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摘要：以海島為研究對(duì)象，根據(jù)其負(fù)荷及供電特點(diǎn)，對(duì)其微電網(wǎng)及其能量管理系統(tǒng)展開研究。
關(guān)鍵詞：孤島；微電網(wǎng)；能量管理系統(tǒng)；可再生能源
O引言
隨著電網(wǎng)“建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的提出，我國電力工業(yè)進(jìn)入大容量、高電壓的大電網(wǎng)階段，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，由于大范圍交流同步電網(wǎng)存在低頻振蕩和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致大面積停電的可能性變大。而微電網(wǎng)是對(duì)現(xiàn)有大電網(wǎng)的有效補(bǔ)充，可以在離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種狀態(tài)之間任意切換，能提高電力系統(tǒng)的可靠性和抗災(zāi)能力，同時(shí)微電網(wǎng)還有利于提高電能質(zhì)量和可再生能源在我國的發(fā)展。
孤島微電網(wǎng)是為大電網(wǎng)無法覆蓋地區(qū)提供電能的一種有效途徑。在我國，海島地理位置*，風(fēng)能、太陽能等資源充足，非常適合微電網(wǎng)的構(gòu)建。微電網(wǎng)系統(tǒng)承受擾動(dòng)的能力相對(duì)較弱，尤其是在孤島(自主)運(yùn)行模式下，考慮到風(fēng)能、太陽能資源的隨機(jī)性，系統(tǒng)的安全性可能面臨更高的風(fēng)險(xiǎn)。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)可以保障微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文將對(duì)典型的孤島——海島的微電網(wǎng)及能量管理系統(tǒng)進(jìn)行分析、研究。
1海島微電網(wǎng)特點(diǎn)
海島的負(fù)荷及供電具有負(fù)荷區(qū)域集中、功率等級(jí)小(一般在1MW以下)等特點(diǎn)。海島上通常使用柴油發(fā)電作為主要能源。故其供電往往需要持續(xù)性地提供柴油補(bǔ)給，用電成本高，有時(shí)會(huì)受氣候等因素影響無法補(bǔ)給，而且柴油發(fā)電也存在噪聲及環(huán)境污染等缺陷。海島上可利用的可再生能源通常有：風(fēng)能、潮汐能、波浪能、洋流能等。
2海島微網(wǎng)及其能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)海島的多能源及供電用電特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)包含：供電功率能支持到2MW，可以滿足絕大部分中小島嶼的供電需求；支持化石能源、風(fēng)能、光伏、海洋能等多能源接入，且支持多能源間的無縫切換及組合；多能源能量輸入與用戶負(fù)荷端隔離，保障用電安全；大限度提高清潔能源的利用率；通過的電池管理控制，保證儲(chǔ)能單元的使用壽命。根據(jù)系統(tǒng)功能及設(shè)計(jì)目標(biāo)，所構(gòu)建系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
該系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：
(1)采用集中直流母線架構(gòu)，所有能量交換均發(fā)生在直流母線。
(2)直流母線上的電能通過交流電壓源逆變器轉(zhuǎn)換為交流電源，負(fù)載從交流電源上獲取電能。直流母線與交流母線通過逆變器隔離。
(3)儲(chǔ)能單元直掛直流母線，可根據(jù)發(fā)電與用電端的負(fù)載匹配狀況，自動(dòng)進(jìn)行充、放電轉(zhuǎn)換。
(4)通過能量管理系統(tǒng)對(duì)各能源的發(fā)電功率進(jìn)行調(diào)度，調(diào)度原則是以使用可再生能源為主，在不影響儲(chǔ)能單元壽命的前提下，盡量少用或不用化石能源。
2.2系統(tǒng)運(yùn)行方式
以柴油發(fā)電機(jī)組和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分別代表化石能源和可再生能源。以柴油發(fā)電機(jī)組為代表的化石能源不宜頻率啟動(dòng)，并且啟動(dòng)后通常有運(yùn)行時(shí)間少的要求，故系統(tǒng)的基本運(yùn)行原則為：較大化可再生能源輸出，當(dāng)負(fù)載足夠消納時(shí)，可再生能源始終保持較大出力；較小化化石能源的啟動(dòng)頻率，當(dāng)化石能源啟動(dòng)后，一直運(yùn)行到儲(chǔ)能單元達(dá)到較大充電狀態(tài)時(shí)停止；充分保護(hù)蓄電池組壽命，根據(jù)蓄電池組的類型，使蓄電池組保持在正常運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)蓄電池組壽命。系統(tǒng)有風(fēng)儲(chǔ)模式、風(fēng)柴儲(chǔ)模式和純柴模式等三種運(yùn)行方式。其中純柴模式下，柴油機(jī)組作為交流電壓源使用，通過旁路開關(guān)直接向負(fù)載供電，可控整流器與交流逆變器均不工作，該模式屬于應(yīng)急備用模式。三類模式的運(yùn)行方式如圖2所示。
微網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行主要通過能量管理系統(tǒng)通過儲(chǔ)能電池組、蓄電池管理系統(tǒng)、輸出逆變器之間的配合運(yùn)行而實(shí)現(xiàn)。
3系統(tǒng)控制策略
根據(jù)系統(tǒng)的能量管理目標(biāo)，系統(tǒng)采用修正的硬充電控制策略(RHCC)，即僅在蓄電池荷電狀態(tài)達(dá)到下限臨界值時(shí)啟動(dòng)化石能源發(fā)電，啟動(dòng)之后使化石能源保持能夠穩(wěn)定系統(tǒng)且為蓄電池組充電的較小功率運(yùn)行，當(dāng)蓄電池組充滿之后停止化石能源發(fā)電。其中蓄電池組荷電狀態(tài)下限為不影響蓄電池組壽命的預(yù)設(shè)值，根據(jù)儲(chǔ)能單元的類型不同而有所區(qū)別。
4 Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)概述
Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，是我司根據(jù)新型電力系統(tǒng)下微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的要求，總結(jié)國內(nèi)外的研究和生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，專門研制出的企業(yè)微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及充電樁的接入，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，直接監(jiān)視光伏、風(fēng)能、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電樁運(yùn)行狀態(tài)及健康狀況，是一個(gè)集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上以經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行為目標(biāo)，提升可再生能源應(yīng)用，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)；有效實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負(fù)荷，提高電力設(shè)備運(yùn)行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網(wǎng)能量管理提供安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了全新的解決方案。
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)應(yīng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，整個(gè)能量管理系統(tǒng)在物理上分為三個(gè)層：設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層和站控層。站級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)及TCP/IP通信協(xié)議，物理媒介可以為光纖、網(wǎng)線、屏蔽雙絞線等。系統(tǒng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。
本方案遵循的標(biāo)準(zhǔn)有：
本技術(shù)規(guī)范書提供的設(shè)備應(yīng)滿足以下規(guī)定、法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：
GB/T26802.1-2011工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通用規(guī)范的1部分：通用要求
GB/T26806.2-2011工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)基本平臺(tái)2部分：性能評(píng)定方法
GB/T26802.5-2011工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通用規(guī)范5部分：場(chǎng)地安全要求
GB/T26802.6-2011工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通用規(guī)范6部分：驗(yàn)收大綱
GB/T2887-2011計(jì)算機(jī)場(chǎng)地通用規(guī)范
GB/T20270-2006信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)安全技術(shù)要求
GB50174-2018電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范
DL/T634.5101遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)5-101部分:傳輸規(guī)約基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)
DL/T634.5104遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)5-104部分:傳輸規(guī)約采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議子集的IEC60870-5-網(wǎng)絡(luò)訪問101
GB/T33589-2017微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定
GB/T36274-2018微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范
GB/T51341-2018微電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
GB/T36270-2018微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范
DL/T1864-2018型微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范
T/CEC182-2018微電網(wǎng)并網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行規(guī)范
T/CEC150-2018低壓微電網(wǎng)并網(wǎng)一體化裝置技術(shù)規(guī)范
T/CEC151-2018并網(wǎng)型交直流混合微電網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)規(guī)范
T/CEC152-2018并網(wǎng)型微電網(wǎng)需求響應(yīng)技術(shù)要求
T/CEC153-2018并網(wǎng)型微電網(wǎng)負(fù)荷管理技術(shù)導(dǎo)則
T/CEC182-2018微電網(wǎng)并網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行規(guī)范
T/CEC5005-2018微電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范
NB/T10148-2019微電網(wǎng)的1部分：微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則
NB/T10149-2019微電網(wǎng)2部分：微電網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)則
系統(tǒng)可應(yīng)用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。
5系統(tǒng)配置
本平臺(tái)采用分層分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即站控層、網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層，詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：
圖1典型微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)組網(wǎng)方式
6系統(tǒng)功能
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)人機(jī)界面友好，應(yīng)能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關(guān)等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號(hào)。其中，各子系統(tǒng)回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、頻率和正向有功電能累計(jì)值；狀態(tài)參數(shù)主要有：開關(guān)狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。
系統(tǒng)應(yīng)可以對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電管理，使管理人員實(shí)時(shí)掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲(chǔ)能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲(chǔ)能單元運(yùn)行功率設(shè)置等。
系統(tǒng)應(yīng)可以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)管理，能夠根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)告警，并支持定期的電池維護(hù)。
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面，包含微電網(wǎng)光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁及總體負(fù)荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據(jù)不同的需求，也可將充電，儲(chǔ)能及光伏系統(tǒng)信息進(jìn)行顯示。
圖2系統(tǒng)主界面
子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風(fēng)電信息、儲(chǔ)能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計(jì)列表等。
圖3光伏系統(tǒng)界面
本界面用來展示對(duì)光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側(cè)、交流側(cè)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及報(bào)警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計(jì)及分析、并網(wǎng)柜電力監(jiān)測(cè)及發(fā)電量統(tǒng)計(jì)、電站發(fā)電量年有效利用小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)、發(fā)電收益統(tǒng)計(jì)、碳減排統(tǒng)計(jì)、輻照度/風(fēng)力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個(gè)逆變器的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。
圖4儲(chǔ)能系統(tǒng)界面
本界面主要用來展示本系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝機(jī)容量、儲(chǔ)能當(dāng)前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。
本界面主要用來展示對(duì)PCS的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括開關(guān)機(jī)、運(yùn)行模式、功率設(shè)定以及電壓、電流的限值。
圖6儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS參數(shù)設(shè)置界面
本界面用來展示對(duì)BMS的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括電芯電壓、溫度保護(hù)限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。
圖7儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)界面
本界面用來展示對(duì)PCS電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等。
圖8儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS交流側(cè)數(shù)據(jù)界面
本界面用來展示對(duì)PCS交流側(cè)數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)、溫度值等。同時(shí)針對(duì)交流側(cè)的異常信息進(jìn)行告警。
圖9儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS直流側(cè)數(shù)據(jù)界面
本界面用來展示對(duì)PCS直流側(cè)數(shù)據(jù)，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時(shí)針對(duì)直流側(cè)的異常信息進(jìn)行告警。
圖10儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS狀態(tài)界面
本界面用來展示對(duì)PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、STS運(yùn)行狀態(tài)及STS故障告警等。
圖11儲(chǔ)能電池狀態(tài)界面
本界面用來展示對(duì)BMS狀態(tài)信息，主要包括儲(chǔ)能電池的運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)信息以及告警信息等，同時(shí)展示當(dāng)前儲(chǔ)能電池的SOC信息。
圖12儲(chǔ)能電池簇運(yùn)行數(shù)據(jù)界面
8結(jié)束語
通過運(yùn)行分析，該系統(tǒng)采用的集中直流母線架構(gòu)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)多種可再生能源和化石能源同時(shí)并網(wǎng)發(fā)電，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、發(fā)用電預(yù)測(cè)、儲(chǔ)能調(diào)度優(yōu)化和信息綜合管理。通過能量管理系統(tǒng)的控制，可實(shí)現(xiàn)可再生能源的有效利用，以及系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。
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作者介紹：
翟雪玲，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)殡娏ΡO(jiān)控系統(tǒng)、變電站運(yùn)維平臺(tái)。
