风光柴储微网系统运行模式切换控制策略探讨

王师 李锦双

摘要：風光柴储微网系统是当前电网并网研究的热点，通过对风光柴储微网系统的结构进行分析，对风光柴储微网系统的并网策略进行探析，对微网并网的算法进行设计，对微网并网的策略进行了分析，最后研究了风光柴储微网系统解列控制策略，为风光柴储微网系统并网提供了指导。

关键词：风光柴储微网系统；并网运行；运行模式切换控制策略 文献标识码：A

中图分类号：TM614 文章编号：1009-2374（2016）18-0140-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.069

1 风光柴储微网系统结构

风光柴储微网系统一般主要由能量产生装置、能量储存装置、能量消耗装置三个部分组成。不同的能量装置具有不同的功能，其中系统的能量产生装置由风力发电机组、光伏电池以及柴油机三部分组成，共同承担着风光柴储的能

量产生功能，具体的风光柴储微网系统结构如图1所示：

系统直接连接在10kV的母线上，在系统的结构中，采用690V的母线上连接0.5MW的风力发电机组，一套125kWh的储能电池和100kW的光伏电池连接在400V的母线上，采用变压器（630kVA，690/400V）将690V与400V母线连接在一起，微网系统的负荷分为重要负荷和次要负荷，能耗装置主要连接在400V的母线上。系统主要是交流微网电力管理系统，由于系统的能量产生的所有装置输出电能特性与火力电力电能特性存在差异，因此该系统采用逆变器连接到交流母线上，而不是采用直接接入到电路的方式，因为逆变器将能量与转换接口结合在一起，对保证系统的稳定具有十分重要的作用。逆变器在系统中一般采用DG并网结构进行连接，图2为逆变结构的DG并网结构。

在该结构中，DG逆变器主要为并联的模式进行连接，提高了系统的稳定性。与单一的集中式电源相比较，采用逆变器的并网结构，能够提高网络稳定的可靠性。在图2中采用的是电压源型逆变器（VSI）逆变器，系统主要包括风力发电机组、光伏电池和储能电池三个部分。其中储能电池、光伏电池生产的是直流电流，需要采用DC/AC逆变器将直流电转换为50Hz的交流电才能并网使用，而风力发电机组产生的是交流，也需要通AC/DC将其转换为直流，然后在经过DC/AC将其转换为50Hz的交流电，柴油机可以直接提供50Hz的交流电，不需要通过逆变器，可以直接通过变压器进行转换。

2 风光柴储微网系统运行控制策略研究

风光柴储微网系统在并网运行的过程中，需要保证供电的品质和可靠性，要能够充分发挥清洁能源的效率和示范作用，同时还要能够保证微网系统不能通过配电变压器向电网倒送电的问题产生。

2.1 能量控制算法分析

能量控制算法对微网的能量进行控制，由于各种原因往往会引起电网的频率和电压的波动，各个逆变器DG都采用PQ控制的方式，保证电网输出的有功和无功功率是恒定的。风光柴储微网系统在并网运行主要是对风力发电机组和光伏电池的输出功率进行控制，保证系统能够稳定的运行，需要考虑PCC处交换功率必须大于0这个条件之后，才能对各个DG的输出功率进行控制，因此需要对风力发电机组和光伏电池的输出功率等一系列的系统算法进行设计。

2.1.1 控制目标。

式中：ImLoad为重要负荷集合；为负荷吸收的功率大小；为系统连接的开关闭合判断，当它的值为1时，系统闭合，当它的值为0时，系统为断开状态；表示PCC处的电网交换的功率，当它大于0时，系统处于工作状态，值为0时，表示微网系统处于孤岛运行的状态。

2.1.2 微网功率的平衡约束条件。

式中： 分别表示风力发电机组、光伏电池、储能电池和柴油机的输出功率大小，储能电池为负值时，表示电池正在充电，当储能电池为正值时，表示电池正在放电；w、p、b、d分别表示对DG电路的闭合判断，当DG供电时，值为1，线路闭合，当值为0时，表示线路断开，DG不供电；SeLoad为负荷集合；Ps为次要负荷的吸收功率；Ys是次要负荷的开关判断。

2.1.3 微网并行的约束条件。

为了保证微网能够有效工作，在不向外供电的情况下，要能够向储能电池充电，当储能电池充满电之后，这样就需要能够有效地对系统的恒定功率进行分析，根据线路功率平衡的条件，采用柴油机对网络的能量进行控制。

2.2 微网运行控制策略设计

微网并入电网运行时，微网内DG输出的功率大小控制系统的能量补偿机制，具体的微网系统与电网的并联结构如图3所示（粗箭头表示能量流动，细箭头表示信息控制）。

在一般情况下，风力发电机组和光伏电池发电条件较好，通过中心控制器对微网的系统能量进行全面管理和控制，可以直接由负荷使用，能有效地减少电能的消耗。如果出现恶劣天气，电网就无法满足微网内的负荷需要，通过系统能够对微网的能量进行实施监控，保证微网能够稳定地工作。在微网系统中采用自动功率控制的功能，这样风力发电机组、光伏电池、储能电池可以自动地对并网进行管理，DG就不用参与到电网的功率调查，只需要根据微网内的负荷来调节自身的输出功率，当微网的负荷较大时，采用最大功能跟踪控制的方法对风力发电机组和光伏电池进行控制，可以提高风能和太阳能的利用效率，在微网的负荷较小时，可以采用负荷功率跟踪控制（LPTC）的方法，使得微网的能量达到平衡。

3 风光柴储微网系统解列控制策略

3.1 基于单主电源的微网解列分析

微网并入电网之后，电路的电压和频率的主要由电网支撑，电网的柴油机未启动，然后主要由DG均以PQ的方法进行控制。如果电网失去支撑后，微网的储能电池或者柴油机就需要为微网的电压和频率进行支撑。单主电源的解列控主要包括微网解列后以储能电池，实现对微网电压的稳频，再有就是由于电池故障或者SOC达到最小极限值时，微网内的柴油机可以作为主电源对微网进行供电。

3.1.1 先切負荷方法。在微网的能量不能达到平衡时，需要切除负荷后，当微网的所有DG输出最大功率之和的范围内，系统的能量达到稳定，系统会出现一个较大的暂态过渡过程，系统的启动稳压稳频开始工作，这时电网的电压和频率不在正常的范围内，这种暂态需要依靠微网的自身阻尼对电网进行平衡，但是这个过程的震荡时间长而且振幅比较大。

3.1.2 先切换控制器控制方法。如果微网监测到电压的波动异常，采用先切换控制器的方法对电网进行控制，减少电压的波动，控制器具有调节电压和频率的功能，通过控制器对电网的电压进行调节，然后再切换负荷以达到微网的平衡，使得微网比较容易进入稳定状态，有利于达到电网中的能力平衡。

3.2 基于多主电源的微网解列分析

微网并入电网一般是采用并联的方式接入的，形成了多主电源的微网结构，当风力发电机组、光伏电池和储能电池的能量能够满足微网内的功率需要，实现对电网的控制。当风力发电机组、光伏电池和储能电池的储能不能满足微网的负荷要求时，可以启动柴油机对微网进行供电，由柴油机和储能电池共同对电池的电压进行稳压稳频。对于柴油机和储能电池的调节主要采用的是下垂控制，但是当微网内所有微源总和不能满足负荷需求时，系统就会自行调节，减少系统的负荷，这样通过控制器能够实现解列后只能通过柴油机进行稳压稳频，实现微网的稳定控制。

4 风光柴储微网系统并网控制策略研究

4.1 并网控制策略分析

微网并网之后，在电网的控制过程中，不需要闭合并网开关对微网进行控制，只需要对主控制器进行控制就可以完成微网的控制。当微网的储能电池为主电源时，需要将储能电池的控制方法与并网开关进行同时切换，这样就会使储能电池除以充电状态，系统达到稳定的状态，但是在实际的工作过程中，很难做到这种情况，如果储能电池在并网开关的过程中，储能电池有PQ控制并且进行充电，在并网的过程中，储能电池仍然可以采用V/f进行控制，保证微网的电压，但是在实际工作的过程中，并不能保证储能电池与并网开发能够进行同时工作，需要在并网前由PQ对储能电池进程控制。对于微网孤岛运行，这时柴油机开始工作，需要对微网频率与电压震荡的情况进行分析，对电压的变化造成影响，采用微网孤岛运行状况下，储能电池的输出功率为0.448kW作为电池下垂控制进行切换，设定储能电池设定输出功率为0.376MV，当微网并网的开关闭合为1.1s时关闭柴油机，保证微网能够正常地工作。

4.2 并网控制策略设计

通过对微网的控制策略进行分析，综合微网的电压值、频率差和相角差之间的关系进行分析，可以发现电网与微网之间的相位差对微网并网影响比较大，从而能够有效地影响电网电流的波动，造成有功功率与无功功率之间存在冲击，影响着微网正常工作。这样就需要对微网的负荷进行控制，保证在有功功率与无功功率之间达到平衡，尽量对相角差进行控制，降低微网各个机组的损耗，提高微网的电压输出的稳定性。但是在实际的工作过程中，由于电压偏差比频率偏差对并网的影响程度小，对电网电压的波动影响也不是很大。在这种情况下，可以通过减少电压的输出、降低电网的能力来提高微网的频率，使得微网的频率能够接近电网的频率。但是在微网并网过程十分迅速，如果过于对微网的频率和电压差之间进行严格限制，这样也会影响微网的并网速度，但是能够提高电网的电压，所有微网的频率和电网的频率过于接近，这样就需要发挥大量的时间寻找微网与电网之间的相位差之间的最小值，才能满足微网的稳定要求。

5 结语

通过对微网并网的相关情况进行分析，需要结合具体的情况制定微网并行的情况进行全面分析，针对具体的情况采用合适策略，以满足微网并网的要求。并网时，电流应从电网流向微网，要求DG能够有效地对微网的电压和信息能量进行控制，以减少并网对电网的冲击，将微网与电网之间的电压差值减到最小，以保障微网并网的稳定性。

参考文献

[1] 郑竞宏，王燕廷，李兴旺，等.微电网平滑切换控制方法及策略[J].电力系统自动化，2011，（10）.

作者简介：王师（1987-），男，安徽怀宁人，中广核太阳能（深圳）有限公司助理工程师，研究方向：火电、风力、光伏、微网。

（责任编辑：秦逊玉）