基于IEC61850的微网控制技术研究

摘 要：作为大电网的有效补充和分布式能源的有效利用形式，微网已经引起各国学者的广泛关注，并且国家也从政策层面给予扶持。然而分布式能源大多经过电力电子设备接口并入电网，不仅惯性小而且具有随机性、波动性等特点，给电力系统安全稳定运行带来新的挑战。本文结合公司实际运行的光储微网系统，研究了微网的结构、能量管理系统以及经济运行策略。就地控制保护层负责微电网分布式电源的调节、储能充放电控制、负荷控制和就地保护;微网中央控制层集中管理分布式电源和负荷，执行调度层下发的指令;微网调度优化管理层由SCADA监控系统和能效管理系统组成，实现微网系统的监控和经济运行。

关键词： 微网;协调控制;经济运行;IEC61850

近年来可再生和绿色分布式发电系统渗透率不断提高，风力发电、光伏发电等可再生能源出力的强间歇性、随机性和弱支撑性的特点，其动态特性给微电网系统的稳定运行带来较大影响，促使发电方式、输配电方式和电能使用方式出现新的变革。微网是分布式电源的有效组织形式，因此针对微网稳定性问题得到了广泛的关注和研究。为应对微网的大规模发展，全面深入揭示微电网的运行机制，微电网的稳定性和经济性分析方法方面亟待进一步探讨与研究。本文针对微网大规模发展的背景下，对近年来国内外微网的稳定性和经济性技术进行研究，结合公司运行的光储微网提出分层控制方法，并开发出一套完整的微网控制系统，实践表明本系统可以提高微网系统的稳定性和经济性，对于在其他微网系统应用以及后续微网控制系统的研究有重要的借鉴意义和指导意义。

一、微网的系统结构

1、微网概念

微网是由分布式发电、用电负荷、监控、保护和自动化装置等组成，是一个能够基本实现内部电力电量平衡的小型供用电系统。微网分为并网型微网和离网型微网。一般通过单点接入大电网，即从电网端看进去微网是一个可控发电单元或者负荷。独立运行时一般需要储能设备来达到能量瞬间平衡，储能装置是维持系统暂态稳定必不可少的设备。微网一般接入多种分布式能源，实现多能互补，能源高效利用、 满足用户多种能源需求、提高供电可靠性等目的。

2、微网系统结构

微网是规模较小的分散的独立系统，它采用了大量的现代电力技术，将燃气轮机、风电、光伏发电，燃料电池，储能设备等并在一起，直接接在用户侧。对于大电网来说，微电网可被视为电网中的一个可控单元，它可以在数秒钟内动作以满足外部输配电网络的需求;对用户来说，微网可以满足他们特定的需求，如增加本地可靠性、降低馈线损耗、保持本地电压稳定、通过利用余热提高能量利用的效率及提供不间断电源等。

3 光伏发电原理简介

并网光伏发电系统通过光伏电池组件将太阳辐射能量直接转换成电能，不经过蓄电池储能，直接通过并网逆变器，把电能送上电网的发电系统。它主要由光伏电池方阵、汇流箱、并网逆变器、直流控制柜、交流控制柜等部分组成。白天有日照时，光伏电池方阵发出的电经过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上，或将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电。并网光伏发电系统有阳光时就发电，无阳光时就停止，所发的电能通过并网逆变器直接分配到负载上，发电量不足部分由市电电网直接进行补充。

4储能系统

储能系统是微网系统的关键组成部分，是电能的存储机构。储能的主要作用是谷电峰用，调节电能质量，平滑出力保证微网供电的稳定性。储能系统主要由储能电池本体、储能电池管理系统、储能双向变流器和隔离变压器构成。

（1）储能电池系统具备的主要功能：恒电流充放电、恒功率充放电、变电流充放电、变功率充放电、实时响应中央监控系统的调度、漏电监测。

（2）储能电池管理系统（BMS）

储能电池管理系统（BMS）对电池系统的运行参数进行监测，有效地监控电池状态，对电池组充放电过程进行安全管理，对可能出现的故障进行报警并保护其本体，对电池系统的运行进行优化控制，保证电池安全、可靠、稳定的运行。

二、微网协调控制系统

1、就地控制保护层

就地控制保护层负责微网各分布式电源调节、储能充放电控制、负荷控制和就地保護，通过就地保护设备和变流器/逆变器实现频率和电压的一次调节，就地控制保护层完成微网的故障快速保护，实现微网故障的快速“自愈”。

2、中央协调控制层

微网中央协调控制层集中管理分布式电源和负荷，执行调度层下发的指令，在微网并网运行时实现微网的经济运行，在离网运行时调节分布式电源出力和负荷实现微网的安全稳定运行。孤岛检测采取主动检测和被动检测相结合的方式，当因大电网故障微电网形成孤岛时，中央协调控制层可以快速检测到孤岛，避免影响上一级电网自动化装置动作逻辑。中央协调控制层实现微网的二次调频调压功能，保证微电网的经济稳定运行。

3、调度优化管理层

微网调度优化管理层由SCADA监控系统和能效管理系统组成。

（1）SCADA监控功能

功能主要包括：微网实时数据监测、历史数据存储、web信息发布、计划并离网模式切换，黑启动，信息告警。

（2）能效管理单元功能

功能主要包括：分布式电源出力与负荷预测、为储能设备建立合理的充、放电管理策略、提供微网系统故障情况下孤岛运行与重合闸的逻辑与控制方法、优化控制微电网系统内冷、热、电负荷。

三、微网稳定

在并网模式下，储能带光伏的系统负荷可以由内部微源或外部市电供电。无论有没有本地微源支持的电网馈线都可以为负荷供电，因此在稳态和动态运行条件下，都可以得到合适的系统运行状态。在离网运行模式里，储能和光伏共同提供可用功率，其中储能作为支撑电源，保证系统的稳定性，光伏工作于MPPT模式。当光伏出力大于负荷用电时，多余的电能通过储能系统储存;当光伏出力小于负荷用电时，通过储能补偿缺额。

四、微网控制系统工程应用

1、离网型运行控制策略：

（1）管理储能充放电策略，最大化利用光伏出力。

（2）稳定直流侧母线电压。

（3）有功功率、无功功率实时调度和低电压穿越能力。

（4）事件记录、故障录波、电能质量分析、过负荷联切等。

（5）能效分析功能，优化用能。

（6）能量平衡，保证发电、用电的功率平衡。

（7）短路保护。

2、并网型运行控制策略：

（1）管理储能充放电策略，最大化利用光伏出力。

（2）能效分析功能，优化用能。

（3）并离网无缝切换。

（4）短路保护功能。

（5）策略仿真功能。能够在线仿真不同工况下策略调度算法。

结论：

离网模式运行时，负荷需求完全由系统内部微源和储能装置供应，在光伏电池尽力发电以满足负荷需求的基础上，经济调度储能装置来满足剩余电负荷需求。当负荷需求无法得到满足时，可考虑根据关键负荷的重要程度，从低到高依次切除负荷，维持系统电能的供需平衡。

参考文献

[1]王长贵.新能源和可再生能源的现状与展望[C].太阳能光伏产业发展论坛论文集，2003， 9：4-17.

[2] 李霞林， 郭力， 王成山， 等. 直流微电网关键技术研究综述[J]. 中国电机工程学报， 2016， 36（17）：4552-4564.

[3] 王成山， 李鹏. 分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J]. 电力系统自动化， 2010， 34（2）：10-14， 23.

[4] 曾正， 李辉， 冉立. 交流微电网逆变器控制策略述评[J]. 电力系统自动化， 2016， 40（9）： 142-151.

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