微電網(wǎng)是由光伏、風(fēng)力、柴油發(fā)電機(jī)、生物質(zhì)能等分布式電源、用電負(fù)荷、監(jiān)控保護(hù)、儲(chǔ)能等自動(dòng)化裝置組成的能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部基本用電量平衡的小型供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以并網(wǎng)和離網(wǎng)運(yùn)行。本文介紹了微電網(wǎng)與虛擬電廠(chǎng)、虛擬同步機(jī)的異同點(diǎn)，選取規(guī)劃因子建立分析模型，解析了微電網(wǎng)中的穩(wěn)態(tài)問(wèn)題、諧波原因，采用分層控制技術(shù)調(diào)整優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行，最后結(jié)合案例來(lái)綜合了解微電網(wǎng)建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)。

1、 熱點(diǎn)對(duì)比

虛擬電廠(chǎng)：VPP，是聚合多種分布式能源資源構(gòu)成的特殊類(lèi)型的發(fā)電廠(chǎng)，通過(guò)先進(jìn)的控制、通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、柔性負(fù)荷、電動(dòng)汽車(chē)等分布式單元的協(xié)調(diào)控制和優(yōu)化運(yùn)行。

能效電廠(chǎng)：EPP，通過(guò)實(shí)施一攬子節(jié)電技術(shù)和能效項(xiàng)目，獲得需方節(jié)約的電力資源，國(guó)際能源界將實(shí)施電力需求側(cè)管理，開(kāi)發(fā)、調(diào)度需方資源所形成的的能力，形象地命名為能效電廠(chǎng)，能源電廠(chǎng)是虛擬電廠(chǎng)的一種模式。

虛擬同步機(jī)：VSG，借鑒同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械方程和電磁方程來(lái)控制并網(wǎng)逆變器，使得并網(wǎng)逆變器在機(jī)理上和外特性上能與同步發(fā)電機(jī)相媲美的控制策略，尤其是模仿同步機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，虛擬電廠(chǎng)包括了電源、負(fù)荷;而虛擬電廠(chǎng)是對(duì)負(fù)荷進(jìn)行控制。常規(guī)所認(rèn)為的并網(wǎng)型微電網(wǎng)是虛擬電廠(chǎng)的一種存在狀態(tài)。個(gè)人認(rèn)為，未來(lái)，和大電網(wǎng)相連的并網(wǎng)型微電網(wǎng)的終極狀態(tài)將是虛擬電廠(chǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

虛擬同步機(jī)是目前微電網(wǎng)控制技術(shù)中比較重要的一項(xiàng)技術(shù)，在微電網(wǎng)方程控制技術(shù)中處于中低層。VSG在并網(wǎng)或離網(wǎng)情況下都可以做，和電力電子這種跟隨型的控制技術(shù)相比，它是一種主動(dòng)型的控制技術(shù)。在配電網(wǎng)側(cè)，它也是一項(xiàng)非常好的技術(shù)，像光伏、風(fēng)電等只呈現(xiàn)出發(fā)電的屬性，并沒(méi)有體現(xiàn)出配電網(wǎng)的調(diào)節(jié)屬性。配電網(wǎng)側(cè)新能源接入比例逐漸增大后，對(duì)電源具備配電網(wǎng)調(diào)節(jié)的能力要求將越來(lái)越高。

相同點(diǎn)：

都是由各類(lèi)分布式電源和負(fù)荷構(gòu)成，接入配電網(wǎng)。

不同點(diǎn)：

微電網(wǎng)可以并網(wǎng)和孤島運(yùn)行，虛擬電廠(chǎng)只能并網(wǎng)運(yùn)行，

微電網(wǎng)的產(chǎn)權(quán)所有者只有一個(gè)，虛擬電廠(chǎng)的產(chǎn)權(quán)所有者可以是多個(gè)，但是它的運(yùn)營(yíng)方式只有一個(gè)，

微電網(wǎng)只有一個(gè)PCC點(diǎn)，虛擬電廠(chǎng)有多個(gè)接入點(diǎn)，

目前微電網(wǎng)更側(cè)重于技術(shù)問(wèn)題，如分層控制技術(shù)、滲透率控制技術(shù)等，隨著電力體制改革和能源戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)來(lái)看，虛擬電廠(chǎng)更加側(cè)重于技術(shù)基礎(chǔ)和商業(yè)模式的探討。

相同點(diǎn)：

被控主體是分布式電源，都在模擬發(fā)電廠(chǎng)的某些外部特性。

不同點(diǎn)：

虛擬電廠(chǎng)主要控制發(fā)電量和用電量，虛擬同步機(jī)主要控制PCS等電源，

在大電網(wǎng)或者微電網(wǎng)的分層控制中，越底層速度越高，虛擬同步機(jī)動(dòng)態(tài)時(shí)間域在毫秒到秒級(jí)之間，而虛擬電廠(chǎng)穩(wěn)定時(shí)間域在分鐘級(jí)以上，

虛擬電廠(chǎng)是多電源和多負(fù)荷協(xié)調(diào)控制，不需要在同步的控制周期下，虛擬同步機(jī)對(duì)控制的帶寬要求比較高，

虛擬同步機(jī)主要是基于電力電子技術(shù)和通信技術(shù)，虛擬電廠(chǎng)目前主要是考慮商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式的綜合性技術(shù)，或者是商業(yè)化的總包服務(wù)或者資產(chǎn)管理、資產(chǎn)交易等。

2、規(guī)劃因子

規(guī)劃因子是微電網(wǎng)選擇的約束模型，基于這個(gè)模型可以選擇比較優(yōu)質(zhì)的項(xiàng)目。規(guī)劃因子主要分為組成潛力評(píng)估、電網(wǎng)接入評(píng)估、電力市場(chǎng)政策和相關(guān)能源政策四部分。

3、源荷儲(chǔ)發(fā)電特性契合度

微電網(wǎng)的控制和分析需要先建立模型，知道源網(wǎng)荷儲(chǔ)之間的發(fā)電契合度，如上圖，在這個(gè)物理架構(gòu)的基礎(chǔ)上做一些控制仿真。

4、微網(wǎng)穩(wěn)態(tài)典型問(wèn)題

在微電網(wǎng)控制中有一個(gè)非常常見(jiàn)的問(wèn)題，即系統(tǒng)的震蕩、保護(hù)，這是在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中出現(xiàn)的一些暫態(tài)問(wèn)題。從物理上講微電網(wǎng)系統(tǒng)存在固定和非固定的諧振帶，且非固定諧振帶隨電源數(shù)量增多而向低頻偏移。電網(wǎng)阻抗增大，電源數(shù)量變多和鎖相環(huán)帶寬增大都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。

目前基本上所有的電源都能滿(mǎn)足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，但是并不完全滿(mǎn)足配電網(wǎng)的用戶(hù)需求，配電網(wǎng)的用戶(hù)需求需要電源有一定的調(diào)節(jié)能力，而目前的電源都是跟隨型的控制策略，需要鎖定和跟蹤電網(wǎng)的相位和頻率，所以把跟隨型的控制策略變成主動(dòng)型的控制策略，主動(dòng)調(diào)節(jié)配電網(wǎng)中的電壓、頻率以及多個(gè)電源之間有功、無(wú)功的分配。

微電網(wǎng)多電源運(yùn)行有下面兩種情況：

電壓幅值不等時(shí)，產(chǎn)生有功環(huán)流，有功環(huán)流與幅值差值成正比;

電壓行為不等時(shí)，產(chǎn)生無(wú)功環(huán)流隨相位差的增大非線(xiàn)性增大。

2018火電機(jī)組節(jié)能改造與清潔能源代替技術(shù)論壇 7月5-6日 北京

5、微網(wǎng)諧振原因

從電源發(fā)射特性看：

逆變器自身的非線(xiàn)性與死區(qū)等

負(fù)荷的非線(xiàn)性和沖擊性

電網(wǎng)背景諧波

從多電源并聯(lián)諧振看：

多電源之間存在阻抗耦合

控制方式會(huì)影響到電源之間的阻抗耦合

電網(wǎng)電抗與逆變器直接存在阻抗耦合

電源自身的固有諧振頻率

6、微電網(wǎng)諧振抑制結(jié)論

系統(tǒng)諧振帶為疊加諧振帶，包含自身諧振帶，并聯(lián)諧振帶和串聯(lián)諧振帶，合理選擇虛擬阻尼電阻可以有效衰減諧振效果。

采用頻域阻抗法可以分析新能源發(fā)電接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性，但Dq坐標(biāo)系下阻抗建模的物理意義模糊，阻抗難以直接測(cè)量，建議在abc坐標(biāo)系下進(jìn)行阻抗建模。

基于這些仿真分析和實(shí)驗(yàn)看，多負(fù)荷多電源的微電網(wǎng)系統(tǒng)采用VSG+虛擬阻抗技術(shù)可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效平衡各個(gè)電源之間的出力情況，VSG和虛擬阻抗的相關(guān)參數(shù)可以通過(guò)計(jì)算、仿真得出。

7、微電網(wǎng)分層控制技術(shù)

微電網(wǎng)不同于單個(gè)變流器，需要基于分層控制技術(shù)。上層主要是發(fā)電計(jì)劃、運(yùn)行模式、負(fù)荷預(yù)測(cè)、發(fā)電預(yù)測(cè)和機(jī)組組合的控制，中間層主要是孤島檢測(cè)、聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率控制、二次電壓和頻率控制，底層即電源層，主要是進(jìn)行一些VSG控制，阻尼阻抗、諧振抑制、功率分配等。

中間層向底層不同電源分配指令時(shí)基于很多的控制算法，例如不同電源之間的特性。在孤島運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)中的負(fù)荷不平衡，尤其新負(fù)荷、非線(xiàn)性負(fù)載比較多的時(shí)候，容易造成諧波污染，這時(shí)就需要按照不同的電源特性分配不同的指令，例如當(dāng)負(fù)載不平衡時(shí)，需要針對(duì)性的發(fā)出零序分量和負(fù)序分量，如果這些不平衡電流由儲(chǔ)能發(fā)出，那在儲(chǔ)能電源的直流側(cè)就會(huì)形成直流電壓紋波，對(duì)很多電池就會(huì)造成損壞。

目前常見(jiàn)的控制方式主要是有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信兩種，不同的通信方式有不同的特性。一般情況下，越往底層的通信，要求的控制帶寬越高，通信速率也就越高。從系統(tǒng)的控制上看，有效的控制帶寬越高，有效的控制速度越高，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高，這主要取決于通信協(xié)議和控制策略，并不是說(shuō)選用的物理介質(zhì)允許通信速率高，控制帶寬就高。

8、系統(tǒng)同步信號(hào)載波移相

上圖的中間層和光伏逆變器、風(fēng)電變流器之間通過(guò)光纖通訊連接，通過(guò)同步信號(hào)控制電源載波。載波移相可以有效的提高并網(wǎng)點(diǎn)的等效電頻，電頻數(shù)量隨設(shè)備的增加而增多，電能質(zhì)量也隨之越好。

在微電網(wǎng)中，設(shè)備之間并的電源越多，系統(tǒng)越容易震蕩，這時(shí)候可以增加虛擬阻抗策略、VSG策略以及提高并網(wǎng)端的等效電頻等，目的都是為了保證整個(gè)系統(tǒng)的控制增益不隨并聯(lián)設(shè)備的數(shù)量變多而降低。當(dāng)然這都是基于VSG+虛擬阻抗的前提而言。

9、優(yōu)化系統(tǒng)控制

上圖基于分層控制和快速通信技術(shù)，有效提高系統(tǒng)VF節(jié)點(diǎn)的容量，同時(shí)能針對(duì)不同電池的特性分配不同的指令，系統(tǒng)會(huì)分解出調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率和電壓所需要的有功、無(wú)功。根據(jù)直流對(duì)直流紋波電壓的敏感程度分配指令，既可以保證系統(tǒng)的容量增大，也可以保證系統(tǒng)相關(guān)器件壽命的延長(zhǎng)。

10、微電網(wǎng)上層和底層關(guān)鍵技術(shù)

微電網(wǎng)中，越接近底層越接近于控制技術(shù)，越接近上層越接近于商業(yè)模式。

大數(shù)據(jù)在交互級(jí)或者交易平臺(tái)級(jí)別都能用到，主要用來(lái)預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)增值、智能化運(yùn)維、智能化服務(wù)、資產(chǎn)定價(jià)、資產(chǎn)交易等。

個(gè)人認(rèn)為，區(qū)塊鏈和分布式發(fā)電或微電網(wǎng)有天然的契合度，在分布式發(fā)電或微電網(wǎng)的電力交易支付、資產(chǎn)交易記錄、征信等方面的應(yīng)用有很大前景。

微電網(wǎng)底層相關(guān)技術(shù)主要包括IOT、儲(chǔ)能等。儲(chǔ)能在微電網(wǎng)中扮演著穩(wěn)定源的角色，因?yàn)榇蟛糠中履茉磳儆诓环€(wěn)定源，如果整個(gè)系統(tǒng)要去發(fā)電和供需平衡，不穩(wěn)定源就需要儲(chǔ)能來(lái)補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

11、案例

智能控制：DF項(xiàng)目并離網(wǎng)無(wú)縫切換(DO反饋)

上圖是某項(xiàng)目的并離網(wǎng)切換實(shí)驗(yàn)。它是計(jì)劃性的并離網(wǎng)切換，離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)，同期跟蹤電網(wǎng)相位，然后基于VSG的同期分層控制，并網(wǎng)開(kāi)關(guān)閉合，完成了離網(wǎng)向并網(wǎng)的轉(zhuǎn)換，這個(gè)過(guò)程中并離網(wǎng)信號(hào)通過(guò)DO來(lái)反饋，速度比較快。

智能控制：并離網(wǎng)無(wú)縫切換(RS485)

上圖也是計(jì)劃性的并離網(wǎng)切換，它的整個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)電源，選擇RS485通信，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)電源之間的功率分配及并離網(wǎng)無(wú)縫切換的穩(wěn)定運(yùn)行。

智能控制：VSG模式并離網(wǎng)無(wú)縫切換(RS485)

上圖是基于RS485的多VSG模式的并離網(wǎng)切換，放大并離網(wǎng)切換時(shí)刻可以看到電流有一定變化，因?yàn)樵诓⒕W(wǎng)時(shí)響應(yīng)發(fā)電指令，離網(wǎng)時(shí)需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓和頻率，進(jìn)行二次調(diào)頻/調(diào)壓，功率會(huì)發(fā)生一點(diǎn)變化，但是整個(gè)系統(tǒng)的電壓保持不變。

上圖是并網(wǎng)情況下，以VSG控制策略在運(yùn)行的情況。電流突然變大，頻率下降，說(shuō)明在VSG的情況下，電源是有配電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力的。

微電網(wǎng)案例

1、金風(fēng)科技全球總部智慧能源示范項(xiàng)目

項(xiàng)目意義：

國(guó)內(nèi)首個(gè)MW級(jí)工業(yè)區(qū)智慧能源項(xiàng)目

北京市首家返送電微電網(wǎng)示范項(xiàng)目

國(guó)家863主動(dòng)配電網(wǎng)1MW支撐電源項(xiàng)目

IEC微電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)基地

中法國(guó)家級(jí)測(cè)試驗(yàn)證基地

孤島—并網(wǎng)雙模式運(yùn)行

項(xiàng)目?jī)r(jià)值：

年發(fā)電量392萬(wàn)度

可再生能源占比為32%

能耗總量下降約15%

節(jié)能率(折合標(biāo)煤)為14.3%

年減排二氧化碳3491噸

預(yù)期內(nèi)部收益率10.28%

一期滲透率：32%

二期滲透率：>100%

(2MW風(fēng)機(jī)+600k燃?xì)廨啓C(jī)+綠證，新能源占比接近100%)

項(xiàng)目參數(shù)：

2.5MW風(fēng)機(jī)

1067Kwp光伏(多晶硅990KW、單晶硅5KW、72KW碲化鎘薄膜)

65kW*2+600kW微燃機(jī)

釩液流：200 kW *4h

鋰電池：100 kW *1.5h

超級(jí)電容：200kW*10s

項(xiàng)目功能：

黑啟動(dòng)

削峰填谷，復(fù)用備用電源

多能互補(bǔ)

需求側(cè)相應(yīng)

冷熱電三聯(lián)供

解決方案：

光伏發(fā)電+風(fēng)力發(fā)電+儲(chǔ)能系統(tǒng)+節(jié)能改造+智慧能源管理平臺(tái)

運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：

上圖是通過(guò)釩液流儲(chǔ)能來(lái)平抑風(fēng)電的情況，藍(lán)色是風(fēng)電的出力曲線(xiàn)，紅色是儲(chǔ)能的出力曲線(xiàn)，綠色是兩者設(shè)備平滑后總的出力情況。

2、江蘇大豐風(fēng)電產(chǎn)業(yè)園智慧能源項(xiàng)目

項(xiàng)目意義：

國(guó)內(nèi)首個(gè)商業(yè)化并網(wǎng)型工業(yè)區(qū)微電網(wǎng)項(xiàng)目

項(xiàng)目?jī)r(jià)值：

年發(fā)電量433萬(wàn)度

可再生能源占比為21%

Co2減排4300噸/年

預(yù)期內(nèi)部收益率：9.5%

降低增容費(fèi)：4.8萬(wàn)元/月

項(xiàng)目參數(shù)：

2.0MW+100kW風(fēng)機(jī)

96kWp光伏

540kWh鉛炭?jī)?chǔ)能系統(tǒng)

解決方案：

風(fēng)力發(fā)電+光伏發(fā)電+儲(chǔ)能系統(tǒng)+能源管理系統(tǒng)+智慧能源管理平臺(tái)

微電網(wǎng)電力供客戶(hù)生產(chǎn)使用，年耗電1970萬(wàn)度左右。投資回收期：8.78年。

3、寧夏嘉澤智慧能源示范項(xiàng)目

項(xiàng)目意義：

國(guó)內(nèi)首個(gè)商業(yè)化MW級(jí)風(fēng)光燃儲(chǔ)多能互補(bǔ)項(xiàng)目

項(xiàng)目?jī)r(jià)值：

預(yù)計(jì)年發(fā)電量512萬(wàn)度

可再生能源占總用電量的31%

未來(lái)規(guī)劃發(fā)展清潔能源占比60%

年減排co2：4560.9噸

年收益約6.11%

項(xiàng)目參數(shù)：

2.0MW低風(fēng)速風(fēng)機(jī)

375KW太陽(yáng)能光伏

釩液流電池儲(chǔ)能：125kw*5h

65kw微燃機(jī)

暫態(tài)穩(wěn)控系統(tǒng)

電力智能調(diào)度系統(tǒng)

微電網(wǎng)發(fā)電側(cè)及負(fù)荷側(cè)全覆蓋監(jiān)控系統(tǒng)

2臺(tái)充電樁

解決方案：

風(fēng)力發(fā)電+光伏發(fā)電+微燃機(jī)/儲(chǔ)能/充電樁+智慧能源管理平臺(tái)

4、岳陽(yáng)高瀾智慧能源項(xiàng)目

項(xiàng)目意義：

湖南首個(gè)MW級(jí)智能微網(wǎng)項(xiàng)目

項(xiàng)目?jī)r(jià)值：

年發(fā)電量預(yù)計(jì)145萬(wàn)度

減少碳排放1291余噸

項(xiàng)目參數(shù)：

1.7MW光伏

600kWh鉛炭?jī)?chǔ)能

運(yùn)行方式：

峰谷套利

5、安徽無(wú)為國(guó)家級(jí)智慧能源示范點(diǎn)

項(xiàng)目意義：

國(guó)家首批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源示范項(xiàng)目

全國(guó)首家縣級(jí)城市智慧能源示范

智慧能源產(chǎn)業(yè)的里程碑，可推廣復(fù)制

項(xiàng)目?jī)r(jià)值：

新能源發(fā)電量6434萬(wàn)度

項(xiàng)目參數(shù)：

60MWp分布式光伏

6MW分布式風(fēng)機(jī)

20MW*2h壓縮空氣儲(chǔ)能

應(yīng)用場(chǎng)景：

峰谷套利

電能質(zhì)量?jī)?yōu)化

降低增容費(fèi)

降低可再生能源波動(dòng)，提高滲透率

關(guān)鍵負(fù)荷備用電源

解決方案：

光伏發(fā)電+風(fēng)力發(fā)電+空氣儲(chǔ)能+供熱供冷+管網(wǎng)系統(tǒng)+智慧能源管理平臺(tái)