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摘要：以海島為研究對象，根據(jù)其負荷及供電特點，對其微電網(wǎng)及其能量管理系統(tǒng)展開研究。
關鍵詞：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)“建設以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，以信息化、自動化、互動化為特征的堅強智能電網(wǎng)”的提出，我國電力工業(yè)進入大容量、高電壓的大電網(wǎng)階段，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)日益復雜，由于大范圍交流同步電網(wǎng)存在低頻振蕩和不穩(wěn)定性，導致大面積停電的可能性變大。而微電網(wǎng)是對現(xiàn)有大電網(wǎng)的有效補充，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)的可靠性和抗災能力，同時微電網(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)承受擾動的能力相對較弱，尤其是在孤島(自主)運行模式下，考慮到風能、太陽能資源的隨機性，系統(tǒng)的安全性可能面臨更高的風險。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)可以保障微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。本文將對典型的孤島——海島的微電網(wǎng)及能量管理系統(tǒng)進行分析、研究。
1海島微電網(wǎng)特點
海島的負荷及供電具有負荷區(qū)域集中、功率等級小(一般在1MW以下)等特點。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)性地提供柴油補給，用電成本高，有時會受氣候等因素影響無法補給，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)設計
2.1設計目標及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)海島的多能源及供電用電特點，系統(tǒng)設計目標包含：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，保證儲能單元的使用壽命。根據(jù)系統(tǒng)功能及設計目標，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：
(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)儲能單元直掛直流母線，可根據(jù)發(fā)電與用電端的負載匹配狀況，自動進行充、放電轉(zhuǎn)換。
(4)通過能量管理系統(tǒng)對各能源的發(fā)電功率進行調(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)運行方式
以柴油發(fā)電機組和風力發(fā)電機組分別代表化石能源和可再生能源。以柴油發(fā)電機組為代表的化石能源不宜頻率啟動，并且啟動后通常有運行時間少的要求，故系統(tǒng)的基本運行原則為：較大化可再生能源輸出，當負載足夠消納時，可再生能源始終保持較大出力；較小化化石能源的啟動頻率，當化石能源啟動后，一直運行到儲能單元達到較大充電狀態(tài)時停止；充分保護蓄電池組壽命，根據(jù)蓄電池組的類型，使蓄電池組保持在正常運行狀態(tài)，保護蓄電池組壽命。系統(tǒng)有風儲模式、風柴儲模式和純柴模式等三種運行方式。其中純柴模式下，柴油機組作為交流電壓源使用，通過旁路開關直接向負載供電，可控整流器與交流逆變器均不工作，該模式屬于應急備用模式。三類模式的運行方式如圖2所示。
微網(wǎng)系統(tǒng)的自動運行主要通過能量管理系統(tǒng)通過儲能電池組、蓄電池管理系統(tǒng)、輸出逆變器之間的配合運行而實現(xiàn)。
3系統(tǒng)控制策略
根據(jù)系統(tǒng)的能量管理目標，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)達到下限臨界值時啟動化石能源發(fā)電，啟動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行，當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設值，根據(jù)儲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，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)、風力發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及充電樁的接入，進行數(shù)據(jù)采集分析，直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統(tǒng)、充電樁運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(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)定的基礎上以經(jīng)濟優(yōu)化運行為目標，提升可再生能源應用，提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性、補償負荷波動；有效實現(xiàn)用戶側(cè)的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、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)濟運行提供了全新的解決方案。
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)應采用分層分布式結(jié)構(gòu)，整個能量管理系統(tǒng)在物理上分為三個層：設備層、網(wǎng)絡通信層和站控層。站級通信網(wǎng)絡采用標準以太網(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。
本方案遵循的標準有：
本技術(shù)規(guī)范書提供的設備應滿足以下規(guī)定、法規(guī)和行業(yè)標準：
GB/T26802.1-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)通用規(guī)范的1部分：通用要求
GB/T26806.2-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)工業(yè)控制計算機基本平臺2部分：性能評定方法
GB/T26802.5-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)通用規(guī)范5部分：場地安全要求
GB/T26802.6-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)通用規(guī)范6部分：驗收大綱
GB/T2887-2011計算機場地通用規(guī)范
GB/T20270-2006信息安全技術(shù)網(wǎng)絡基礎安全技術(shù)要求
GB50174-2018電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范
DL/T634.5101遠動設備及系統(tǒng)5-101部分:傳輸規(guī)約基本遠動任務配套標準
DL/T634.5104遠動設備及系統(tǒng)5-104部分:傳輸規(guī)約采用標準傳輸協(xié)議子集的IEC60870-5-網(wǎng)絡訪問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)工程設計標準
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)需求響應技術(shù)要求
T/CEC153-2018并網(wǎng)型微電網(wǎng)負荷管理技術(shù)導則
T/CEC182-2018微電網(wǎng)并網(wǎng)調(diào)度運行規(guī)范
T/CEC5005-2018微電網(wǎng)工程設計規(guī)范
NB/T10148-2019微電網(wǎng)的1部分：微電網(wǎng)規(guī)劃設計導則
NB/T10149-2019微電網(wǎng)2部分：微電網(wǎng)運行導則
系統(tǒng)可應用于城市、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
本平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)進行設計，即站控層、網(wǎng)絡層和設備層，詳細拓撲結(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)人機界面友好，應能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。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值；狀態(tài)參數(shù)主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。
系統(tǒng)應可以對分布式電源、儲能系統(tǒng)進行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設置等。
系統(tǒng)應可以對儲能系統(tǒng)進行狀態(tài)管理，能夠根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進行及時告警，并支持定期的電池維護。
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、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，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，儲能及光伏系統(tǒng)信息進行顯示。
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、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。
圖3光伏系統(tǒng)界面
本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側(cè)、交流側(cè)運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網(wǎng)柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進行展示。
圖4儲能系統(tǒng)界面
本界面主要用來展示本系統(tǒng)的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、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PCS的參數(shù)進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。
圖6儲能系統(tǒng)BMS參數(shù)設置界面
本界面用來展示對BMS的參數(shù)進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。
圖7儲能系統(tǒng)PCS電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)界面
本界面用來展示對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儲能系統(tǒng)PCS交流側(cè)數(shù)據(jù)界面
本界面用來展示對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。同時針對交流側(cè)的異常信息進行告警。
圖9儲能系統(tǒng)PCS直流側(cè)數(shù)據(jù)界面
本界面用來展示對PCS直流側(cè)數(shù)據(jù)，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側(cè)的異常信息進行告警。
圖10儲能系統(tǒng)PCS狀態(tài)界面
本界面用來展示對PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)、STS運行狀態(tài)及STS故障告警等。
圖11儲能電池狀態(tài)界面
本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。
圖12儲能電池簇運行數(shù)據(jù)界面
8結(jié)束語
通過運行分析，該系統(tǒng)采用的集中直流母線架構(gòu)設計可實現(xiàn)多種可再生能源和化石能源同時并網(wǎng)發(fā)電，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對微電網(wǎng)的實時監(jiān)控、發(fā)用電預測、儲能調(diào)度優(yōu)化和信息綜合管理。通過能量管理系統(tǒng)的控制，可實現(xiàn)可再生能源的有效利用，以及系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。
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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，主要研究方向為電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電站運維平臺。
