孤島運(yùn)行模式下的低壓微電網(wǎng)控制策略

盛德剛 徐運(yùn)兵 王曉丹 徐大可

近年來隨著能源與環(huán)保問題的日益突出，微電網(wǎng)技術(shù)受到人們越來越多的關(guān)注。微電網(wǎng)系統(tǒng)由分布式電源（distributed generation, DG）、儲(chǔ)能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換裝置以及負(fù)荷等組成。其中DG既可以包含光伏電池、燃料電池等靜止型電源，又可以包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)等旋轉(zhuǎn)型電源[1-2]。

微電網(wǎng)處于孤島狀態(tài)時(shí)，每個(gè)微電源需快速響應(yīng)用電側(cè)需求并實(shí)時(shí)反映微電網(wǎng)運(yùn)行情況、自主實(shí)現(xiàn)并離網(wǎng)切換，是微電網(wǎng)控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)[3-5]。為此，國內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[6]建立了微電網(wǎng)基礎(chǔ)模型，提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)與微電網(wǎng)電源協(xié)調(diào)控制策略，對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了仿真分析，但未對(duì)DG的隨機(jī)性與間歇性問題提出解決方案。文獻(xiàn)[7]介紹了基于小型屋頂光伏的微電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)了穩(wěn)定可靠的主從型微電網(wǎng)系統(tǒng)，具有很好的推廣價(jià)值，但未涉及多種微源并列運(yùn)行的情況。文獻(xiàn)[8]研究了微電網(wǎng)在孤島模式下DG和儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，但未涉及DG、儲(chǔ)能系統(tǒng)與負(fù)荷的互動(dòng)控制。

并網(wǎng)運(yùn)行模式下，微電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)微源的可靠性要求不高；孤島運(yùn)行模式下，則需要依靠可靠的DG和儲(chǔ)能系統(tǒng)來保證微電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行。為此，本文以風(fēng)光儲(chǔ)多種微源低壓微電網(wǎng)作為研究對(duì)象，采用基于主從控制的源荷平衡控制策略，確保在孤島運(yùn)行模式下微電網(wǎng)功率保持平衡、電壓和頻率保持穩(wěn)定。通過Matlab建立微電網(wǎng)模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了低壓微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行模式下，采用該控制策略的可行性和有效性。

1 低壓微電網(wǎng)的系統(tǒng)組成

本文的研究對(duì)象是風(fēng)光儲(chǔ)低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)圖

微電網(wǎng)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、光伏電源、儲(chǔ)能電池、變流器、負(fù)荷、配電網(wǎng)控制系統(tǒng)等組成。發(fā)電側(cè)包含風(fēng)機(jī)、光伏電源、儲(chǔ)能電池等，通過變流器將微源的輸出轉(zhuǎn)換為滿足并網(wǎng)條件的電能；用電側(cè)根據(jù)負(fù)荷優(yōu)先級(jí)的不同，分為重要負(fù)荷與可控負(fù)荷。

為了能與配電網(wǎng)友好融合，微電網(wǎng)包含3個(gè)層級(jí)的控制系統(tǒng)，即配網(wǎng)級(jí)的能量管理系統(tǒng)（EMS）、微電網(wǎng)級(jí)的微電網(wǎng)中央控制器（micro grid central controller, MGCC）單元級(jí)的微源和負(fù)荷的就地控制器，三者互為聯(lián)系協(xié)調(diào)配合，保障微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

微源控制器包含在逆變器中：①將微源的運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)地送往MGCC；②負(fù)荷控制器為低壓測控裝置，一方面可將負(fù)荷用電情況送往MGCC，另一方面可根據(jù)MGCC的指令投切負(fù)荷；③MGCC根據(jù)單元級(jí)控制系統(tǒng)上送的電氣信息對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，同時(shí)接收EMS下發(fā)的調(diào)控指令。

另外，微電網(wǎng)的運(yùn)行與各微源特性、負(fù)荷特性密切相關(guān)，為了平抑DG的出力波動(dòng)以及負(fù)荷的需求波動(dòng)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行有效的能量管理至關(guān)重要。同時(shí)，微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行亟需解決電壓和頻率的管理、微源和負(fù)荷的平衡等問題，因此，需要可靠的儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電策略和源荷協(xié)調(diào)控制策略保證微電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

2 孤島模式下低壓微電網(wǎng)的控制策略

2.1 微源控制策略

光伏、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能電池等DG經(jīng)過電能變換裝置接入微電網(wǎng)，其基本控制方法包括 V/f（恒壓/恒頻）控制、PQ（恒功率）控制和Droop（下垂）控制等[9]。

恒壓/恒頻控制的微源輸出恒定的頻率和電壓，為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供頻率和電壓的參考，孤島運(yùn)行模式下的微電網(wǎng)常采用該控制方法；恒功率控制的微源依據(jù)給定的功率參考值輸出恒定的有功功率和無功功率；下垂控制的微源模擬發(fā)電機(jī)出口特性，電壓和頻率根據(jù)檢測到的有功功率和無功功率來調(diào)節(jié)，最終使各DG合理分配負(fù)荷。微電網(wǎng)處于不同的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可采取不同的控制策略。

微電網(wǎng)的運(yùn)行控制除了發(fā)電側(cè)的DG控制，還包括系統(tǒng)級(jí)的多微源協(xié)同控制，其基本控制方法為主從控制、對(duì)等控制、分層控制模式。

微電網(wǎng)處于孤島狀態(tài)時(shí)，其中一個(gè)微源采取V/f控制（稱為主微源），為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓和頻率參考，其他微源采用恒功率控制（稱為從微源），該控制方法即為主從控制。

對(duì)等控制的微電網(wǎng)中各 DG在控制上具有同等的地位，不存在主從之分，按照預(yù)先設(shè)定的功率調(diào)節(jié)方案根據(jù)本地信息自主控制。

分層控制一般設(shè)有MGCC，MGCC首先對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)的微源和負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，然后擬定運(yùn)行計(jì)劃，并根據(jù)采集的網(wǎng)內(nèi)電氣量對(duì)運(yùn)行計(jì)劃實(shí)時(shí)調(diào)整，保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上所述，低壓微電網(wǎng)對(duì)經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性等要求較高，主從控制在通信的實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)級(jí)別的統(tǒng)籌控制上有較大優(yōu)勢，因而本文選擇以主從控制方式搭建微電網(wǎng)模型進(jìn)行控制策略研究。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電策略

儲(chǔ)能系統(tǒng)是微電網(wǎng)的重要組成部分。光伏、風(fēng)機(jī)等DG的輸出功率難以滿足微電網(wǎng)對(duì)供電質(zhì)量以及供電可靠性的要求，為保證微電網(wǎng)正常運(yùn)行，通常會(huì)配置一定容量的儲(chǔ)能電池作為補(bǔ)充。根據(jù)微電網(wǎng)規(guī)劃架構(gòu)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求，本文選擇鋰電池作為微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要研究對(duì)象。

對(duì)于鋰電池而言，不能無限制的充電或放電，完善電池充放電控制策略以減少充放電次數(shù)可有有效增加電池壽命[10]。本文提出一種針對(duì)鋰電池充放電的控制策略，以實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行下低壓微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1）電池充放電切換問題分析

（1）當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)電能過剩時(shí)，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收電能。當(dāng)電池剩余電量（state of charge, SOC）較小時(shí)，由電池管理系統(tǒng)（battery management system, BMS）加大充電倍率，提高充電效率；當(dāng)電池SOC較大時(shí)，BMS則減小充電倍率。

（2）當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)電能不足時(shí)，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)提供電能。當(dāng)電池SOC較大時(shí)，由BMS加大放電倍率，快速向微電網(wǎng)補(bǔ)充電能；當(dāng)電池SOC較小時(shí)，BMS則減小放電倍率。

2）孤島微電網(wǎng)中電池的充放電策略

儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制策略在風(fēng)光儲(chǔ)多微源低壓微電網(wǎng)控制中有著重要作用，極大改善了微電網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性。

圖2 孤島模式儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制策略流程圖

2.3 微電網(wǎng)源荷協(xié)調(diào)控制策略

微電網(wǎng)中的電源與負(fù)荷具有多樣性和分散性的特點(diǎn)，其空間分布廣泛，動(dòng)態(tài)特性各異。但總體來看，各DG又具有一定的互補(bǔ)性。通過多源互補(bǔ)可彌補(bǔ)單一DG的隨機(jī)性與間歇性問題，從而增強(qiáng)微電網(wǎng)的自主調(diào)節(jié)能力，減少系統(tǒng)備用容量，有效提高可再生能源的利用率。

微電網(wǎng)不僅發(fā)電側(cè)的微源可控，而且用電側(cè)的負(fù)荷也可調(diào)節(jié)。微電網(wǎng)的源荷協(xié)調(diào)運(yùn)行是將微電網(wǎng)用電側(cè)的可控負(fù)荷參與到微電網(wǎng)有功功率的調(diào)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)用電側(cè)與發(fā)電側(cè)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，以應(yīng)對(duì)微電網(wǎng)中DG的間歇性問題，達(dá)到微電網(wǎng)內(nèi)資源的優(yōu)化配置。與自發(fā)的無序運(yùn)行不同，微電網(wǎng)源荷協(xié)調(diào)運(yùn)行具有有效的約束機(jī)制，以微電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化可靠運(yùn)行為總體目標(biāo)并遵循微電網(wǎng)內(nèi)部相關(guān)策略，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)用電側(cè)與發(fā)電側(cè)的良性有序協(xié)調(diào)運(yùn)行。

作為電力系統(tǒng)的需求方，負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性對(duì)微電網(wǎng)的穩(wěn)定性有著不可忽略的影響。對(duì)于微電網(wǎng)的供電可靠性，不同負(fù)荷因?yàn)閮?yōu)先級(jí)的不同對(duì)供電可靠性要求也有所不同。對(duì)于重要負(fù)荷，保證其不斷電；對(duì)于可控負(fù)荷，微源條件允許的情況下，保證其少斷電，即實(shí)現(xiàn)斷電時(shí)間最少和斷電次數(shù)最少。

微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)，控制策略的選用主要考慮在微電網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，如何保證重要負(fù)荷不斷電、可控負(fù)荷少斷電。微電網(wǎng)實(shí)施源荷平衡的過程主要包括如下方面。

1）通過測控裝置實(shí)時(shí)采集全微電網(wǎng)的電氣量，包括功率因數(shù)、電壓、電流以及頻率。

2）根據(jù)采集到的電氣量判斷微電網(wǎng)是否源荷平衡。

3）若網(wǎng)內(nèi)源荷平衡，則轉(zhuǎn)到 1）；若網(wǎng)內(nèi)源荷失衡，則計(jì)算失衡量，轉(zhuǎn)到4）。

4）判斷儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余電量是否低于最小剩余電量。

5）若儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余電量大于最小剩余電量，則轉(zhuǎn)到6），否則轉(zhuǎn)到9）。

6）根據(jù)3）中計(jì)算所得的源荷失衡量調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)出力。

7）根據(jù)采集到的電氣量判斷微電網(wǎng)是否源荷平衡。

8）若網(wǎng)內(nèi)源荷平衡，則轉(zhuǎn)到 1）；若網(wǎng)內(nèi)源荷失衡，則計(jì)算失衡量，轉(zhuǎn)到9）。

9）根據(jù)計(jì)算所得的失衡量投切負(fù)荷，轉(zhuǎn)到2）。

根據(jù)上述控制策略對(duì)孤島狀態(tài)下的低壓微電網(wǎng)的微源和負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，不僅可以有效提高各微源的利用效率，還能提高微電網(wǎng)的供電可靠性，減小平均停電損失。

圖3 孤島模式下低壓微電網(wǎng)源荷平衡流程圖

圖 4所示為風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)，包含光伏 50kW、風(fēng)機(jī)10kW、鋰電池組50kW、重要負(fù)荷50kW、可控負(fù)荷60kW。當(dāng)PCC開關(guān)斷開、微電網(wǎng)處于孤島狀態(tài)時(shí)，根據(jù)本文所述控制策略，以鋰電池組作為主微源，以 V/f控制模式運(yùn)行，為微電網(wǎng)提供電壓和頻率參考，其余DG為從微源，以PQ控制模式運(yùn)行。

圖4 風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)主接線示意圖

當(dāng)光伏電源出力發(fā)生波動(dòng)、由 50kW 突降為30kW 時(shí)，MGCC根據(jù)監(jiān)測到的電氣量計(jì)算功率失衡量，并將結(jié)果下發(fā)至儲(chǔ)能系統(tǒng)，若鋰電池組容量足以補(bǔ)充20kW的功率差額，則儲(chǔ)能系統(tǒng)增加20kW出力；若鋰電池組不具備增加出力的條件（SOC＜SOCmin）或增加的出力不足以補(bǔ)充功率差額，則由MGCC計(jì)算功率失衡量，統(tǒng)一調(diào)配鋰電池組出力并切斷部分可控負(fù)荷。

3 算例仿真

基于上述微電網(wǎng)運(yùn)行方案和控制策略，搭建了含光伏、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能及負(fù)荷的微電網(wǎng)Matlab電磁暫態(tài)模型。微電網(wǎng)仿真模型系統(tǒng)如圖5所示。

仿真模型中，光伏最大功率設(shè)為 45kW，風(fēng)機(jī)為5kW，主儲(chǔ)能采用鋰電池組，容量為14000Ah，PCS額定容量為 50kW；從儲(chǔ)能鋰電池容量為100000Ah，PCS額定容量為50kW；重要負(fù)荷30kW，可控負(fù)荷1為50kW，可控負(fù)荷2為20kW。仿真參數(shù)為：求解器ode23tb，求解步長為50μs。

測試步驟：

1）初始狀態(tài)下，光伏、風(fēng)機(jī)滿發(fā)，從儲(chǔ)能浮充，主儲(chǔ)能作為主電源提供穩(wěn)定的電壓及頻率，敏感負(fù)荷投入30kW，可控負(fù)荷1投入，共80kW。

2）0.06s后起動(dòng) MGCC，從儲(chǔ)能運(yùn)行于PQ控制，按照上層EMS的指令放電（5kW）。

3）0.16s后敏感負(fù)荷增加35kW，整體仿真波形如圖6所示。

從圖 6中可以看出，在 0.16s突增負(fù)荷后，由于主電源的輸出功率接近額定容量，影響了孤島微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，因此 MGCC采取切負(fù)荷的策略，切負(fù)荷數(shù)量及從儲(chǔ)能的功率支持如圖7所示。從圖 6、圖 7可知，整個(gè)控制過程較為平穩(wěn)，可控負(fù)荷總量少了 10kW，從儲(chǔ)能盡可能輸出最大功率以支持主電源，最終保持孤島微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電側(cè)與用電側(cè)特性進(jìn)行分析，風(fēng)光發(fā)電由于其自身出力的隨機(jī)性與間歇性，增加了微電網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)雜度，降低了微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。同時(shí)，對(duì)于用電側(cè)而言，負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性各異和重要程度有別，減少微電網(wǎng)用戶停電損失的難度較大。

圖5 微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真示意圖

圖6 微電網(wǎng)仿真波形

針對(duì)這些問題，提出儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電策略以及微電網(wǎng)源荷協(xié)調(diào)控制策略，以儲(chǔ)能系統(tǒng)為主電源，采用V/f方式控制，其余各微源全部采用PQ控制，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中的源源互動(dòng)、源荷互動(dòng)，完成 DG、負(fù)荷、儲(chǔ)能的全局優(yōu)化分配及安全可靠運(yùn)行。

圖7 切負(fù)荷過程

本文使用Matlab搭建了低壓微電網(wǎng)模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠有序地進(jìn)行增減儲(chǔ)能系統(tǒng)出力以及投切負(fù)荷。在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行過程中，系統(tǒng)的電壓和頻率始終處于合格范圍內(nèi)并保持較小波動(dòng)。對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電策略和微電網(wǎng)源荷協(xié)調(diào)控制策略提高了低壓微電網(wǎng)在孤島模式下的穩(wěn)定性與可靠性進(jìn)行了有效驗(yàn)證。

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