基于下垂控制的微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)的研究

劉丹妮 馬猛飛

基于下垂控制的微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)的研究

劉丹妮1馬猛飛2

（1. 山東協(xié)和學(xué)院工學(xué)院，濟(jì)南 250107；2. 國網(wǎng)智能科技股份有限公司，濟(jì)南 250101）

針對微電網(wǎng)系統(tǒng)中分布式電源發(fā)電的隨機(jī)性和間歇性，為了平抑分布式電源的功率波動，本文提出一種微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，研究基于下垂控制的微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)的控制策略。該系統(tǒng)可以檢測微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)功率缺額，將鋰電池儲能變流器設(shè)置為下垂模式并智能跟隨負(fù)荷變化，從而建立微電網(wǎng)過渡臨時主電源。鋰電池作為過渡臨時主電源控制混合儲能系統(tǒng)帶動微電網(wǎng)內(nèi)所有負(fù)荷，斷開公共耦合點開關(guān)，起動柴油發(fā)電機(jī)，柴油發(fā)電機(jī)自動跟隨鋰電池儲能變流器電壓、頻率后轉(zhuǎn)為VF模式，由柴油發(fā)電機(jī)作為主電源帶動微網(wǎng)內(nèi)所有負(fù)荷。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)切鋰電池儲能變流器為PQ運行模式，穩(wěn)定實現(xiàn)微電網(wǎng)計劃并轉(zhuǎn)孤控制。

微電網(wǎng)；計劃并轉(zhuǎn)孤；下垂控制；VF模式

0 引言

隨著社會生產(chǎn)的快速發(fā)展以及生活節(jié)奏的不斷提高，以煤炭、石油和天然氣為能源的傳統(tǒng)發(fā)電方式嚴(yán)重制約著社會的可持續(xù)發(fā)展[1-4]；世界范圍的能源壓力劇增以及超大規(guī)模電力系統(tǒng)帶來的問題也日漸嚴(yán)重[5]。為了加快社會進(jìn)步，尋求電力領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展道路勢在必行。作為可再生能源與分布式發(fā)電的有效利用形式，由風(fēng)機(jī)、太陽能發(fā)電等分布式電源組成的微電網(wǎng)[6-8]因其使用清潔能源、無污染、減少輸配電建設(shè)以及高可靠性、可持續(xù)性等優(yōu)勢得到了越來越多的關(guān)注[9-10]，成為眾多科研學(xué)者研究的熱點。微電網(wǎng)（micro-grid）是由可再生能源組成的分布式電源、儲能裝置（蓄電池等）、能量轉(zhuǎn)換裝置、電力系統(tǒng)的負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置組成的可控小型發(fā)配電單元[11-12]。

目前的風(fēng)電機(jī)組、光伏機(jī)組等分布式電源電能輸出隨機(jī)性和波動性大，而且網(wǎng)絡(luò)潮流復(fù)雜、繼電保護(hù)困難，單機(jī)接入成本高、控制比較困難，對大電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊大[13]。為了平抑分布式電源的功率波動，保障微電網(wǎng)系統(tǒng)能滿足負(fù)荷的電能質(zhì)量要求，提升微電網(wǎng)對可再生能源的利用率，獲得最理想的發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益，本文提出一種微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，研究基于下垂控制的微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)的控制策略，實現(xiàn)對微電網(wǎng)運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制和優(yōu)化，穩(wěn)定實現(xiàn)微電網(wǎng)計劃并轉(zhuǎn)孤控制，從而減少分布式電源和負(fù)載波動的影響，推動微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。

1 微電網(wǎng)分布式電源特性與建模

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

在每臺風(fēng)電機(jī)組出口處安裝一臺AC/DC/AC電壓變換器再接入到電網(wǎng)，類似于對機(jī)組進(jìn)行全功率變換，可實現(xiàn)風(fēng)電的低電壓穿越、無功補(bǔ)償、功率因數(shù)控制和異步風(fēng)機(jī)出力調(diào)節(jié)等功能，電壓變換器的容量須大于單臺機(jī)組的容量。同時考慮在變換器直流側(cè)加入儲能裝置，參與功率平滑控制。

風(fēng)機(jī)從自然風(fēng)中所能獲得能量有限，根據(jù)貝茨理論

式中，風(fēng)能利用系數(shù)p最大值為0.593，實際p＜0.593，p是風(fēng)力機(jī)葉尖速比和節(jié)距角的函數(shù)。

機(jī)組額定容量750kW，考慮到機(jī)組1.1倍的過載能力，另外考慮到機(jī)組的無功勵磁電流、電壓變換器的抗擾動性及穩(wěn)定裕量，取其系數(shù)一般為1.5，因此電壓變換器的設(shè)計容量范圍為

=750×1.1×1.5kW=1237kW

因此電壓變換器的設(shè)計容量可以考慮為1.2MW。

三臺風(fēng)機(jī)每臺750kW，則

wind=750kW

wind_low=690V

wind_high=35000V

三臺風(fēng)機(jī)匯流出線電流

wind_total=3wind_high=37.115A

接入方式如圖1所示，圖中實線框內(nèi)，即為整改增加的電壓變換器。

圖1 串接電壓變換器示意圖

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

1）光伏組件布局

因島內(nèi)缺少相對平坦、開闊的地帶，不具備布置大容量光伏電站的條件，因此需要考慮將光伏電站分散建設(shè)，分散接入電網(wǎng)。根據(jù)現(xiàn)有條件，有效利用機(jī)組周圍的空地，可將光伏電站分布建設(shè)在海島陸上風(fēng)電場的每臺機(jī)組的周圍，分散接入電網(wǎng)。

2）容量選擇

島內(nèi)共有16臺風(fēng)電機(jī)組，每臺機(jī)組周圍有不低于200m2、相對平坦的空地。根據(jù)光伏電站建設(shè)約500kW容量的要求，考慮到島上平坦的地面較少，在每臺機(jī)組周圍布置30～50kW的光伏電站，可以滿足島上光伏電站建設(shè)的要求。

3）電網(wǎng)接入

風(fēng)電機(jī)組的低壓側(cè)為690V，并配置有690V開關(guān)柜，光伏發(fā)電單元可接入風(fēng)電機(jī)組變壓器的690V開關(guān)柜的近網(wǎng)端口，通過升壓變送至35kV側(cè)。光伏發(fā)電接入開關(guān)柜的近網(wǎng)端口，因此，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組故障引起690V開關(guān)跳閘后，將不影響光伏發(fā)電的正常發(fā)電并網(wǎng)。

光伏發(fā)電分散接入并網(wǎng)示意圖如圖2所示，接入690V系統(tǒng)的逆變器為非標(biāo)準(zhǔn)逆變器，需要定制。

1.3 柴油發(fā)電機(jī)組

工程設(shè)計時須考慮柴油發(fā)電機(jī)可用，改造內(nèi)容包括：①柴油發(fā)電機(jī)組自起動功能；②柴油發(fā)電機(jī)組勵磁控制；③柴油發(fā)電機(jī)組功率控制；④柴油發(fā)電機(jī)組電網(wǎng)接入設(shè)計。

圖2 光伏發(fā)電分散接入并網(wǎng)示意圖

小柴發(fā)系統(tǒng)參數(shù)計算如下：

小柴發(fā)功率rated=236kW。

小柴發(fā)工作電壓diesel=400V。

大柴發(fā)系統(tǒng)參數(shù)計算如下：

大柴發(fā)功率bigdiesel=1050kW。

額定電壓bigdiesel_low=400V。

1.4 微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)設(shè)計方案

海島電網(wǎng)可以考慮的儲能方式包括抽水蓄能、飛輪儲能、超級電容器、電池類（鉛酸電池、鋰電池和鈉硫電池）等類型的儲能[14]。在國內(nèi)外一些示范工程中，電池類儲能系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用[15]。鉛酸蓄電池（AGM蓄電池、膠體蓄電池）技術(shù)成熟，可制成大容量存儲系統(tǒng)，單位能量成本和系統(tǒng)成本低，安全可靠、再利用性好，全釩液流電池和鋰電池技術(shù)較為成熟，已在張北風(fēng)光儲示范系統(tǒng)和玉樹儲能項目中得到應(yīng)用[16]。

在本微電網(wǎng)系統(tǒng)中，取鋰電池、鉛酸電池和超級電容，并加上配套的儲能變流器（power conversion system, PCS），如圖3所示。

圖3 蓄電池動態(tài)儲能系統(tǒng)

本項目對微電網(wǎng)內(nèi)部儲能系統(tǒng)和負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，鋰電系統(tǒng)作為主電源建立微電網(wǎng)并提供微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的電壓和頻率支撐，鉛酸系統(tǒng)根據(jù)微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)確定的無功補(bǔ)償量，輸出相應(yīng)的無功功率，從而維持微網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡，超級電容系統(tǒng)根據(jù)其快速充放電性能，設(shè)計為平抑微網(wǎng)峰谷波動，實現(xiàn)穩(wěn)定控制，從而抑制可再生能源的間歇性和波動性，提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

軟件體系結(jié)構(gòu)由操作系統(tǒng)、支撐平臺和應(yīng)用功能共3個層次組成，層次結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)圖

其中：

1）操作系統(tǒng)選用Linux/UNIX操作系統(tǒng)。

2）支撐平臺為各種應(yīng)用功能的實現(xiàn)提供通用的支撐服務(wù)，主要包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸軟總線、實時數(shù)據(jù)庫、商用數(shù)據(jù)庫、報表、權(quán)限管理、告警服務(wù)、通用服務(wù)、人機(jī)界面和圖形等。

3）應(yīng)用功能主要包含分布式電源監(jiān)控、儲能子系統(tǒng)運行監(jiān)控、負(fù)荷監(jiān)控、分布式發(fā)電預(yù)測、風(fēng)光儲協(xié)調(diào)控制功能、聯(lián)絡(luò)線功率優(yōu)化控制、電能統(tǒng)計分析功能、經(jīng)濟(jì)性分析功能和協(xié)調(diào)控制功能。

3 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)工程運行結(jié)果分析

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷等級以及風(fēng)機(jī)發(fā)電功率計算相應(yīng)功率缺額；監(jiān)測并確認(rèn)鋰電儲能雙向變流器（PCS）并網(wǎng)運行狀態(tài)，切換磷酸鐵鋰電池雙向變流器PCS為下垂模式，磷酸鐵鋰電池雙向變流器PCS智能跟隨負(fù)荷變化；鋰電作為過渡主電源控制混合儲能系統(tǒng)帶微電網(wǎng)內(nèi)所有負(fù)荷，斷公共耦合點開關(guān)，起動柴油發(fā)電機(jī)，柴油發(fā)電機(jī)自動跟隨磷酸鐵鋰電池雙向變流器PCS電壓、頻率后轉(zhuǎn)為VF模式，由柴油發(fā)電機(jī)作為主電源帶微電網(wǎng)內(nèi)所有負(fù)荷；能量管理系統(tǒng)切磷酸鐵鋰電池雙向變流器PCS為PQ運行模式，并確認(rèn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，從而穩(wěn)定實現(xiàn)微電網(wǎng)計劃并轉(zhuǎn)孤控制。圖5為微電網(wǎng)計劃并轉(zhuǎn)孤穩(wěn)定控制流程圖。

鋰電PCS接收能量管理系統(tǒng)下發(fā)的指令，能量管理系統(tǒng)根據(jù)鋰電池的穩(wěn)定特性，設(shè)置其在整個微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)中作為主電源，在微電網(wǎng)系統(tǒng)中建立穩(wěn)定的電壓和頻率，在微電網(wǎng)并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)孤網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)控制鋰電系統(tǒng)雙向變流器（PCS）為下垂模式，鋰電系統(tǒng)智能跟隨負(fù)荷變化，當(dāng)系統(tǒng)運行穩(wěn)定后能量管理系統(tǒng)控制鋰電PCS為VF模式，在微電網(wǎng)系統(tǒng)中建立穩(wěn)定的電壓和頻率；由預(yù)案執(zhí)行結(jié)果（如圖6所示）和錄波曲線（如圖7所示）可以看出，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)在計劃并轉(zhuǎn)孤程序運行過程中，各設(shè)備單元動作周期都在ms級并能正確順序動作，預(yù)案執(zhí)行成功。

4 結(jié)論

本文通過介紹微電網(wǎng)研究的現(xiàn)狀，圍繞微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)展開相關(guān)研究，研究了微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、微電源的特性，以及能量管理系統(tǒng)的控制策略，綜合分析系統(tǒng)各節(jié)點的電氣量，通過設(shè)定的能量管理策略來發(fā)布命令控制各微網(wǎng)的運行模式、微電源和負(fù)荷的通斷，以此來控制整個微電網(wǎng)的高效穩(wěn)定運行，并且實現(xiàn)綠色能源的最大化利用。研究內(nèi)容涉及能量管理系統(tǒng)的框架理論、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)。從理論和實踐兩個層面證明了微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的可行性和有效性。

圖5 微電網(wǎng)計劃并轉(zhuǎn)孤穩(wěn)定控制流程圖

圖6 計劃并轉(zhuǎn)孤有效預(yù)案執(zhí)行記錄

圖7 計劃并轉(zhuǎn)孤系統(tǒng)錄波曲線

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Study on planed grid-connected to isolated grid based on droop control

LIU Danni1MA Mengfei2

(1. Shandong Xiehe University, Ji’nan 250107；2. State Grid Intelligent Technology Co., Ltd, Ji’nan 250101)

Aiming at the randomness and intermittentness of distributed power in the micro-grid system and power fluctuations of distributed power, this paper presents a microgrid energy management system and study on planed grid-connected to isolated grid based on droop control. The system detects power vacancy in micro-grid system and adjusts the lithium battery PCS in the hybrid energy storage system to droop mode and intelligently follows the load change. So the transitional main power of micro-grid is established. The lithium battery as the transitional main power controls the hybrid energy storage system and drives all loads in the micro-grid. Then disconnect the common couplings witch and start the diesel generator. The diesel generator automatically follows the voltage and frequency of the lithium battery PCS and switches to VF mode. The diesel generator as the main power source drives all loads in the micro-grid. The micro-grid energy management system switches the lithium battery PCS to the PQ operation mode, and stably realizes planed grid-connected to isolated grid of the micro-grid.

micro-grid; planed grid-connected to isolated grid; droop control; VF mode

2020-06-18

2020-07-13

劉丹妮（1988—），女，陜西省商洛市人，碩士，助教，主要研究方向為微電網(wǎng)智能控制技術(shù)。