【机工课堂】2万亿的配电网大蛋糕：微电网、主动配电网成为新亮点
编者按
2015年8月31日,国家能源局发布《配电网建设改造行动计划(2015-2020年)》,对未来五年配电网的发展给出了明确而定量的指导:2015-2020年,配电网建设改造投资不低于2万亿元,其中2015年投资不低于3000亿元,“十三五”期间累计投资不低于1.7万亿元。预计到2020年,高压配电网变电容量达到21亿千伏安、线路长度达到101万千米,分别是2014年的1.5倍、1.4倍,中压公用配变容量达到11.5亿千伏安、线路长度达到404万千米,分别是2014年的1.4倍、1.3倍。
该《计划》首次将新能源分布式并网、微电网和电动汽车充放电列入配网建设规划。
典型的微电网结构
典型的微电网结构如图1.1所示。微电网由电/热负荷和微电源组成，并通过低电压（LV）与配电网连接。负荷(特别是热负荷)和电源布置在一起可以减少传热过程中的热损失。微电源有即插即用的特性。微电网由电力电子接口来实现在独立和联网发电运行模式下的控制、计量和保护功能。这些特性还有助于微电网从一种模式无缝过渡到另一种模式。
微电网由供应电和热负荷的三条辐射配电馈线(A，B和C)、两个CHP、两个非CHP微电源以及储能设备组成。微电源和储能设备通过微电源控制器(microsource controller，MC)连接到馈线A和C。馈线A和C上的一些负荷为优先级负荷(例如要求不间断供电),其它则为非优先级负荷。馈线B上只有非优先级负荷。
微电网与中压(medium voltage，MV)电网(称为“主电网”) 的连接按照标准接口规定通过公共连接点(point of common coupling，PCC)断路器CB4实现。整个微电网按选定的运行方式与主电网的连接和断开都由CB4控制，而馈线A、B、C必须通过操作断路器CB1，CB2和 CB3来分别连接和断开。馈线A和C上的微电源被设置在离微电网母线较远处，以确保减少线损、电压波形良好和最佳余热利用。当几个微电源共同连接在一条辐射馈线上而非发电机母线上时,尽管沿径向馈线的潮流和电压波形控制相当复杂，该结构仍有必要利用微电源的即插即用功能。
微电网有两种运行模式：(1)联网模式，(2)独立模式。在联网模式下，微电网与主电网保持全部或部分连接，从主电网输入或输出电力。一旦主电网中出现任何扰动，微电网就转换到独立模式，并且保证对优先级负荷的供电。这可以通过两种方式实现： (i)断开CB4整个微电网解列或者(ii)断开CB1和CB3切断馈线A和C。对于方式(i)，微电网将作为一个自主系统运行，全部微电源对馈线A，B和C上的负荷供电。而对于方式(ii)，馈线A和C只对优先级负荷供电，馈线B则留待穿越扰动。
在不同模式下微电网的运行和管理均通过当地的微电源控制器和中央控制器(central controller，CC) 来控制和协调，它们的功能如下：
（1）微电源控制器——MC的主要功能是独立控制微电源的潮流和负荷端的电压波形以响应任何扰动和负荷的变化。这里“独立”意味着跟CC没有任何通信。MC还通过储能设备参与发电经济调度、负荷跟踪/管理和需求侧管理的控制。它必须确保每个微电源迅速发电以对在独立模式下其分担的负荷供电，并且能在CC的帮助下自动返回到联网模式。MC最重要的特点是能对与附近MC的数据无关的当地监控电压和电流作出迅速响应。该控制特性使微电网可作为即插即用设备，并有利于在微电网中任意位置增加新的微电源而不影响现有单元的控制和保护。另外两个主要特点是一个MC不会与微电网中其他MC单独交互动作和超越CC的指令，而这对其微电源来说是很危险的。
（2）中央控制器——CC通过MC对微电网进行总的运行控制和保护。其目标是：(i)通过功率频率(P-f)和电压控制维持负荷端的电压和频率，(ii)确保微电网的能量优化。CC还进行保护协调，为所有的MC提供电力调度和电压整定点。CC一般运行在自动模式下, 在需要时可提供手动干预。CC有两个主要功能模块，能源管理模块(Energy Management Module，EMM)和保护协调模块(Protection Co-ordination Module，PCM)。
(i)能源管理模块——EMM为每个MC的有功和无功功率输出、电压和频率提供整定点。此功能通过最先进的通信和人工智能技术协调实现。整定点的值根据微电网的运行需要决定。EMM必须考虑到：
(a)微电网供应用户满意的热、电负荷。
(b)微电网按照与主电网事先的运行合同条款运行。
(c)微电网满足其遵守最小化系统损失、温室气体和颗粒物排放的强制性要求。
(d)微电网以其可能的最高效率运行。
(ii)保护协调模块——PCM以某种方式响应微电网和主电网的故障及脱网 (loss of grid，LOG)，以确保微电网正确的保护协调。它能适应从联网模式到独立模式转换过程中故障电流水平的变化。为实现这一点, PCM、MC和上级主电网控制器要有适当的通信。对于主电网故障，PCM将微电网立即转换到独立模式，以保持在相当低的增量成本下对优先级负荷的供电。然而，对于一些小故障，PCM允许微电网在联网模式下继续运行直至故障消除。此外，如果电网故障危及了微电网的稳定，PCM会完全断开微电网与主电网负荷(即馈线B)的连接，尽管在这种情况下，微电网的利用率会因电力输出的减少而降低。如果故障发生在微电网馈线(即馈线A或C)部分上，则将切除尽可能小的馈线区来维持健康的馈线部分的运行。带有母线电压支持的低频和欠压保护方案通常用于保护敏感的负荷。借助合适的重合闸方案，PCM还有助于微电网在转换至并网发电模式的初始阶段后与主电网重新同步。
CC在联网模式的功能如下:
（1）采集微电源和负荷的信息进行监测系统诊断。
（2）利用采集的信息进行状态估计与安全评估、发电经济调度和微电源有功与无功功率控制以及执行需求侧管理等功能。
（3）维持合同条款规定的功率交换情况下确保与主电网的同步运行。
CC在独立模式的功能如下：
（1）为保持负荷端的频率和电压稳定执行微电网有功与无功功率控制。
（2）采用带储能设备支持的需求侧管理的负荷中断/减载策略维持功率平衡和母线电压。
（3）初始化当地的黑启动以确保改善服务的可靠性和连续性。
（4）在主电网供电恢复且对两个电网的稳定性均无影响的情况下把微电网转换到联网模式。
摘自《微电网和主动配电网》
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