风储直流微电网智能监控系统设计

马越超

包头职业技术学院，内蒙古 包头 014030

0 引言

随着我国持续推进能源供给侧结构性改革，风电、天然气、光伏等已成为我国应对气候变化、保障能源安全的重要内容[1-2]。但风力发电具有巨大的随机性，发电量极不稳定。如果不设置合理的储能装置，会对电网造成巨大的冲击。因此，逐步形成了以风能、太阳能和储能系统为主的微电网。

微电网从结构上可以分为交流微电网和直流微电网两种形式，均可以并网和孤岛运行。目前，对微电网的研究主要集中在运行控制策略方面，但微电网内部能量流动关系复杂多变，因此研究如何对其进行实时监控，对微电网的运行管理具有重要的意义。

1 直流微电网能量管理系统设计

该系统主要采用风储直流微电网结构。由于直流母线电压是评判系统内部功率平衡与否的唯一要素，故该监控系统主要针对风机功率、负荷功率、蓄电池荷电状态（SOC）及直流母线电压进行监控。相应的能量管理系统也重点在于平衡负荷、风机和储能单元三者之间的关系。

1.1 直流微电网能量流动关系及各变换器控制策略

该系统可以在并网和孤岛两种状态下运行，当系统并网运行时，由大电网控制母线电压，风机保持最大功率跟踪，蓄电池恒流充电；当系统孤岛运行时，设定蓄电池充当系统的松弛终端，同时为了提高新能源利用率，优先采用风机提供能量。当风力发电机组功率大于负荷所需功率时，为了保持内部功率平衡，将风力发电系统盈余功率存储到蓄电池中；当风力发电机组功率小于负荷所需功率时，系统内部功率缺额，由蓄电池释放能量使母线电压维持稳定。当蓄电池SOC达到上限时，为了保护蓄电池，可以将风机由最大功率控制转为限功率控制；当蓄电池SOC达到下限时，为了维持系统内部功率平衡，采用负荷减载控制策略，通过切除部分非关键性负载，维持母线电压的稳定[3-5]。

1.2 风力发电系统控制策略

风力发电机前级控制框图如图1所示。风力发电系统采用转速外环、电流内环的转子磁场定向控制，可实现在MPPT和LPTC模式间进行自由切换。为了实现风能的最大利用，风机一般工作在MPPT模式，仅在孤岛当蓄电池SOC达到上限时，采用LPTC模式。

图1 风力发电机前级控制框图

图1 中，C2为直流侧电容，ωref为转速参考值，ωm为风力机转速测量值。i*

sd为无功电流参考值，isd和isq为定子电流。

1.3 储能系统控制策略

蓄电池孤岛运行时，采用恒压控制稳定直流母线电压。并网运行时，当SOC在正常范围内时，采用恒压充电控制策略；当SOC达到上限时，处于浮充状态。当SOC到达下限时，为了保护蓄电池，并/离网模式下均封锁脉冲，停止工作。蓄电池并/离网控制策略框图如图2所示。

图2 蓄电池并/离网控制策略

图2 中，Ib为蓄电池输入电流，Ubat为蓄电池实际端电压，Ubref为蓄电池空载端电压；Ufref为蓄电池浮充参考电压。

2 风储直流微电网智能监控系统设计

为了便于对直流微电网进行监控和维护，运用Unity 3D开发了上位机监控界面，整体设计框图如图3所示。

图3 风储直流微电网智能监控系统整体设计框图

根据上述设计，进行仿真和上位机系统运行，实时传送风储直流微电网仿真运行中风速、风机功率、蓄电池功率、蓄电池SOC等信息，并在Unity 3D监控界面上进行显示，运行结果如图4所示。

图4 风储直流微电网上位机监控系统

3 结束语

文章主要设计了风储直流微电网上位机监控系统及相应控制策略的仿真运行，实现了MATLAB/Simulink中主要仿真数据（风力发电系统、储能系统等）在Unity 3D界面中的实时显示，从而有效提高了系统监控的实时性。