智能配電網(wǎng)規(guī)劃與設計

　　目前，智能電網(wǎng)剛剛起步，未來智能電網(wǎng)的核心是智能配電網(wǎng)，而智能微網(wǎng)將是智能配電網(wǎng)的重要組成部分。由于微網(wǎng)技術的先進性，在現(xiàn)有微網(wǎng)技術基礎上進一步擴展建設具有智能電網(wǎng)特征的“智能微網(wǎng)”，無疑是最節(jié)省投資、最容易實現(xiàn)的智能電網(wǎng)項目。智能電網(wǎng)研究的四大目標包括：

　　*現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行;

　　*使分布式電源得到有效的利用;

　　*提高電網(wǎng)資產的利用率;

　　*提高用戶用電的效率、可靠性和電能質量。

　　上述目標的實現(xiàn)需要通過高級量測體系(AMI)、高級配電運行(ADO)、高級輸電運行(ATO)和高級資產管理(AAM)之間的密切配合。

　　國家電網(wǎng)公司公布的智能電網(wǎng)發(fā)展目標為：建設以堅強網(wǎng)架為基礎，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，包含電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環(huán)節(jié)，覆蓋所有電壓等級，實現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務流”的高度一體化融合，是堅強可靠、經(jīng)濟高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動的現(xiàn)代電網(wǎng)。

　　2智能電網(wǎng)的核心

　　從長遠來看，智能配電網(wǎng)都將是未來智能電網(wǎng)的核心，電力行業(yè)的定位決定了未來配電網(wǎng)的地位：在電力行業(yè)各個環(huán)節(jié)中，配電系統(tǒng)無疑是與用戶聯(lián)系最緊密的。智能配電系統(tǒng)的建設將為電力用戶帶來以下好處：

　　1)目前用戶停電95%以上是由配電系統(tǒng)原因引起的，智能配電系統(tǒng)所具有的“自愈”功能將使事故發(fā)生時用戶遭受停電的風險降至最低。

　　2)智能配電系統(tǒng)的雙向性(雙路通信、雙向表計)將促進電網(wǎng)公司和客戶之間的互動溝通，有利于推進電力需求側管理，使客戶享受更多的電價優(yōu)惠，從而進一步提升電力服務水平。

　　3)用戶對于包括計算機在內的大量電子設備的應用，將對供電電能質量提出更高要求。對于諧波、無功電壓的治理有賴于新型電力電子裝置的使用，智能配電系統(tǒng)的建設將為用戶帶來更加“優(yōu)質”的電力供應。

　　4)隨著世界各國不斷加大對新能源產業(yè)的扶持，包括屋頂光伏發(fā)電、小型風電機組等微型并網(wǎng)項目的建設將迅速推進。此外，作為未來發(fā)展方向的智能化樓宇、智能化居民小區(qū)，以燃氣輪機等自備電源為主的分布式電源同樣具有并網(wǎng)運行的需求。對于這些新能源和分布式電源項目的并網(wǎng)，都有賴于新型智能配電網(wǎng)絡的建設。

　　5)未來社會將是一個全面“電氣化”的社會，作為城市電網(wǎng)的終端，各種新型電氣設備將對配電系統(tǒng)提出更高的要求。

　　3從智能微網(wǎng)到智能配電網(wǎng)

　　3.1 微網(wǎng)是分布式發(fā)電發(fā)展的必然結果

　　微網(wǎng)的概念是隨著分布式發(fā)電的發(fā)展而提出的。隨著新能源產業(yè)的發(fā)展和用戶自備電源的增加，包括光伏發(fā)電、微型燃氣輪機發(fā)電、燃料電池發(fā)電和風力發(fā)電等分布式電源有了較大增長。如果大量分布式電源直接并入配電網(wǎng)，將給電網(wǎng)調度運行帶來一系列新的問題：

　　*分布式電源在電網(wǎng)發(fā)生故障時將立即退出運行;

　　*分布式電源將間歇性地影響周邊用戶;

　　*使得配電網(wǎng)電壓調整復雜化;

　　*容易產生大量諧波，影響該區(qū)域的電能質量;

　　*給繼電保護整定帶來困難。

　　為了解決上述問題，通過把分布式電源和負荷一起組合為配電子系統(tǒng)——微網(wǎng)，可以有效降低分布式發(fā)電帶來的不利影響，同時發(fā)揮其積極作用。微網(wǎng)結構見圖l。

　　圖1 典型微網(wǎng)結構圖

　　3.2微網(wǎng)是智能配電網(wǎng)的示范平臺微網(wǎng)技術的發(fā)展從一開始就與先進的電力電子技術、計算機控制技術、通信技術緊密相關，其整體技術水平遠遠高于傳統(tǒng)輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)。

　　智能微網(wǎng)示范項目具有以下組成部分：

　　*集控中心：可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的智能化、可視化管理，具有系統(tǒng)運行及平臺展示雙重功能;木多種分布式電源，光伏發(fā)電，微型風力發(fā)電機組，自備發(fā)電機組，等等;

　　*多個智能化用戶：均具有交互式智能電表、一體化通訊網(wǎng)絡以及可擴展的智能化電氣接口，可支持雙向通信、智能讀表、用戶能源管理(需求側管理DSM)、家庭自動化;

　　*具有自愈(故障重構)能力的電力網(wǎng)絡：由新型開關設備、測量設備和通訊設備組成，在集控中心調度管理下可自動實現(xiàn)故障隔離、恢復2供電和故障定位診斷;

　　*定制電力/DFACTS：新型電力電子設備的實驗性應用，包括動態(tài)無功補償SVG、有源濾波器APF、固態(tài)斷路器SSCB等，改善電能質量，適應分布式新能源接入。

　　*在各個主要部分均預留可擴展接口，建設開放式的智能電網(wǎng)示范研究平臺，為今后進行新的試驗研究和新產品掛網(wǎng)測試做好準備。

　　3.3 智能微網(wǎng)是智能配電網(wǎng)的重要組成部分

　　智能微網(wǎng)不僅具有智能配電網(wǎng)的研究和示范作用，而且將成為未來智能配電網(wǎng)的重要組成部分，這是因為智能微網(wǎng)具有如下優(yōu)點：

　　*智能微網(wǎng)具有智能電網(wǎng)的幾乎所有特點：雙向交互性、網(wǎng)絡自愈功能、靈活性，等等;

　　*可以提高分布式電源的有效運行時間;.

　　*有助于在電網(wǎng)災變時保障對重要負荷的持續(xù)供電;

　　*可以在智能微網(wǎng)范圍內有效解決電壓、諧波問題，避免間歇式電源對周圍用戶電能質量的直接影響;

　　*可以盡量就地平衡分布式發(fā)電電能，有助于可再生能源優(yōu)化利用和電網(wǎng)節(jié)能降損。

　　4 結論

　　未來智能電網(wǎng)的核心是智能配電網(wǎng)，而智能微網(wǎng)將是智能配電網(wǎng)的重要組成部分。由于微網(wǎng)技術的先進性，在現(xiàn)有微網(wǎng)技術基礎上進一步擴展建設具有智能電網(wǎng)特征的“智能微網(wǎng)”，無疑是最節(jié)省投資、最容易實現(xiàn)的智能電網(wǎng)項目。在目前智能電網(wǎng)剛剛起步階段，智能微網(wǎng)的建設具有極大的研究、示范價值和最低的風險性。

　　微網(wǎng)(MG)作為智能電網(wǎng)重要組成部分，目前在控制方面還存在一些問題，特別是微網(wǎng)的解列和并網(wǎng)控制。針對并網(wǎng)過程對微網(wǎng)和主電網(wǎng)電能質量的影響，通過研究電網(wǎng)中的頻率和功率特性關系，對微網(wǎng)并網(wǎng)過程中的功率流動進行了詳細的分析。最后使用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC對并網(wǎng)過程進行了仿真，通過比較最佳并網(wǎng)時刻前后的不同并網(wǎng)過程，分析了其頻率和功率變化的不同。研究結果表明，微網(wǎng)和主電網(wǎng)電壓相對相位的不同對并網(wǎng)過程的電能質量有很大的影響。

　　0 引 言

　　隨著我國對智能電網(wǎng)研究和規(guī)劃的正式啟動， 作為智能電網(wǎng)基礎部分的分布式電源(Distributed Generation， DG)越來越受到人們的關注。DG 主要包括微汽輪機、風能、太陽能、燃料電池、生物質能等。其一般和負載一起組成微網(wǎng)， 作為一個可控單元接入主電網(wǎng)。在并網(wǎng)運行時， 微網(wǎng)通過公共連接點和主電網(wǎng)連接， 當主電網(wǎng)發(fā)生故障或者電能質量問題時， 微網(wǎng)迅速與主電網(wǎng)斷開， 獨立向內部負載供電 ， 當故障解除、主電網(wǎng)恢復正常后， 微網(wǎng)可以再次和主電網(wǎng)并網(wǎng)運行。為了保證在并網(wǎng)過程中微網(wǎng)和主電網(wǎng)的電壓和頻率等電能質量指標符合國家標準， 并網(wǎng)過程一定要采取合理有效的控制策略， 保證并網(wǎng)過程的順利安全進行。

　　本研究中只考慮并網(wǎng)后電網(wǎng)向微網(wǎng)注入功率， 而微網(wǎng)向電網(wǎng)注入功率的控制在以后的研究中進一步深入探討。通過PSCAD /EMTDC仿真， 重點研究并網(wǎng)過程的電壓和頻率波動， 提出安全有效的并網(wǎng)控制方法。

　　1 典型微網(wǎng)結構

　　典型微網(wǎng)結構如圖1所示， 主要由分布式電源、儲能系統(tǒng)、負載和保護裝置組成一個低壓電網(wǎng)( low voltage， LV)， 通過變壓器和主電網(wǎng)的中壓電網(wǎng)(medium voltage， MV)連接 ， 當主電網(wǎng)中發(fā)生重大電能質量問題時， 微網(wǎng)控制中心(MicroGrid Control Center，MGCC)控制微網(wǎng)進入孤島模式運行， 保護微網(wǎng)內部敏感和重要設備。微網(wǎng)的并網(wǎng)是一個復雜的控制過程，在閉合之前需要對一些電能質量指標進行檢查， 只有這些指標滿足同步并網(wǎng)要求， 才能合上開關接入主電網(wǎng)。

　　2 并網(wǎng)后的功率流動

　　在電力系統(tǒng)中，當功率出現(xiàn)不平衡或者頻率發(fā)生變化時，頻率和功率的調整是由負荷和電源兩者的調節(jié)效應來完成。系統(tǒng)中的頻率和有功功率間的關系為：

　　$f = - Ks$P = - Ks(P0-P1) (1)

　　式中Ks系統(tǒng)的頻率調節(jié)特性;$P系統(tǒng)有功功率的變化;P0、P1不同頻率下對應的功率;$f系統(tǒng)頻率的變化。

　　在孤島模式下，DG提供了微網(wǎng)內部負載所需的所有功率。并網(wǎng)后DG產生功率的多少由微網(wǎng)控制中心的指令決定，微網(wǎng)所需功率的缺額部分再由電網(wǎng)注入。

　　圖2 孤島系統(tǒng)的頻率-功率特性圖

　　兩個孤島系統(tǒng)的頻率-功率特性圖如圖2所示。在連接之前，DG(A)、DG(B)分別以不同頻率獨立向各自負載供電，DG(A)的頻率為 fa，DG(B)的頻率為fb，連接后成為含有兩個DG的孤島。在分開運行時A比B的頻率要高，當它們并網(wǎng)連接后只能在同一個頻率f0下運行。從圖2可以看出，此時A由于頻率下降增加了$Pa的功率輸出，B由于頻率上升減少了$Pb的功率輸出，而整個網(wǎng)絡的負載沒有變化，所以$Pa等于$Pb，并網(wǎng)后功率從A流向了B。同樣，如果并網(wǎng)前DG(A)的頻率低于DG(B)，連接以后功率從B流向了A。這說明并網(wǎng)后功率會從并網(wǎng)前頻率高的流向頻率低的，所以要使并網(wǎng)以后功率從電網(wǎng)流向微網(wǎng)，必須保證并網(wǎng)前電網(wǎng)頻率要稍高于微網(wǎng)頻率。

　　上面這種情況在實際應用中也是很有可能遇到的，當發(fā)生重大事故后，所有DG都將和微網(wǎng)分離，在微網(wǎng)重新啟動時，DG將依次接入微網(wǎng)。

　　3 同步并網(wǎng)控制策略

　　一般來說，并網(wǎng)前兩個獨立運行的系統(tǒng)，其運行頻率很難調整到完全相同。并網(wǎng)前電網(wǎng)電壓和微網(wǎng)電壓分別為U#g和U#m，電壓幅值Ug=Um，頻率fgXfm。假設并網(wǎng)后功率從電網(wǎng)注入微網(wǎng)，根據(jù)并網(wǎng)后功率流動的分析，fm要稍低于fg，可得開關兩側的電壓差Us為：

　　Us=Ugsin(Xgt+Ug)-Umsin(Xmt+Um) (2)

　　其中，Xg=2Pfg，Xm=2Pfm。

　　式(2)可變換為：

　　式中D)滑差角頻率，D=Xg-Xm;B)初相位差，B=Ug-Um。

　　微網(wǎng)仿真模型圖如圖3所示，微網(wǎng)含有一個DG和負載，以直流電源通過逆變器產生交流電來模擬DG，微網(wǎng)通過并網(wǎng)開關和主電網(wǎng)連接。假設并網(wǎng)前電網(wǎng)電壓為 E#g，微網(wǎng)電壓為E#m，根據(jù)上面功率流動的分析，要使并網(wǎng)后功率從電網(wǎng)流向微網(wǎng)，并網(wǎng)前電網(wǎng)頻率要稍高于微網(wǎng)頻率，即E#g的頻率稍高于E#m的頻率。同時根據(jù)上面對電壓差的分析得出式(5)，可知并網(wǎng)開關兩側的電壓差是脈動電壓，仿真結果如圖4(a)所示。在5.0s時刻的局部放大圖如圖4(b) 所示，從圖中可以看出，5.0s是最合適的閉合開關時刻(這樣的時刻是周期性出現(xiàn)的)，開關兩側的電壓差最小，閉合過程產生的瞬間電流也很小，安全性能比較高。

　　電壓E#g和E#m的對比圖如圖5所示(點劃線是電網(wǎng)電壓E#g，實線是微網(wǎng)電壓E#m)。綜合圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)在5.0s是并網(wǎng)的最佳時刻，但是在實際應用中恰好在5.0s這個時刻閉合開關的可能性很小，往往都是這點的前后合上開關。仔細觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)在5.0s前后是兩種不同的情況，5.0s之前是E#m超前于E#g，即E#m的相位超前E#g，5.0s之后則是相反的情況，E#g超前于E#m。下面重點分析這一不同點對并網(wǎng)過程的影響。

　　微網(wǎng)的總負載是2.0pu，在孤島模式下由DG提供了全部的功率，而并網(wǎng)后要求DG的輸出功率是1.0pu。首先在5.0s之前閉合開關，在這個時間段E#m超前于E#g，就是說頻率低的電壓相位超前于頻率高的電壓，同時保證開關兩側的電壓差盡量小。在并網(wǎng)過程中DG的輸出功率和頻率的變化如圖6所示。

　　從圖6(a)可以看到，在并網(wǎng)過程中有一段向上的功率輸出波動，然后又迅速回到正常水平。因為在并網(wǎng)前后整個系統(tǒng)的總負載沒有變化，對微網(wǎng)來說，那些額外產生的功率流向了并網(wǎng)后的主電網(wǎng)。從圖6(b)中可見，并網(wǎng)過程中有一段頻率突然下降，短時間內產生了激烈的波動。

　　5.0s之后閉合開關的情況如圖7所示，電壓差比較小的時候并網(wǎng)，頻率高的E#g超前于頻率低的E#m，從圖7(a)可以明顯地發(fā)現(xiàn)功率從2.0pu變化到1.0pu，沒有較大的波動，過渡比較平穩(wěn)。在圖7(b)中，頻率的過渡同樣也是比較平滑。因此如圖7所示的情況才是最佳的并網(wǎng)過程，頻率和功率波動都比較小，而且由于是在電壓差比較小的時刻閉合并網(wǎng)開關，開關中產生的瞬時電流也比較小，整個過程中電能質量得到了有效的保證。