微电网多能互补经济运行策略的应用

张孝山

（深圳市汇托新邦科技有限公司 广东省深圳市 518057）

1 引言

现代工业飞速发展，传统化石能源日渐枯竭，为满足人类对能源的需求，发展绿色清洁的可再生能源将成为世界各国能源发展战略和技术方向。新能源分布式接入电网，有利于就地分散利用以提高用户供电可靠性。在用户侧积极发展和规模化接入分布式光伏/储能电源的趋势下，构建运行模式灵活、响应用户侧用电需求管理和用能质量提高的微电网，是实现新能源就地消纳利用、发挥分布式光伏/储能发电系统效能的有效方式。

由于分散式新能源发电的接入，使原有的电力调度变得模糊，区域的微网控制使得潮流不再单向由“电源流向用户侧”，从而增大了配电系统的复杂性和不确定性。新能源发电的大规模并网，客观上改变了电力系统瞬时平衡的电力供应模式，给电力系统的安全稳定运行带来了一定的影响。

另外，由于用户侧的微电网建设是一个阶段推进的过程，没有统一规范的行业技术规范，对于分散式新能源发电的投退和调整，多数是人工调整的方式，造成了用户侧微电网功率供需的复杂性以及经济成本的提高。

2 能量路由器实现用户侧功率供需平衡的实时跟踪

在用户侧的微电网系统中，为了实现多能互补时的经济调优控制，需要对进线、负载、充电桩、燃机、光储的功率进行实时跟踪。因此，要求微网系统的数据采集终端应具备多种物理接口设备的兼容性接入能力，同时还需要采用开放式设计，具备快速完成设备协议的接入能力。

基于以上要求，本应用将采用嵌入式通讯管理终端作为微电网能量路由器，实现微网各负载及发电设备数据的采集和控制。该终端为PowerPC 双核架构、低功耗无风扇设计，具备多种物理接口（如RS485/RS232/CAN/以太网），可支持设备数据的快速采集及运算，丰富的物理接口可满足绝大多数智能设备的直接接入。该终端采用“主程序+so”通讯设计架构，可内嵌多种标准或扩展协议，能轻松实现各种非标协议的快速开发及数据接入。另外，该路由器的应用程序支持端口冗余、设备冗余、协议冗余，可实现微网数据的稳定采集、高效可靠控制。一个能量路由器可实现5MW 左右的功率控制。通过“中心+区域+单元采集”组网模式，结合分散式边缘计算的功率分配策略，还可满足GW 级别的功率控制需要。

3 多能互补的控制策略应用研究

在微电网供电中，结合用电峰谷差价，通过自适应优化调控能量的供需平衡，可以实现多能互补的经济调优之目的。

3.1 储能设备功率分配策略

由于储能电池有充/放次数限制，在微网系统的功率控制中，对储能变流器（PCS）的功率分配将采用均衡分配策略。在功率分配算法中，应计入储能电池的设计容量、额定功率，当前可用容量、可充/放功率等，以确保每个储能单元都能被合理的使用。

图1：典型微电网能流图

图2：EMS 微网监控首页

能量路由器的微网控制协议将综合监测PCS/DCDC 储能单元及BMS 的运行状态，及时完成功率分配及调整。当总功率需求为正时，各储能变流器单元的功率命令值Pi 为：

当Pi>Pimax时，累加Sum+=Pi-Pimax，将Sum 重新分配（剔除已经满额的PCS）。

当储能电站总功率需求为负值时，各储能变流器单元的功率命令值Pi 为：

当Pi>Pimax时，累加Sum+=Pi-Pimax，将Sum 重新分配（剔除已经满额的PCS）。

3.2 逆功率防护与需量控制

能量控制器内嵌的功率分配控制策略程序将实时跟踪EMS 设置的功率计划曲线，并预演功率计划调节，推演可能导致“进线功率P1”超出逆功率上限（超需量）或下限（发电功率倒送）的可能。如果预期的调节会超出逆功率上/下限门槛值，则相应调整燃机、1#DC/DC、2#DC/DC、光伏逆变器的功率。典型的微网能流图示如图1所示。

当功率计划偏差产生时，首先进行功率计划值设置的推演。推算公式如下：

3.2.1 推算出当前实时负载

P0(负载)=P1(并网)+P（发电）

3.2.2 通过计划的充放电操作来推算进线功率的预期控制值

由于负载是波动的，光伏功率受天气影响会出现不稳定，在人工调节燃机、光伏或储能功率时，可能会导致进线功率超需量或功率倒送的情况。所以，在功率计划跟踪出现偏差时，应适时调整计划的充/放电功率计划值，尝试把进线功率控制在“逆功率防护”的上/下限范围内。推算时，应根据计划功率的充放状态，分别推算：

放电时，控制并网点功率（进线功率P1）在逆流下限值附近

P1(并网)预期控制 = P(并网)逆功率下限+P 逆功率可调偏差

推算过程如下：

（1）推算用户侧实时发电功率

P 实际（发电功率）=P 储能+P 燃机+P 光伏

（2）推算出用户侧实时负载值

P 负载=P 并网+P 实际（发电功率）

（3）推算出用户侧非储能设备的发电功率

P 非储能发电功率=P 燃机+P 光伏

（4）推算出预期控制的并网点功率

P 并网预期=P 下限+P 偏差

（5）根据并网点预期的功率控制值，推算出需要用户侧控制的总发电功率（包括燃机、光伏和储能）

P 发电=P 负载-P 并网预期

（6）推算出储能单元需要分配的计划功率设置值

P 储能设置=P 发电-P 非储能发电功率

如果推算出的储能设置功率“P 储能设置”比设置的“P 计划”大，则就按“P 计划”执行储能的功率充放分配，否则按推算的“P储能设置”调整储能的功率分配。

充电时，控制并网点功率（进线功率P1）在逆流上限值附近

P1(并网)预期控制 = P(并网)逆功率上限+P 逆功率可调偏差

推算过程如下：

（1）推算用户侧实时发电功率

P 实际（发电功率）=P 储能+P 燃机+P 光伏

（2）推算出用户侧实时负载值

P 负载=P 并网+P 实际（发电功率）

（3）推算出用户侧非储能设备的发电功率

P 非储能发电功率=P 燃机+P 光伏

（4）推算出预期控制的并网点功率

P 并网预期=P 上限-P 偏差

（5）根据并网点预期的功率控制值，推算出需要用户侧控制的总发电功率（包括燃机、光伏和储能）

P 发电=P 负载-P 并网预期

（6）推算出储能单元需要分配的计划功率设置值

P 储能设置=P 发电-P 非储能发电功率

如果推算的充电功率“P 储能设置”比用户计划设置的“P 计划”大，且属于用电低谷，则以最大可能的充电功率执行，否则，按计划执行。

通过以上两步的逆功率推演，就可以确保计划的功率调整不会产生进线功率超出需量或功率倒送的情况。

3.3 多能互补控制策略

（1）能量控制协议将实时跟踪进线功率P1，当检测出该功率超出微网系统设置的逆功率下限或上限值，则表示微网系统的发电功率过高或偏低。进线的功率P1 小于逆功率下限，表示此时的负载偏低，而发电功率过多；相反，表示负载功率增加（用电需量超限），此时可结合峰谷电价情况适当提高发电功率以满足功率调峰需求。

（2）逆功率超出上限，此时发电出力不足，需要增加发电功率：优先使用光伏功率，不足部分由储能补充。功率控制流程为：优先开启光伏，然后开启储能，不足部分再由燃机补充。功率需量超上限时，可根据燃机的发电成本、储能的使用寿命来确定是否开启功率补充。

（3）逆功率超出下限，此时发电过多，需要降低发电功率。优先降低储能，尽量使用光伏功率。功率控制流程为：优先降低储能的发电能力；然后降低燃机出力；最后降低光伏出力。

（4）处于电价高峰时优先电池放电，电量不足时市电通过PCS 补充供电。如电池放电过程中充电桩功率降低导致放电功率大于用电功率，则电池能量通过PCS 送入交流侧为交流负载供电，电价低谷时PCS 向直流充电桩供电的同时通过双向DC/DC 为电池充电。限制控制DC/DC 充电功率，避免PCS 过载。

4 EMS微网能量管理系统

如图2所示，EMS 微电网能量管控系统，作为光伏、风力、充电桩、储能、柴发等多种能源的一体化管控系统，主要用以实现对微网数据的实时监控与分析。该平台将实时把微网计划功率值更新到能量路由器，由能量路由器完成微网功率平衡的调节控制，以实现微电网的功率平滑（避免出力大幅波动）、消峰填谷（用电低谷储能，用电高峰发电）、能量搬移（新能源过剩时优先储能，避免弃光风；发电出力不足则用于发电）等功能，达到合理利用能源的目的。

5 结论

微电网多能互补经济运行策略的应用研究，可广泛应用于企业、公共基础设施、多能充电站等需要新能源多能互补的节能应用项目。通过本控制方法，可实现光伏、储能、充电、柴发高效协同、能量互补，提升清洁能源和配电设备利用率水平，能可靠实现用户侧微网功率供需平衡的自适应最优运行，实现用户侧低碳、经济用能，能明显降低用电开销，为用户提供最大可能的收益回报。