風光儲微電網綜合能源管控與電力通信網需求

秦靖堯 韓子媛 王子衡 牛群峰

1.中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司；2.河南工業大學電氣工程學院

本文基于智能電力系統和電力物聯網建設背景下，對風光儲微電網綜合能源管控系統與電力通信網需求開展研究探討。首先介紹風光儲微電網綜合能源管控系統基本結構與物聯網網絡架構下通信網需求，重點分析了風光儲微電網中交流、直流、交直混合微電網結構、功能、存在的控制問題與研究方向。

隨著國家2020年提出的碳達峰和碳中和目標，太陽能、風能、地熱能等可再生能源由于不排放污染物并直接用于生產生活，其開發利用日益受到國家重視，對電力行業提出了新的任務和挑戰。構建以清潔能源為主、多能互補的智能電力系統及運行可靠、接入靈活的新型電力系統網絡，實現發輸變配用新型電力系統綜合管控，可有效支撐新能源、微電網的大比例接入，保障電力系統高效穩定運行，提高電網的智能化水平和智慧運維[1]。

1 風光儲微電網綜合能源管控系統

1.1 綜合能源管控系統結構

由分布式新能源(Distributed Energy Resources， DER)、儲能系統（Energy Storage System，ESS）、負荷與電力電子變換器構成微電網系統[2]，風光儲微電網綜合能源管控系統總體架構如圖1所示。

圖1 微電網綜合能源管控系統架構圖Fig.1 Architecture diagram of microgrid integrated energy management and control system

綜合能源管控系統包含新能源發電、通信網、負荷和儲能等各個環節，新型電力系統中，風能、太陽能為代表的分布式新能源大規模并入電網，多能互補，雙向互動。各類能源監控終端設備安裝在新能源現場，負責數據采集、控制等功能。本地終端設備之間采用無線通信方式(LoRa、ZigBee、NB-IoT等)增強新能源通信網對本地設備的通信覆蓋，通過4G/5G、電力專網等有線/無線遠程通信網與綜合能源監控平臺通信，綜合能源監控平臺實現源網荷儲數據全面感知、融合分析和微網智能協同管控等功能。

1.2 通信網需求

新型電力系統分布式的新能源數量眾多、區域分散、大規模接入電網的特點對現有的電力通信網提出新的需求，新能源高效并網消納、海量數據采集與分析、接入網業務承載、源網荷儲協同調度等，都對電力通信網帶寬、時延和安全性提出了更高的要求。傳統的光纖、電力線載波等通信方式在這些新需求下難以高效智能化支撐。基于軟件定義的高度靈活、智能協作的云、管、邊、端四層物聯網網絡架構與5G無線通信將成為替代現有通信網的新選擇。5G海量接入、超高帶寬、超低時延的通信特性及具有邊緣計算的電力切片技術，為多類型業務提供專用網絡通道、邊緣云計算、端對端服務和業務需求保障。

2 風光儲微電網

2.1 交流微電網

由于交流微電網能夠利用現有電網標準且交流微電網理論發展較為成熟，交流微電網成為當前風光發電微電網的主要存在形式，微網通過逆變器同步幅頻特征后接入大電網，目前常用于住宅與商業用電，其系統結構圖如圖2所示。從圖2中可以看出，交流微電網系統由風光發電系統、儲能系統與負荷三部分組成，經過逆變器同步幅頻特征后通過并網點實現微網系統與大電網連接。光伏發電包含光伏電池組、實現最大功率點追蹤MPPT的變換器以及逆變器，風力發電包含風機與變壓器；儲能系統通常包含多個儲能單元和實現儲能裝置自適應充放電控制的電路；負荷主要為常規電負載及電熱負載。

圖2 交流微電網結構圖Fig.2 AC microgrid structure diagram

交流微電網實際運行中存在著母線電壓調節復雜，無功功率難以適配、電壓頻率功角波動等問題，易導致棄光棄風現象的發生，目前交流微電網重點集中在交流微電網經濟化調度運行即系統滿足功率供需平衡使發電成本最小化、高質量電壓/頻率控制及諧波控制、微電網協調控制即協調各分布式電源所承擔負荷比例及系統功率合理分配、交流微電網內部保護及并網保護等方面研究[3-13]。

2.2 直流微電網

與交流微電網相比，采用直流母線作為微電網母線能夠實現在系統運行高效的同時簡化系統控制，省去多個變流器，無需考慮交流微電網中頻率、相位、無功潮流、諧波等問題，需要DC/AC逆變器實現與大電網的連接，系統成本和功率損耗大幅減少，進一步降低碳排放[14，15]。其次，對直流微電網控制僅考慮母線電壓，通過電流來實現潮流控制，更易于實現各子系統的協調控制。

直流微電網結構如圖3所示，從圖3中可以看出，光伏發電通過DC/DC變換器連接至微網直流母線，風力發電經變壓器及電力電子變換器連接直流母線，儲能系統通過雙向DC/DC變換器接入微網直流母線以維持母線電壓穩定、平衡微電網的功率波動，負荷通過逆變器接入直流母線。

圖3 直流微電網結構圖Fig.3 DC microgrid structure diagram

直流微電網實際運行中存在著直流母線電壓跌落、功率輸出不均等問題。直流微電網研究[16-20]主要集中在直流微電網配置優化、經濟運行，母線電壓穩定控制，系統內功率平衡與協調控制。

2.3 交直流混合微電網

交直流混合微電網同時含有交流微電網和直流微電網，可以直接向交流負荷和直流負荷供電[21]。交直流混合微電網集直流微電網及交流微電網優點于一身，大量減少了電力電子變換器的使用數量，減少微網系統的功率損耗，顯著降低了微電網系統的投資成本。交直流混合微電網一般分為兩種，系統架構分別如圖4、圖5所示，圖4中的交直流混合微電網由微網交流母線側經電力電子設備連接至大電網，圖5中的交直流混合微電網由微網直流母線側經電力電子設備連接至大電網，前者適用于交流型電源和負荷所占比重較大的區域，具備良好的電氣隔離特性，但存在功率流動不可控的缺點，后者適用于直流型電源及負荷占比較大的區域，具有微電網與大電網間功率流動可控的優點[22]。

圖4 混合微電網-交流母線連接大電網Fig.4 Hybrid microgrid - AC bus connecting the large grid

圖5 混合微電網-直流母線連接大電網Fig.5 Hybrid microgrid - DC bus connecting the large grid

交直流混合微電網系統結構較復雜，交直流母線之間的功率協調、電能質量、系統的經濟性、通訊、保護裝置等方面存在諸多問題，技術尚不成熟[23]。目前對交直流混合微電網的研究[24-29]主要集中在交直流母線功率分配、電能質量及穩定性提升、交直流混合微電網配置優化等方面。

2.4 儲能系統與控制策略

儲能裝置是微電網不可或缺的組成部分，能夠提高電網運行的穩定性與安全性，同時克服傳統電能即發即用局限，解決電網側削峰填谷、調節電網有功功率及無功功率。目前蓄電池、鋰電池和超級電容儲能方式在微電網儲能系統中應用較為廣泛。新能源發電自身間歇性、波動性和隨機性特點導致微網系統產生脈沖功率，加入儲能系統平衡電網中的功率波動，常采用蓄電池平衡微電網中的低頻波動，通過超級電容平衡微電網中的高頻波動[30]，通過神經網絡、智能控制、深度學習等算法實現高低頻功率平衡。

微網儲能系統經由綜合管控系統控制充放電調節微電網的功率平衡、穩定微電網母線電壓，在處于并網狀態時參與一次調頻，減緩大電網側的一次調頻壓力，維持電網母線電壓及頻率穩定，提升整個電力系統的穩定性與安全性，降低電網解列風險。

風光發電部分輸出功率大于負載功率時，對負載供電的同時根據發電余量及儲能系統荷電狀態對儲能系統進行充電或將多余電能并網；風光發電功率不足時，優先使用儲能系統平衡負載功率，后采用并網供電方式。

2.5 SOC電池的荷電狀態估計方法

為使電池具備良好性能、延長電池使用壽命，需要對電池進行準確SOC估計[31]。然而，儲能系統含有大量電池單體，每個單體的非線性并不相同，最終電池組表現出高度非線性趨勢，難以實現準確的SOC估計，這個問題的存在對傳統的阻安法、安時法提出了考驗，近年來卡爾曼濾波、神經網絡也參與到SOC估計中來，但是這些新型方法還停留在小容量電池階段，因此有關SOC準確估計算法仍有待進一步研究。

3 結語

新能源微電網是智能電網建設的重要組成部分，是實現碳達峰和碳中和的有效途徑。本文介紹了風光儲微電網綜合能源管控系統基本結構，探究物聯網網絡架構下5G、物聯網在微電網上的應用，同時對交流、直流、交直混合微電網進行對比分析，給出系統結構、功能、存在的問題及目前的研究方向。

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