智能微電網在城市保底電網應用關鍵技術研究

王雨潼 王 科

（1 華北電力大學 北京 100080 2 中國南方電網公司 廣東廣州 510530）

引言

隨著能源清潔轉型和能源互聯網技術進步，電力系統的形態正在發生轉變化，逐步由超高壓、大容量、集中式向新能源、分布式、低碳化方向轉變。另一方面，現代社會對電力的依賴性越來越強，自然災害或外力破壞帶來的大面積停電的威脅與日俱增。

如何適應新趨勢變化，找到二者的平衡點是當前面臨的一個重要研究難題。本文從城市保底電網規劃建設的需求出發，對在其中應用當前方興未艾的智能微電網技術進行分析，提出相應的控制策略。

1 保底電網概念的提出和需求

保底電網是近年來電網公司為應對臺風、低溫、雨雪凝凍等自然災害，強化安全底線，創新電網發展理念而提出來的，目的是在自然災害來臨時能盡量能減小損失，災后能能夠快速恢復[1]。保底電網以保障市政基本運轉、盡量降低社會影響為出發點，以城市應急指揮機構、通信供水等核心基礎設施等為保障對象，選取重要變電站、重要線路和抗災保障電源進行差異化建設，形成保障指揮應急機構不停電、核心基礎設施可以快速復電的最小規模網架。在嚴重自然災害情況下，保底電網可分為多個局部電網獨立運行。

綜合防災保障體系是城市保底電網規劃的核心。通過積極引導抗災保障電源、用戶自備電源、應急移動電源等，推動形成“大電網聯絡支撐、抗災保障電源分區分層自平衡運行、用戶自備應急電源兜底、應急移動電源補充”的綜合放在保障體系，從而有效提升城市保底電網供電的安全可靠性。

智能微電網是由負荷、分布式能源、儲能設備、電力電子器件、測量監控及保護裝置等匯集而成的小型電力系統，能夠滿足用戶對電能質量和供電安全的需求，既可并網運行，也可孤島運行。

面對臺風等重大自然災害時，微電網可充分發揮其智能、清潔、自治、可靠、靈活、互動的特點，保障局部小電網的穩定運行，為城市保底電網綜合防災保障體系提供重要支撐。

2 微電網應用于城市保底電網控制策略

2.1 控制需求

在自然災害情況，整個外部大電網處于不穩定狀態，需要微電網能對其供電區域的有功、無功進行獨立控制，平滑的與外部電網并列和分離，并具有校正電壓跌落和系統不平衡的能力。在孤島運行模式下，通過調節可控發電單元、儲能單元和需求側管理，平衡功率差額，維持電壓和頻率穩定；在并網模式下，微電網和主網通過聯絡線進行功率交換[2-4]。

2.2 關鍵控制策略

2.2.1 無縫切換控制

微電網的無縫切換技術可以提高其供電可靠性，當外部電網故障時，仍可維持微電網內重要負荷的持續供電。若要實現無縫切換，需要具備以下技術條件：

（1）公共連接處有快速監測微電網孤島的保護設備，并將模式切換命令快速發給相關控制設備；

（2）具備高抗擾動能力的主電源設備；

（3）采用靜態電力電子雙向開關，開合時間小于10ms；

（4）分布式電源逆變裝置應具備低電壓穿越能力；

（5）高速的通信網絡。

2.2.2 運行控制

微電網運行控制策略包括恒PQ 控制、下垂控制和恒頻恒壓控制三種：

（1）恒PQ 控制。控制分布式電源輸出的有功功率和無功功率等于其參考功率，且不隨頻率、電壓變化而變化。參考功率可以是：①中央控制單位發出的計劃發電曲線；②根據平滑可再生能源功率波動給出的參考值。

（2）下垂控制。模擬常規電網的一次調頻，主要有P-f，Q-U調差率方式和P-U，Q-f 反調差率控制方式。

（3）恒頻恒壓控制。控制接入點的頻率、電壓恒定，檢測量為接入點的頻率和電壓。

其中（1）用于并網模式，（2）、（3）用于離網模式。

2.3 仿真驗證

本文采用Digslient 仿真軟件對提出的控制策略進行驗證，在5s 時微電網投入運行，有功由0 增至500kW，在5.5 秒時發生三相短路故障，微電網公共連接點殘壓為0.25p.u.。微電網從并網PQ 控制狀態轉為離網VF 狀態，5.6 秒時轉為孤網運行，用時僅100ms 左右。接入點仿真波形如圖1 所示。

故障電流峰值為1.26p.u.，故障切除后功率恢復期間超調約為0。微電網主電源具備低電壓穿越能力后，只需很小的過流能力即可在電壓跌落時保持逆變器不脫網。

圖1 微電網PQ轉VF仿真波形

3 應用案例

2018 年4 月，南方電網公司在廣州南沙投產城市中心區智能微電網項目，在臺風自然災害多發區域建成一個可實現離網孤島長期運行的微電網，其中光伏發電260kW、儲能系統1.5MWh、柴油發電機350kW。實現可再生能源100%消納，極端天氣外電中斷時，可保障用戶一周以上的供電。

項目利用本文提出的控制策略，實現了可再生能源100%消納，抵御自然災害和極端天氣情況下核心負荷一周以上不間斷供電，并利用無縫控制策略可在災后快速恢復重要負荷供電。同時項目具有黑啟動能力，極大提高整個供電系統的安全性、可靠性和可控性，探索微電網在保底電網的示范應用。

結語

為提高電網的防災抗災能力，保障自然災害情況下重要用戶的穩定供電，本文從保底電網規劃建設需求出發，提出將智能微電網應用于保底電網，并提出了微電網在孤島運行和并網運行情況下的無縫切換和運行控制策略，可為各地保底電網規劃建設提供參考。