孤岛运行模式下的低压微电网控制策略

何其伟，潘仁秋，姬生飞，徐光福

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

随着我国整体经济建设的飞速发展，各行业的电力需求都在持续增加。同时，在生态环保与能源问题的制约下，传统配电网的运行模式出现了诸多问题，无法发挥继电保护装置的最大功效。低压微电网技术的诞生，可以有效实现能源转换与系统储能。尤其是在孤岛运行模式中，由于它与主供电网处于并联关系，因此低压微电网的运行控制是当前的主要问题。研究正是以此为切入点，研究孤岛模式中低压微电网的控制策略，采用基于主从控制的源荷平衡控制策略，保证配电网电压、功率以及频率的稳定性。最后，采用Matlab进行仿真分析，验证了控制策略的可行性，对我国电力事业的可持续发展具有重要意义。

1 低压微电网的系统组成

孤岛模式下低压微电网系统的具体情况如图1所示。

低压微电网主要由光伏电机、风机、变流器以及储能电池等装置构成。为保证微电网的运行稳定性，还要配置相应的控制系统。配电网在运行中会受到变流器的实时控制，从而将功率与电流维持在合理范围内。此外，根据用电侧的实际情况，还要调整供电负荷的优先级，可以将分为可控负荷与重要负荷。

图1 低压微电网系统

由于孤岛配电模式与传统供电网络存在差异，因此低压微电网通常情况下采取三层控制系统，分别针对各类组件的运行状态进行管理控制，即配电网级的能量管理系统EMS、微电网级的中央控制器MGCC以及单元级的源荷控制器。只有保证三者之间高效运行，才能确保微电网有效运转。

微电源控制器分别与配电网和控制系统连接，根据线路与节点位置信息添加信息采集器，可以监控微电源的运行情况。当发现运行数据信息有异常时，MGCC会协同微电源及时发出指令，以及时切断配电网中的故障区域。同时，MGCC还可以根据指令调整线路运行负荷，通过负荷情况缓解线路中的电流与电压变化情况，以此协调控制低压微电网，并且将监控与调整数据信息反馈到EMS。此外，微电网的运行质量与各微源特性和负荷特性存在一定的关联，也就是说配电网的实际运行负荷会影响到孤岛微电网的运行效果[1]。

2 孤岛模式下低压微电网的控制策略

2.1 微电网源头控制策略

在对微电网运行模式进行调控时，采用恒频或恒压的控制方式。这种控制方式是从微电网源头进行管控，采用数据采集装置采集配电网的电压与频率情况，并且将数据信号传递到控制系统终端，以此为微电网系统提供电压与频率参考。例如，当低压微电网中的电压情况长时间超出额定范围时，系统的数据分析模块会及时发现问题并反馈给操作人员，通过判定数据信息，找到电压不正常的区域，从而针对孤岛运行模式中的微电网采取电压调整措施[2]。

孤岛运行模式中，微电网电压的调整方法具体如下：（1）通过分析微电网的恒定功率，并且将源头的实际输出值作为参考对象，可以计算相应的有功功率与无功功率；（2）采用下垂控制模式，利用微电网源头模拟发电机的出口特征，这时电压与功率的变化情况会真实反映到模拟数据中，也能够计算微电网中的有功功率和无功功率；（3）联合应用各类DG装置，也就是将低压微电网调整为不同状态的运行模式，不仅可以制定不同的控制措施，还能够找到影响功率变化的主要故障点。

此外，在针对低压微电网进行控制时还要采用发电侧的DG控制，即源荷协同控制模式，利用配电网运行源头电压与荷载的比值关系，结合孤岛运行模式参数，对各供电区域开展主从控制、对等控制以及分层控制。例如，当微电网处于孤岛状态时，主微源为配电网提供的电压与频率信息都可以作为计算参考，同时其他微源产生的恒定功率也能够反映配电网的实际运行情况，有利于主从控制策略的实施。对等控制模式主要对微电网中各DG装置进行信息自主控制，按照预先设定的功率调节方案来执行，因此在实际调控环节缺乏灵活性。为解决此类问题，可以对MGCC传统的运行模式作出革新，将优化重点放到反应效率与解决措施层面。不仅要完全掌握配电网的运行情况，还要生成相应的运行数据。这样当实际运行数据与模拟数据存在差异时，微电网控制系统可及时作出反应，以此保证微网的稳定运行。

2.2 储能系统控制策略

储能系统是低压微电网的重要组成部分，其运行质量直接影响风机、光伏以及DG装置的作业效果。当储能系统的输出功率较低时，以上元件会失去最大运行效能，从而无法对微电网开展精准控制。因此，为保证微电网的正常运行，一般对主电池系统配备相应的备用电源系统。当储能电池的电量较低时，备用电池不仅可以对其进行电量补充，还时刻准备投入正常运行模式，代替储能电池对控制系统提供能源保障[3]。因此，完善电池的充电与放电措施，可以有效提升锂电池的使用寿命。

本研究对于锂电池提出的控制策略具体如下。

（1）优化锂电池的充电与放电切换问题。当锂电池中的电容量过剩时，需要储能系统吸收电能，以保证储能系统的运行效率。但是，当锂电池的电容量较低时，为保证储能系统的运行效果，可以加大充电倍率来提高充电效率，即尽量缩短原有的锂电池充电时间，使锂电池可以在更多时间中为饱满容量状态。

（2）低压微电网的运行稳定性会受到储能系统的直接影响。例如，当储能系统存在故障时，可能无法检测出配电网中电压与负荷的细微变化，这样在终端调控环节将无法掌握全面的数据。因此，在对储能系统进行动力保障时，要采取自动与手动方式。自动方式设定能源检查模式，使储能系统可以检查自身能量，在电量较低时作出反应；手动方式则是运维人员要定期检查储能系统，保证储能系统时刻处于正常状态。

（3）储能系统的充电控制策略可以有效提升控制装置的运行质量，从而合理改善微电网的可靠性与稳定性。

2.3 源荷协调控制策略

由于低压微电网中的电源与负荷具有分散性与多样性特点，且运行过程中体现出动态各异与分布广泛的情况，因此要合理应用DG装置的互补性，促进源荷协调控制的应用效率，采用DG装置解决配电网运行中的间歇性问题与随机性问题，以此减少系统备用容量，提升可再生能源的利用率。

在孤岛运行模式中，低压微电网的控制策略选用主要考虑配电网的稳定性与可靠性，也就是要保证负荷的不断电和少断电。因此，具体控制措施如下：（1）采用测控装置实时监控配电网的运行情况，包括运行电压、功率、频率以及电流等，利用控制系统判定采集到的数据信息，以此明确微电网的源荷运行是否处于平衡状态；（2）如果配电网内部的源荷处于平衡状态，则维持现状，如果源荷运行处于失衡状态，要计算失衡量并对储能系统发出调整指令，通过调整配电网中的电流、功率等参数，使微电网恢复到源荷平衡状态。

为保证孤岛运行模式下低压微电网的稳定运行，一方面要满足各类装置与设备的运行状态，另一方面要更新控制系统的参数。由于不同供电区域的电量需求与最大荷载情况存在差异，运维人员在进行源荷控制时可以根据区域制定不同的调控方案，并且提前制定相应的防治措施，在发现电力故障时切断部分可控负荷，以逐渐平衡低压微电网的源荷协调状态。

3 低压微电网控制策略的仿真分析

在明确低压微电网的控制策略后，为验证控制措施的准确性与可行性，研究构建了相应的Matlab模型进行分析。在控制策略的仿真过程中，可知电池组的实际容量为15 000 Ah，PCS额定容量为50 kW，重要负荷为30 kW。测试前将光伏与风机的状态调整为满发状态，同时检查储能系统的电源稳定性，避免敏感影响因素，以使实际测试效果更加准确。低压微电网启动后，随着时间的发展，MGCC装置发挥自身作用，根据提前设定的运行参数对控制系统发出指令。该环节不仅要保证配网启动与MGCC启动的连贯性，还要将EMS的放电数值控制在5 kW左右。启动MGCC后，整体仿真波形也会产生一定的变化。根据实验可知，采取MGCC切负荷的方式可以使控制过程回到平稳状态。当可控负荷量降低时，可以从储能系统作出调整，从而对主电源进行支持，从而保持孤岛低压微电网的稳定运行。

4 结 论

综上所述，孤岛低压微电网在运行中容易受到各类因素的影响，降低自身的稳定性。对于用电侧而言，负荷的动态特性存在差异，因此在避免配电网停电问题时需要面对诸多问题。本文针对孤岛模式下低压微电网的控制策略进行分析，介绍低压微电网的系统组成，提出相应的控制策略，并进行了仿真分析。仿真结果表明：提出的孤岛低压微电网控制策略可以对配电网的储能系统实现精准控制，同时将系统的运行频率与电压控制在合理范围内。整体来说，控制策略可以科学提升孤岛低压微电网的稳定性与可靠性。