基于独立微电网的储能单元与燃气发电单元协调控制方法

焦小路

（中海油阜宁热电有限责任公司）

0 引言

微电网作为电力系统的重要组成部分，既可以工作在独立运行模式下，又可以工作在并网运行模式下[1]。当微电网工作在独立模式下时，由其内部的微电源为微电网提供稳定的电压和频率，微电网会自动对其内部产生的电压波动和功率波动进行调节，内部只有一个微电源时，采用电压/频率控制策略，内部有多个微电源时，采用下垂控制策略[2-3]。

通常情况下，微电网独立运行时都采用储能单元或燃气发电单元作为主电源提供电压和频率，当微电网主电源进行切换时，系统微电网会出现短时停电现象，因此必须对微电网独立运行时储能单元和燃气发电单元的协调控制进行深入研究，以保证微电网的运行稳定性[4-5]。

1 微电网系统架构及控制策略

本文所研究的独立运行微电网系统包含了光伏发电单元、燃气发电单元、储能单元等微电源[6]，以及若干负荷，每一个微电源都通过与其对应的逆变器接入到微电网中，具体的架构如图1所示。

图1 独立运行微电网系统架构

微电网中各个微电源的控制策略如下。

（1）光伏发电单元

光伏发电单元包括光伏阵列、DC/DC变换器、并网逆变器，光伏发电单元由其DC/DC变换器实现最大功率点跟踪控制，其输出的功率波动性较大，其并网逆变器采用恒功率控制策略[7-8]。其具体的结构如图2所示。

图2 光伏发电单元结构

（2）燃气发电单元

燃气发电单元包括燃气轮机、永磁电机、四象限、并网逆变器，并网逆变器采用下垂控制策略[9]，其具体结构如图3所示。

图3 燃气发电单元结构

其中，燃气轮机会将燃气的能量转换为动能驱动涡轮做功，继而带动永磁电机高速旋转发出高频率的交流电，在经过四象限和逆变器进行交流－直流－交流的变换得到工频电，出送到微电网中。燃气发电单元采用下垂控制策略后，再采用电压外环和电流内环的双闭环控制后，得到频率和电压可控的交流电，实现维持微电网电压和频率稳定的功能[10-11]。

（3）储能单元

储能单元在微电网中主要起到能量存储的作用，在微电网出现异常时提供电能、抑制负荷波动，储能单元包括储能电池、DC/DC变换器、并网逆变器[12]，其具体结构如图4所示。

图4 储能单元结构

储能单元中的DC/DC变换器和并网逆变器都能够实现能量的双向流动，并网逆变器采用了恒功率控制策略和下垂控制策略，两种控制策略能够无缝切换。

当燃气发电单元工作时，储能单元采用恒功率控制方式，由燃气发电单元提供微电网工作的电压和频率，储能单元配合燃气发电单元工作，对微电网的功率波动进行抑制，恒功率控制策略的控制结构如图5所示。

图5 恒功率控制结构

如图5所示采用了双闭环的控制结构，当并网逆变器输出的功率P和Q与参考功率Pref和Qref的误差不为零时，采用比例积分控制器对误差进行调节，将误差调节到零后，并网逆变器工作在稳态。

当燃气发电单元不工作时，由储能单元提供微电网工作的电压和频率，储能单元采用了下垂控制策略。根据下垂控制方程得到下垂参考电压Udref和Uqref，再采用电压外环和电流内环的双闭环控制后，得到频率和电压可控的交流电，实现维持微电网电压和频率稳定的功能。

2 燃气发电单元与储能单元

2.1 燃气发电单元与储能单元协调控制策略

燃气发电单元与储能单元协调控制时，独立运行的微电网中包含了两组燃气发电单元、光伏发电单元、储能单元。两组燃气发电单元通过同步并网开关连接到微电网，燃气发电单元与储能单元之间的切换通过解列开关实现，协调控制单元向燃气发电单元和储能单元下发并网运行指令和参考功率指令，从而实现燃气发电单元与储能单元的协调控制。

当燃气发电单元作为微电网主电源时，储能单元的并网逆变器采用恒功率控制策略；当储能单元作为主电源时，其并网逆变器采用下垂控制策略。

2.2 切换控制策略

当储能单元或燃气发电单元收到作为微电网主电源的运行指令后，需要并入微电网运行，并网运行的前提条件是并网单元的电压幅值和频率必须与微电网的电压幅值和频率保持完全一致，否则的话会对微电网造成冲击。进行并网切换，会产生冲击电流为：

式中，uinv和us分别为并网逆变器的输出电压和微电网的电压，Zs为微电网侧的等效阻抗：

要减小冲击电流，实现无缝切换，就必须采用锁相环技术来对微电网电压的相位和频率进行实时跟踪。

当燃气发电单元退出运行时，燃气发电单元连接至微电网的解列开关断开时间要长于储能单元从恒功率控制方式切换到下垂控制方式的时间，因此在短时间内存在燃气发电单元和储能单元同时作为主电源的状态，为了保证无缝切换，当储能单元转变为下垂控制方式时，其参考电压的幅值和相位仍然由燃气发电单元决定。在燃气发电单元退出运行前，其发出的有功率越大，与微电网断开瞬间对微电网的冲击也就越大，因此在进行切换前最大限度降低流过解列开关的电流。

当储能单元作为微电网主电源时，由其提供微电网工作的电压和频率，燃气发电单元在并网运行前需要检测微电网的电压幅值、频率、相位，并以此为基准调整自身输出的电压、幅值、相位，完全一致时，闭合解列开关，完成并网。

当协调控制单元检测到燃气发电单元重新并网运行后，向燃气发电单元和储能单元下发运行方式切换指令、参考功率指令，切换后微电网工作的电压和频率由燃气发电单元提供。在切换时需要保证储能单元的输出功率保持恒定，完成切换后，再逐步降低储能单元的输出功率，将负荷平滑地转移到燃气发电单元上。

3 实例分析

构建独立的微电网系统，微电网的基本架构如图1所示。其中光伏发电单元的额定输出功率为200kW，两台燃气发电单元的单台额定输出功率为200kW，储能单元的额定容量为200kVA，系统负荷为200kW。

（1）燃气发电单元作为微电网主电源情况

在第0s时刻微电网中的负荷为120kW，第3s时，负荷突增80kW，达到了200kW。如图6所示，在第3s时，由于负荷突然增加，整个微电网的有功功率也进行了调节，并且维持微电网工作电压的燃气发电单元采用的是下垂控制方式，微电网的频率略微有所下降，但还是维持在允许范围内；在第3s时，燃气发电单元输出的有功功率从80kW增加到160kW；储能单元输出的有功功率设定为30kW。燃气发电单元能够根据负荷的变化快速调节输出的有功功率，负荷的突变对独立运行的微电网的电压和频率影响都较小，微电网能对电压和频率进行快速的调节，系统稳定性良好。

图6 燃气发电单元作为主电源时系统波形

（2）燃气发电单元与储能单元切换情况

在燃气发电单元与储能单元进行切换时，微电网的负荷为180kW，其中光伏发电单元承担了25kW，在第1s时刻燃气发电单元退出运行，储能单元由辅助电源变为主电源，其控制方式由恒功率控制变为下垂控制；在第3s时刻燃气发电单元重新启动，当电压相位、频率、幅值满足要求时，完成并网，储能单元由主电源变为辅助电源，控制方式由下垂控制变为恒功率控制。燃气发电单元与储能单元切换时的波形如图7所示。

图7 燃气发电单元与储能单元切换时系统波形

4 结束语

本文对独立运行的微电网的稳定性关键因素进行分析，并且搭建了独立微电网的模型，其中包含光伏发电单元、燃气发电单元、储能单元，给出了不同单元相对应的控制策略。根据其稳定性关键因素，提出了储能单元与燃气发电单元的协调控制策略。经过实际高压试验验证，本文所提出的协调控制策略完全能够保证独立运行微电网的运行稳定性，该策略具备进行大规模推广应用的价值，对于保持独立运行的微电网的稳定性具有重要意义。