农村户用型智能微电网设计探讨张浩

农村户用型智能微电网设计探讨张浩

张浩

（甘肃林业职业技术学院甘肃天水741020）

摘要：随着我国大力推进新农村建设，现有供电能力已远远不能满足农村用电负荷的快速增长，农村电力供应成为制约目前农村经济发展、居民生活水平提高的因素之一。因此，结合农村地区分布式能源结构特点，因地制宜发展广泛吸纳分布式能源的户用智能微电网是促进农村可再生能源的规模化利用，保持农村自然生态环境，提高农村供电能力的有效措施。本文就农村户用型智能微电网设计进行探讨。

关键词：电力系统，电力供应，设计，微电网，户用，农村

1农村户用型智能微电网结构设计

考虑到户用微电网及分布式电源容量较小，从系统建设成本与运行控制角度考虑，设计了针对农村户用微电网的网络结构，如下图1所示。

户用微电网系统包括双向逆变器、分布式发电单元（分布式电源及其控制器）、蓄电池、负荷和远程监控SCADA系统。分布式发电单元和储能电池与直流母线相连，通过单双向逆变器完成交交、直流侧能量的转换与交互。一方面，直流侧能量充裕时将其逆变至交流侧供应负载或并入电网；另一方面，交流侧配电网中的能量整流器可以作为备用电源存储在蓄电池中。其中，分布式发电单元的能量形式可以灵活选择或根据当地的能源特点相结合，因地制宜，常见的是光伏发电，风力发电，风能和太阳能互补，等等，有条件的地区也可以考虑接入微水，生物质等分布式能源。一般户用供电系统多为单相系统，所以该微电网的交流母线采用单相220V电压等级。考虑到系统容量及直流绝缘水平，直流母线电压等级设计为储能蓄电池组端电压48V。

2系统配置

户用微电网系统主站是在一体化的支撑平台上实现调度和配网的各类应用功能。系统的软件体系由操作系统、实时信息服务平台、应用功能共3个层次组成：1）软件系统整体采用Unix/Windows平台架构；服务器采用Unix操作系统，满足系统核心设备安全稳定的要求；工作站采用Windows操作系统，方便操作；商用数据库采用Sybase。2）实时信息服务平台为各种应用功能的实现提供通用的支撑服务，包括网络数据传输软总线、实时数据服务、历史数据服务、图形界面服务、报表服务、系统管理服务、权限管理服务、通用告警服务、通用计算服务等。3）应用功能包括数据采集功能、SCADA功能、集控监控功能、电网分析功能(网络建模、网络拓扑、状态估计、调度员潮流、负荷预报、电压无功优化AVQC)、配电自动化和安全Web数据整合发布功能。上述应用功能之间相对独立，基于实时信息服务平台实现有机地集成和整合。在软件系统中，最核心的内容就是数据的采集，本系统采用调配分组采集、互为备用的策略，即采用两组前置机进行数据采集。每组配备两条前置机以主备方式工作，一组采集调度数据，一组采集配网数据，同时实现两组间的互备；一组前置机退出运行，不影响数据的采集。调配采集的数据在系统服务层进行统一存储、查询、计算和显示。

3微电网控制策略

微电网可以根据配电网现状自主选择操作模式，分布式电源和电池状态，这样可以具备灵活的协调控制和网络重构功能，保证系统可靠稳定运行及负载可靠供电。因此，控制策略的设计在于系统运行模式的独立判断和切换以及系统的保护策略。以电网电压及频率为判据对配电网状态进行判定，无论电网电压还是频率越限，基于向负载提供优质电能的角度考虑，都要脱离配电网运行在孤岛状态，由分布式电源或电池经逆变器向负载供电。现实中农村地区电压越限比较常见，尤其是用电峰、谷时段。此时，双向逆变器运行在孤岛逆变状态，对外表现为电压源。配电网恢复正常后，微电网自主切换为并网状态。根据各分布式电源及蓄电池荷电状态转入并网充电或并网馈电模式。

4微电网运行

4.1微电网正常运行

在风光资源充足时，如果蓄电池荷电状态小于设定值，则清洁能源和电网共同给蓄电池充电；如果蓄电池荷电状态大于设定值，则可实现：1）蓄电池优先功能。将蓄电池的一部分能量和多余的清洁能源逆变送往交流侧，由电网和清洁能源共同向负荷供电。2）并网馈电功能。将多余的清洁能源逆变送向电网。在风光资源不充足时，如果蓄电池荷电状态小于设定值，则由电网给负荷供电的同时，给蓄电池充电；如果蓄电池荷电状态大于设定值，蓄电池优先功能，将蓄电池的一部分能量和多余的清洁能源逆变送往交流侧，由电网和清洁能源共同向负荷供电。

4.2控制单元运行

微电网工程的实时SCADA系统由远程监控、现场调度和发电单元控制3个层次构成。远程监视与控制通过通用无线分组业务(GPRS)与现场调度控制单元连接，现场调度则通过RS485通信总线与各单元控制器连接。远程监控终端通过GPRS实现对调度中心的数据读取和必要控制，即所谓的遥视、遥信、遥控和遥调；现场调度中心对各单元进行监控，实现自动优化调度策略，伺服远程监控终端，处理应急事件并上报；监测数据就近出力，各单元控制部分则监视本单元运行状态，伺服现场调度中心，处理紧急事件并及时上报。

4.3调度单元运行

1）实时调度：控制中心优先将本地电源发出的电能供给用户，尽可能保证用户不从市电取电。当负载需求小于风能、光能的发电功率供应时，对蓄电池进行充电；如果蓄电池电量满荷，则切除供电单元。不同的负荷类型划分成3个等级：第1等级为照明负荷，系统优先对照明负荷供电；第2等级为家用电器，满足照明负荷之后的多余电量供给家用电器；第3等级为空调及农机具等较大功率的用电设备。

2）季节性互补调度：风光资源作为不同的发电手段，在时间上具有一定的互补性。风资源本身的随机性很大。太阳能发电相对较为稳定，但在阴天和夜晚无法工作。风、光两种发电方式独立运行很难保证发电的连续性和可靠性，但两者在时间上的互补性解决了发电不连续的难题，结合多时间尺度下储能系统的功率存放，则可以为系统提供备用能量，大大提高了供电可靠性。

5结语

本文提出了一种针对农村地区的新型户用微电网供电模式，分析论证了适宜农村户用微电网的网架结构——直流并接结构，在此基础上给出了微电网容量配置原则、控制策略设计等方面的详细方案。同时设计了基于GPRS的远程SCADA系统，便于户用微电网的远方监控。所设计的户用微电网运行稳定可靠，实现了设计目标，为解决农村供电难题及分布式能源的规模化利用提供了新的思路。

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