作者：劉祥明（1979-），男，講師，博士，主要研究方向為智能機器人。

第四作者：劉水（1987-），女，學士，畢業于昆明理工大學津橋學院，計算機科學技術專業，現工作于紅河州氣象局，主要從事氣象信息技術等信息工作。endprint