孤岛式微网组网控制模式研究

李斌，董金社，李星桥，谷海涛，姚远

（1. 华锐风电科技（集团）股份有限公司，北京 100872；2. 中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司，

河北 涿州 072750）

随着当前世界经济快速发展，人类的能耗越来越大，化石燃料不断被消耗，其价格不断攀升。化石燃料使用所带来的环境问题日益严重，能源危机日益突显，已威胁到了人类的可持续发展。在这种情况下，风能、太阳能、生物质能、地热能等新能源发电方式成为研究的热点，太阳能这种取之不尽、用之不竭的清洁可再生资源更是受到人们的青睐。近些年来，新型能源的利用研究在不断地深入。

伴随着新型技术的研究应用，尤其是电力电子接口技术和现代控制理论的快速发展，新能源的利用也在不断进步。微网系统采用分布式电源和负荷一起作为配电系统的子系统，既能够和大电力系统并网运行发电，又可以独立对用户供电，成为可再生能源利用较好的一个解决方案。孤岛式微网是规模较小的分散的独立系统，基本单元一般由分布式电源、储能装置、控制系统及电力负荷组成，可以提供稳定可靠的电能，适合边远地区和大电网无法直接到达区域的独立供电[1]。

1 孤岛式微网技术

孤岛式微网可充分利用清洁能源。孤岛式微网的典型结构如图1所示。

系统由能量产生部分、能量消耗部分、控制部分、能量储存部分等组成。能量产生部分有各种形式的电源，孤立微电网中常用的典型电源有常规发电机组（如柴油发电机、微型燃气轮机等）和可再生能源发电机组（如光伏和风力发电系统等）[2]。能量消耗部分为系统的常规性负载，有直流负载和交流负载。控制部分控制系统的运行，控制系统能量调度、状态检测、接断负载、接断电源、通信、保护等功能，以保证发电系统稳定可靠运行。能量存储部分则为蓄电池，储存能量。储能在微电网中的应用可概括为：提供短时供电、用于能量缓冲、改善电能质量、优化微电源的运行，以及提高微电网的经济效益等[3]。对于像风力发电和光伏发电这样的电源，其输出功率的大小受天气影响较大，发电具有明显的间歇性，若想保证恒定的功率输出，则需要配备较大容量的储能装置[4]。

图1 孤岛式微网典型结构图Fig. 1 The typical structure of the islanded micro grid

2 移动式负载微网

2.1 移动式负载工作环境

移动式负载，顾名思义，根据工作条件需要，负载处于经常性移动状态中，如船舶、营房车等。移动式负载一般处于远离大电网的地域，如海上、高原、戈壁、荒漠等地域。这些地域一般拥有光照充足、风力较大，天气变化较大等特点。负载不能经常性接入电网，根据工作条件需要，移动式负载的电力系统需在远离电网的情况下工作一定时长，因此需要分布式发电装置进行供电，如柴油机、光伏组件、风力发电机等。对整个移动式负载的供电，形成了一个微网系统。

由于移动式负载处于经常性移动中，天气条件变化大，工作环境变化大，因此要求移动式负载微网具有抗干扰能力强，抗冲击能力强等特点，系统需要有较强的缓冲能力。

2.2 移动式微网组网模式

根据移动式微网实际工作需要，本文提出一种主从式结构。在主从结构中，存在主机与从机，从机挂在主机上。主机的能量输入有电网、柴油机、光伏组件等分布式电源，在一定条件下还可得到从机的馈电。从机的能量输入有主机输出、光伏组件等分布式电源。主机承担系统的主要负载，对微网的稳定起决定性作用；从机承担系统的次要负载，对微网的稳定起辅助作用。系统的结构如图2所示。

图2 主从结构示意图Fig. 2 Master-slave structure

主从结构的特点是微电网的带载能力强、结构稳定、具有很强的缓冲能力。根据实验，若全部单机运行，则系统只能带10 kW的负载；使用主从结构，在一主一从的结构下，系统可以带12 kW的负载，由此可见，系统的带载能力得到了提高，同时增强了系统的稳定性。

每个主机可以带几个从机，是由主机与从机的功率参数决定的。从机总的输出功率，不能大于主机的输出功率。在实际工程应用中，还应考虑到设备的成本费用问题，从机的总功率可以适当超过主机的功率，在系统的控制上附加一些限制，防止主机过载，在总体上使系统得到优化，发挥出主从结构的优势。

2.3 移动式微网能量管理

移动式微网系统的基本运行能量管理模式分为三级。

第一级，光照条件良好时，光伏发电可以满足负载需求，蓄电池作为后备电源补充光伏发电与实际负荷需求之间的差额。当蓄电池剩余容量较小时，若光伏发电能够满足单体载负荷需求，则利用多余电力向蓄电池充电；若光伏发电无法满足单体载负荷的需求，即光伏和蓄电池都无法满足负载用电，则运行模式切换至第二级，微网单元运行模式，由主机为从机负载供电。

第二级，微网单元运行模式。当主单体蓄电池电量较高时，由蓄电池为自身负载和从机单体负载供电。当主机蓄电池剩余电量较小时，若光伏发电能够满足微网单元内的负荷需求，则利用多余电力向蓄电池充电；如果光伏发电和蓄电池都无法满足负载需求，则启动柴油机或并入主电网，运行模式切换至第三级，并网运行模式。柴油发电机或主电网为单体内负载供电的同时，也向主机和从机的蓄电池充电。

第三级，并网运行模式。柴油发电机或主电网向单体内负载供电，同时为微网系统内的蓄电池充电。当蓄电池充满时，即可退出柴油发电机或断开与主电网的连接。起到充分利用清洁能源，最大效率利用柴油机发电，节省柴油发电机的耗油量的目的。

3 样机试验与结果分析

样机集成后，分别作单机运行试验、组网运行试验和超负荷试验，并分析了整个微网发电系统样机的运行性能。

试验设备中，主蓄电池为24节2 V 800 Ah的串联，从蓄电池组4节12 V 150 Ah的串联，主、从光伏组件为9块165 W三串三并，负载为阻性负载1kW的整数倍可调。主双向逆变器采用STUDER公司的XTH8000-48，从双向逆变器型号为XTM2600-48，充电控制器型号为STUDER公司的VT-65。

3.1 单机运行试验

试验为从机单机运行，试验接线示意图如图3所示。

图3 试验1接线示意图Fig. 3 The wiring schematic for test 1

单机实验数据如表1。

表1 单机运行实验数据Tab. 1 Experimental data for a single machine running

结论分析

实验验证独立运行的3种工作模式：光伏发电功率为0时，蓄电池放电为负载供电（实验数据序号1、2、3）；光伏发电功率大于负载功率时，光伏发电既为蓄电池充电又为负载供电（实验数据序号4、5）；光伏发电功率小于负载功率时，光伏发电与蓄电池一起为负载供电（实验数据序号6）。

3.2 组网运行试验

试验为一主机带一从机组网试验，试验接线示意图如图4所示。

图4 试验2接线示意图Fig. 4 The wiring schematic for test 2

一主一从两台机器组网运行的实验数据如表2所示。

表2 组网运行实验数据Tab. 2 Experimental data for network machines running

结论分析

组网运行模式下，主机输出+从机馈电=负载功率。当主机的输出不能满足负载的需求是，从机馈电对负载进行供电。增加了系统的带负载能力。

3.3 超负荷试验

试验为一从机单独运行进行超负荷试验，试验接线示意图如图5所示。

图5 试验3接线示意图Fig. 5 The wiring schematic for test 3

一台主机两台从机组网运行实验数据如表3。

表3 超负荷运行实验数据Tab. 3 Overload experimental data for network machines running

结论分析

当系统超负荷时，控制器会自动进行切断、关机。关机10 s后会尝试重新启动，若重新启动后依然超负荷，则会再次关机，等待人工重启。

4 结论

本文基于光柴蓄设计开发了孤岛式智能微电网系统样机，通过联调测试和多种试验，验证了样机工作的稳定性和可靠性。目前，该孤岛式微网发电系统已正常投入使用，完全满足实际运行要求。

[1] 赵建东，杨磊，刘文辉. 孤岛式风光柴蓄智能微网系统的研制[J]. 电网与清洁能源，2012，28（5）：46-49.ZHAO Jiandong，YANG Lei，LIU Wenhui. Research on islanded wind-solar-diesel-battery intelligent micro-grid system[J]. Power System and Clean Energy，2012，28（5）:46-49（in Chinese）.

[2] 刘梦璇，郭力，王成山，等. 风光柴储孤立微电网系统协调运行控制策略设计[J]. 电力系统自动化，2012，36（15）：19-24.LIU Mengxuan，GUO Li，WANG Chengshan，et al. A coordinated operating control strategy for hybrid isolated microgrid including wind power，photovoltaic system，diesel generator，and battery storage[J]. Automation of Electric Power Systems，2012，36（15）: 19-24（in Chinese）.

[3] 毕大强，牟晓春，任先文，等. 含多微源的微电网控制策略设计[J]. 高电压技术，2011，37（3）：687-693.BI Daqiang，MOU Xiaochun，REN Xianwen，et al. Design on control strategies of microgrid with multiple micro sources[J]. High Voltage Engineering，2011，37（3）: 687-693（in Chinese）.

[4] 王成山，肖朝霞，王守相. 微网综合控制与分析[J]. 电力系统自动化，2008，32（7）：98-103.WANG Chengshan，XIAO Zhaoxia，WANG Shouxiang.Synthetical control and analysis of microgrid[J]. Automation of Electric Power Systems，2008，32（7）: 98-103（in Chinese）.