考慮多源互補(bǔ)特性的微電網(wǎng)系統(tǒng)自動優(yōu)化策略研究

黃 慧，鄧文揚(yáng)，劉志勇

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，韶關(guān) 512026；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510530）

0 引言

為應(yīng)對氣候變化，我國提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”等戰(zhàn)略目標(biāo)，并提出“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”作為能源電力發(fā)展的方向。風(fēng)能和太陽能發(fā)電顯示出更為廣闊的前景。但是風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電很容易受到氣象因素影響，對電網(wǎng)的安全可靠性的影響很大，因此儲能和微電網(wǎng)技術(shù)成為支撐新能源消納的熱門方向[1]。

新能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率波動會影響整個電網(wǎng)運(yùn)行安全，因此要設(shè)置儲能系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)可控微源與光伏電網(wǎng)互相補(bǔ)充，確保微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。與此同時還需制定有效的優(yōu)化策略，對系統(tǒng)功率進(jìn)行靈活分配，使電網(wǎng)系統(tǒng)能夠更好的適應(yīng)不同用電場景的需求。

新能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率如果產(chǎn)生波動，整個微電網(wǎng)都難以安全穩(wěn)定的運(yùn)行，因此微電網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，要設(shè)置儲能系統(tǒng)，同時確?？煽匚⒃磁c光伏電源能夠更好地實(shí)現(xiàn)補(bǔ)電，從而保證電網(wǎng)能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，除此之外還要提出有效的優(yōu)化策略，確保系統(tǒng)功率分配效果，使系統(tǒng)能夠更加靈活穩(wěn)定[2]。

本文針對基于復(fù)合儲能電網(wǎng)對多源互補(bǔ)微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略展開研究，建立復(fù)合儲能控制模型，實(shí)現(xiàn)自動優(yōu)化，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化策略的可行性。

1 考慮多源互補(bǔ)特性的微電網(wǎng)復(fù)合儲能控制模型

微電網(wǎng)分為并網(wǎng)和孤網(wǎng)兩種形式，本文僅針對直流孤網(wǎng)型微電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化控制和多源互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制策略研究。微電網(wǎng)主要包括光伏、水電、蓄電池、超級電容等多種發(fā)電系統(tǒng)[3]。微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在確定微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，構(gòu)建三層控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)控制框架

根據(jù)圖2可知，第一層為局部控制，以局部發(fā)電分配、負(fù)荷控制、混合儲能模式為主；第二層是協(xié)調(diào)控制，作為整個微網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制核心，通過對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，獲得控制指令，并下發(fā)到本地控制器，該控制層既能協(xié)調(diào)局部各設(shè)備控制，又能接受上層能量管理的調(diào)度，實(shí)時修正實(shí)際運(yùn)行和調(diào)度目標(biāo)的誤差，從而實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的多源互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制；第三層的主要作用是優(yōu)化控制，對功率分配進(jìn)行了一系列的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對儲能調(diào)度和功率分配的綜合調(diào)整，從而使微電網(wǎng)運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)、安全與穩(wěn)定。

為了充分利用超級電容的響應(yīng)速度優(yōu)勢和蓄電池的能量密度優(yōu)勢，采用復(fù)合儲能，以更有效地發(fā)揮功率控制作用[4]。超級電容器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 超級電容器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3可知，超電容器采取的結(jié)構(gòu)為雙電層機(jī)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部輸入直流電，則電極的電解質(zhì)正、負(fù)離子會很好地聚到一起，形成一個有效的雙電層，超級電容器利用雙效層實(shí)現(xiàn)電荷儲存。

超級電容器的等效電路RC模型由一個阻容單元，理想電容C，等效電阻Rs、Rp構(gòu)成，如圖4(a)所示。實(shí)際應(yīng)用中電容器通常要經(jīng)過功率轉(zhuǎn)換器對功率進(jìn)行調(diào)整后與電源相連，整個過程會出現(xiàn)頻繁的充電放電的循環(huán)往復(fù)，假設(shè)忽略Rp的影響，可將電容器模型進(jìn)行簡化，如圖4(b)所示。

圖4 超級電容器的等效電路RC模型

由圖4可知，本文研究的超級電容器的等效電路RC模型將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)簡單化，通過反復(fù)地充電過程和發(fā)電過程來展示電氣內(nèi)部的特征，在展示過程中，連接方式不會影響展示結(jié)果，整個展示過程的容量配置可以提供很好地理論基礎(chǔ)。其等效串聯(lián)內(nèi)阻計(jì)算公式為：

其中，Rarray為等效串聯(lián)電阻；Ns為電力器件數(shù)量；Np為并聯(lián)電路的支路數(shù)量。

等效電容計(jì)算公式為：

其中，Carray為等效電容。

由于超級電容器單個結(jié)構(gòu)內(nèi)部電壓較低，實(shí)際應(yīng)用中會同時使用多個電容器，多個電容器的電容量為：

其中，C為多個電容器組成的總電容值；Umax表示允許的最大工作電壓。

從上面的公式可以看出，超級電容器的電容值會受端電壓的影響，在使用過程中，伴隨充電放電的循環(huán)往復(fù)，端電壓也會隨之發(fā)生變化。

蓄電池內(nèi)阻極低，充電速度快，容量大，可作為電源供電，性能優(yōu)良。蓄電池的容量通常定義為：

蓄電池放電過程中工作電壓為：

其中，EO為開路電壓；Ib為輸出電流；R為蓄電池外接電阻；RO為電池內(nèi)阻[5]。

蓄電池恒流充電模式，充電過程中電壓升高，電流不變，通過對電池進(jìn)行充電操作，保證蓄電池內(nèi)部電量能夠很好地被消耗，保證電源內(nèi)部電量平衡。恒流充電的控制框圖如圖5所示。

圖5 恒流充電控制線路圖

蓄電池恒壓充電模式，電壓保持不變，隨著充電過程的進(jìn)行，電流就會隨之減少，最終達(dá)到最小值。

恒壓充電控制框圖如圖6所示。

圖6 恒壓充電控制框圖

2 考慮多源互補(bǔ)特性的微電網(wǎng)系統(tǒng)自動優(yōu)化策略

2.1 協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)內(nèi)部由多個系統(tǒng)組成，主要的系統(tǒng)包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、小水電發(fā)電系統(tǒng)和超級電容系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

由圖7可知，一旦光伏系統(tǒng)和水力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過程，當(dāng)輸出功率不能及時就地消耗或不足時，通過能量管理系統(tǒng)調(diào)節(jié)復(fù)合儲能和微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率，對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電壓穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)。超級電容容量儲能系統(tǒng)和蓄電池能量儲能系統(tǒng)基于直流母線電壓進(jìn)行控制，使其處于正常工作狀態(tài)，避免過度放電對電能儲能系統(tǒng)造成損害[6]。

圖7 多源互補(bǔ)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制整體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 協(xié)調(diào)控制策略

通過電壓等級劃分，對直流母線內(nèi)部產(chǎn)生的電壓波動進(jìn)行點(diǎn)解，設(shè)定直流母線電壓的內(nèi)部限值，本文共設(shè)定了6個限值，劃分的電壓等級區(qū)域如圖8所示。

圖8 電壓等級劃分區(qū)域圖

在分析直流母線電壓波動幅度后，對波動幅度進(jìn)行分析，設(shè)定的等級共有4個，分別是可允許波動、小范圍波動、大范圍波動和極限波動。控制策略流程圖如圖9所示。

根據(jù)圖9可知，電壓波動|Udc-UN|表示，根據(jù)我國民用電標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)波動值小于0.05UN時，被視為可允許正常波動。設(shè)定復(fù)合儲能系統(tǒng)，對復(fù)合儲能系統(tǒng)進(jìn)行電壓補(bǔ)償，將工作狀態(tài)切換成模式一，這樣可以很好地防止來回切換這一問題發(fā)生，確保系統(tǒng)使用壽命。

圖9 控制策略流程圖

當(dāng)電壓波動|Udc-UN|大于0.05UN且小于0.1UN時，視為小范圍電壓波動。對于這種小范圍波動，可以采用儲能對波動進(jìn)行平抑。當(dāng)母線電壓大于額定電壓時，首先調(diào)節(jié)超級電容器變換器，以減少蓄電池頻繁充放電。超級電容器荷電量SOCSC小于85%時，超級電容器系統(tǒng)進(jìn)行充電，這種工作狀態(tài)定義為模式二；當(dāng)SOCSC大于85%時，超級電容器內(nèi)幾乎充滿電荷，飽和狀態(tài)下的電容器無法繼續(xù)充電，此時要檢測蓄電池內(nèi)電荷量SOCb，SOCb小于80%，蓄電池內(nèi)電荷量為不飽和狀態(tài)，能夠進(jìn)行正常充電，此時蓄電池工作狀態(tài)定義為模式三。如果超級電容器的電量達(dá)到飽和，則不能進(jìn)行繼續(xù)充電，這時系統(tǒng)需要檢測蓄電池的節(jié)電量；當(dāng)SOCb大于80%時，說明復(fù)合儲能系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到最大電荷負(fù)載，無法調(diào)節(jié)降低母線電壓，此時電網(wǎng)工作狀態(tài)定義為模式四。當(dāng)母線電壓不足，超級電容器荷電量 SOCSC大于15%，超級電容器進(jìn)行放電狀態(tài)，這種工作狀態(tài)定義為模式五；若SOCSC小于15%，此時超級電容器荷電量較低，不能完成放電動作，需對蓄電池荷電量SOCb進(jìn)行檢測，若SOCb大于20%，則表明蓄電池荷電量在正常范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)正常放電，則這種工作狀態(tài)被定義為模式六；如果蓄電池內(nèi)部的SOCb低于20%，則蓄電池需要采用放電方式，設(shè)定這種模式為模式七。

當(dāng)0.1UN≤|Udc-UN|<0.15UN時，視為大范圍波動。對于大范圍波動，單一儲能系統(tǒng)的平抑波動效果不佳，需要引入復(fù)合儲能加強(qiáng)平抑效果，如果系統(tǒng)采用的儲能方式為單一波動方式，則平抑波動能力較差，因此本文設(shè)置了復(fù)合儲能，從而提高平抑能力。同時需要移除部分次要負(fù)載，以保證系統(tǒng)對波動的調(diào)節(jié)效果。復(fù)合儲能系統(tǒng)具有響應(yīng)快、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的優(yōu)勢。當(dāng)母線電壓高于額定電壓時，如果SOCb不能超過荷電狀態(tài)要求的最大值，系統(tǒng)設(shè)定的模式為充電模式，設(shè)定這種工作狀態(tài)為模式八；SOCb小于荷電狀態(tài)的極限值，系統(tǒng)仍有空余荷載能力，可以進(jìn)行正常充電，定義為模式八；SOCb超出荷電狀態(tài)的最大值，說明系統(tǒng)無法完成充電，需要限值發(fā)電系統(tǒng)電力輸出，調(diào)節(jié)母線電壓，定義為模式九，否則限制發(fā)電設(shè)備出力，對母線電壓進(jìn)行調(diào)制，設(shè)定的系統(tǒng)荷電量處于飽和狀態(tài)，可以正常放電，定義為模式十。若SOCSC和SOCb皆小于荷電狀態(tài)的最小值，則需移除次要部分負(fù)載，降低母線電壓，定義為模式十一。否則切除部分不重要負(fù)荷，這種工作狀態(tài)定義為模式十一。

當(dāng)電壓波動大于0.15UN時，為極限波動，超出了復(fù)合儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)電壓波動的能力。如果母線電壓的數(shù)值超過額定電壓，則系統(tǒng)需要啟動新的模式，本文設(shè)定的啟動模式為限功率模式。若超級電容器和蓄電池滿足上述的充電條件，系統(tǒng)啟動充電模式，設(shè)定這樣的工作模式為模式十二；如果母線的電壓不能達(dá)到額定電壓，需要切除不重要負(fù)荷，這種工作狀態(tài)定義為模式十三。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文提出的考慮多源互補(bǔ)特性的微電網(wǎng)系統(tǒng)自動優(yōu)化策略研究的有效性，與未優(yōu)化前的微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

采用下垂控制時，直流母線電壓會隨負(fù)荷變化而改變，微電網(wǎng)各微電源出力曲線如圖10所示。

圖10 微電網(wǎng)微電源出力曲線

根據(jù)圖10可知，開始時，負(fù)荷未投入允許，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，在0.6s時，投入10kW負(fù)荷，由于負(fù)荷比較小，直流母線在允許范圍內(nèi)波動，負(fù)荷由小水電單獨(dú)供應(yīng)；在1.1s左右，再投入10kW負(fù)荷，同時光伏發(fā)電系統(tǒng)開始允許，由于負(fù)荷的增加，直流電壓繼續(xù)下降，但由于還處于允許范圍內(nèi)，復(fù)合儲能不動作；在1.6s時再有7kW負(fù)荷投入，此時直流電壓處于0.1UN≤|Udc-UN|<0.15UN范圍，由于負(fù)荷差額較小，單獨(dú)由超級電容進(jìn)行調(diào)節(jié)，2.1s時又投入20kW負(fù)荷，此時功率缺額已超過超級電容調(diào)節(jié)范圍，將啟動儲能進(jìn)行調(diào)節(jié)；在整個調(diào)節(jié)過程中，直流母線電壓都可調(diào)節(jié)到允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了直流電壓的穩(wěn)定控制。

加入復(fù)合儲能進(jìn)行能量平衡前后電壓如圖11所示。

圖11 加入復(fù)合儲能進(jìn)行能量平衡前后電壓曲線

根據(jù)圖11電壓波動情況可知，在未加入復(fù)合儲能進(jìn)行能量平衡調(diào)節(jié)前，直流母線電壓會隨著負(fù)載的增加而降低；加入復(fù)合儲能進(jìn)行能量平衡調(diào)節(jié)后，直流母線電壓的跌落明顯降低，母線電壓能夠短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，完成內(nèi)部的功率平衡[7]。

本文提出的優(yōu)化策略能夠很好地穩(wěn)定直流母線電壓，在電壓跌入警告區(qū)域后，使用本文的優(yōu)化策略可以使系統(tǒng)在短時間內(nèi)回到合格區(qū)域，保證了電壓的穩(wěn)定。

綜上所述，通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)、小水電、復(fù)合儲能系統(tǒng)組成的多源微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，充分利用了超級電容、蓄電池調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)了多源互補(bǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)的自動優(yōu)化控制。

4 結(jié)語

本文對多源互補(bǔ)微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，探討了復(fù)合儲能特性及其功率分配策略，并設(shè)計(jì)復(fù)合儲能系統(tǒng)模型實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最后基于直流母線電壓分區(qū)方法提出了微電網(wǎng)系統(tǒng)自動優(yōu)化策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該策略具有優(yōu)越性，各種工況下直流母線電壓都可調(diào)節(jié)到允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了直流電壓的穩(wěn)定控制。