基于雙電源雙火線的微電網(wǎng)結構及控制器設計

于 越，宋保業(yè)，侯凱祥，朱 然

(山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

0 引言

隨著分布式清潔能源的開發(fā)，智能家庭微電網(wǎng)得到了迅速發(fā)展[1-4]。由于光伏、風電等分布式電源的隨機性、波動性，相比傳統(tǒng)配電網(wǎng)，微電網(wǎng)易在諧波、電壓波動和頻率偏移等方面造成電能質(zhì)量問題[5-12]，影響微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行且造成難以忽視的經(jīng)濟損失。隨著智能家居的發(fā)展，家庭負荷種類越來越多，它們對電能質(zhì)量也有更高的要求。因此，如何合理設計家庭微電網(wǎng)供電系統(tǒng)結構及控制系統(tǒng)，既能充分應用分布式能源發(fā)電又能滿足家庭負荷對電能質(zhì)量的要求，減小分布式電源產(chǎn)生的諧波、電壓波動等對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，提高供電系統(tǒng)的靈活性和可靠性，是亟需解決的問題。

國內(nèi)外專家學者對家庭微電網(wǎng)結構和控制系統(tǒng)進行了大量研究。家庭微電網(wǎng)供電模式一般有交流供電模式、直流供電模式和交/直流混合供電模式3類[13-18]。目前在家庭微電網(wǎng)中，將分布式能源產(chǎn)生的電能與市電電能并接在一起，然后共同通過一根火線向家庭負荷供電[13，16-19]。此種供電方式，由于分布式能源電能和市電電能之間相互不獨立，無法滿足家庭不同負荷對多樣性電源的要求；另外，由于家庭負荷對電能質(zhì)量的要求不同，上述供電方式無法解決不同家庭負荷對于電能接入類型的選擇問題；此外，由于分布式能源電能與市電電能是并接在一起的，因而分布式能源中的諧波、電壓波動等容易造成配電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降，從而影響分布式能源在家庭電網(wǎng)中的推廣。為彌補現(xiàn)有的供電方式的缺點，本文設計一種由雙電源、雙火線和多負載組成的微電網(wǎng)結構，以實現(xiàn)供電電源與家庭負荷的雙向選擇以及供電線路的互為備用，提高供電系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

1 微電網(wǎng)的結構設計

為解決當前家庭微電網(wǎng)中分布式能源電能與市電電能不能很好兼顧的問題，提出圖1所示雙電源、雙火線和多負載組成的微電網(wǎng)結構。

圖1 微電網(wǎng)結構示意圖Fig.1 Structure diagram of micro-grid

圖1所示的家庭微電網(wǎng)由配套使用的電源控制器、負荷控制器、火線1(L1)、火線2(L2)、零線(N)及地線(E)組成。常規(guī)市電電源與新能源電源分別接入電源控制器的控制開關單元，電能由火線1(L1)、火線2(L2)輸出，通過負荷控制器選擇接通1根火線實現(xiàn)向家庭負荷的靈活供電。

該設計中選擇2根火線的目的是在家庭微電網(wǎng)供電系統(tǒng)中，實現(xiàn)新能源電能和市電電能的相互獨立和靈活切換。由于不同的家庭負荷對于電能質(zhì)量的要求不同，假如接入的電能是新能源電能，如果只有1條火線，則整條火線上走的全部是新能源電能，這時家庭中的電腦及打印機等電能要求質(zhì)量高的負荷只能選擇新能源供電，而新能源電網(wǎng)中的諧波、電壓波動等勢必會對電腦及打印機等的正常工作產(chǎn)生影響。反過來，假如接入的電能是市電電能，如果只有1根火線，則對于一些對于電能要求質(zhì)量不高的負荷則無法很好地利用到新能源電能。由此可見，1條火線明顯無法實現(xiàn)新能源電能和市電電能的靈活供電要求?；诖?，本設計選用2條火線以便實現(xiàn)供電系統(tǒng)的靈活供電是非常必要的。

由于家庭中的負荷類型較多且自身特性各有差異，根據(jù)負荷運行時對電源的要求，本控制系統(tǒng)將家庭負荷分為A類、B類、C類和D類4類：A類負荷為對電源的供電質(zhì)量要求高以及不經(jīng)常使用的家庭負荷，如電腦、打印機等；B類負荷為需要長時間運行的家庭負荷，如冰箱、照明燈等；C類負荷為電熱水器類的家庭負荷；D類負荷為待機時負荷較小但運行時負荷較大的家庭負荷，如洗衣機等。

2 微電網(wǎng)控制器設計

在該微電網(wǎng)中有電源控制器和負荷控制器兩種控制器，其結構分別如圖2、3所示。電源控制器和負荷控制器均包括數(shù)據(jù)處理單元、電流信號采集單元、電壓信號采集單元、控制開關單元、載波通信單元、WiFi單元、鍵盤以及顯示電路單元。當控制器工作時，數(shù)據(jù)處理單元通過電流信號采集單元、電壓信號采集單元采集常規(guī)市電電源及新能源電源供電時的負荷數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)信息經(jīng)過處理后，一方面用于電源的切換控制及監(jiān)測保護，另一方面可通過載波通信單元將數(shù)據(jù)信息傳遞給其他控制器或通過WiFi單元上傳到無線局域網(wǎng)。鍵盤及顯示電路單元可用于用戶向控制器輸入運行指令或查詢信息。

圖2 電源控制器組成結構圖Fig.2 Structure diagram of power supply controller

圖3 負荷控制器組成結構圖Fig.3 Structure diagram of load controller

電源控制器的作用在于選擇電能的接入類型。在圖2 中電源控制器的控制開關單元由4個開關組成：1號開關，被配置為用于將新能源電能接入到1號火線L1上；2號開關，被配置為用于將新能源電能接入到2號火線L2上；3號開關，被配置為用于將市電電能接入到1號火線L1上；4號開關，被配置為用于將市電電能接入到2號火線L2上。通過4個開關可實現(xiàn)新能源電能和市電電能的選擇接入；通過控制開關單元與兩條火線配合，接入的電能經(jīng)過1號火線還是2號火線進行輸送也可以進行選擇，以保證新能源電能不正?；驔]有市電接入的情況下，家庭供電網(wǎng)絡不會或基本不會受到影響，提高了供電靈活性。在數(shù)據(jù)處理單元上還設計有無線通信單元，采用WiFi或Zigbee方式實現(xiàn)。數(shù)據(jù)信息經(jīng)過處理后通過無線的方式發(fā)送給各負荷控制器。

負荷控制器作用是根據(jù)用戶設置，按采集到的電流、電壓數(shù)據(jù)信息或通信指令等方式自動地選擇接通火線1(L1)或火線2(L2)，實現(xiàn)向家庭負載提供常規(guī)市電電源或新能源電源。在圖3中，負荷控制器的控制開關單元由1號開關和2號開關組成。其中1號開關，被配置為用于將1號火線L1上的電能接入，并為相應負荷供電；2號開關，被配置為用于將2號火線L2上的電能接入，并為相應負荷供電。負荷控制的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過處理后通過無線(采用WiFi或Zigbee方式實現(xiàn))的方式發(fā)送給電源控制器和其他各負荷控制器，利于實現(xiàn)電源控制器與各負荷控制器之間不同形式的組網(wǎng)，方便數(shù)據(jù)信息的傳遞。

上述組網(wǎng)方式，方便不同類型的負荷根據(jù)對電能質(zhì)量要求和時段要求的不同，在新能源電能和市電電能之間靈活進行選擇，提高了家庭供電系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

3 家庭負荷的接入控制策略

為實現(xiàn)向家庭負載提供常規(guī)市電電源或分布式能源電源，負荷控制器就應按一定的控制策略自動地選擇接通火線1(L1)或火線2(L2)。為表述方便，用PA表示A類負荷功率，PB表示B類負荷功率，PC表示C類負荷功率，PD表示D類負荷功率。家庭負荷的接入控制步驟如下：

1) 根據(jù)各負荷控制器中電信號采集單元采集的負荷數(shù)據(jù)信息，計算出當前新能源電能的輸出功率，將該當前新能源電能的輸出功率記為Pnew，并定義新能源電能的最大允許輸出功率為Pnewmax。

2) 當A類負荷要投入運行時，A類負荷控制器首先判斷是否有市電電能接入。如果有市電電能接入，則優(yōu)先接入市電電能；如果沒有市電電能接入，則比較判斷Pnew+PA與Pnewmax的大小。若Pnew+PA

圖4 A類負荷投入控制框圖Fig.4 Control block diagram of class A load input

3) 當B類負荷要投入運行時，B類負荷控制器首先判斷新能源電能是否正常。如果新能源電能不正常，則B類負荷控制器將B類負荷接入市電電能；如果新能源電能正常，則判斷Pnew+PB與Pnewmax的大小。若Pnew+PB

4) 當C類負荷要投入運行時，C類負荷控制器首先與D類負荷控制器聯(lián)動，并判斷是否有D類負荷接入到新能源電能中。若有D類負荷且滿足Pnew-PD+PC≤Pnewmax，則在D類負荷處于待機狀態(tài)時將C類負荷接入到新能源電能并投入運行，當D類負荷處于運行狀態(tài)時將C類負荷從新能源電能斷開；若新能源電能中沒有D類負荷，則判斷Pnew+PC

5) 若D類負荷要投入運行，D類負荷控制器先判斷Pnew+PD

4 結論

針對目前國內(nèi)外所研究的微電網(wǎng)結構及控制系統(tǒng)存在的弊端，本文設計了一種由雙電源、雙火線和多負載組成的微電網(wǎng)結構，并給出了電源控制器和負荷控制器組成結構及相應的控制策略。

采用雙火線多負載控制器結構的家庭供電系統(tǒng)，新能源與市電是分開的，因而新能源電網(wǎng)中的諧波、電壓波動等不會造成配電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降，促進了新能源在家庭電網(wǎng)中的推廣應用；方便不同類型負荷根據(jù)對電能質(zhì)量和時段要求的不同，在新能源電能和市電電能之間靈活進行選擇，提高了家庭供電系統(tǒng)的靈活性和可靠性。