基于蓄電池SOC控制的智能微電網(wǎng)能量管理策略研究

劉文洲，李　寧，王思遠，韓　建，西燈考，楊　賀

(1.長春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，長春 130012；2.智能配電測控與安全運行技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，長春130012；3.長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，長春130012)

0　引言

現(xiàn)在節(jié)能環(huán)保的理念已經(jīng)深入人心，在國家的積極倡導(dǎo)下新能源得以快速發(fā)展。智能微電網(wǎng)以能夠充分利用可再生能源，可促進綠色能源高效利用的獨特優(yōu)勢，在這個科技快速發(fā)展的時代涌入了人們的視野，并得到人們的認可和推廣。

智能微網(wǎng)系統(tǒng)是由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負荷、控制裝置和監(jiān)控保護裝置組成，具備完整的發(fā)、輸、配、用電功能的可控獨立系統(tǒng)[1-2]。微網(wǎng)系統(tǒng)對外部大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的獨立自治系統(tǒng)，同時能夠滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全的需求，既可并網(wǎng)運行，也可孤島運行[3]。

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，分布式電源的滲透率將會越來越高，這些分布式電源可能并不是直接受控于智能配電網(wǎng)，而是通過智能微電網(wǎng)的實施對分布式電源進行有效管理。智能微電網(wǎng)可實現(xiàn)大量分布式電源的接入，通過有效的能量管理策略，既保證了對配電網(wǎng)的安全運行產(chǎn)生盡可能小的影響，又實現(xiàn)了分布式電源的“即插即用”靈活控制，使可再生能源和清潔能源得到最大限度的利用[4]。本文基于6 kW風(fēng)光儲微網(wǎng)實驗平臺，設(shè)計了一款基于蓄電池SOC的智能微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，旨在針對微網(wǎng)系統(tǒng)不同運行模式和儲能狀態(tài)，對配電網(wǎng)、分布式發(fā)電、負荷的能量平衡進行實時管理，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

1　風(fēng)光儲微網(wǎng)系統(tǒng)

6 kW風(fēng)光儲智能微網(wǎng)系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元、儲能單元、主逆變單元和負荷組成，如圖1所示。風(fēng)電和光伏逆變器通過交流母線并接到微網(wǎng)系統(tǒng)，與直流母線接入方式相比，本系統(tǒng)具有發(fā)電單元接入范圍廣、能量傳輸效率高、各發(fā)電單元模塊獨立易于擴展、運行模式靈活多樣等優(yōu)點。

圖1　6 kW風(fēng)光儲智能微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)力、光伏發(fā)電單元:發(fā)電單元采用交流母線并網(wǎng)的方式，風(fēng)機需要經(jīng)過控制器、并網(wǎng)逆變器并入微網(wǎng)交流母線；光伏組件需要經(jīng)過匯流箱、控制器、光伏并網(wǎng)逆變器并入微網(wǎng)交流母線。

儲能裝置：在分布式發(fā)電單元發(fā)電量超過負載時儲存電能，在分布式發(fā)電單元發(fā)電量不能滿足負載時提供電能，平抑微網(wǎng)系統(tǒng)功率波動。本系統(tǒng)采用鉛酸蓄電池儲能，其具有技術(shù)較為成熟、成本低、回收率高、較大的充放電能力、高低溫性能較好(-25～60 ℃)等優(yōu)點。

主逆變單元：系統(tǒng)中的主逆變器單元設(shè)計的額定容量為6 kW，作為與電網(wǎng)的連接點，可以實現(xiàn)能量的雙向流動，在分布式發(fā)電充足時，向電網(wǎng)回饋合格的電能；在分布式發(fā)電不足，蓄電池電量低時，并網(wǎng)為蓄電池充電。主逆變器向微網(wǎng)系統(tǒng)提供電能質(zhì)量符合國家標準的電能，同時協(xié)調(diào)儲能單元、分布式發(fā)電單元、負載單元以及外部電網(wǎng)之間的功率流平衡，維持微網(wǎng)穩(wěn)定運行。

2　能量管理系統(tǒng)

2.1　能量管理系統(tǒng)控制邏輯

基于蓄電池SOC的能量管理系統(tǒng)中，定義了8個SOC閾值，按SOC值從小到大排序依次是：S1為電池電量過低時，為保護電池跳開負載的閾值；S2為電池充電后，重新接回負載的閾值；S3為電池電量較低，啟動充電的閾值；S4為電池充電到電量較高時，停止充電的閾值；S5為系統(tǒng)停止發(fā)電的閾值；S6為電量過高跳開風(fēng)光發(fā)電后，電池放電到合適電量，重新接入風(fēng)光發(fā)電的閾值；S7為系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電的閾值；S8為電量過高切斷風(fēng)光發(fā)電的閾值。通過監(jiān)控蓄電池的SOC值，能量管理系統(tǒng)實現(xiàn)并離網(wǎng)切換控制、蓄電池電量保護控制、系統(tǒng)功率平衡控制，保障微網(wǎng)系統(tǒng)智能、穩(wěn)定運行。能量管理系統(tǒng)的控制邏輯圖如圖2所示。

圖2　能量管理系統(tǒng)的控制邏輯圖

2.2　能量管理系統(tǒng)的上位機控制軟件

能量管理控制軟件通過PC機與主逆變器連接，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集及控制功能。上位機控制主要的功能模塊包括：通訊功能模塊、控制功能模塊以及顯示功能模塊等。軟件界面如圖3所示，上半部分為記錄曲線，曲線1表示電網(wǎng)與微網(wǎng)之間流入或流出的功率，曲線2表示微網(wǎng)交流母線的流動功率，曲線3表示蓄電池的SOC值。左下部分顯示電網(wǎng)接入點、微網(wǎng)交流母線、蓄電池直流母線的實時電壓、電流、功率，以及微網(wǎng)運行狀態(tài)和負荷繼電器、風(fēng)光接入繼電器的狀態(tài)。中間為控制配置，包括充電啟動、停止，饋電啟動、停止4個參數(shù)(即S3、S4、S7、S5)，可以通過鍵盤修改設(shè)置；還有啟動控制和停止兩個操作按鈕。右側(cè)為控制記錄，記錄下某個時刻系統(tǒng)的動作情況。

圖3　能量管理系統(tǒng)的控制軟件

2.3　RCC編程控制面板

RCC編程控制面板是與主逆變器有通訊連接，可以對主逆變器內(nèi)部參數(shù)進行設(shè)定的設(shè)備，在系統(tǒng)運行時也具有實時數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲的功能。通過參數(shù)設(shè)置，使主逆變器控制負載和風(fēng)光發(fā)電接入的繼電器與蓄電池SOC值相關(guān)聯(lián)，并且兩個繼電器的通斷分別對應(yīng)不同的SOC值。從而完成了負載切出、接入和風(fēng)光發(fā)電切出、接入的設(shè)置(即S1、S2、S6、S8的設(shè)置)。

3　實例運行分析

通過實際運行驗證能量管理對蓄電池充放電、電池電量過低或過高保護、并網(wǎng)發(fā)電的控制能力。由于風(fēng)光發(fā)電隨機性很大，為了方便測試，我們采用光伏模擬器代替光伏板發(fā)電，經(jīng)過光伏并網(wǎng)逆變器，將電能輸入到微網(wǎng)系統(tǒng)中。

3.1　蓄電池充放電控制

在控制軟件中設(shè)置啟動充電SOC為20%，停止充電SOC為30%。

蓄電池充放電控制過程如圖4所示。剛開始蓄電池SOC值為27%，負載全部由蓄電池供電。蓄電池放電到SOC值低于20%時，能量管理系統(tǒng)啟動并網(wǎng)充電。電網(wǎng)為負載供電，同時為電池充電。蓄電池充電到SOC值大于30%后，能量管理系統(tǒng)控制動作，停止充電，負載切換為蓄電池供電。

圖4　蓄電池充放電控制過程圖

3.2　蓄電池電量低保護

在控制軟件中設(shè)置啟動充電SOC為20%，通過RCC編程控制面板設(shè)置當蓄電池SOC小于10%時，跳開負載；當充電到SOC大于15%時，重新接入負載。

整個控制過程中上位機的監(jiān)測界面如圖5所示。初始蓄電池SOC值為32%，負載由蓄電池直接供電。在蓄電池SOC降至20%后，能量管理系統(tǒng)啟動并網(wǎng)充電，但由于外部電網(wǎng)故障，電網(wǎng)側(cè)沒有功率輸入，蓄電池繼續(xù)放電。放電到蓄電池SOC值低于10%時，能量管理系統(tǒng)啟動負載限電保護。在外電網(wǎng)故障恢復(fù)后，由電網(wǎng)為蓄電池充電。充電至蓄電池SOC值高于15%后，能量管理系統(tǒng)自動將負載接入，由電網(wǎng)為負載供電，同時為蓄電池充電。

3.3　蓄電池電量高保護

設(shè)置啟動饋電SOC為70%，停止饋電SOC值為60%。當蓄電池SOC大于75%時，切出風(fēng)光發(fā)電；當SOC小于70%時，重新接入風(fēng)光發(fā)電。

保護控制的動作過程如圖6所示。蓄電池初始SOC值為67%，負載和蓄電池充電所需電能全部由光伏發(fā)電提供。在蓄電池SOC值高于70%后，能量管理系統(tǒng)啟動并網(wǎng)饋電，但由于外部電網(wǎng)故障，饋電不成功，光伏發(fā)電繼續(xù)為蓄電池充電。蓄電池充電到SOC值為75%，電池充電達到保護設(shè)定的上限值，能量管理系統(tǒng)跳開風(fēng)光輸入，切斷光伏供電，負載轉(zhuǎn)入蓄電池供電模式。蓄電池放電到SOC值為70%時，能量管理系統(tǒng)重新接入風(fēng)光發(fā)電，經(jīng)過短暫的并網(wǎng)延時后，系統(tǒng)重新由風(fēng)光供電。

圖5　蓄電池電量低保護控制過程圖

圖6　蓄電池電量高保護控制過程圖

3.4　并網(wǎng)發(fā)電控制

設(shè)置啟動饋電SOC為70%，停止饋電SOC值為60%。

并網(wǎng)發(fā)電控制過程如圖7所示。蓄電池初始SOC值為67%，風(fēng)光發(fā)電同時為負載和蓄電池供電。蓄電池充電到SOC值高于70%后，能量管理系統(tǒng)啟動并網(wǎng)饋電，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。運行一段時間后，風(fēng)光資源不充足，無法正常發(fā)電，退出運行。蓄電池在保證負載供電后，繼續(xù)向電網(wǎng)饋電。在蓄電池繼續(xù)向電網(wǎng)發(fā)電到SOC值低于60%時，能量管理系統(tǒng)停止并網(wǎng)饋電，系統(tǒng)進入孤島運行模式。

圖7　并網(wǎng)發(fā)電控制過程圖

4　結(jié)語

智能微電網(wǎng)實現(xiàn)了多種分布式能源的方便接入，但需要良好的能量管理控制策略，才能使分布式

電源的接入不影響配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，才能符合智能電網(wǎng)的發(fā)展要求。因此，能量管理控制是微電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，先進的能量管理系統(tǒng)是智能微電網(wǎng)經(jīng)濟、高效、穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。我們設(shè)計的微網(wǎng)系統(tǒng)大部分時間運行在孤島模式下，其中更以風(fēng)光發(fā)電供給負荷、蓄電池調(diào)節(jié)功率波動為主。為用戶節(jié)省用電成本，提高用電可靠性，改善電能質(zhì)量。通過實驗證明本文設(shè)計的基于蓄電池SOC的能量管理系統(tǒng)，能夠滿足智能微電網(wǎng)經(jīng)濟、高效、穩(wěn)定運行的需要。

[1] 魯宗相，王彩霞，閡勇，等.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2007(31)19:100-107.

[2] Hassan Nikkhajoei，Robert H Lasseter.Distributed generation interface to the CERTS microgrid[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2009，24(3)：1598-1608.

[3] 王成山，周越.微電網(wǎng)在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展——微電網(wǎng)示范工程綜述[J].供用電，2015(1)：16-21.

[4] 王成山，李鵬.分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(2):10-14.