安科瑞 劉秋霞
摘要：隨著能源需求的不斷增加和環境問題的不斷加劇，清潔能源逐漸受到人們的重視。微電網作為一種新興的電力系統，具有可靠性高、靈活性強、能源利用率高、環保節能等優點，被廣泛應用于現代化的城市化進程中。微電網系統能夠將傳統的中央電網與分布式電源有機地結合在一起，形成一個自包含、自主控制的小型電網系統，提高了能源的利用效率和電網的穩定性。本研究的主要目的是探索一種有效的微電網系統設計和優化方法，以提高系統的能源利用效率和電網的穩定性。
關鍵詞：微電網系統；系統設計；系統優化
0 引言
隨著新能源技術的不斷發展，微電網系統已經成為可再生能源和能源存儲技術的重要應用。微電網系統的設計與優化是一個復雜的工程，需要考慮多個方面的因素。微電網系統的設計應該從能源產生和消耗的模式出發，根據實際情況選擇合適的能源發電裝置，也要考慮到能源消耗的模式，需要根據實際需求選擇合適的設備。在這一過程中，需要特別關注設備的品質和可靠性，以保證系統的可靠性和穩定性。微電網系統的優化也是一個非常重要的方面，需要根據實際情況和預測的能源產生與消耗情況，對系統進行優化設計，以較大程度地提高系統的效率和可靠性。在優化過程中，需要考慮到系統的能量存儲和能量平衡等因素，以保證系統在不同負載下的正常運行。
1 微電網系統基本概念和組成
1. 1 微電網系統的基本概念
微電網又稱微型電網或分布式電源系統，是指在一個局部范圍內，以可再生能源發電為主、能源存儲和傳輸技術為輔的電力系統，能夠獨立于傳統的大型電力系統運行，滿足局部電力需求，并具有與外部電網互聯的能力［1］。微電網通常由分布式發電系統、能量存儲系統、智能電網控制系統等組成。與傳統的集中式電網不同，微電網可以更好適應當地的用電需求，在能源的供給和需求上更加靈活，使得能源利用更加有效、經濟和環保。微電網可以用于獨立建筑物、封閉校園、工業園區、孤立地區等。與傳統的中央化電力系統相比，微電網系統更具有靈活性和可靠性，并且更適合于應對氣候變化、自然災害和其他突發事件等情況。微電網基本結構圖如圖1所示。
圖1 微電網結構圖
1. 2 微電網系統的組成
微電網系統由多種設備和技術組成，主要包括分布式能源設備、儲能設備、控制系統、變流器、電力設備和智能電表等。分布式能源設備包括太陽能光伏發電、風力發電、水力發電和生物質發電等，能夠實現對可再生能源的利用和轉換。儲能設備包括電池儲能系統、壓縮空氣儲能系統和電容儲能系統等，能夠對能量進行儲存和釋放，提高電網的穩定性和可靠性。控制系統包括運行控制系統和保護控制系統，能夠對電力設備進行準確控制和保護，確保電網的穩定運行。變流器主要用于將直流電能轉換為交流電能，實現對電力設備的接入和輸出。以風力發電系統中的變流器為例，其內部結構如圖2所示，可借助IPM模塊對變流器的網側、機側進行構建，通過 450V 對直流電容進行電解，使用兩串聯、四并聯的方式可有效提高系統的容量。借助溫度傳感器可以對變流的 IPM 溫度進行測，實時觀察溫度的變化。
圖2 變流器內部結構
電力設備包括發電機組、變壓器、電纜和開關設備等，能夠實現對電力的輸送、轉換和控制。智能電表是一種高精度的電力計量設備，能夠實現對電能的準確計量和數據監測，便于對電力服務進行管理和優化。
2 微電網系統的設計
2. 1 微電網系統的設計路線
微電網系統的設計涉及到多個領域的知識，包括電力系統、電子電氣技術、控制理論、能源經濟等。因此，微電網系統設計的技術路線需要涉及多個方面，包括系統規劃、系統分析、系統設計、系統實施和系統優化等環節。首先，進行系統規劃，明確微電網系統的建設目標和規模，確定系統的電源和負載需求，分析系統的可行性和經濟性。其次，進行系統分析，考慮系統的電力負荷特征、電源供給情況、能源管理方式等因素，為系統設計提供基礎數據。接著，進行系統設計，包括選擇適合的電源技術、設計電網拓撲結構、確定控制策略和通信方案等。在系統實施階段，需要進行設備選型和采購、設備安裝和調試、系統聯調等工作。最后，進行系統優化，對系統進行可靠性分析、性能評估、經濟性分析和環保指標評估等，進一步提出優化方案，不斷提高系統性能和經濟效益。
2. 2 微電網系統的規劃和布局
微電網是一種基于分布式能源系統的能量管理系統，可以通過整合太陽能、風能、儲能和傳統電力系統等多種能源形式來提供電力，具有很高的靈活性和可靠性。因此，在進行微電網系統規劃和布局時，需要考慮能源源的選擇、負載特性、儲能系統、電力網絡的拓撲及項目經濟性等方面。首先，選擇適合本地環境和資源的能源，例如太陽能、風能、生物質、地熱能等。
其次，根據當地的電力需求和用電負荷特性，合理地配置負載類型和功率。選擇合適的儲能技術，例如電池、電容、壓縮空氣儲能等，以確保微電網的可靠性和穩定性。另外，微電網系統可以采用各種不同的電力網絡拓撲結構，如單電源微電網、多電源微電網、島式微電網等等。因此，在進行微電網規劃和布局時需要根據實際情況選擇合適的電力網絡拓撲。最后，還要從投資、運營和維護等方面對微電網系統進行經濟性分析和評估，確保在規劃和布局中兼顧經濟、環保和可靠性等多方面的因素。
2. 3 微電網系統的拓撲結構設計
在微電網系統的設計中，拓撲結構是一個非常重要的因素。不同的拓撲結構將會導致不同的電力網絡性能和可靠性。一種是單電源微電網，是一種簡單的微電網系統，其由單一的能源源和負載組成。二種是多電源微電網系統，是由多個能源源和負載組成的系統，可以通過搭建多個能源源和多個負載之間的連接來構建。多電源微電網系統比單電源微電網系統更加靈活和穩定，允許系統在某些電源故障的情況下繼續運行。三種是島式微電網，是一種*全獨立的微電網系統，可以在任何情況下獨立地運行，也可以與傳統電力系統相連接。島式微電網系統一般由多個能源源、負載和儲能系統組成，這些組件可以在島式微電網系統內部和外部進行無縫連接。島式微電網系統的較大優勢在于其全的獨立性和可靠性，但是其建設、運行和維護成本也較高。
3 微電網系統的優化
微電網系統作為一種新興的能源系統，已經在許多領域得到廣泛的應用。為了提高微電網系統的效率和經濟性，需要對其進行優化。
3. 1 微電網系統的性能評估
對微電網系統的性能評估是優化微電網系統的頭一步。性能評估可以通過對微電網系統進行仿真和實驗來實現。仿真是一種經濟、快速、可重復的方法，可以提供微電網系統的建模和性能分析。實驗則是驗證仿真結果的有效性和可靠性的方法。微電網系統的性能評估主要包括微電網系統的能源利用效率、微電網系統的電能質量和微電網系統的可靠性、經濟性等指標。微電網系統的能源利用效率是評估微電網系統性能的重要指標。因為微電網系統是通過發電機組、電池組、太陽能光伏電池、風力發電機等多種能源設備來提供電力需求的。微電網系統的電能質量是指供電系統的電壓、頻率和波形符合既定規范的程度。通過合理的控制和設計，可以減小電能質量波動的程度提高電能質量。微電網系統在運行中，需要保證系統的穩定性和可靠性。因此，系統故障率、可靠性指標和維護保養周期等指標是評估微電網系統可靠性的重要指標。微電網系統的經濟性是指系統的建設和運行成本。評估微電網系統的經濟性需要考慮成本和收益之間的平衡。這些指標的評估都可以通過仿真和實驗來實現。仿真結果可以通過建立微電網系統數學模型，利用仿真軟件進行模擬計算得到。
3. 2 微電網系統的容量優化
容量優化是指合理設計和配置微電網系統的發電機組、電池組、光伏電池、風力發電機等設備的容量，以較大限度地提高微電網系統的性能。微電網系統的容量優化需要考慮負荷需求、系統運行模式、資源適應性和經濟性等因素。微電網系統的設計應根據負荷需求，合理確定和配置設備的容量。負荷需求的變化，需要根據實際情況進行相應的調整和優化。微電網系統的運行模式根據與外部電網連接關系，主要分為聯網模式、孤島模式。根據系統運行模式的不同，需要對設備的容量進行相應的配置和優化。微電網系統的容量優化應根據當地的資源情況進行適應調整。比如在光照條件較好的地方應優先考慮太陽能光伏電池等設備；在風力較大的地區應優先考慮風力發電機等設備。另外，微電網系統的容量優化也需要考慮經濟性。需要在保證系統性能的前提下，盡可能地降低系統成本，提高經濟效益。
3. 3 微電網系統的運行優化
微電網系統的運行優化是指通過優化微電網系統的運行方式和策略，從而提高微電網系統的效率和經
濟性。微電網系統的運行優化需要考慮負荷調節、能源優化、電能質量控制及交互控制等因素。微電網系統的負荷需求是時刻變化的，因此需要通過負荷調節等措施來適應負荷變化。通過負荷調節控制，可使系統在不同負荷條件下保持穩定運行狀態。微電網系統是由多種能源設備組成的，因此需要通過能源優化來達到很不錯的能源利用效率。通過控制能源設備的啟停和輸出功率，可實現很不錯的能源利用效率。微電網系統的電能質量是評估系統性能的重要指標之一。因此，需要通過適當的電能質量控制策略，使得系統的電能質量得到提高。微電網系統中的各種能源設備之間存在相互關系，因此需要通過交互控制，使得系統的運行更加穩定和可靠。
4 安科瑞Acrel-2000MG微電網能量管理系統
Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電樁的接入，整天進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電樁運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。
微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持Modbus RTU、Modbus TCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT 等通信規約。
5 應用場所
系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。
6 系統架構
本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層
7 系統功能
7.1實時監測
微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、風電、儲能、充電樁等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。
系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。
系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。
微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。
圖2 系統主界面
子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。
7.1.1.1 光伏界面
圖 3 光伏系統界面
本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。
7.1.1.2 儲能界面
圖 4 儲能系統界面
本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。
圖 5 儲能系統PCS參數設置界面
本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。
圖 6 儲能系統BMS參數設置界面
本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。
圖 7 儲能系統PCS電網側數據界面
本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。
圖 8 儲能系統PCS交流側數據界面
本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。
圖 9 儲能系統PCS直流側數據界面
本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。
圖 10 儲能系統PCS狀態界面
本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。
圖 11 儲能電池狀態界面
本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。
圖 12 儲能電池簇運行數據界面
本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的大、小電壓、溫度值及所對應的位置。
7.1.1.3 風電界面
圖 13風電系統界面
本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。
7.1.1.4 充電樁界面
圖 14 充電樁界面
本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。
7.1.1.5 視頻監控界面
圖 15 微電網視頻監控界面
本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。
7.2發電預測
系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。
圖 16 光伏預測界面
7.3策略配置
系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態擴容等。
具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。
圖 17 策略配置界面
7.4運行報表
應能查詢各子系統、回路或設備規定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。
圖 18 運行報表
7.5實時報警
應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。
圖 19 實時告警
7.6歷史事件查詢
應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
圖 20 歷史事件查詢
7.7 電能質量監測
應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。
1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；
2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；
3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；
4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；
5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。
6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、大值、小值、95%概率值、方均根值。
7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。
圖 21 微電網系統電能質量界面
7.8 遙控功能
應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。
圖 22 遙控功能
7.9 曲線查詢
應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。
圖 23 曲線查詢
7.10 統計報表
具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。
圖 24 統計報表
7.11 網絡拓撲圖
系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。
圖 25 微電網系統拓撲界面
本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。
7.12 通信管理
可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持Modbus RTU、Modbus TCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104 、MQTT等通信規約。
圖 26 通信管理
7.13 用戶權限管理
應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
圖 27 用戶權限
7.14 故障錄波
應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。
圖 28 故障錄波
7.15 事故追憶
可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。
用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故*10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶規定和隨意修改。
圖 29 事故追憶
8 系統硬件配置
結束語
目前，全球能源結構正朝著清潔能源化、智能化、分布式化的方向不斷發展，微電網系統作為一個能夠實現清潔能源利用、智能化控制和分布式供電的系統，其市場前景非常廣闊。而且，考慮到人口增長和城市化的趨勢，以及能源效率和環境保護的需求，微電網系統將成為解決城市能源供需矛盾的重要手段。同時，隨著新能源技術的逐步成熟和智能化技術的不斷應用，微電網系統也將逐漸走向普及化。微電網系統的設計與優化重要性日益凸顯，因此，要不斷加大這方面的研究與技術創新，以提高微電網系統的能效和可靠性。
參考文獻
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