一种基于电池储能的微电网自愈协调控制策略的研究

俞　翰,舒征宇,丁红声,周建华（国网宜昌供电公司,湖北　宜昌　443000）

一种基于电池储能的微电网自愈协调控制策略的研究

俞翰,舒征宇,丁红声,周建华
（国网宜昌供电公司,湖北宜昌443000）

本文基于微电网自愈的基本思想，提出了通过三个控制模块协调控制使微电网具有自愈功能，从而保障重要负荷供电。一是将微电网负荷进行分类处理，不同类别负荷连接对应的三条母线，通过动作可控开关改变母线的工作状态；二是在负荷分类的基础上，提出相邻微电网互为备用的方法，遵循微电网“重要负荷始终优先供电”的原则控制相邻微电网的母线潮流；三是基于电池储能装置，根据指定节点母线的功率偏差对锂电池组的逆变器进行控制，调节电池组的输出功率。基于以上三个模块，制定了协调综合控制策略。最后，通过仿真，验证了本文提出的控制策略可以有效地提高微电网的自愈能力。

微电网自愈;负荷分类;互为备用;电池储能;协调控制

0　　引言

随着智能电网的建设，分布式电源广泛接入微电网。风电等新能源具有间歇性的特点，以分散形式接入微电网可能发生功率波动，影响了微电网的供电可靠性。同时，电气设备的随机性故障也会造成系统的功率缺额，对负荷供电产生影响。提高微电网自愈能力可保证供电可靠性，对智能微电网建设很有意义。

使用储能设备可以有效应对电网功率缺额，而蓄电池具有能量密度高、建设周期短和功率规模适用范围广的优点，可作为系统备用和用于新能源并网发电功率平抑。电网自愈以保证负荷供电为基本目标，电网自愈控制策略主要有网络重构和增加备用电源等。关于分布式电源接入微网，传统研究更侧重于分布式电源接入对继电保护的影响和无功优化等问题，没有从系统的角度来分析微电网的功率问题和负荷供电问题。

本文从微电网整体的角度，以保证负荷供电为出发点，提出了模块协调控制的方法，对微电网负荷进行分类并使其可控，引入相邻微电网互为备用的思想，基于储能电池构建了较为完整的控制体系，并制定了应对功率缺额的微电网自愈协调控制策略。最后，通过仿真对该方法进行了验证。

1　微电网的基本结构

电网自愈控制以保证负荷供电为基本原则。为了保证负荷的供电可靠性，自愈电网首先应通过保障措施避免故障发生；其次，如果故障发生，则以不失去负荷或尽量少的失去负荷为目的。微电网实现自愈控制需要满足两个条件：（1）具备储能电源;（2）电源和负荷的投切是可控的。

微电网是供电系统的最基本组成单元。电源部分主要由配电网系统电源、微电网电源（Microsouce，以风电太阳能等为主）和储能设备（蓄电池、飞轮储能等）组成，其中储能设备等直流输出电源一般都通过换流器连接微电网。微电网负荷可依据重要程度划分等级。

2　　具有自愈功能微电网的布局规划

2.1 微电网负荷分类

微电网作为用电系统的基本单元，将其负荷按照重要程度依次划分为一类负荷、二类负荷和三类负荷。不同的负荷分别连接对应的母线e、f、g，重要程度

在微电网产生了功率缺额时，动作可控开关投入储能装置。当储能装置的可用容量不能弥补功率缺额时，则基于“重要负荷优先供电”的原则，按照母线重要程度切掉较不重要的母线负荷，使微电网处于最优状态运行。

2.2 相邻微电网的互为备用

当微电网产生功率缺额，而自身的储能装置不能满足需求时，只能通过切除部分负荷的方式来解决。而如果考虑把相邻的微电网作为其备用功率，则可能最大限度地减少负荷损失。假设微电网A与微电网B相连，其主母线通过可控开关相连。

通过控制开关，可以使微电网A运行在以下状态：（1）A孤岛运行；（2）A单独与市电相连；（3）A与B、市电相连，B与市电相连；（4）A与B、市电相连，B与市电不相连；（5）A只与B相连，B与市电相连；（6）A只与B相连，B与市电不相连。

由上述分析可得如下初步结论：

（1）当A不与B相连时，A只能从市电和A的储能电池获取能量；当A与B相连时，A可以从市电、A的储能电池和B的储能电池获取能量。显然，A的可用功率来源增加，A的耐功率缺额能力增强。（2）相比较单个微电网而言，当A与B相连，A产生较大功率缺额时，储能电池的可用容量不能弥补A的功率缺额，则可考虑先切除A和B的第三类负荷，而不是切除A的第三类负荷和第二类负荷，从而较为重要的A的第二类负荷可以在B的第三类负荷切除后再考虑是否切除。这样，在电能有限的情况下，可以使较为重要的负荷优先得到供电，实现了不同微电网之间的协同控制，增强了供电的选择性和可控性。

3　　具有自愈功能的微电网的协调控制策略

当微电网产生功率缺额时，可以从两方面采取措施：一是增加功率来源，二是减少功率消耗。对于前者，本文采用投入锂电池组和从相邻微电网获取功率支援的方式，需要制定蓄电池组的投切控制策略。对于后者，则需要根据电网功率情况制定可控开关的动作方案。4.1小节介绍了如何根据功率偏差控制换流器从而改变锂电池组的有功和无功输出，4.2小节重点介绍如何单个微电网如何控制联络开关和锂电池组的投切容量，4.3小节在前两小节的基础了提出了考虑相邻微电网备用功率的协调控制策略。

3.1换流器的控制策略

锂电池组控制的关键在于控制换流器。换流器控制一般有两种策略：（1）PQ型换流器控制，逆变器作为一个提供给定的有功和无功功率的结点。（2）电压源型换流器控制，逆变器用来按照设定的电压频率值来满足负荷的需求。

3.2多个微电网的互为备用

图2描述了用电网络的构成，微电网作为基本单元，若干个微电网组成了用电网络。这里的微电网须满足约束条件：（1）包含一般性负荷；（2）具备微电源。等效主馈线为配电网主电源与微电网交互能量的通道。

用电网络运行状态方程组描述如下：

在同一等级负荷中，考虑重要性和系统平衡性对其编号，依次为。判别执行方程如下：

4　　仿真验证

本文选取微电网负荷有功功率总额为2.5MW，其中一类负荷0.8MW，二类负荷1.2MW，三类负荷0.7MW。单元微电网储能装置0.3MW，新能源接入容量1MW。

微电网因故障产生小容量功率缺额，电网电压跌落，如图3所示。

通过切负荷的方式，微电网损失部分负荷可以恢复稳定运行。同样，通过投入储能装置，微电网也能恢复稳定运行。其电压波动情况如图4、图5所示。

可见，发生小容量功率缺额时，可通过储能装置有效改善电网运行状况，保证负荷的正常故障。

微电网发生较严重故障时，网络内部的储能设备无法满足其功率需求，将相邻微电网作为备用容量，投入储能，此时仍需切除部分负荷。切除微电网A的第三类负荷和部分第二类负荷后，系统恢复正常；通过协调控制，切除微电网A和微电网B的第三类负荷，微电网电压和频率也得到恢复，其频率波动分别如图6所示。

图中，两条虚线表示不同切负荷方案下频率的改善情况。在投入储能设备的情况下，两种切负荷方式都可以使系统频率恢复正常。显然，采用协调控制策略后，较重要的负荷在较大功率缺额时得到了保护，提高了供电负荷的选择性。

6　　结论

电网故障和分布式电源波动会影响重要负荷的供电可靠性，从而造成严重的经济损失和负面的社会影响。

本文基于电池储能措施和负荷分类管理，以微电网为基本供电单位，从整个配电网的角度，利用相邻微电网互为备用，通过灵活的开关动作，提出了一种功率缺额情况下的微电网自愈控制方案。通过仿真算例分析，该方法可以有效地提高配电网系统的供电选择性，改善负荷的供电可靠性。该研究成果可以作为微电网规划和自愈控制的理论基础。

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俞翰（1983-）,硕士,工程师,主要研究方向为电力系统调度。