基于负荷峰谷变化的微电网二层协调控制研究

沈婷婷，吕广强，段海军

（南京理工大学 自动化学院，江苏 南京 210094）

基于负荷峰谷变化的微电网二层协调控制研究

沈婷婷，吕广强，段海军

（南京理工大学 自动化学院，江苏 南京 210094）

交流微电网是集成分布式发电单元和储能单元的有效途径。为了实现微电网并网稳定运行，提出了一种风光柴储交流微电网的二层控制策略。建立了分布式发电单元、储能单元以及柴油发动机的数学模型。给出了风光柴储在并网运行期间的本地控制策略。为了实现微电网削峰填谷作用，采用由以太网、高带宽通信、监控系统以及中央协调控制器构成上层控制系统，分别给出了峰谷期间储能系统和柴油发动机的协调控制方法。最终，通过仿真软件搭建了系统仿真平台，分别对两种运行模式进行了仿真研究，仿真结果验证了本文提出方法的可行性和有效性。

交流微电网；储能变换器；协调控制；削峰填谷；能量管理

由于能源危机和环境污染问题的日益严重，大力发展可再生能源是解决上述问题的重要手段。随着可再生能源的快速发展，光伏和风电等发电单元的装机容量不断增加，由于分布式发电单元输出功率具有随机性和间歇性特点，大规模接入对电力系统提出了新的技术挑战[1-2]。

为了解决这一问题提出了微电网概念，微电网主要是指将分布式发电单元、储能单元以及负载单元构成一个小型的自治发电系统，可以实现并网和孤岛运行[3-5]。由于微电网中的分布式能源和储能单元的种类繁多，因此如何实现不同微源和储能单元之间的协调控制是保证微电网高效运行的关键难点。针对这一问题，大量学者提出了不同的控制策略。针对在孤岛运行模式频率发生变化时，有文献提出了一种改进型逆变器控制策略，通过虚拟同步发电机控制，并且结合励磁电流补偿实现频率控制，并且进行了仿真验证[6]。为了解决间歇性能源功率波动问题，有文献提出了一种风光储能源管理方法，通过储能变换器实现波动平抑，提高了系统可靠性[7]。针对微电网主动孤岛和被动孤岛，有文献研究了微电网的不同接线模式，提出了不同逆变器控制策略并进行了仿真研究[8]。有关光储微电网系统控制策略，有文献通过采用VF和PQ协调控制策略，在孤岛运行时提供电压和频率支撑，在并网时实现光伏最大功率跟踪，能够实现并网和孤岛运行模式间的平滑切换[9]。有文献提出了风光柴储孤岛运行时的协调控制策略，以全寿命周期的经济型为主要指标优化分布式发电单元和储能单元的运行控制策略[10]。研究风光储微电网并网和孤岛运行模式下的控制策略，能够实现最大功率跟踪，平滑切换等基本功能[11]。有文献提出风储微电网的预测控制策略，该方法能够减小间歇性能源和负载投切引起的有功和无功功率波动，提高微电网系统稳定性[12]。

以往控制策略主要研究孤岛运行以及孤岛和并网之间的切换问题，而研究并网运行期间的协调控制策略较少，针对这一问题，本文提出了一种二层协调控制策略。首先建立了分布式发电源、储能单元以及柴油发动机的数学模型。其次给出了本地控制和上层控制策略框图，并且对电力负荷处于峰值和谷值期间制定了能量管理和协调控制策略，最终通过仿真软件进行了仿真研究。

1 微电网的结构

文中研究的风光柴储交流微电网的系统拓扑结构如图1所示。光伏采用两级式拓扑结构，前级采用boost变换器实现最大功率跟踪控制，后级采用电压源型逆变器（voltage source inverter，VSI）实现功率控制。风力发电系统由永磁同步电机（permanent magnet synchronousgenerator，PMSG）、风力涡轮机以及双PWM变换器组成。蓄电池储能系统（battery energy storage system，BESS）主要由蓄电池组和电压源型逆变器组成。柴油发电机系统主要由同步电机，整流器和逆变器构成。风光柴储接口变换器同时接入交流母线上。负载主要包括重要负荷和非重要负荷。在极端情况下非重要负荷可以卸载，而重要负荷需要保证不间断供电。

2 微电网控制策略

2.1 本地控制

文中提出的控制策略主要分为两层控制，本地层控制策略主要是指各个分布式发电单元、储能单元以及柴油发动机系统的控制策略。上层控制策略主要是指通过中央协调控制器下发有功和无功功率指令，实现全局优化控制策略，保证系统高效运行。下面首先对本地控制策略进行分析。

图1 风光柴储交流微电网的拓扑结构

2.1.1 光伏发电单元控制

光伏发电单元的主要作用是根据系统的光照和温度的变化实现最大功率跟踪运行。根据系统结构可以看出光伏单元需要两级控制。前级boost变换器采用扰动观察法实现最大跟踪。采集电压和电流信号，将其通过扰动观测MPPT模块得到占空比，将占空比信号送入PWM模块得到IGBT驱动信号。

光伏并网逆变器的主要控制目标是保证中间母线电压稳定，且实现功率变换。在此采用电网电压定向矢量控制，通过对d轴电网电压进行定向，使得有功和无功实现解耦。d轴电流对应有功电流，而q轴电流对应无功电流。设置q轴电流为零可以实现单位功率因数运行。由于逆变器中的d轴和q轴之间存在耦合，因此可以采用解耦和前馈控制消除影响。根据电压和电流双闭环控制能够生成三相调制信号，采用正弦脉宽调制 （sinusoidal pulse width modulation，SPWM）策略进而能够得到并网逆变器的驱动信号。

2.1.2 风机发电单元控制

风机发电单元的主要作用是根据风速的变化实现最大功率跟踪运行。系统中存在两个PWM变流器，其中网侧变换器主要控制直流电压，其控制策略与光伏逆变器一致。机侧变换器主要实现MPPT控制，根据风力涡轮机运行特性可知，在任意风速情况下，总存在唯一的最优转速对应最大功率，因此可以通过MPPT算法获得最优转速，然后进行闭环控制。PMSG系统控制如图2所示。

图2 PMSG机侧变换器的控制策略

根据图2首先通过MPPT模块生成转速指令，通过对转速闭环调节得到q轴电流指令。设置d轴电流指令为零，通过d轴和q轴电流实现闭环控制得到定子电压，根据永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型可以看出d轴和q轴存在耦合，因此为了实现解耦，将补偿电压叠加到电流调节器输出生成调制信号。最终通过SPWM模块生成机侧变流器的驱动脉冲信号。

2.1.3 柴油机发电系统控制

柴油发电系统同样分为两级，其中前级采用不控整流和电容滤波得到稳定的直流电压，而后级逆变器采用有功和无功功率控制，在极端情况下通过柴油机实现发电维持功率平衡。其逆变器的控制结构如图3所示。

图3 柴油机发电系统的控制策略

在并网运行中，由于PCC电压不变，因此可以通过控制电流来控制有功和无功功率。根据逆变器的模型能够得到dq旋转坐标下的有功和无功可以表示为：

采用电网电压定向时，其电流指令为：

根据（3）和（4）可以看出，通过有功和无功生成电流指令实现电流闭环控制既可以实现功率控制。

2.2 上层控制

前面给出了分布式发电单元、储能单元以及柴油机的本地控制策略，并且进行了详细。为了更好的实现全局优化控制，发挥储能系统的削峰填谷作用，本文提出的上层控制系统结构如图4所示。

图4 上层控制的系统结构

首先对可再生能源发电和日用负荷进行预测，根据通信线收集各个单元的功率信息，实时监控储能系统柴油发电机的运行状态，将他们一并发送到中央协调控制器进行处理。中央协调控制控制器根据系统运行模式来下发储能系统和柴油发电机的功率指令来实现整个微电网系统稳定运行。

根据电力负荷的峰谷阶段主要分为两种运行模式。

模式1：在电力负荷处于峰值期间，当分布式发电单元输出功率大于本负载功率时，多余的功率传输给电网，实现对电网的支撑。当分布式发电单元输出功率小于本负载功率时，通过中央协调控制器下发功率指令给储能系统，多余的功率优先由储能供给，储能系统运行在放电模式，减小对电网的负担，当储能荷电状态达到下限时，启动柴油发动机对储能系统进行充电。

模式2：在电力负荷处于谷值期间，当分布式发电单元输出功率大于本负载功率时，通过中央协调控制器下发功率指令使得多余的功率优先传输给储能，当储能SOC达到上限时，停止充电，多余功率传输给电网。当分布式发电单元输出功率小于本负载功率时，不足的功率由电网提供。

3 仿真研究

为了验证本文提出控制策略的有效性和可行性，下面通过仿真软件搭建风光柴储交流微电网的仿真模型，系统结构如图1所示。采用额定功率为25 kW的PMSG系统和15 kW的光伏发电系统。设置储能系统额定容量为24 Ah，额定功率为30 kW，设置柴油电机容量为50 kW。下面分别对模式1和模式2进行仿真研究。

3.1 模式1的仿真结果

假设目前处于电力负荷峰值阶段，得到的仿真结果如图5所示。

图5 模式1的仿真结果

在起始阶段，风速为10 m/s，光照强度为800 W/m2，采用MPPT算法可以实现分布式发电单元的最大功率运行，此时分布式发电单元输出功率大于负载功率，多余的功率传输给电网，为电网提供功率支撑。在0.5 s时，风速由10 m/s阶跃变化到9 m/s，光照强度由800 W/m2阶跃变化到700 W/m2，负载由20 kW阶跃变化到40 kW，此时分布式发电单元输出功率小于负载功率，在功率达到稳态期间，中央协调控制器下发功率指令，储能系统在0.75s启动，其输出功率为30 kW，工作在放电模式，减小电网负担。在1 s时，风速由9 m/s阶跃变化到11 m/s，光照强度由700 W/m2阶跃变化到1 000 W/m2，负载由40 kW阶跃变化到60 kW，尽管分布式发电单元输出功率增加，然而负载增加使得分布式发电单元输出功率仍然小于负荷功率，因此蓄电池储能系统仍然工作在放电模式。在1.5 s时，由于蓄电池长时间放电导致其荷电状态达到下限值，此时中央协调控制器检测到储能系统运行状态后通过功率下发指令使得储能系统工作在充电模式，且充电功率为20 kW，与此同时启动柴油发动机，输出功率为50 kW，对储能系统进行充电，此时柴油发动机和分布式发电单元输出功率大于负载功率，因此多余的功率传输给电网，提供有功功率支撑。

3.2 模式2的仿真结果

假设目前处于电力负荷谷值阶段，得到的仿真结果如图6所示。

在起始阶段，风速为10m/s，光照强度为1000 W/m2，采用MPPT算法可以实现分布式发电单元的最大功率运行，此时分布式发电单元输出功率小于负载功率，不足的功率由电网提供。在0.5 s时，风速由10 m/s阶跃变化到9 m/s，光照强度由1 000 W/m2阶跃变化到800 W/m2，负载由40 kW阶跃变化到20 kW，此时分布式发电单元输出功率大于负载功率，在功率达到稳态期间，中央协调控制器下发功率指令使得多余的功率传输给储能，其充电功率的大小主要取决于分布式发电单元输出功率与负载功率之间的差值。在1 s时，风速由9 m/s阶跃变化到12 m/s，光照强度由800 W/m2阶跃变化到1 000 W/m2，此时分布式发电单元输出功率仍然大于负荷功率，蓄电池储能系统工作在充电模式。在1.5 s时，由于蓄电池长时间充电导致其荷电状态达到上限值，此时中央协调控制器检测到储能系统运行状态后通过功率下发指令使得储能系统工作在停止模式，于此同时负载由20 kW阶跃变化到40 kW，分布式发电单元输出功率小于负荷功率，此时不足的功率由电网供给。

图6 模式2的仿真结果

4 结 论

文中提出了一种风光柴储交流微电网的并网运行控制策略。该控制策略分为两层结构，本地控制主要实现各个接口变换器的控制策略，保证系统具备基本功能。上层控制器通过监测和采集处理下发功率指令通过储能系统实现消峰调谷。通过仿真软件搭建了系统仿真模型，仿真结果表明本文提出的分层并网控制策略能够保证风光柴储交流微电网实现稳定高效运行，具有控制结构简单，适用性强，具有一定的工程应用价值。

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Research on operation control strategy in two layers for micro-grid based on load peak and valley

SHEN Ting-ting，LV Guang-qiang，DUAN Hai-jun
（College of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

AC micro grid is an effective way to integrate distributed generation units and energy storage units.In order to realize the stable operation of microgrid，a two layer operation control strategy is proposed for AC microgrid including wind power，photovoltaic system，and diesel generator and battery storage.The mathematical model of distributed generation unit，energy storage unit and diesel engine is established and the local control strategies also are given in grid-connected operation.In order to realize microgrid peak load shaving function，an upper control system is composed of Ethernet，high bandwidth communication，monitoring system and central coordination controller is used，and the coordination control method for energy storage system and diesel engine is given.Finally，the simulation platform is built by the simulation software，simulation research on two operation modes are carried out respectively.The simulation results verify the feasibility and effectiveness of the proposed method in this paper.

AC microgrid；energy storage converter；coordinated control；peak load shaving；energy management

TN915.853

：A

：1674－6236（2017）13-0182-05

2016-06-24稿件编号：201606192

江苏省普通高校专业学位研究生创新计划（sjlx15_0174）

沈婷婷（1992—），女，江苏江阴人，硕士研究生。研究方向：微电网及其储能。