智能配电网规划与设计

　　智能配电网规划与设计

　　目前，智能电网刚刚起步，未来智能电网的核心是智能配电网，而智能微网将是智能配电网的重要组成部分。由于微网技术的先进性，在现有微网技术基础上进一步扩展建设具有智能电网特征的“智能微网”，无疑是最节省投资、最容易实现的智能电网项目。智能电网研究的四大目标包括：

　　*现电网安全稳定运行;

　　*使分布式电源得到有效的利用;

　　*提高电网资产的利用率;

　　*提高用户用电的效率、可靠性和电能质量。

　　上述目标的实现需要通过高级量测体系(AMI)、高级配电运行(ADO)、高级输电运行(ATO)和高级资产管理(AAM)之间的密切配合。

　　国家电网公司公布的智能电网发展目标为：建设以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制为手段，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合，是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现代电网。

　　2智能电网的核心

　　从长远来看，智能配电网都将是未来智能电网的核心，电力行业的定位决定了未来配电网的地位：在电力行业各个环节中，配电系统无疑是与用户联系最紧密的。智能配电系统的建设将为电力用户带来以下好处：

　　1)目前用户停电95%以上是由配电系统原因引起的，智能配电系统所具有的“自愈”功能将使事故发生时用户遭受停电的风险降至最低。

　　2)智能配电系统的双向性(双路通信、双向表计)将促进电网公司和客户之间的互动沟通，有利于推进电力需求侧管理，使客户享受更多的电价优惠，从而进一步提升电力服务水平。

　　3)用户对于包括计算机在内的大量电子设备的应用，将对供电电能质量提出更高要求。对于谐波、无功电压的治理有赖于新型电力电子装置的使用，智能配电系统的建设将为用户带来更加“优质”的电力供应。

　　4)随着世界各国不断加大对新能源产业的扶持，包括屋顶光伏发电、小型风电机组等微型并网项目的建设将迅速推进。此外，作为未来发展方向的智能化楼宇、智能化居民小区，以燃气轮机等自备电源为主的分布式电源同样具有并网运行的需求。对于这些新能源和分布式电源项目的并网，都有赖于新型智能配电网络的建设。

　　5)未来社会将是一个全面“电气化”的社会，作为城市电网的终端，各种新型电气设备将对配电系统提出更高的要求。

　　3从智能微网到智能配电网

　　3.1 微网是分布式发电发展的必然结果

　　微网的概念是随着分布式发电的发展而提出的。随着新能源产业的发展和用户自备电源的增加，包括光伏发电、微型燃气轮机发电、燃料电池发电和风力发电等分布式电源有了较大增长。如果大量分布式电源直接并入配电网，将给电网调度运行带来一系列新的问题：

　　*分布式电源在电网发生故障时将立即退出运行;

　　*分布式电源将间歇性地影响周边用户;

　　*使得配电网电压调整复杂化;

　　*容易产生大量谐波，影响该区域的电能质量;

　　*给继电保护整定带来困难。

　　为了解决上述问题，通过把分布式电源和负荷一起组合为配电子系统——微网，可以有效降低分布式发电带来的不利影响，同时发挥其积极作用。微网结构见图l。

　　图1 典型微网结构图

　　3.2微网是智能配电网的示范平台微网技术的发展从一开始就与先进的电力电子技术、计算机控制技术、通信技术紧密相关，其整体技术水平远远高于传统输电网和配电网。

　　智能微网示范项目具有以下组成部分：

　　*集控中心：可实现整个系统的智能化、可视化管理，具有系统运行及平台展示双重功能;木多种分布式电源，光伏发电，微型风力发电机组，自备发电机组，等等;

　　*多个智能化用户：均具有交互式智能电表、一体化通讯网络以及可扩展的智能化电气接口，可支持双向通信、智能读表、用户能源管理(需求侧管理DSM)、家庭自动化;

　　*具有自愈(故障重构)能力的电力网络：由新型开关设备、测量设备和通讯设备组成，在集控中心调度管理下可自动实现故障隔离、恢复2供电和故障定位诊断;

　　*定制电力/DFACTS：新型电力电子设备的实验性应用，包括动态无功补偿SVG、有源滤波器APF、固态断路器SSCB等，改善电能质量，适应分布式新能源接入。

　　*在各个主要部分均预留可扩展接口，建设开放式的智能电网示范研究平台，为今后进行新的试验研究和新产品挂网测试做好准备。

　　3.3 智能微网是智能配电网的重要组成部分

　　智能微网不仅具有智能配电网的研究和示范作用，而且将成为未来智能配电网的重要组成部分，这是因为智能微网具有如下优点：

　　*智能微网具有智能电网的几乎所有特点：双向交互性、网络自愈功能、灵活性，等等;

　　*可以提高分布式电源的有效运行时间;.

　　*有助于在电网灾变时保障对重要负荷的持续供电;

　　*可以在智能微网范围内有效解决电压、谐波问题，避免间歇式电源对周围用户电能质量的直接影响;

　　*可以尽量就地平衡分布式发电电能，有助于可再生能源优化利用和电网节能降损。

　　4 结论

　　未来智能电网的核心是智能配电网，而智能微网将是智能配电网的重要组成部分。由于微网技术的先进性，在现有微网技术基础上进一步扩展建设具有智能电网特征的“智能微网”，无疑是最节省投资、最容易实现的智能电网项目。在目前智能电网刚刚起步阶段，智能微网的建设具有极大的研究、示范价值和最低的风险性。

　　微网(MG)作为智能电网重要组成部分，目前在控制方面还存在一些问题，特别是微网的解列和并网控制。针对并网过程对微网和主电网电能质量的影响，通过研究电网中的频率和功率特性关系，对微网并网过程中的功率流动进行了详细的分析。最后使用电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC对并网过程进行了仿真，通过比较最佳并网时刻前后的不同并网过程，分析了其频率和功率变化的不同。研究结果表明，微网和主电网电压相对相位的不同对并网过程的电能质量有很大的影响。

　　0 引 言

　　随着我国对智能电网研究和规划的正式启动， 作为智能电网基础部分的分布式电源(Distributed Generation， DG)越来越受到人们的关注。DG 主要包括微汽轮机、风能、太阳能、燃料电池、生物质能等。其一般和负载一起组成微网， 作为一个可控单元接入主电网。在并网运行时， 微网通过公共连接点和主电网连接， 当主电网发生故障或者电能质量问题时， 微网迅速与主电网断开， 独立向内部负载供电 ， 当故障解除、主电网恢复正常后， 微网可以再次和主电网并网运行。为了保证在并网过程中微网和主电网的电压和频率等电能质量指标符合国家标准， 并网过程一定要采取合理有效的控制策略， 保证并网过程的顺利安全进行。

　　本研究中只考虑并网后电网向微网注入功率， 而微网向电网注入功率的控制在以后的研究中进一步深入探讨。通过PSCAD /EMTDC仿真， 重点研究并网过程的电压和频率波动， 提出安全有效的并网控制方法。

　　1 典型微网结构

　　典型微网结构如图1所示， 主要由分布式电源、储能系统、负载和保护装置组成一个低压电网( low voltage， LV)， 通过变压器和主电网的中压电网(medium voltage， MV)连接 ， 当主电网中发生重大电能质量问题时， 微网控制中心(MicroGrid Control Center，MGCC)控制微网进入孤岛模式运行， 保护微网内部敏感和重要设备。微网的并网是一个复杂的控制过程，在闭合之前需要对一些电能质量指标进行检查， 只有这些指标满足同步并网要求， 才能合上开关接入主电网。

　　2 并网后的功率流动

　　在电力系统中，当功率出现不平衡或者频率发生变化时，频率和功率的调整是由负荷和电源两者的调节效应来完成。系统中的频率和有功功率间的关系为：

　　$f = - Ks$P = - Ks(P0-P1) (1)

　　式中Ks系统的频率调节特性;$P系统有功功率的变化;P0、P1不同频率下对应的功率;$f系统频率的变化。

　　在孤岛模式下，DG提供了微网内部负载所需的所有功率。并网后DG产生功率的多少由微网控制中心的指令决定，微网所需功率的缺额部分再由电网注入。

　　图2 孤岛系统的频率-功率特性图

　　两个孤岛系统的频率-功率特性图如图2所示。在连接之前，DG(A)、DG(B)分别以不同频率独立向各自负载供电，DG(A)的频率为 fa，DG(B)的频率为fb，连接后成为含有两个DG的孤岛。在分开运行时A比B的频率要高，当它们并网连接后只能在同一个频率f0下运行。从图2可以看出，此时A由于频率下降增加了$Pa的功率输出，B由于频率上升减少了$Pb的功率输出，而整个网络的负载没有变化，所以$Pa等于$Pb，并网后功率从A流向了B。同样，如果并网前DG(A)的频率低于DG(B)，连接以后功率从B流向了A。这说明并网后功率会从并网前频率高的流向频率低的，所以要使并网以后功率从电网流向微网，必须保证并网前电网频率要稍高于微网频率。

　　上面这种情况在实际应用中也是很有可能遇到的，当发生重大事故后，所有DG都将和微网分离，在微网重新启动时，DG将依次接入微网。

　　3 同步并网控制策略

　　一般来说，并网前两个独立运行的系统，其运行频率很难调整到完全相同。并网前电网电压和微网电压分别为U#g和U#m，电压幅值Ug=Um，频率fgXfm。假设并网后功率从电网注入微网，根据并网后功率流动的分析，fm要稍低于fg，可得开关两侧的电压差Us为：

　　Us=Ugsin(Xgt+Ug)-Umsin(Xmt+Um) (2)

　　其中，Xg=2Pfg，Xm=2Pfm。

　　式(2)可变换为：

　　式中D)滑差角频率，D=Xg-Xm;B)初相位差，B=Ug-Um。

　　微网仿真模型图如图3所示，微网含有一个DG和负载，以直流电源通过逆变器产生交流电来模拟DG，微网通过并网开关和主电网连接。假设并网前电网电压为 E#g，微网电压为E#m，根据上面功率流动的分析，要使并网后功率从电网流向微网，并网前电网频率要稍高于微网频率，即E#g的频率稍高于E#m的频率。同时根据上面对电压差的分析得出式(5)，可知并网开关两侧的电压差是脉动电压，仿真结果如图4(a)所示。在5.0s时刻的局部放大图如图4(b) 所示，从图中可以看出，5.0s是最合适的闭合开关时刻(这样的时刻是周期性出现的)，开关两侧的电压差最小，闭合过程产生的瞬间电流也很小，安全性能比较高。

　　电压E#g和E#m的对比图如图5所示(点划线是电网电压E#g，实线是微网电压E#m)。综合图4和图5可以发现在5.0s是并网的最佳时刻，但是在实际应用中恰好在5.0s这个时刻闭合开关的可能性很小，往往都是这点的前后合上开关。仔细观察图5可以发现在5.0s前后是两种不同的情况，5.0s之前是E#m超前于E#g，即E#m的相位超前E#g，5.0s之后则是相反的情况，E#g超前于E#m。下面重点分析这一不同点对并网过程的影响。

　　微网的总负载是2.0pu，在孤岛模式下由DG提供了全部的功率，而并网后要求DG的输出功率是1.0pu。首先在5.0s之前闭合开关，在这个时间段E#m超前于E#g，就是说频率低的电压相位超前于频率高的电压，同时保证开关两侧的电压差尽量小。在并网过程中DG的输出功率和频率的变化如图6所示。

　　从图6(a)可以看到，在并网过程中有一段向上的功率输出波动，然后又迅速回到正常水平。因为在并网前后整个系统的总负载没有变化，对微网来说，那些额外产生的功率流向了并网后的主电网。从图6(b)中可见，并网过程中有一段频率突然下降，短时间内产生了激烈的波动。

　　5.0s之后闭合开关的情况如图7所示，电压差比较小的时候并网，频率高的E#g超前于频率低的E#m，从图7(a)可以明显地发现功率从2.0pu变化到1.0pu，没有较大的波动，过渡比较平稳。在图7(b)中，频率的过渡同样也是比较平滑。因此如图7所示的情况才是最佳的并网过程，频率和功率波动都比较小，而且由于是在电压差比较小的时刻闭合并网开关，开关中产生的瞬时电流也比较小，整个过程中电能质量得到了有效的保证。