風電、光伏及儲能微網控制策略研究

中國交通建設集團海外工程分公司 邱 琰

在電力系統中，對可再生能源利用較多的風電、光伏電力系統，可以大大緩解某些地區的電力短缺問題，但是利用這些能源存在不穩定的問題，其能源供應受到環境因素的影響，因此對于此類問題，一般會增加儲能系統和自動控制系統以保證其電力微網系統的穩定運行，保證其輸出電能穩定。

1 風電、光伏及儲能微網系統運行說明

微網的主要構成是發電單元、負荷、儲能裝置、功率變換器，以及控制保護裝置，是一種高效的輸配電系統。風電發電技術不僅具備了更大的風機發電容量、更好的變速恒頻控制機制，還具備了更環保、更有效的發電機組，在風力發電技術的發展中起到促進作用。光伏發電技術近幾十年來也在高速發展，光伏發電顧名思義是將太陽能用光伏電池板進行轉化，成為可以直接使用的電能。光伏發電技術在運用過程中不斷革新，國際國內一直有許多專家對其進行改進，以獲得穩定的最大功率的光伏發電技術。例如通過改進算法或者加以智能系統的控制。儲能技術是電網運行過程中必不可少的一部分，通過儲能技術來對電力進行儲存，在電網產生波動時或者電力短缺時進行輔助供電，以確保電網平穩運行。風電、光伏及儲能微網系統是目前較為熱門的一種微網系統，其不僅具備了可再生發電技術的優點，還結合了儲能系統的優點，使這種微網系統具備了較好的循環性能與較高質量的發電性能。此系統主要是由儲能系統在間歇性可再生能源發電過程中進行電力儲能，通過超級電容器的特性，保證在可再生能源間歇性發電過程中電力供應的穩定性。儲能系統具有高速的功率調節能力，其可以智能化地跟蹤電力波動程度，可以對風電及光伏發電系統進行檢測，并在發生波動時及時通過功率釋放及電力供給保證微網系統的穩定性，有效減少風電及光伏發電系統的輸出波動對微網的影響。

2 風電、光伏及儲能微網控制策略

2.1 電池組管理

風電、光伏及儲能微網電力系統中的電池組主要由蓄電池－超級電容器混合電池組構成。蓄電池的能量儲存量大，但是蓄電池的電池功率較低，壽命較短，并且其充電過程及放電過程速度過慢，對于需要頻繁充電放電的微網系統適應性差。而超級電容器則恰恰相反，超級電容器雖然在同體積下能量儲存量小于蓄電池，但是超級電容器電池功率高、壽命長，最重要的是超級電容器的充電及放電速度快，適合微網這樣需要頻繁充電放電的電力系統，因此將超級電容器與蓄電池結合起來形成混合電池組，對于微網系統來說，不僅有了足夠大的電力容量，還可以增加其功率，延長其使用壽命，提高其充電放電速度，提高由混合電池組構成的風電、光伏及儲能微網電力系統的運行效率，為電力系統的運轉提高經濟效益與可靠性[1]。

2.2 微網電能質量分析

在風電、光伏及儲能微網電力系統的運行過程中，基于其電池組的混合特點，導致其輸出功率中波動較大頻率較高的部分由超級電容器承擔，其中輸出功率中波動較小頻率較平緩的部分由蓄電池構成。在風力發電技術中，一般建立的風力發電機組發電功率從600kW 到5MW 不等，目前采用的風力發電機已從恒速恒頻發展為變速恒頻，其電能質量有所突破。在光伏發電技術中，一般的地面集中式光伏電站發電功率都大于風力發電技術，光伏發電具有間歇性的特點，會影響電網的電能質量。風電、光伏及儲能構建的微電網系統，其主要儲能部位由超級電容器及蓄電池構成，其運行時電容量為0.5～1000F，工作電壓為12～400V，最大放電電流為400～2000A，最大儲能量30MJ，其系統對于電網中短時大功率輸出有極大幫助，電池組的配合利用極大地提高了能量密度和能量質量。

2.3 控制系統管理

風電、光伏及儲能微網電力系統運行時，微網系統的AC/DC 變換器控制始終處于對電池組及電流運行狀況的跟蹤控制，保證其系統始終以高效率運轉。風電系統及光伏發電系統在運轉過程中會出現波動，并會隨著時間和季節變動，這一點會導致微電網系統運行時電能輸出不穩，會導致微電網系統與配電網之間的系統功率波動，造成經濟損失。為避免由可再生資源間歇性導致的功率波動問題，微網管理控制系統一般采用帶儲能的有功和無功功率控制策略保證其功率穩定，從而保證其系統運行正常。儲能有功控制策略是通過微網的AC/DC 變換器對網內電池組及發電系統實施監測，保持網內的功率平衡，當儲能系統運行能力過低時，其控制管理器通過改變網間交換功率有功參考值，避免儲能系統過度充放電。儲能無功控制策略則是當配電網系統需要微網系統提供無功時，微源可以發出無功，當微源輸出值最大無功功率，對無功負荷的需求仍不能滿足時，配電網可以提供無功補償，保證風電、光伏及儲能微網電力系統的運行穩定性。

2.4 微網控制系統穩定性分析

對于并聯系統的風電、光伏及儲能微網電力系統穩定性控制，需要采用靜止無功補償器對無功功率進行及時的補充，維持風電、光伏發電系統的電壓穩定性，同時配合蓄電池及超級電容器的混合電池組進行風電、光伏系統的有功功率調節。同時利用儲能系統的優勢，對風電、光伏發電系統運行過程中產生的一些不可調度的電力單元進行調控，使其成為可調度的電力單元，進而對電力系統的頻率進行控制，提高電能質量，提高風電、光伏及儲能微網電力系統穩定運行。

對于串聯系統的風電、光伏及儲能微網電力系統穩定性控制，當風電、光伏及儲能微網電力系統發生電力運行不平穩時，由于系統具有由蓄電池及超級電容器構成的儲能系統，其儲能系統可以將串聯補償后的負荷電壓快速恢復到正常數值，讓發電系統的電磁轉矩和機械轉矩重新構成平衡狀態，使負荷電壓穩定在一定數值內。串聯補償方式對于電壓調節有著特有的良好調節能力。

將串并聯系統集合起來，通過對風電、光伏及儲能微網電力系統的協調調控，不僅可以在風電、光伏發電系統運轉過程中提供穩定性的支持，還可以在發生電力運行不穩定時，及時進行補償調整，以保證電力系統整體的穩定性。

2.5 安全管理

風電、光伏及儲能微網電力系統具有特殊性。風力發電系統由于環境和季節因素，容易發生間歇性斷供問題，并且在不同時期其發電功率會產生較大的差異，其發電穩定性較差；而光伏發電系統則是與風力發電系統有著同樣的問題，其發電過程也受到環境和季節因素的影響，存在穩定性差的問題。這兩個不穩定性發電系統的構成，導致了微網電力系統控制困難，為了保證其安全管理，通過儲能系統的蓄電池-超級電容器的特殊性，對電力系統內部發電量與供電量實施追蹤，對輸出波動時進行合適的調控，保證微電網內系統運行穩定性，從而保證風電、光伏及儲能微網電力系統的安全管理。

3 微網系統運維管理重難點

3.1 優化程序及標準化運作

為了保證風電、光伏及儲能微網電力系統的正常運行，需要做好對系統程序的優化工作并且做到系統運作標準化、專業化。對此，可以利用互聯網技術，對系統程序進行智能化，將微網系統中的電力數據等實時傳輸進入云端，并通過云端遠程監控確保系統正常運轉，并在系統數據出現異常時，能夠及時通過互聯網系統進行遠程調控，使其問題發生率大大降低。對于電網系統中的工作人員，除了需要定期進行技能培訓外，還需不斷進行安全教育和安全考試，通過此方式不斷強化工作人員的技術水準與安全意識，保證其在電力系統運行過程中的運作方式符合標準規范，避免因操作失誤造成的電網問題。對于長期運轉的電站設備，需要由專業人員對其運轉狀況進行定期檢查，對其設備維護與保養也需要做到定期定時，將設備的維護管理過程規范化、標準化，使電站設備使用壽命延長[2]。

3.2 提高電站運行期間調度水平

對于電站運行期間的調度水平問題，則需要通過完善值班制度、完善巡查機制、提高信息交流效率等方式進行提高。首先是對電站值班制度的完善，在電站，尤其是中國這樣人口密度大的國家，其電站密度也是較大的，因此對于電站的人員調度問題需要科學規范，對電站的值班人員和值班時間通過科學規范的分配保證其人員時間達到平均，使電站運行過程中時刻都有專業人員對其進行監督和調控。而電站的巡查機制，首先需要對巡查人員進行系統的專業知識培訓，使其對電站內的配套設施和電力監控系統足夠熟悉，并提升其對突發事件的應對能力和處理能力，其次需對巡查人員進行人數和地區上的分配，保證每一個電力系統的運轉區域都能受到專業人員的監管。最后則是提高電站的信息交流效率，這一點可以配合上述提出的智能化系統進行配套管理，通過網絡云端，將上級電站的意見和命令快速傳遞至下級電站的每個人員手機中，使其信息傳遞效率大大提高，并且在電站運行期間，其監管人員可以配合智能化系統及時探查電力異常部位，將潛在的危險及時解決，以保證人民的人身安全和財產安全[3]。

3.3 增強對電站事故的預防與診斷

工作人員配合智能化管理系統，對電站運轉范圍內的電力系統實時監管，并對出現電力異常的部位及時檢查和調節，將可能發生的安全事故扼殺在搖籃。對此，需要做到工作人員具有較高的專業水準和較強的問題處理能力，這一點需要電站管理人員對工作人員的篩選做到從嚴從優，對于篩選合格的人員需要定期進行培訓和考試，以確保其專業水平的穩定，并對其進行專業的安全事故應對方法培養，提高其事故處理能力和防范能力，從而增強對電站事故的預防和處理能力。

3.4 增強對電力設備管理的力度

第一，對于電力設備的管理：一是要檢查變壓器，看其是否保持著正常運行狀態，如果有受潮、顏色變化情況，需要進行接點檢查；二是要定期開展紅外測溫工作，如果發現設備運行負荷較大，需要根據實際情況增加相應的檢測次數，按照接點的情況，合理調整相應的檢測周期，并加以細致記錄；三是需要全方位維護斷路器，按照設備的運行狀態，開展細致清理工作，確保電力設備沒有銹蝕問題。第二，對于電力系統變電運行設備的管理與維護，主要由以下方面組成：一是要開展傳動試驗工作，重點檢測機電裝置的運行情況，及時開展相應的停電檢查作業；二是要觀測電力系統中央信號系統的運行情況，做好二次回路的檢查工作。第三，對于交流電與直流電系統的維護工作：一是要遵循各項管理制度和行為標準，針對蓄電池的溫度和電壓進行細致測量，并且定期開展電池外殼的清理工作，減少其中的銹蝕問題；二是要開展交流系統和直流系統接點的檢測工作，加強重點維護工作，及時發現其中的不足之處，并加以適當處理。

4 結語

風電、光伏及儲能微網電力系統是一種經濟效益極高的電力微網系統，其具備的能源可持續性及穩定性是值得國家與企業大力關注的。對于發展迅速、能源需求量極大的當今中國來說，努力發展此類高效可持續的能源電力網絡是緩解國內化石能源短缺的一大重要手段，是有助于中國擺脫西方國家對其能源掣肘的一個潛在方案，此電力微網系統，不僅可以造福國家社會，更可以對人們的生活作業有很高的積極作用，對于維持國內生態環境也有著積極作用。