基于RT-LAB的微电网能量管理系统

杜 辉，赵玉伟

（上海科梁信息工程有限公司 上海200234）

基于RT-LAB的微电网能量管理系统

杜 辉，赵玉伟

（上海科梁信息工程有限公司 上海200234）

在充分考虑储能电源的充放电深度、柴油发电机的启停次数限制等设备约束条件的基础上，针对多电压源型微源组网的风光柴储结构的独立型微电网，提出了一种分层式微网能量管理策略。该系统根据风光发电预测、负荷预测、储能充放电方案、当前电网的运行状态及实时量测数据，通过协调分布式电源的出力及负荷投切，在保证微电网安全稳定运行条件下，实现微电网的经济运行。搭建了微电网系统的RTLAB数模混合仿真实验平台，可对微电网协调控制策略和能量管理策略等关键技术进行有效验证，针对孤网运行时，风力发电系统、系统负荷发生大幅度功率波动的情况下的控制策略进行了仿真验证，实验结果表明本文所提分层式微网能量管理策略的可行性和正确性。

设备约束；微电网；能量管理系统；RTLAB数模混合仿真平台

微网能高效率解决分布式电源的大规模分散接入问题，并可成为大电网的有益补充。风电、光伏等分布式发电单元输出功率具有随机性和间接性以及不同运行模式下控制方式的多样性，因此在维持微网系统能量平衡、保证供电质量的基础上，如何实现微网系统在并网模式和独立模式之间的无缝切换、分布式发电单元的灵活投切、储能单元的智能充放电管理是目前微网能量管理亟需解决的关键问题[1-3]。文献[4]提出了一种含微型燃气轮机、燃料电池和光伏发电的微电网控制策略，该策略基于主从控制方式，实现了微电网并网运行、孤岛运行和运行模式切换。文献[5]通过对短期内风机出力和负荷需求进行预测，提前制定储能系统的充放电计划，保证微电网经济运行。文献[6]认为微电网的能量管理属于带约束的多目标优化问题，其优化目标主要有：减轻环境污染、负荷最优管理、减小经济费用和最大化向主网输送电能等；约束条件主要有：运行状态约束、功率平衡和稳定性约束等。

上述文献主要采用离线数字仿真软件或实际物理实验对所提出的优化方法和控制策略进行验证。物理仿真受规模和极端工况的限制较大，不能对实际系统运行情况进行充分的仿真研究；数字仿真模型通常都有不同程度的简化，准确性不及物理仿真模型，缺乏对分布式电源和电网一些电磁暂态的实证性分析研究，且无法模拟未知或难于用数学表达式描述的物理现象[7-8]。基于RTLAB实时数字仿真系统，建立分布式电源控制系统和微电网能量管理系统联合的微电网数模混合实时仿真实验平台，能够真实反映实际控制器和微电网能量管理系统的性能，测试和验证所提控制策略的效果。

文中在考虑储能电源充放电深度、柴油发电机启停次数限制的基础上[9-10]，制定了微电网在并网运行模式下的并网转孤网运行、孤网运行模式下的主电源切换以及经济运行的协调运行方案。最后采用基于RTLAB搭建的微电网数模混合实时仿真平台，针对孤网运行时，风力发电系统、系统负荷发生大幅度功率波动的情况下的控制策略进行了仿真验证，实验结果表明本文所提分层式微网能量管理策略的可行性和正确性。

1 微电网系统架构及约束条件

1.1 微电网系统架构

微电网系统采用风力发电机、光伏、柴油发电机，并配置由锂电池、超级电容以及铅酸电池组成的混合储能组作为分布式电源供电系统的储能单元，系统结构如图1所示。分布式电源发出的电能通过馈线汇交到35 kV交流母线上，供负荷使用。公共连接点PCC与大电网相连，PCC闭合时，微电网处于并网运行状态；PCC断开时，微电网处于孤岛运行状态。

图1 微电网系统结构

微网系统中分布式电源及负荷容量如表1所示。

1.2 约束条件

1）柴油发电机

柴油发电机要满足的约束条件[11-13]包括柴油机组出力限值约束、机组爬坡率约束及机组最小启停机时间约束等。柴油发电机的出力限值约束为：

表1 分布式电源及负荷容量

其中，Pdiesel，max和 Pdiesel，min分别为柴油机组 m 的最大和最小出力限值。柴油发电机的出力爬坡率约束为：

其中，Rui为柴油机组的爬坡速率，ΔT为时间间隔。

在该模型中，为限制柴油发电机组的频繁启停机操作，设置最小停机时间约束和最小启机时间约束。最小停机时间约束为：

其中，krun为柴油发电机启动后，须连续运行的时间长度。最小启机时间约束为：

其中，kstop为柴油发电机停机后，须连续停机的时间长度。

2）储能装置

储能系统包含三组蓄电池，每组均配置电池管理系统BMS（Battery Mangement SYSTEM）和双向能量转换系统 （Power Conversion System，PCS），BMS对系统内每个电池的运行状态进行有效的检查、控制和维护，并与后台中央控制系统实现远程通信。在蓄电池工作过程中，应保持荷电状态在一定范围内。较大的充放电电流、蓄电池过充或过放等都会对蓄电池造成伤害。为了有效延长储能系统的运行寿命，避免其频繁地进行深度充放电，需要合理地设定储能系统SOC（state of charge）充放电电流、电压和SOC变化区间[14-15]。

1）蓄电池电流约束为：

其中，Icharge、Idischarge分别为蓄电池的充放电电流，Idischarge，max，Icharge，max分别为蓄电池最大充、放电允许电流。

2）蓄电池端电压约束：

当蓄电池端电压V 高于Vbattery，max或低于 Vbattery，min时，会影响蓄电池使用寿命。

3）蓄电池SOC约束：

其中，SOCmin，SOCmax为蓄电池系统剩余电量的上下限，取值范围介于0～100%之间。

2 微电网能量管理系统

微电网能量管理系统EMS（Energy Management System）如图2所示，分为上层管理管理模块及低层控制模块两部分。

图2 微电网能量管理系统

模式管理模块是微电网能量管理系统EMS的核心，主要作用是在保证微电网安全稳定运行条件下，实现微电网经济运行。根据储能管理模块提供的储能充放电方案、经济运行模块提供的孤网模式下风机的投切、大小柴发的切换方案、网络拓扑提供的实时量测数据以及模式识别与控制模块提供的当前电网运行模式，生成相应的控制预案通过模式识别与控制模块来控制微电源的出力和负荷的投切，这些预案包括：1）并网运行预案；2）并网转孤网预案；3）孤网运行预案；4）孤网转并网运行预案。

微电源控制器和负载控制器是基础，负责系统运行数据的采集、控制指令的传输以及电压和频率的稳定性。微电源控制器根据模式识别与控制模块下发的指令控制微网的瞬态电压和频率，当微网与公共电网连接时，能够进行分布式有功和无功潮流控制、快速负载跟踪、孤岛保护。本地负荷控制器被安装在可控负载中，提供负载控制能力，可以接收模式识别与控制模块发送的命令对负载进行管理。

3 基于RTLAB的数模混合仿真平台

基于 RTLAB的实时数模混合仿真实验平台能够逼真的模拟真实系统，测试装置可直接连接到仿真系统中，有效地为新算法和控制策略提供测试。文搭建的基于RTLAB的微电网数模混合仿真平台对能量管理策略进行验证，平台结构如图10所示。能量管理系统EMS通过不同的通信协议与RTLAB、微电网测控保护装置、BMS等设备通信，采集系统数据，并向RTLAB、微电网测控保护装置和微电网模式切换器下发遥控和遥调指令。该仿真平台可满足本文能量管理测试需求，实现EMS的在线测试。

图3 基于RTLAB的数模混合仿真平台

4 实验验证

基于本文所构建的RTLAB数模仿真实验平台，对微电网在孤网稳定运行条件下，风力发电系统、负荷发生大幅度功率波动的情况进行了仿真测试，分布式电源及系统负荷初始容量如表2所示，分布式电源及负荷功率变化波形如图4、5所示。

图4～5中，P_PV、Q_PV分别为光伏的有功、无功功率；P_WP、Q_WP分别为大柴油发电机组的有功、无功功率；P_LS、Q_LS分别为锂电池的有功、无功功率；P_TJ、Q_TJ分别为系统负荷的有功、无功功率；P_US、Q_US分别为超级电容的有功、无功功率；P_DG、Q_DG分别为风机的有功、无功功率；P_BS、Q_BS分别为铅酸电池的有功、无功功率。

表2 分布式电源及负荷初始容量

图4 分布式电源、负荷有功功率变化

图5 分布式电源、负荷无功功率变化

由图4可以看出，在30 s时刻，系统负荷有功功率减少为500 kW，储能电源、光伏、风机有功功率之和大于负荷有功功率，大柴油发电机停运，锂电池PCS调整出力，有功功率减小到280 kW，在大柴油发电机停运过程中，超级电容进行放电，调节这个过程中的功率变化；在45 s时刻，风电系统有功功率由200 kW突增至400 kW，锂电池PCS有功功率迅速减小到80 kW，超级电容平抑这个过程的功率波动；由图5可以看出，在60 s时刻，系统负荷无功功率由100 kvar突增至300 kvar，锂电池无功功率减小到0，铅酸电池充当SVG使用，无功功率迅速增加到200 kvar，实现系统的无功功率平衡。

基于本文所提出的微电网能量管理系统，在分布式电源出力波动和瞬时功率突变情况下能够快速调整分布式电源的有功功率及无功功率变化，实现了系统的安全稳定运行。

5 结束语

文中提出了一种分层式微网能量管理策略，以风光发电预测、负荷预测为基础，综合考虑储能电源的充放电深度以及柴油发电机的启停次数限制。针对孤网稳定运行时，风力发电系统、系统负荷发生大幅度功率波动的情况下的控制策略进行仿真验证。实验结果表明，基于建立的RTLAB数模混合仿真平台可对真实的分布式电源控制系统性能和协调控制策略以及微电网能量管理算法等进行有效的测试和验证。

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Energy management system for microgrid based on RT-LAB

DU Hui，ZHAO Yu-wei
（Shanghai Keliang Information Tech.&Eng.Co.Ltd，Shanghai 200234，China）

In the full account of equipment constraints consisiting the depth of the charge and discharge of storage power and start-stop frequency limit of diesel generator，a hierarchical decay net energy management strategy was proposesd for microgrid consisting of wind power generation，diesel generator，energy storage system.In accordance with the results of the scene generation forecast、load forecasting、energy storage charge and discharge scheme、the current status of power network and realtime measurement data，under the condition of safe and stable，the microgrid can be operated on economic model through the coordination of distributed power output and load cutting.Using the analog-digital simulation platform built based on real time digital simulator（RTLAB），a case is done to verify the control strategy of the island operation whose wind and system load power was large fluctuated，which proved the validity and feasibility of the control strategy.

equipment constraints；microgrid；energy management；analog-digital simulation platform

TN91

A

1674－6236（2017）10-0044-04

2016-04-28稿件编号：201604269

杜 辉（1987—），男，江苏徐州人，硕士。研究方向：新能源发电，微电网，柔性直流输电。