智能微电网系统的能量管理及运行控制分析

2014-12-16赵志刚

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2014年4期

沈洋，赵志刚

(沈阳工程学院a.研究生部b.电力学院，辽宁沈阳110136)

1 智能微电网结构

1.1 系统结构

如图1所示，该微网涵盖发电、用电、储能、智能控制等部分设备，并且系统具有灵活的可扩展性。该智能微电网可对不同分布式可再生电源进行充分利用与调控，具有离网运行能力和极高的可靠性，能与配电网络进行配合，是具有信息化、自动化、互动化特征的可靠、自愈、灵活、经济、兼容、高效、集成的智能小区微电网系统。

图1 智能微电网

1.2 微源的接入

1)光伏发电系统

在母线上配置光伏发电系统，采用三相逆变将光伏产生的直流电能汇聚到直流汇流箱箱中逆变成交流电直接接入母线上，如图2所示。

图2 光伏系统

2)风力发电系统

在母线上配置直驱风力发电系统。直驱风力发电机产生的的交流电需要经过交直交(整流和逆变)变换再接入母线上。

3)储能系统

图3 风机系统

2 智能微电网运行控制体系

智能微电网的控制以就地控制为主，远程控制为辅。微电网的主要相关运行数据可以远传到调度端。微电网的运行控制分为接入控制层、微电网控制层、就地控制层3个层面。接入控制层主要从配网安全经济运行的角度协调调度微电网(微电网相对于大电网表现为单一的受控单元)，微电网接受上级配网的调度控制命令。微电网控制层集中管理微电网内部各分布式电源和各类负荷，在微电网并网运行时负责实现最大化利用可再生能源并优化微电网运行;在并网运行时根据各类负荷的用电情况调节各分布式电源出力，以实现微电网的稳态安全运行。就地控制层主要由各分布式电源控制器和负荷控制器组成，负责各单元的独立控制，实现微电网的暂态安全运行。

图4 储能系统

1)接入控制层

微电网对于大电网表现为单一可控、可灵活调度的单元，既可与大电网并网运行，也可在大电网故障或需要时与大电网断开运行。在特殊情况下(如发生地震、暴风雪、洪水等意外灾害情况)，微电网可作为配网的备用电源向配网提供有效支撑，加速配网的故障恢复。在大电网用电紧张时，微电网可利用自身的储能机制进行消峰填谷，从而避免配网大范围的拉闸限电，减少大电网的备用容量。正常运行时参与大电网经济运行调度，提高整个电网的运行经济性。

2)微电网控制层

微电网控制层是整个微电网运行控制的核心部分，用来实现微电网的监视和控制。在保证微电网安全运行的前提下，以全系统能量利用效率最大为目标，最大限度地利用可再生能源，同时兼顾电能的优化配置。微电网控制层通过负荷预测和分布电源发电预测，根据当前微电网的运行情况，实时进行分布式电源与负荷、微电网与主网的优化协调控制，并及时响应接入控制层的远方控制，实现并网、孤网、停运的平滑过渡。

微电网控制层的具体功能如下:

在微电网并网运行时进行经济调度，优化协调各分布式电源和储能的出力，实现削峰填谷以平滑负荷曲线;在微电网即将进入孤网运行时，执行分布式电源、储能、负荷各自的运行控制策略，实现并离网的快速平滑过渡;在微电网的并离网过渡中协调就地控制器，快速完成转换;在微电网离网运行时协调各发电单元出力，进行负荷管理，保证微电网重要负荷的供电、维持微电网的安全运行;在微电网停运时，启用“黑启动”，使微电网快速恢复供电。

3)就地控制层

就地控制层由一系列就地控制器和就地保护设备组成，就地控制器独立完成各分布式电源频率和电压的一次调节，就地保护设备独立完成各单元的故障快速保护，通过就地控制和保护的配合实现微电网故障的快速“自愈”。

就地控制器分为发电控制器和负荷控制器，功能如下:

发电控制器能实现主分布式电源V/F控制和PQ控制的自动切换，并能根据系统的频率和电压，切除部分分布式电源;负荷控制器能根据系统的频率和电压，延迟切除不重要负荷，保证系统的安全运行;就地控制层和微电网控制层采取弱通讯方式进行联系。就地控制层实现微电网暂态控制，微电网控制层实现微电网稳态控制和分析。

3 智能微电网高级控制策略

3.1 并离网切换策略

3.1.1 无缝切换

并网运行时，当流过静态开关电流越大，微网内分布式电源与负荷之间功率不匹配程度也大，微网与电网断开后对主电源冲击越大。此外考虑到静态开关有一定的开断容量，静态开关只有在其允许电流范围内才能快速隔离大电网。因此微网从并网运行模式切换至独立运行模式时，应尽量减小切换前流过静态开关的电流，并将其减小至某一设定值，此处称为允许切换电流阀值。具体的并网至独立运行模式无缝切换控制逻辑如下:

1)主电源控制器检测到电网电压降低后，检测流过静态开关的电流峰值或有效值。如果流过静态开关的电流大于允许切换电流阀值，主电源控制器以当前电流参考与并网电流的偏差值作为主电源逆变器输出电流参考指令，在静态开关关断前尽快降低微网与电网之间联络线上电流。

2)当主电源控制器检测到并网电流小于允许切换电流阀值后，下达静态开关关断指令，同时主电源器控制器进行控制模式切换，由电流控制切换至电压控制。在微网运行模式切换过程中，从电源始终运行在电流控制模式下。

电网恢复正常后，微网需要重新并网运行。微网并网运行前应首先保证静态开关两侧的电压幅值、相位和频率相等，同时还应减小切换后的电流冲击，具体的独立至并网运行模式无缝切换控制逻辑如下:

1)主电源控制器检测到电网电压正常后，以当前电网电压作为控制器的输出电压参考，不断调整其输出使静态开关两侧的电压相位和幅值相同。

2)当主电源控制器检测到静态开关两侧电压满足并网条件后，下达静态开关合闸指令，同时主电源器控制器按照上文中所述方法进行控制模式切换，由电压控制切换至电流控制。在微网运行模式切换过程中，从电源始终运行在电流控制模式下。当微网运行模式切换完成后，根据微网出力特性逐步增加或减小微网内分布式电源(包括主电源和从电源)出力。

3.1.2 有缝切换

当外部电网发生故障时，并网母线失压，模式控制器在检测到外网母线电压不正常后，所有逆变器自动关断，打开微网对外的并网开关，并向双向逆变器(储能或直/交逆变器)下达转模式指令，双向逆变器转入恒压/恒频控制，独立带负载运行，光伏逆变器(交流微网情况下)在检测到母线电压正常后重新并网运行。当外部电网恢复正常后，模式控制器在检测到外部电网电压正常后，首先关断双向逆变器，光伏逆变器(交流微网情况下)随后关断，然后闭合微网并网开关，电网带负载运行。所有逆变器在检测电网电压正常后，导通运行，此时蓄电池进入充电状态。在整个运行过程中，出现两次短时停电。

3.2 并网控制策略

3.2.1 平滑分布式电源波动

第一个“时间窗口”——《数轴》的教学.在这个“窗口”节点上，我们要帮助学生理解数轴上的任意一点与一个实数建立了一一对应关系，初步建立“数”与“形”结合的纽带，初步感受数形结合思想.简言之，我们要让学生的思维达到这样一个层面：看到数轴上的点，要能意识到其对应着一个数；看到一个数，要能反应出其可以在数轴对应一个点.一个数，一个点，不离不弃，相互依存.

风光是典型的随机性、间歇性电源，供电可能会带来供电质量问题和电网稳定问题，储能系统具有动态吸收能量并适时释放的特点，能有效弥补风光的间歇性、波动性缺点，改善风电输出功率和电能质量的可控性，提升稳定水平。

基于滤波的平滑控制方法的目标是要消除可再生能源输出功率波动中的高频分量，因为分布式电源输出功率中的低频分量波动比较缓慢，功率变化率较小，注入电网时电力系统有充足的时间进行响应，然而当高频分量与其叠加后，导致输出功率变化率较大，短时间内对电网造成严重的冲击，给电力系统安全运行带来了隐患。滤除功率波动中的高频分量可以使用一阶巴特沃兹低通滤波器如下式所示:

式中，T为滤波时间常数。

可变时间常数控制在基本滤波控制的基础上，加入SOC反馈环节对时间常数进行修正，其控制框图如下。

图5 SOC限值分类

图6 滤波时间常数的调整方法

上图中，Td为控制周期;T(t)为当前时刻的滤波时间常数;T(t+1)为下一时刻的滤波时间常数;Tmin、Tmax为滤波时间常数的上下限;C为滤波时间常数的变化率，其正负与SOC值和电池输出功率Pbat的正负有关。C与Td的乘积为滤波时间常数的修正量，如下式所示:

ΔT=C·Td

3.2.2 计划输出控制

并网运行时微网中联络线功率的控制方法主要分为基于滤波的平滑控制方法与基于联络线定功率的控制方法。滤波控制是指利用储能系统针对分布式电源输出功率波动中某一特定频段的波动分量进行补偿，以达到平滑分布式电源输出功率的目的;定功率控制是指根据分布式电源输出功率预测值、负荷预测值与发电计划，制定合理的总输出功率目标曲线，通过实时地调整储能系统的充放电功率，使系统总的输出功率符合计划安排。微网孤网运行时，微网能量管理的策略主要是保证微网内频率和电压稳定，电池不要出现过充和过放的现象。除了通过滤波方式获得目标输出曲线外，也可以通过系统的调度计划与预测的风电或光伏输出制定发电计划从而得到目标输出曲线，通过储能系统的充放电策略来使联络线的功率与目标输出相同。

基于联络线定功率的控制方法，就是根据发电计划，结合风电厂的风速预测或光伏发电厂的光照强度预测结果与负荷预测结果，制定合理的总输出功率目标曲线，通过实时调整储能系统的充、放电功率以及充放电状态的迅速切换，使“可再生能源+储能系统”的总功率输出符合计划安排。

具体的联络线控制框图如图7所示:

图7 联络线定功率控制

图8 电池充放电控制

当联络线额定功率Pgrid_ref大于Pa时，蓄电池放电;当Pgrid_ref小于Pa时，蓄电池充电。

3.2.3 能量型和功率型储能的协调控制

微网并网运行时，锂电池与超级电容器等构成的混合储能可以有效抑制微网与外电网之间联络线的功率波动，即以锂电池负责滤除联络线输出有功功率波动中的低频和中频分量，超级电容器等负责滤除联络线输出有功功率波动中的高频分量。通过采用混合储能控制，相对于锂电池单一储能的联络线平滑功率控制策略，混合储能系统有如下优点:

1)联络线有功功率波动中的高频分量会导致锂电池输出电流的剧烈变化，造成锂电池的输出峰值功率变大，而由于锂电池的功率密度相对较低，要想达到较大的功率密度，只能扩大电池的容量，储能装置的成本也会随之上升。采用蓄电池、超级电容器混合储能，可以利用超级电容来提供峰值功率，减小蓄电池的配置容量，节约成本。

2)通过超级电容换流器的合理控制，还可以优化蓄电池的充放电过程，减少蓄电池的充放电次数，延长蓄电池的使用寿命。

3.2.4 储能削峰填谷

并网运行时，可以将削峰填谷作为能量型储能电池日常工作。为了达到使电网削峰填谷的要求，需要对控制策略进行优化计算，考虑到实时优化算法的复杂性以及实时负荷曲线的不可预测性，选用日前或者历史数据进行优化并结合实时参数变化进行相应调整的控制策略。具体控制描述如下:

1)削峰填谷的日前优化

根据电池的特性以及日前数据中负荷的峰谷分布情况，预测风机及光伏出力的分布情况设定电池每天的充放电次数。考虑到充放电次数过多会影响电池的使用寿命，可以使电池每天充放电各一次。如负荷曲线在上午和下午有两个高峰，可令电池在一天中充放电各两次。如考虑到晚间民用负荷高峰，可以让电池充放电各三次。优化变量为电池的充放电功率以及电池充放电的起始时间和结束时间。约束条件包括电池充放电速率限制约束，事件先后顺序约束以及电池容量的上下限约束。

2)削峰填谷的实时控制

当天的实时控制策略在前一天数据优化的基础上调整得出，主要原则是根据当天负荷变化情况和电池状态变化合理给出当天控制指令。考虑到每天的符合高峰低谷时间不一致，对于实际系统来说，测量到的只能是当前负荷状态和历史负荷曲线。需要对日前优化的结果进行实时的修正。

3.3 离网控制策略

当离网运行时，蓄电池作为微网的主电源，控制系统的频率和电压恒定。光伏发电和风力发电工作在最大功率输出状态。

对于采用下垂控制的多PCS并列运行，一次控制主要实现基于下垂的均流控制，这种控制是有差调节的。在一次控制的基础上，通过二次控制实现无差调节的系统频率和电压的二次调节，其本质为平移下垂曲线。

3.4 负荷控制策略

当独立供电系统发生突然的有功功率缺额(如系统突然失去部分主电源)，而且超出了微电源的一二次调节能力，应依靠低压低频自动减载装置的动作，使保留运行的负荷量与运行中的发电量相适应，保持系统继续安全稳定运行，保证向重要负荷不间断供电，使系统在实际可能的各种运行方式下，不发生频率崩溃，也不使频率长期悬浮在某一过低或过高的数值。但当系统电压频率下降不大，频率电压虽低但不危机系统运行时，不易切除负荷，目的是充分动用备用容量。

紧急低频、低压控制设置有若干个独立的基本轮、若干个独立的特殊轮。当系统功率缺额较大时，根据df/dt加速切负荷的功能，在切第一轮时，可加速切第二轮或第二、三轮，尽早制止频率的下降。当系统电压下降太快时，可根据du/dt加速切负荷，尽早制止系统电压的下降，避免发生电压崩溃事故，并使电压恢复到允许的运行范围内，保证电压稳定。