基于复合储能的微电网平滑切换控制方法

2021-07-08高静兰

农村电气化 2021年6期

高静兰

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆伊犁 835000）

在电力发展过程中，如何保证电力系统的稳定性，进而提高供电过程的整体水平，已经成为当前研究的热点问题。我国建设微电网促进电力系统的广范围供电，微电网的拓扑结构可以将再生能源引入供电体系中，形成多个独立的经济实用型供电系统，满足未来微电网技术的多元化发展。

文献[1]中在华东微电网上加入了调度系统，利用数字化技术切换电源与供电网之间的供应关系，分别对微电网的静态运行、动态运行实现全程数字化监控，方便工作人员的状态切换，切换体系中设计预警系统，为供电系统运行与系统开发工作提供安全参数。文献[2]中应用的状态切换方法建立在第一代电网的电源组之上，利用第一代电网电源组的经济性满足多能源供电的可持续发展，主要依靠蓄电池功率平衡的方式调整微电网工作状态，设计大容量电容器延长微电网供电时间与运行状态，提升微电网电源的利用密度与使用寿命。

1 基于复合储能的微电网分析

1.1 复合储能理论

复合储能主要由蓄电池与超级电容器组成，利用蓄电池中等效电阻与等效电压等概念完善复合储能整体装置对电网的持续供应能力，超级电容器具有容量大、充放电周期长等特点，可视为一套理想电压源与无电阻电路，能够实现在输电网中任意控制输电方向与输电模式，根据输电网结构可以改变复合储能设备中的等效电阻大小，进而控制等效电路中的电路传输功率[3-4]。复合储能装置等效原理图如图1所示。

图1 复合储能装置等效原理图

图中A1、A2、Z1、Z2分别代表等效电压与等效电阻的功率控制开关管，C代表等效装置的串联电路电容，U1、R2分别代表等效电压与等效电阻，按照图中的复合储能装置电路连接方式能够增加超级电容在电网传输过程中的管控范围，使超级电容的容量在普通电容的基础上扩大200～300倍，随着微电网工作结构变化也可以对超级电容所在电路位置进行调换，尽量满足多能源在复合储能装置的储存量和储存时间[5-6]。

1.2 微电网结构

微电网的正常运行电压一般控制在380V左右，微电网结构中包含复合储能装置相关电路。微电网结构示意图如图2所示。

图2 微电网结构示意图

根据图2可知，结构中的负荷作用是对不同能源转换成果的检验，采用分布式结构对不同能源进行微电网内部能源消耗，保障微电网对外传输的稳定性，微电网中所有的电路结构都被微电网电路监控管理体系关联，微电网管理人员能够随时提取出各个电路中的能量转换信息或能量传输信息，微电网运行状态也受到电路管理体系的监控，通过光纤通信手段接受与传达状态变换命令，反馈给微电网状态切换模块[7-8]。

2 微电网运行模式研究

2.1 微电网并网运行模式

在微电网电力传输过程中，并网运行模式是主要运行模式，这种状态下的微电网能够实现自身安全检查功能，减少复合能源在不同电网结构中的不同频率而产生影响微电网正常运行的问题[9-10]。并网运行模式中的电位差、相位差等因素会重新规划参数，对外部其他电网中能量达到影响参数免疫效果，电网电压向量状态分析图如图3所示。

由于复合能源种类较多，且每种能源转化为电能的效率不尽相同，微电网并网运行模式可以将微电网结构中能源进行分化，设定能源转化阈值，首先满足微电网本地的电网能源供应，再通过对其他负荷的通信，设定微电网对外电网供电水平阈值，当两种阈值均满足条件时可以采用并网供电操作。

图3 电网电压向量状态分析图

2.2 微电网孤岛运行模式

在微电网运行模式中，孤岛运行模式为备用运行模式，通常微电网的并网运行模式出现故障，电网会自动转换成并网运行模式，孤岛运行模式主要依靠自身内部电压完成各个部分的持续供电，同时切断对外部其他电网的持续性输电，但是微电网结构内部的各个负荷之间还存在着电源协调与交互功能，满足多种能源转换与复合能源多重利用，微电网供电系统内部电压与频率将间接性向微电网部分结构传输交互信息，满足微电网的通信模块正常，孤岛运行模式下的电网模型不需要应用电信号控制供电程序，且供电原理与常规性电压供电相差无几，大多由两个微电源提供等效电压，每个等效电压对应负荷中的等效电阻[15-16]。孤岛运行模式下的负荷输电模拟图如图4所示。

式(5)中：N为定值；R为T的2阶小项，可忽略不计。由式(2)可知，交点轴线在各自由度方向上的偏量值单位必须一致。但式(5)中，L、M和P、Q的单位不一致，为此，利用式(6)将L和M分别转换成Lv和Mv，使得Lv和Mv与P和Q单位一致，

图4 孤岛运行模式下的负荷输电模拟图

微电网处于孤岛模式中也会进行复合储能，但是这种模式主要依靠基本电能维持负荷正常运行。

3 微电网平滑切换控制

3.1 微电网的主从控制

微电网的主从控制是微电网状态切换的通用控制手段，微电网中一般设置有多个主控单元，每个主控单元能够控制相应的能源供应状态。当微电网处于并网运行模式下，电网内部的微电源会以主要线路的控制方式确保电压稳定，这种方式被称为PQ控制；当微电网处于孤岛运行模式下，微电源主要控制输电功率的状态平衡，确保等效电压与等效电阻稳定不变，微电源对外的输电形式会根据微电源单元条件改变控制手段，复合能源下的微电网可以从微电网多部分获取供电参数，依旧采用PQ方式实现状态控制[20-22]。

设定微电源的复合能源包含光能源储存装置、风能源储存装置、水能源储存装置等，每个储存装置中都装置有单独的二级微电源作为主控单元，随着状态控制策略的不断改进，微电源对应的负荷可以向模式的控制端口主动发送协调命令，保障复合能源在输电功率稳定的情况下完成较大程度的能源转换[23-25]。微电源在确认负荷没有达到需求量情况下从3个微电源中输出功率，若负荷达到需求量，需要立即切断3个二级微电源对微电网的功率输出电路，微电网控制策略运行结构图如图5所示。

图5 微电网控制策略运行结构图

3.2 微电网的对等控制

在进行微电网对等控制时，微电网内部结构中的微电源完全能够满足自身负荷供电与对外电网的持续功率输出，不承担外部电网压力且能够保证自身功率的稳定输出，微电源会在控制策略的影响下改变原始的供应对象，根据有功功率与无功功率的稳定性调控每个微电源在微电网中的供应位置与供应状态，对等控制会产生微电网中的有功频率，随着微电源的供应时间延长，微电网会做出切换状态的命令，但整体过程会维持对等控制。

3.3 平滑切换综合控制

3.3.1 并网转非计划孤岛切换控制

并网模式向孤岛模式切换须依靠复合能源在微电网中的持续性供应，复合能源供应是孤岛运行模式的主要供应能源，但是在并网运行模式中基本电力能源是主要供应能源，须在完成状态切换后孤岛模式采用V/F形式控制微电网对复合能源的转换效率与转换质量，保证复合能源能够在微电网正常运行的前提下保障等效电阻与等效电压的正常转换，同时还要保证微电网电压与输送电频率正常，复合储能中超级电容器与蓄电池可以控制微电网模式转换的数据端口，参照超级电容器中的端口电压设定外部电网对微电网的电能供应输送端口参数，稳定蓄电池工作电压与电力输送电压，根据超级电容器的阈值条件制定并网向孤岛模式的平滑切换控制方式。

判断微电网自身的运行模式，当判断微电网为孤岛运行模式会立即向信道中发送超级电容器启动命令，切换超级电容器工作状态到停止放电状态，同时命令复合储能装置切换至放电状态，考虑到复合储能装置切换过程中会出现电压冲击问题与输电频率不稳定问题，将会在最短时间内隔离外部供电网与复合储能装置的公共并联电路，减少杂质因素对微电网供电稳定性的干扰。

微电网在供电稳定状态下功率双向输出，超级电容器控制微电网的电压缺口，排除供电网端口电压缺失造成的功率失稳，但超级电容器控制时间具有一定局限性，超出预定值向孤岛模式平滑切换时便需要降低自身电压，依次排除负荷对主电源的依赖。并网转非计划孤岛切换控制流程图如图6所示。

3.3.2 孤岛转并网切换控制

当信道检测供电网能够平稳供电时，微电网恢复正常供电水平，即可将孤岛运行模式转换为并网运行模式，重新融入配电网中。

参照超级电容器的参考阈值设定微电源等效电压与等效电阻，控制并网主电源的初始频率与初始电压，控制步骤示意图如图7所示。

图6 并网转非计划孤岛切换控制流程图

图7 并网控制步骤示意图

经过频率与电压的调控，可通过信道向微电网发送并网连接命令，设定并网额定电压幅值、相位角等参数。

并网连接完成，启动超级电容器到输送电模式，首先向蓄电池充电，再对负荷进行持续供电，完成孤岛转并网平滑切换控制。

4 实验研究

设计实验实现本文平滑切换方法。仿真实验不同阶段的动作参数如表1所示。

表1 动作参数表

根据表1，平衡两种状态下的等效电压与等效电阻，应用本文方法下两种状态切换过程中产生的有功功率幅值仿真结果与传统方法下的幅值变化对比结果如图8所示。

图8 有功功率幅值变化对比结果

根据图中对比结果可知本文方法下的有功功率变化幅值较为稳定，基本控制在2×105W内，而文献[1]中方法下的仿真幅值在3×105W左右，文献中[2]方法下的仿真幅值在5×105W左右。微电网与外部配电网隔离供电情况下需要操控并网开关，同时还需要控制配电网端口的隔离开关，实验中对状态切换过程中的并网开关冲击电流进行检测与效果对比，结果如图9所示。