光储微电网研究现状及其在农业领域应用发展趋势

杨旭超　刘金辉　李建军　潘鹏　葛勇

摘 要：近年来，光储微电网在农业领域的应用崭露头角，以其无污染、无噪声、可再生等特点成为国内外的热点研究课题。由于光伏电池的物理特性以及微电网拓扑结构多元性，使得光储微电网在结构设计、运行调度和保护控制等方面存在技术壁垒。该文对当前主流的光储微电网控制策略和光储协调控制等关键技术进行了阐述与总结，以期为我国农业领域发展的研究提供参考。

关键词：农业领域;光储微电网;功率分配;控制策略

中图分类号 TM615;F323 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）07-0142-03

信息技术与农业的深度融合已经成为我国现代化农业发展的必然趋势，农业信息感知数字化、管理决策科学化以及农业装备智能化等已经成为提高农产品质量和农业生产效率的重要途径[1]。面对我国南疆地广人稀的地域特点，如果仅依靠集中式供电网络为农业生产提供电能，不仅增加了农业生产成本，而且可靠性得不到保障。就地取能是获取电能的最佳途径，南疆地区拥有得天独厚的太阳能资源，由光储构成的微电网将成为南疆地区发展智慧农业最有效的供电形式之一。

随着半导体技术的成熟，太陽能的消费量占比逐年扩大，有效地缓解了人类社会对传统能源的依赖。但是太阳能在实际使用中表现出的随机性和间歇性，严重影响其利用率。为了提高太阳能供电的可靠性以及改善电能质量，光储微电网的构思孕育而生。电力电子变换器应用解决了直流电电压变化的问题，加之直流负荷的设备与人类的生活息息相关，如通讯设备、LED照明及半导体设备等。光储微电网将更好地切合现代生活对电力能源的需求和未来负荷的发展[2]。

1 光伏微电网

微电网是集发配输为一体的小型的电力网络，是由分布式电源（DG）、控制器、储能单元和负荷等构成的自治系统，依靠自身控制及能源管理实现系统功率平衡和电能质量治理[3-5]。相较于传统的集中式高压配电方式可靠性低和调节能力差的问题，采用DG的微电网以灵活、高效应用实现对负荷的高可靠供给。

微电网作为一种新式能源结构，母线电压是反映微电网可靠性的唯一指标。微电网在无大电网支撑下，由于自身的能量容量有限、组织结构单薄，致使微电网系统运行时表现低惯量、弱阻尼的特性。母线电压极易受光伏输出功率的随机性和负荷功率投切而产生能量波动，如何迅速平抑系统中的能量波动，为负荷提供持续可靠的供电，是一个值得深入研究的课题。为此，研究光储微电网的稳定运行控制策略具有现实意义。

2 光储微电网控制策略

在光储微电网系统中，直流母线两端分布大量电力电子变换器，对于不同作用的变换器的控制目标和控制方法各有不同，因此微电网中各变换器之间需要控制策略。通常的控制策略有集中式控制、分布式控制和分层式控制3种。其中，分层控制且有可靠性、经济性和效率的优点，优于前两者，并且对通信链路依赖低，降低系统设计的复杂性。

分层控制能够处理各节点的信息，并将处理后的结果送至各单元，用来控制各单元的相关装置，以使微电网的电压和频率达到稳定。分层结构按优先度将微电网的组网控制划分为多个控制层，包括微源控制层和微电网管理层2层控制结构。

2.1 微源控制层 该层控制可分为主从控制和对等控制。在主从控制模式下，设定采用V/F控制的一个或多个DG作为主电源，将该主电源电压以及频率作为参考值，其他DG则采用P/Q控制。因负荷投切造成的功率的变化由主电源支撑，因此要求其容量必须充足以及能够在一定范围内调节，从属的微源能够在突发情况下及时调用确保稳定性。而对等控制中各DG或储能装置在参与微电网电压、频率调节和控制过程中地位是相等的，根据微源接入点就地进行信息控制。若其中某一控制单元出现故障时，其余控制单元仍然可以维持系统的正常运转。与主从控制相比，采用下垂控制的微源可以自动进行负荷功率的分配，易于实现即插即用的功能。

2.2 微电网管理层 微电网管理层控制的主要解决微源控制层出现母线电压和频率偏移问题。集中二次控制是一种常用的控制方法，由微电网中心控制器（MGCC）实时检测微电网电压和频率，通过调整微电网中各电力电子变换器下垂系数，回调电压和频率偏移量。其缺陷在于各控制功能均由MGCC实现，因而MGCC出现故障时，微电网将无法正常运行，严重影响系统可靠性;另一种方法为分布式协同控制。将微电网内各主控单元与邻近单元主控单元的输出电压、频率等信息交换，通过算法实现自身状态更新，消除微电网系统电压和频率的偏移量，提高微电网控制系统的可靠性。

3 光储微电网协调分析

光伏功率的间歇性和波动性以及与负荷消耗功率的不匹配引起的系统功率失衡，主要依靠储能装置进行协调控制[11]。目前，混合储能技术是一种有效可行的方案，能量型储能装置具有储能容量大的特点，为系统削峰填谷和电压支撑提供必要手段，功率型储能装置提高系统的响应速度，能够迅速平抑系统波动。两者相结合的混合储能系统获得功率和能量密度的互补优势，确保微电网的稳定运行。

3.1 储能单元运行模式 针对光储微电网“即插即用”的设计期望，对微电网功率分配策略的通用性和鲁棒性提出了更高要求。配合负荷的投切实现储能单元工作在不同模式下，充分利用储能单元的能量容量提升系统抑制母线电压和频率波动能力[13]。表1是储能系统工作在不同工作条件得工作模式，其中PPV、Pload和Pbat分别表示光伏单元输出功率、负荷功率和储能单元充电上限功率。

3.2 功率分配控制 依据微电网的不同工作条件，DG或储能单元需要采取不同的控制策略运行不同的工作模式，主要分为恒功率控制、恒压控制和下垂控制。在多储能单元的微电网中通常采用分散特性的下垂控制来实现负荷功率在各微源间分配。依据功率变化决定频率和电压的F/P和V/Q下垂控制方法，反之是P/F和Q/V下垂控制方法。其原理是引入下垂系数产生一个虚拟阻抗效果，使母线电压值线性变化，从而实现功率的动态分配[12]。其中传统的功率/电压（P/V）的下垂表达式：

式中：Udc_ref为母线标准电压;Udc_i、Ri和Pbat_i别为第i个储能单元的输出电压、下垂系数和输出功率。考虑到各储能单元都并联在直流母线两端，假定忽略线路阻抗差异可以得出各储能单元端口电压相同，即：

对于系统缺额功率的分配，各储能单元的输出功率与下垂系数成反比关系，改变储能单元间的下垂系数即可以实现负荷功率分配。

但在实际工程应用中，储能单元与母线之间的阻抗严重负荷功率精准分配。针对这个问题，邓<H：＼安徽农学通报202207＼Z1.eps>一等[14]采用二次调节下垂系数的方法对母线电压进行补偿，但增加了系统的复杂程度，降低系统的可靠性。吕振宇等[15]采用分组一致性算法对全网电压数据进行处理，经过迭代能够动态找寻目标虚拟电阻实现自适应下垂控制，并且对微电网负荷功率突变具有较强的适应性。张玉等[16]采用模糊控制对下垂系数进行实时优化，使初始下垂曲线系数有效发生动态调整，在实现对缺额功率的合理化分配。针对不同频率特性的功率波动与混合储能单元间的有效分配。丁明等[17]采用一阶低通滤波器对确定平抑功目标，利用模糊控制技术对超出的功率偏差在蓄电池和超级电容之间进行分配。可以有效利用混合储能系统的优点，提高了系统的动态响应速度以及功率分配精度。然而以上方法都未考虑各储能单元之间的SOC不平衡的问题，郑丽君[18]介绍一种基于储能荷电状态（SOC）的多储能单元分级运行控制，实现各储能单元间SOC均衡和协调运作，避免因工作模式切换导致的直流母电压波动。

4 光储微电网今后需要研究的问题

随着微电网控制技术和储能技术的发展，光储微电网的结构呈多元化发展趋势[19]。在如何实现光储微电网的可靠与稳定运行的领域，还有众多问题值得深入研究。

储能技术促进光伏能源的消纳，提高微电网系统的灵活性。目前，储能成本仍处于较高水平，在大规模使用能量型储能装置时不免要考虑经济因素，而且微电网系统对储能系统启停频繁、响应快的要求，严重影响储能设备的使用寿命。现阶段，可以采用如超级电容和飞轮储能与蓄电池结合的混合储能系统，通过对储能系统的优化配置和相应的协调控制策略，提升储能系统的可靠性和安全性。其次，在系统在设计时，系统的储能容量规划必须是在微电网经济性和系统运行性能中间寻求平衡点，做到两者兼顾实现微电网技术优势最大化。

光伏功率预测技术是对输出功率进行准确预测，判断系统功率变化趋势有助于系统提前预测模型，以便规避风险提高微电网系统的安全性。但预测功率控制是一种极度依赖标准模型的控制策略，面对突发情况很容易导致系统参数与控制模型失配，而传统的延时补偿环节补偿效果则不能及时响应。这就要求我们在微电网设计规划时多增设层防护措施，提高系统鲁棒性。

自适应频率是微电网实现稳定高效工作的重要手段。由于微电网系统结构复杂和接入负荷种类繁多，难以得到准确的微电网系统数学模型，导致控制器参数很难整定。其次，微电网在工作时为时变非线性系统，智能算法虽能在实现非线性系统自适应控制和寻优过程中有突出的能力，但该类算法运算对硬件的要求较高，且庞大的逻辑运算必然导致降低算法的收敛速度。因此，在提升算法收敛速度的同时也要考虑经济适用性。

5 结语

近年来，一站式將新科技、新业态和新模式被引入到我国农业经济发展中，探索创新的产业运营模式，助力农业向规模化、智慧化、集约化、特色化等方向发展。我国农业规模逐年扩大，作为农业生产过程中必需品的电力远离配电网已成常态，远距离输电造成的线路损耗加重农业生产成本。并且农业生产过程对电的质量、稳定性和可靠性要求都很高。在乡村振兴战略的大背景下，光伏与农业结合备受民众瞩目，一个是绿色转型发展的明日之星，一个是稳定经济全局的压舱石。未来光伏微电网将契合我国能源产业的发展方向，对智慧农业的发展有着广泛的意义。

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（责编：张宏民）

Research Status of Optical Storage Micro-grid and its Development Trend in Agriculture

YANG Xuchao1，2   LIU Jinhui1，2   LI Jianjun1，2，3   PAN Peng1，2   GE Yong1，2

（1College of Mechanical and Electronic Engineering， Tarim University， Alar 843300， China; 2The Key Laboratory of College&Universities under the Department of Education of Xinjiang， Alar 843300， China; 3Xinjiang University of Political Science and Law， Tumshuke 843900， China）

Abstract： In recent years， the application of optical storage micro-grid in agriculture has become a hot research topic because of its non-pollution， non-noise， renewable and so on. Because of the physical characteristics of photovoltaic cells and the diversity of the micro-grid topology， there are technical barriers in the structure design， Operation Scheduling and protection control of the micro-grid. In this paper， the main control strategies of optical storage micro-grid and the key technologies of optical storage coordinated control are introduced and summarized， so as to provide reference for the development of agriculture in China.

Key words： Agriculture; Optical storage micro-grid; Power distribution; Control strategy

作者簡介：杨旭超（1995—），男，陕西宝鸡人，硕士研究生，研究方向：可再生能源发电与控制技术。 通讯作者：李建军（1972—），男，黑龙江肇东人，副教授，硕士，研究方向：可再生能源发电与控制技术。  收稿日期：2021-11-20