光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)控制策略的研究

劉明國

摘 要：在我國能源需求總量不斷升高，以及石油、煤炭以及天然氣等不可再生能源的與日遞減急，使得人們的目光焦點凝聚在可再生能源的使用效率上。而對于可再生資源使用的重點問題是，怎樣提高可再生能源和主電網(wǎng)連接的安全程度，基于此“微電網(wǎng)”這一有關(guān)概念得以產(chǎn)生。本文將會以光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)為出發(fā)點，對其控制策略等相關(guān)內(nèi)容進行簡要分析。

關(guān)鍵詞：光儲微電網(wǎng);系統(tǒng)控制;儲能單元

中圖分類號：TM6 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0170-02

0 引言

“微電網(wǎng)”，主要指的是把分布式電源與負荷進行整合，進而使其可以成為既可以運行于離網(wǎng)模式又能夠運行于并網(wǎng)模式中具有可控性的電網(wǎng)系統(tǒng)。穩(wěn)定運行的相關(guān)制技術(shù)，也是當(dāng)下光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)研究的重點課題。這是因為微電網(wǎng)系統(tǒng)其自身特性相對復(fù)雜，采用怎樣的控制算法可以讓微電網(wǎng)在任何一種模式下都可以擁有較好的電能質(zhì)量，這也是該系統(tǒng)實現(xiàn)安全穩(wěn)定運行的核心關(guān)鍵。

1 簡述微電網(wǎng)的基本含義及其結(jié)構(gòu)

所謂微電網(wǎng)的基本含義，主要指的是微型電源和負載兩者間借助系統(tǒng)電路的拓撲結(jié)構(gòu)形成連接，使其成為整體上和傳統(tǒng)配電網(wǎng)相銜接的電力網(wǎng)絡(luò)。對于電網(wǎng)進行的控制與保護操作微電網(wǎng)自身就能夠?qū)崿F(xiàn)，而且其能夠和配電網(wǎng)相互合作從而實現(xiàn)并網(wǎng)運行模式，退出并網(wǎng)模式可以斷開與大電網(wǎng)的連接，實現(xiàn)孤島運行。當(dāng)使用者的負荷需求發(fā)生改變時微電網(wǎng)自身的輸出功率也會隨之改變，使得供電的穩(wěn)定性被提高、能夠?qū)崿F(xiàn)供電的連續(xù)性、能夠降低對線路的損耗程度、能夠?qū)ο到y(tǒng)電壓形成強有力的支撐、能夠提高能源使用效率等突出優(yōu)勢。進一步對微電網(wǎng)中的微電源進行研究，使其實現(xiàn)大規(guī)模的接入，這是實現(xiàn)提高可再生能源利用效率、增加負荷的供電穩(wěn)定性能，以及推動配電網(wǎng)智能化發(fā)展的重要前提。

在一般情況下，微電網(wǎng)的主要運行模式能夠分為孤島運行模式以及并網(wǎng)運行模式。接下來我們以輻射狀的微電網(wǎng)為例展開一定的分析，這種形式的微電網(wǎng)具有許多微電源、擁有L1、L2、L3三條饋線以及類型不一的負荷[1]。輻射狀微電網(wǎng)在PCC（公共連接點）處借助靜態(tài)開關(guān)實現(xiàn)與配電網(wǎng)的連接，進而能夠順利的在孤島模式切換為并網(wǎng)模式，反正亦然。如果外部配電網(wǎng)存在故障，或是因為故障要進行停電檢修的情況下，其靜態(tài)開關(guān)能夠瞬間打開，達到微電網(wǎng)與大電網(wǎng)是分離的狀態(tài)。要想確保主要的敏感負荷能夠連續(xù)性的工作，如若微電網(wǎng)產(chǎn)生的能量不足以支撐其正常工作時，那么隔離裝置就會發(fā)揮其作用把普通的可以中斷的負荷切除。而大電網(wǎng)恢復(fù)供電之后，微電網(wǎng)就可以在并網(wǎng)運行的狀態(tài)下正常運行。饋線L1中的微電源能夠同時為用戶提供其所需要的熱能與電能;而饋線L1、L2使用例如燃氣輪機、儲能電池與風(fēng)力的雙項電源，實現(xiàn)對普通負荷和感負荷的供電;那么饋線L3就是沒有微電源進行供電的狀態(tài)。

2 我國微電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)況分析

微電網(wǎng)是新時期的新型電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其不僅可以較好的減少電力供應(yīng)的壓力程度，而且在降低環(huán)境污染程度的同時，進一步提高電網(wǎng)的可靠程度與安全性能。據(jù)統(tǒng)計2015年底我國已經(jīng)建立超過40個微電網(wǎng)示范工程[2]。為了進一步響應(yīng)我國微電網(wǎng)政策的有效推進，我國部分高等院校、大型電力企業(yè)和相關(guān)科研院所機構(gòu)，例如清華大學(xué)、中科院以及國家電科院等，這些機構(gòu)已經(jīng)建成了相關(guān)的微電網(wǎng)實驗室并投入使用，或是成立了許多具有示范意義的微電網(wǎng)工程，比如新疆吐魯番微電網(wǎng)等。即使此類研究課題或是示范工程已經(jīng)取得相應(yīng)的研究成果，可是對于微電網(wǎng)示范工程而言，依舊存在著諸多不可忽視的問題。（1）對我國微電網(wǎng)工程進行投資的實體，主要由高等研究院校、國有企業(yè)以及政府相關(guān)機構(gòu);而實力相對較弱的企業(yè)卻無緣微電網(wǎng)工程的建設(shè)，而且社會上的民營資本的參與度相對較低;（2）現(xiàn)階段我國對微電網(wǎng)的研究，依然是處于針對微電網(wǎng)的概念進行研究，而實證以及驗證方法卻沒有形成相關(guān)的系統(tǒng);（3）現(xiàn)階段已經(jīng)建設(shè)挖完畢的微電網(wǎng)工程，其重點研究方向主要放系統(tǒng)安全運行的問題上，可是對于其經(jīng)濟合理性進行研究課題少之又少。

3 簡析我國微電網(wǎng)的發(fā)展階段

總而言之，我國微電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)經(jīng)歷以及將會經(jīng)歷以下四個階段：（1）截止到2015年底，我國微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了為當(dāng)?shù)仉娏τ脩籼峁﹥?yōu)質(zhì)的微電網(wǎng)電力服務(wù)，一方面實現(xiàn)了電能的質(zhì)量與安全性能提高，在另一方面核心的技術(shù)困難也被較好地解決，系統(tǒng)中的關(guān)鍵性技術(shù)也得到相應(yīng)的完善，微電網(wǎng)示范工程的建設(shè)總量與之前相比有了大幅度的提高;（2）2016—2017年底，我國的微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)以及相關(guān)行業(yè)的規(guī)范化程度被提高、國家標(biāo)準(zhǔn)也被得到了相應(yīng)的完善，微電網(wǎng)也擴大了連接地區(qū)的電網(wǎng)規(guī)模，能夠為地區(qū)電網(wǎng)提供一部分的輔助服務(wù)，這樣提高了分布式電源對于地區(qū)電網(wǎng)的影響，這一階段中我國的微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展，拉開了與前一階段發(fā)展速度的距離;（3）2018—2020年底，我國的微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)得到進一步的發(fā)展。其內(nèi)部可是實現(xiàn)自我愈合、自主治理以及具有自行組織的能力。通過實現(xiàn)對微電網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)，能夠讓分布式的電源基本上實現(xiàn)與distribution network結(jié)合程度的完全化與緊密化，也能夠讓distribution network自身具備相應(yīng)的愈合能力，從而達到使其成為智能電網(wǎng)的重要構(gòu)成部分[3];（4）2021，希望實現(xiàn)微電網(wǎng)市場的真正成熟，使得微電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)全面爆發(fā)的發(fā)展趨勢。

4 光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)的控制方式

4.1 微電源的控制

最大功率點跟蹤方式是微電網(wǎng)光伏系統(tǒng)中常見的控制方式之一，在使用此方法時會配合著電壓尋優(yōu)方式對光伏陣列的最大功率點進行跟蹤，要是想彌補此種控制方式易在功率的最大點出現(xiàn)左右擺動的不足，就應(yīng)該使用對定差值擾動進行觀察的方法，此種方法又被稱為爬山法，主要原理是對光伏列陣的輸出電壓實施干擾，在依據(jù)P=UI計算出實施擾動前后的輸出功率，將這兩次輸出功率進行科學(xué)的比對[4]。這種方法的特點是，一旦擾動后光伏列陣的輸出功率呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，此種情況則說明此擾動可以增加光伏列陣的輸出功率，然后在向同一方向?qū)夥嘘囕敵龅碾妷哼M行擾動;與之相反的要是被擾動后的光伏列陣的輸出功率出現(xiàn)縮減的情況，那也就說明了此次擾動不能實現(xiàn)對光伏列陣的輸出功率的提高，在下一次的擾動時，就應(yīng)該向著相反的方向進行擾動。除此以外，使用最大功率點的電壓啟動計算方法，能夠進一步的提高效率。維電源中的兩個儲能板塊構(gòu)成了儲能系統(tǒng)則，實現(xiàn)與直流母線的并聯(lián)鏈接，經(jīng)過逆變器使其連入微電網(wǎng)的交流母線上。儲能模塊所使用的雙向直流變換器能夠?qū)崿F(xiàn)對于蓄電池的充電控制和放電控制，并入到直流母線的相接。就儲能逆變器來講，當(dāng)其處在并網(wǎng)運行的情況下使用的是電流控制方式，而處在離網(wǎng)運行下則是電壓控制方式，起到對交流母線電壓的保護作用。

4.2 微電網(wǎng)的控制

微電源借助并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)與微電網(wǎng)交流母線的連接，控制電壓源電以及電壓源電流、控制電流源電壓以及電流源電流，是并網(wǎng)逆變器控制的四種控制類型。構(gòu)成電壓源特性的條件是電壓源型逆變器能夠在直流輸入模式下側(cè)并聯(lián)大電容;構(gòu)成電流源特性的條件則是電流源型逆變器在直流時能夠側(cè)串聯(lián)一個大電感，進而使得直流電流輸入時較為穩(wěn)定，可是大電感串入之后則會大大降低系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。所以，現(xiàn)階段絕大多數(shù)的并網(wǎng)逆變器都使用的是電壓源型逆變器。電壓型控制以及電流型控制的方式，是逆變器對電流輸出進行控制的主要方式。（1）電壓型控制方式。其控制的主要原理是將輸出電壓視作受控量，通過系統(tǒng)輸出和電網(wǎng)電壓具有電同頻率相同的電壓信號，這時系統(tǒng)的整體也就和一個內(nèi)阻相對較小的受控電壓源沒有區(qū)別;（2）電流型控制方式。這種控制方式是把輸出電流視作受控目標(biāo)，通過系統(tǒng)輸出和電網(wǎng)電同頻率相同的電流信號，此時對于系統(tǒng)整體而言，可以把其當(dāng)做一個具有較大的內(nèi)阻的受控電流源。

主電網(wǎng)可以被視為一個具有接近無窮容量的電壓源，要是并網(wǎng)逆變器使用電壓控制型方式，那么也就能夠看成是一個具有有限容量的電源，和一個具有接近無窮容量的電壓源實現(xiàn)了并聯(lián)運行，若要保證此狀態(tài)下系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，那么有必要使用“鎖相環(huán)”這一控制技術(shù)，讓逆變器的輸出電壓和電網(wǎng)的電應(yīng)頻率、相位以及幅值達到相一致，但是微電源其輸出功率是處于時刻變化的狀態(tài)，不可避免的會使得并網(wǎng)逆變器的輸出電壓發(fā)生波動，進而形成環(huán)流現(xiàn)象。并網(wǎng)逆變器要是選擇電壓型控制方式，這對鎖相環(huán)的響應(yīng)時間而言，不僅提高了其要求標(biāo)準(zhǔn)，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性也響度較差。要是逆變器輸出使用的控制方式是電流型的話，主電網(wǎng)的電壓則是微電網(wǎng)母線電壓的主要支撐，通過對逆變器進行控制使其輸出的電流能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電壓進行跟蹤，通過實現(xiàn)對逆變器控制使得輸出電路進而電網(wǎng)的電同頻率達到相一致，就可以實現(xiàn)微電網(wǎng)并入主電網(wǎng)而且是并聯(lián)運行的目標(biāo)。當(dāng)微電網(wǎng)處在離網(wǎng)模式時，系統(tǒng)電壓因為沒有大電網(wǎng)的電壓支撐，所以應(yīng)使用逆變器實現(xiàn)對輸出電壓的控制，維持微電網(wǎng)中交流母線的電壓處在正常狀態(tài)，能夠達到承載電能質(zhì)量的相關(guān)要求。所以當(dāng)微電網(wǎng)處于離網(wǎng)運行的模式下，最少要保證存在一臺逆變電源實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的閉環(huán)控制，進而能夠使得微電網(wǎng)中交流母線的電壓有所支撐。進行逆變器的輸出電壓進行閉環(huán)控制時，也能在電壓環(huán)中添加逆變器的濾波電感電流或是電容電流的閉環(huán)控制，從而形成兩重閉環(huán)控制，借此使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力被提高。

總的來講，當(dāng)微電網(wǎng)處在并網(wǎng)運行的狀態(tài)下，光伏逆變器以及儲能逆變器選擇電流型控制方式，把網(wǎng)逆變器所輸出的電流視作被控制量，可以不受時間限制的對輸出電流進行控制，進而實現(xiàn)逆變輸出的電流和電網(wǎng)電壓的電同頻率相一致，進而實現(xiàn)并網(wǎng)的目標(biāo)。若是微電網(wǎng)系統(tǒng)處在離網(wǎng)運行的模式下，其儲能逆變器與光伏逆變器應(yīng)選擇主從控制的方式，也就是多儲能逆變器被用作主逆變器，選擇電壓型控制方式;確保輸出電壓保持穩(wěn)狀態(tài)，而此時的光伏逆變器被用作從逆變器，其應(yīng)該選擇電流型控制方式。

5 結(jié)語

總而言之，因為對微電網(wǎng)的相關(guān)研究，仍然是我國較為年輕的研究課題，現(xiàn)階段依舊存在著有待解決的問題。相關(guān)的研究程度應(yīng)該實現(xiàn)進一步深化，并且在實際工程應(yīng)用之前也應(yīng)該做好充足的準(zhǔn)備。文章僅僅是對光儲并網(wǎng)型的微電網(wǎng)的控制策略方法進行簡要的分析，希望在我國科學(xué)技術(shù)不斷進步的過程中，能夠更好的提高微電網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展水平。

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