大型火力发电厂厂用电系统的微电网技术

王 浩，王永红

（贵州黔东电力有限公司，贵州镇远）

大型火力发电厂常建设在风能和光能充足的地区，例如海边和郊区，利用发电厂内的空闲场地资源安装分布式电源，根据火力发电生产需求搭配发电机、储能装置等，集多装置于一体，构建完善的微电网系统，其优势在于降低厂用电率，提高可再生能源的利用水平，达到节约生产成本以及减轻污染物排放等效果。微电网技术的应用细节多，深入研究技术应用策略具有重要意义。

1.1 分布式发电

常规的被动电力网络中，由上级的高压网络配送电能至负荷侧。微电网系统构建的是主动网络，能够改善电能的输送状态，甚至可以向大电网提供额外的电能。分布式发电系统的单机容量小，其配置具有灵活性，可以在微电网中分散配置。发电设备多样化，例如风电光电等可再生能源是重要的发电能源，在微电网系统中取得广泛应用。

1.2 储能系统

随着燃料电池、超级电容器等前沿技术的快速发展，小规模储能设备的应用水平逐步提高，能够协调系统电能平衡，改善系统运行状态，提高能源利用率。集丰富的小型储能设备于一体，构成微电网中的规模化储能系统，给电网的电能管理提供了重要的技术支持。

1.3 柔性负荷

负荷类型主要包含工业负荷、商业负荷以及生活负荷三大类，厂用电属于工业负荷，常采用相对固定的用电模式，日常生产中存在较大的用电需求。此外，按灵活性进行分类，负荷主要包含两类：一是固定负荷，即无法削减的负荷，用于满足基本需要；
二是柔性负荷，具有动态性，即随着系统运行状态的不同而发生变化的负荷，主要表现为负荷的消减和增大两个方面。

1.4 火电厂的微电网系统

电厂转型升级进程中逐步采用风能光能发电方式，利用此类可再生能源进行发电后，将新能源并网以补贴电厂日常生产中的部分发电费用，提高经济效益的同时还有效防护生态环境。将电厂自身视为微电网系统进行能源管理活动，发挥出现有设备的应用价值，在顺利实现发电任务的同时降低厂用电率，提高电厂的综合效益。

以某大型火力发电厂为例，在其厂用电系统中，配置柴油发电机、若干电压等级的负荷以及6 kV 母线和400 V 保安段各2 段，结构组成如图1 所示。

图1 原厂用电系统结构示意图

根据节能降耗、经济高效的原则，采用微电网技术改善原厂用电系统，改进后的系统如图2 所示。不改变柴油发电机的接入形式，经过逆变后，将光伏电池和储能装置接入400 V 母线，出口电压690 V 经变压器接入6 kV 母线，采用微电网技术进行改进后，建立风光柴储微网系统，其优势在于既能够使保安段重要负荷的供电维持稳定，又能够为其它负荷供电，例如6 kV 母线，保障供电效果。在高厂变和启备变安装逆功率监视与保护装置，用于维持发电机出口功率的稳定性，杜绝向高压侧倒送电。

图2 改造后的厂用电系统示意图

微电网系统的运行方式以孤岛运行和并网运行两种为主，大型火力发电厂厂用电系统的运行工况复杂，需要确定具体的运行模式，匹配科学可行的控制策略，发挥出微电网系统的应用优势[1]。

3.1 运行工况

微网系统通过高厂变与大电网相连，采取并网运行模式，在高厂变加装逆功率监测与保护装置，使发电机出口功率维持稳定。若高厂变故障，随即启备变并网，柴油发电机和储能装置可以在设施运行状态切换过程中发挥出作用，确保重要负荷在切换时仍可稳定运行。

停电检修或6 kV 母线故障时，断开风力发电机组和6 kV 母线，微网系统由并网运行转变为孤岛运行方式，微网内DG 承担保安段的重要负荷，系统的电压和频率两项参数均可维持稳定，柴油发电机和储能电池均可正常运行，微网内负荷维持平衡状态。微网系统运行流程，如图3 所示。

图3 微网系统运行流程图

3.2 微网控制系统

除了保证不同工况时微网的稳定性外，还需要考虑到工况过渡时的平滑转换问题，综合控制要求较高，将DG 作为主控制器的常规控制方式缺乏可行性，考虑到此技术应用现状，此处提出的是集中计算和全局控制的方式，配置了中心控制器。

DG 在微网并网运行时均采用PQ 控制方式。中心控制器可检测并网的功率及电压测量信号，根据实测数据判断并网运行状态，若测点数据出现异常，则表明被测对象存在故障，为减小故障引起的不良影响，中心控制器随即做出响应，实行孤岛运行模式，此时微网和电网相互断开，但考虑到储能电池和柴油发电机将决定微网的电压和频率，需要由中心控制器启动柴油发电机，使其保持运行状态，储能电池则实行孤岛模式，功率输出状态接受中心控制器功率指令的控制，各DG 均为PQ 控制，功率可保持稳定。中心控制器实时检测并网的电压和频率，根据检测数据判断并网的运行状态。电网恢复正常后，后台发出并网指令，储能电池在中心控制器的调度下转变为并网模式，柴油发电机结束运行。微网控制原理如图4 所示。

图4 微电网控制原理图

3.3 控制策略

孤岛运行、并网运行两种方式下，微电网系统均采用PO 控制各DG 的输出功率，能量控制基本一致。在基于微网技术的控制方式下，采用控制目标与约束条件公式，探讨具体的控制策略[2]。

（1） 控制目标

式（1）中：LoadIm 为重要负荷集合；
Pi为重要负荷吸收的功率；
yi为重要负荷连接线路开闭合判断。式（2）中：PPCC为并网处交换功率，微网孤岛运行时，PPCC取0，且该值不可为负值，否则将导致微网向电网倒送电，不符合运行要求。

（2） 功率平衡约束条件

式（3）中：ω、b、d 为相应的DG 供电线路开闭合判断；
ys为次要负荷连接线路开闭合判断；
PWTG、PPV、PBEss、PDi分别为风力发电机组、光伏电池、储能电池、柴油发电机的输出功率；
Ps为次要负荷吸收功率；
LoadSe 为次要负荷集合。

（3） 并网运行约束条件

并网运行模式下，储能电池先维持充电的状态，在吸收系统功率后充满电，微电网的电能质量将由于储能电池的快速响应特性而维持稳定。

采用微网的能量控制算法，建立厂用电微网系统结构，仿真分析其突降负荷过程，具有又分为并网运行和孤岛运行两种方式考虑，具体如下：

4.1 并网运行时的仿真分析

降负荷仿真结果，如图5 所示。

图5 并网运行降负荷仿真结果

初始为并网运行方式，母线电压为690 V，系统频率为50 Hz；
微网系统的频率和电压将随着负荷的降低而发生波动，但持续时间较短，约0.1 s 后恢复初始状态，之所以出现此现象，主要原因在于控制系统能够有效管控干扰因素，尽快减少干扰，避免微网系统在负荷扰动下出现长时间的异常现象。

4.2 孤岛运行时的仿真分析

降负荷仿真结果，如图6 所示。

图6 孤岛运行降负荷仿真结果

孤岛运行状态下，母线电压为399.6 V，频率为49.926 Hz，微网系统的电压和频率将由于负荷下降而发生波动，但持续时间仅为0.2 s，此后即可趋于稳定，根据仿真结果可知，波动结束后的电压为399.6 V，频率为49.921 Hz，虽然两项参数存在波动，但均在许可范围内，稳定性良好，无过多的不良影响，表明本文提出的控制策略能够取得良好的控制效果[3]。

以一年时间为例，全年内机组停机天数集合、运行天数集合分别为StopDay、StartDay，则：

式（6）中：Vtotal为效益总和；
Pi、Pj分别为开机期间、停机期间的微电网日发电量；
t 为每度电耗煤量；
a 为电煤单价；
d 为上网电价；
b 为新能源补贴单价；
Ptotal为微电网一年内的总发电量。

根据式（6），做进一步的计算：

式（7）中：BPtotal、PPV、PWTG、PBESS分别为微电网改造建设、光伏电池建设、风电机组建设、蓄能电池建设的费用；
Pelse 为各项闲杂费用（包括施工费、人工费等）。按照式（7）进行计算，将微电网建设费用最小化作为控制目标，降低技术应用成本。

以满足重要负荷能量需求为主要目标，建立微电网系统，在此前提下追求经济效益和生态环境效益最大化。机组重要负荷容量约为4Mw，拟建微电网系统容量为5MW，包含1 台1MW 的光伏电池和4 台1MW的风力发电机组，储能系统容量设定为500kW·h。在该硬件设施配置方式下，综合考虑其它费用，确定微电网系统总造价约为2950 万元。

综上所述，大型火电厂发电过程中存在资源消耗量大、污染物排放量多等问题，在节能环保的发展理念下，利用空闲场地资源，建立微电网系统，有助于改善燃煤机组的运行状态，采用中心控制器进行主从控制，实行精细化控制策略，保障燃煤机组的稳定运行，同时进行仿真分析，检验了微电网系统的可行性。综合评价微电网技术在火电厂厂用系统中的应用效果，研究认为微电网技术的综合效益良好，在火力发电厂厂用系统中具有突出的应用价值。微电网接入燃煤机组厂用电系统属于传统燃煤发电产业转型升级的重要技术策略，具有推广意义，相关技术人员仍需持续探索，进一步提高微电网技术的应用水平。

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