风光柴储微电网解决方案：FA37

1.概述

微电网是由分布式电源、储能系统、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等汇集而成的小型发、配、用电系统，是一个具备自我控制和自我能量管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。从微观看，微电网可以看作小型的电力系统；从宏观看，微电网可以认为是配电系统中的一个“虚拟”的电源或负荷。

在某商务楼宇中，选取了大楼中的部分负荷，结合风、光、柴等分布式电源，建设了一个小型交流微网。该微电网为联网型微网，可实现并网运行和孤岛运行。

2.系统组成结构

结合大楼的配电情况、负荷的分布情况、微电网改造建设费用等方面，确定了该微电网方案，网络拓扑结构如图1所示。该微电网并网运行时，柴油发电机不起动，当微电网转孤岛运行时，首先由电池储能建立系统的电压和频率，同时检查电池的荷电状态，当荷电状态较低时，起动柴油发电机。

微电网具体构成情况如下：

1）交流母线：400V；

2）光伏发电：55kW；

3）风力发电：4kW×2；

4）柴油发电机：200kW；

5）储能设备：磷酸铁锂电池100kW/1h，储能PCS100kW；铅酸电池50kW/1h，储能PCS50kW；钠镍电池50kW/2h，储能PCS50kW；

6）负荷：照明负荷36kW，空调负荷54kW，实验室负荷100kW，模拟负荷20kW；

7）微电网隔离装置。

图1 微电网系统网架拓扑图

3.系统的功能

1）微电网并网运行优化协调控制功能：并网经济运行功能。

2）微电网并离网切换控制功能：能够并离网运行及平滑切换，保证重要负荷供电。

3）微电网孤岛运行稳定控制功能：孤岛运行时能保证母线电压、频率稳定。

4）微电网孤岛转停运控制功能：微网内的微源能逐个退出运行，并在保证功率平衡的情况下逐一切除负荷。

5）微电网停运转孤岛运行（即黑起动）控制功能：具备黑起动功能。

4.微电网控制及运行技术方案

（1）并/离网运行方案

并网型微电网整体解决方案分别从微电网集中层、分布式电源和负荷就地控制层两个层面进行综合管理和控制。集中控制层配置中央控制MGCC、就地控制层配置微电源控制器MC和负荷控制器LC、并网静态开关处设置模式控制器。

微电网集中控制层集中管理分布式电源和各类负荷，在微电网并网运行时实现微电网的最优经济运行，在离网运行时协调分布式电源出力和负荷投切实现微电网的安全稳定运行，主要功能包括离网能量平衡控制、储能PCS紧急调频调压控制、多分布式电源出力协调控制等。

就地控制层负责执行微电网各DG调节、储能充放电控制和负荷控制。由就地保护设备和就地控制器组成，完成分布式发电对频率和电压的一次调节，就地完成微电网的故障快速保护。

（2）并离网无缝切换方案

1）离网转并网

微电网由孤岛切换到并网时的冲击电流大小主要由微电网与公共配电网之间电压偏差和相角偏差综合决定，与频率差关系较小。采用直接调整主电源V/F控制的参考电压和参考频率的方式进行预同步控制，将电压和相角调到与公共配电网基本一致，减小并网合闸时的冲击。

并网完成后，立即将复合储能由V/F控制模式切换到充电模式，超级电容器和蓄电池转入充电状态，然后恢复对次要负荷的供电。

2）并网转离网

a）计划内孤岛：

①微网并网运行时，当接收到孤岛运行调度指令后，储能系统增加功率输出，以减小外网输出功率至较低值，防止微电网运行模式切换后系统出现较大的功率缺额。(https://www.xing528.com)

②微电网综合监控系统通过微电网模式控制器向储能系统主控制器下发PCS控制模式从PQ控制切换为V/f控制指令。

③微电网模式控制器接收到储能系统主控制器返回的PCS控制模式完成切换的状态信号后，立即下发并网静态开关关断指令，从而实现微电网运行模式无缝切换。

b）计划外孤岛：将采用蓄电池和超级电容的混合储能方案，利用快速孤岛检测技术进行孤岛切换判断，切换时出现的功率缺额通过超级电容迅速响应来填补，而孤岛平稳运行时的主电源则可由蓄电池来承担。为了确保切换的平滑过渡，所配置的超级电容器容量须满足微电网中所有负荷的功率要求，蓄电池需要配置的容量额度只需满足重要负荷供电即可。

（3）黑起动方案

1）切除微电网系统负荷。为避免在黑起动初期，微电源因负荷过大而出现故障停机，应首先切除系统内所有用电设备，保证黑起动微电源在空载状态下起动。

2）选择容量较大的锂电池PCS系统作为黑起动电源，采用VF控制模式建立系统的电压和频率。

3）起动非黑起动微电源（有调频调压能力）。由于黑起动初期系统薄弱，容量较小，任何一个扰动都可能导致系统频率或电压的再次失稳，因此应优先起动系统内具有调频调压能力的非黑起动微电源，最大限度扩大系统发电容量。

4）接入部分负荷。当前系统发电容量、电力系统功率平衡约束，以及潮流约束，投入微电网系统部分负荷。

5）起动非黑起动微电源（无调频调压能力）。评估当前微电网系统对这类电源容量的接纳能力后，发出起动指令。

6）增加微电网系统负荷，完成黑起动。

（4）微电网保护系统方案

微电网的保护主要分为微电网系统级保护、内部支路级保护和设备级保护三个层次。设置微电网并网点保护，微电网区域母线、变压器、馈线保护，分布式发电单元保护和负荷保护。

并网点保护设置过电压、欠电压、过频、欠频、过负荷、短路等基本保护。馈线开关采用三段式电流保护，并网和孤岛运行状态各设定一组整定值。母线采用母差保护和欠电压保护、变压器采用差动保护、过电流速断和非电量保护。分布式电源本体保护由分布式电源逆变器或控制器完成，微电网负荷保护由负荷控制器完成，配备过电压、欠电压、过频、欠频、过负荷、短路等基本保护。

（5）通信系统方案

微电网解决方案采用开放式分层分布结构，包含就地控制层、集中控制层。就地控制层各设备以Modus总线形式进行通信。就地控制层通过通信网关转为以太网通信方式后接入以太网交换机，再通过以太网交换机与集中控制层的微电网中央控制器，微电网监控工作站等进行通信。通信系统的架构如图2所示。

图2 微电网通信系统架构

（6）运行优化与能量管理系统解决方案

在本方案中，微电网管理平台由上电科自行搭建，其基本功能如图3所示。

经济运行优化时，本方案主要考虑并网时微电网的经济调度，孤网时首先要保证微电网稳定运行和重要负荷供电，暂不考虑其运行的经济性。

调度基本原则如下：

1）优先利用风机WT和光伏PV的出力，进行最大功率跟踪控制。

2）当WT、PV输出功率无法满足微电网电负荷需求时，进行发电成本的考虑，若微电源的发电成本高于购电电价，则微电源不发电，微电网从外网购电。当微电源发电成本低于购电电价时，则令蓄电池储能装置放电，同时监测蓄电池的荷电状态。

3）若蓄电池在额定功率内可满足微电网负荷需求，则考虑增加蓄电池输出功率，从而向外网售电；若蓄电池满发后仍存在电力缺额，则从外网购电。

图3 微电网能量管理系统基本功能

4）若WT、PV输出功率大于微电网电负荷需求时，则将此时微电源的发电成本与售电电价进行比较，若发电成本低于售电电价，则向外网售电，否则判断蓄电池荷电状态，当荷电状态较低时，向电池充电，若荷电状态较高，则调小风力机、光伏输出功率、甚至切除部分WT、PV。

（7）微电网电能质量解决方案

本方案对微电网关键部分，如并网点、重要负荷接入点、分布式电源接入点部分加装静止无功补偿器SVC、有源电力滤波器APF来提高微电网的电压波动和谐波问题。

5.结束语

设计的微电网系统微电源种类齐全、配备先进的电池储能系统，具有功能多样、技术领先、灵活组网、用户定制电力质量的特点，可为楼宇、办公写字楼等用户提供高可靠多样化的电力供应，是未来微电网发展的一个方向，具有重要意义。

（作者：上海电器科学研究所（集团）有限公司 瞿超杰 陈国璋 杨心丽）