光儲(chǔ)聯(lián)合微電網(wǎng)控制策略

邊頓 加央

摘要：當(dāng)前隨著我國(guó)光伏需求的持續(xù)上升以及電力市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，化石生物燃料再生能源日益匱乏和日漸枯竭，能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境資源污染等社會(huì)問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，光伏電力行業(yè)都面臨著嚴(yán)峻的新挑戰(zhàn)，為解決傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電所面臨的問(wèn)題，在“低碳”的號(hào)召下，源于分布式光伏風(fēng)力發(fā)電的小型智能微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。微電網(wǎng)靈活的經(jīng)營(yíng)運(yùn)作管理方式及其所配套的高質(zhì)量電網(wǎng)供電運(yùn)輸服務(wù)都必定離不開(kāi)一套科學(xué)完善的經(jīng)營(yíng)控制管理體系，所以關(guān)于我國(guó)微電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)管理策略的深入探討必須具有很強(qiáng)的理論指導(dǎo)性。本文主要探索光儲(chǔ)系統(tǒng)在電力系統(tǒng)應(yīng)用的價(jià)值，以現(xiàn)場(chǎng)光儲(chǔ)系統(tǒng)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)微電網(wǎng)技術(shù)工程建設(shè)為主要研究背景，在完成總體控制策略的相關(guān)技術(shù)理論研究及其系統(tǒng)建模仿真的基礎(chǔ)上，將這一技術(shù)控制策略成功地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的微電網(wǎng)。該項(xiàng)重點(diǎn)技術(shù)是國(guó)內(nèi)外首個(gè)面向采用光伏電池發(fā)電、儲(chǔ)能混合動(dòng)力車和蓄電池組的新型儲(chǔ)能微電網(wǎng)國(guó)家試點(diǎn)研究項(xiàng)目，對(duì)于新型微電網(wǎng)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的控制應(yīng)用做出有效的技術(shù)探索和創(chuàng)新嘗試，為其用于后續(xù)的新型微電網(wǎng)的深入研究應(yīng)用和發(fā)展奠定重要的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng);逆變器;光儲(chǔ)聯(lián)合微電網(wǎng)

Abstract：With the continuous rise of my country's photovoltaic demand and the rapid growth of the electricity market economy，fossil biofuel renewable energy is increasingly scarce and depleted，and social problems such as energy crisis and ecological environmental resource pollution are becoming more and more serious. The photovoltaic power industry is Facing severe new challenges，in order to solve the problems faced by traditional fossil fuel power generation，under the call of "low carbon"，a small smart microgrid derived from distributed photovoltaic wind power generation came into being. The flexible operation and management methods of microgrid and its supporting high-quality grid power supply and transportation services must be inseparable from a set of scientific and complete operation control and management system，so in-depth discussion on the management strategy of my country's microgrid must have a strong Theoretical guidance. This paper mainly explores the value of optical storage system in the application of power system. It takes the field optical storage system to drive the construction of microgrid technology as the main research background. On the basis of completing the relevant technical theoretical research of the overall control strategy and system modeling and simulation，This technology control strategy was successfully applied to the on-site micro-grid. This key technology is the first domestic and foreign national pilot research project for a new type of energy storage microgrid that uses photovoltaic cells for power generation，energy storage hybrid electric vehicles and battery packs. It is effective for the control application of the new microgrid during system operation. Technological exploration and innovative attempts have laid an important theoretical and practical foundation for the in-depth research，application and development of the subsequent new microgrid.

Keywords：Microgrid; Inverter; Optical-storage combined microgrid

當(dāng)今電力能源是國(guó)家一次能源綜合利用的主要能源方式，隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)工業(yè)化的飛速發(fā)展，對(duì)于民用電力的市場(chǎng)需求量也不斷增加，這種趨勢(shì)在未來(lái)還會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)?；痣?、水電、核電等各種傳統(tǒng)民用能源已經(jīng)發(fā)展成為我國(guó)電力系統(tǒng)中最主要的民用電源，其中以化石生物燃料電源為主的民用電源已經(jīng)占據(jù)傳統(tǒng)電源的很大比重。然而，以現(xiàn)代煤炭燃燒發(fā)電工藝技術(shù)為主的火力發(fā)電已經(jīng)造成世界性的環(huán)保問(wèn)題和大氣污染問(wèn)題。同時(shí)石油、天然氣等主要化石生物燃料在各國(guó)各地區(qū)的廣泛開(kāi)采使用會(huì)產(chǎn)生的大量二硫化物和二氧化碳，這已經(jīng)逐漸成為引起大地酸雨和大氣溫室效應(yīng)的一個(gè)重要原因。另一方面，可再生能源仍然被認(rèn)為是影響當(dāng)今世界和其他社會(huì)日常生活以及持續(xù)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Y源和基本物質(zhì)基礎(chǔ)。清潔能源具有可再生性強(qiáng)、環(huán)保安全無(wú)污染、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高等特點(diǎn)，滿足了人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的能源消費(fèi)需求和建設(shè)環(huán)境友好型國(guó)家的迫切要求。對(duì)于清潔可再生發(fā)電能源的利用和開(kāi)發(fā)問(wèn)題已經(jīng)成為我國(guó)的一項(xiàng)重要發(fā)展戰(zhàn)略，也逐漸成為我國(guó)社會(huì)和全球人民日益關(guān)注的熱點(diǎn)話題和討論焦點(diǎn)。

1.微電網(wǎng)的定義與結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)這個(gè)概念主要是相對(duì)于傳統(tǒng)的大型電網(wǎng)來(lái)說(shuō)的，指的是微電源和負(fù)載之間通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，各種分布式電源構(gòu)成一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)其自我管理、控制及保護(hù)功能的微型發(fā)配電系統(tǒng)，作為一個(gè)整體和傳統(tǒng)的大電網(wǎng)相連接[1]。微電網(wǎng)接入后可與配電網(wǎng)同時(shí)配合，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行操作，可視為可空負(fù)載;退出后則可與大電網(wǎng)斷開(kāi)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的孤島操作，可視為虛擬發(fā)電機(jī)。微電網(wǎng)的輸出功率隨著用戶的供電負(fù)荷要求而不斷地發(fā)生改變，具有較高的供電可靠性、實(shí)現(xiàn)不間斷供電能力、減少線路損耗、支持系統(tǒng)電壓、資金能夠得到充分使用等特點(diǎn)。微電網(wǎng)是發(fā)揮分布式電源效能的最有效形式，為實(shí)現(xiàn)多種可再生能源的最大效益綜合利用，提升負(fù)荷供電的可靠性以及配電網(wǎng)信息系統(tǒng)的智能化建設(shè)提供了巨大幫助。我們應(yīng)當(dāng)深入地研究我國(guó)在微電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中對(duì)于小型微電源大量、小規(guī)模接入的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)[2]。

圖1是一個(gè)非常典型的微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通常意義來(lái)說(shuō)，微電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)工作管理模式可以劃分為兩個(gè)基本方面：靜態(tài)孤島工作模式和動(dòng)態(tài)并網(wǎng)工作模式。圖中所示的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)輻射狀的大型微電網(wǎng)，它總共擁有一百多種類型的輻射微電源、a、b、c三條輻射饋線、不同的供電類型的微負(fù)載。微電網(wǎng)技術(shù)是在一個(gè)公用配電連接點(diǎn)（pointofcommoncouple，pcc）接口處通過(guò)一個(gè)微型靜態(tài)電源開(kāi)關(guān)直接將其與公用配電網(wǎng)進(jìn)行電源連接，從而基本實(shí)現(xiàn)在手動(dòng)孤島并網(wǎng)模式和自動(dòng)并網(wǎng)時(shí)用戶能夠順利、自由的進(jìn)行電源切換。在外部的配電網(wǎng)出現(xiàn)故障和需要進(jìn)行停電維護(hù)檢修的情況下，靜態(tài)啟動(dòng)器開(kāi)關(guān)迅速地打開(kāi)，使得微電網(wǎng)和大型配電網(wǎng)斷開(kāi)。為保證重要敏感負(fù)載的連續(xù)正常運(yùn)行，當(dāng)一個(gè)微電網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)生短路或不足時(shí)，將有機(jī)器通過(guò)一個(gè)隔離設(shè)備切除一般的可以中斷敏感負(fù)載。但是當(dāng)大型電網(wǎng)恢復(fù)正常的供電后，微電網(wǎng)又一次地運(yùn)行到并網(wǎng)的狀態(tài)。饋線a上的一個(gè)小型微電源器件就能夠給用戶同時(shí)輸送熱能和電動(dòng)機(jī)。饋線a、b分別采取諸如光伏與燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力與存儲(chǔ)式動(dòng)力電池等一系列的雙功率電源為一般負(fù)荷和敏感性大的負(fù)載進(jìn)行供電。饋線c為一種無(wú)微電源的方式供電。

2.微電網(wǎng)中逆變器的數(shù)學(xué)模型及特性分析

一般承載負(fù)荷時(shí)所需要的和輸出的專用電能大都是一種交流和高頻兩用電能，但是光伏風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的電陣列卻是屬于一種交流和低頻蓄能電源[3]。直流電源供電的主要技術(shù)特點(diǎn)是局限性很高，不過(guò)它易于直接改變直流輸出的工作電壓。當(dāng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也可能會(huì)使其受到一定約束，所以必須使用能夠把直流電直接轉(zhuǎn)化成交流電的電子設(shè)備-如逆變器。逆變器（inverter）系統(tǒng)是目前中國(guó)微電網(wǎng)電力系統(tǒng)中最重要的一個(gè)核心部件。逆變器的種類繁多，根據(jù)條件不同而對(duì)其分類也不同[4]。按照功率變換的等級(jí)，可以劃分為單級(jí)式和雙級(jí)式。單級(jí)式逆變器中只有一個(gè)逆變過(guò)程，此時(shí)逆變過(guò)程就是實(shí)現(xiàn)直流逆變形成交流、電壓轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)控制等同步操作。兩級(jí)式逆變器由前級(jí)dc/dc的boost升壓電路和后級(jí)dc/ac的功率轉(zhuǎn)化器組成。前級(jí)中的dc/dc系列變換器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要具有最大輸出功率和對(duì)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)跟蹤和實(shí)時(shí)控制、保持直流控制母線并網(wǎng)電壓穩(wěn)定等重要功能。后級(jí)中的dc/ac系列變換器主要功能是將控制直流電壓逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為控制交流、穩(wěn)定直流控制母線并網(wǎng)電壓、控制交流并網(wǎng)指令電流和實(shí)時(shí)跟蹤控制指令并網(wǎng)電流等重要功能。本文選擇一種二級(jí)式交流逆變器。光伏電網(wǎng)系統(tǒng)的電源陣列由boost-up（升壓斬波電路）通過(guò)升壓控制電路相互連接至直流供電母線，儲(chǔ)能發(fā)電設(shè)備與直流供電母線相互連接，輸出輸入電源控制裝置與直流供電母線在直接互聯(lián)后，將雙向式的dc/dc直流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接，其分別屬于輸入輸出電源裝置，通過(guò)一個(gè)雙向式的dc/ac轉(zhuǎn)換逆變器的直流供電母線直接互連至光伏配電網(wǎng)。

3.光儲(chǔ)聯(lián)合微電網(wǎng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及調(diào)度策略

太陽(yáng)能源的發(fā)展已成為最具開(kāi)發(fā)潛力的可再生清潔能源之一，其資源豐富、清潔而且無(wú)任何污染，但是自然環(huán)境的不斷變化對(duì)光伏綜合發(fā)電的直接影響，使得光伏綜合發(fā)電具有明顯的不可隨機(jī)性與不可間歇性[5]。將儲(chǔ)能蓄電池作為儲(chǔ)能的這個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)用到光伏混合發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中，就這樣可以有效降低光伏混合發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備并網(wǎng)時(shí)對(duì)于非輸配電光伏系統(tǒng)并網(wǎng)形成的電磁干擾。微電網(wǎng)主要研究有網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)和電源孤島兩種并網(wǎng)工作組合運(yùn)行方式模型，提出一種基于網(wǎng)絡(luò)依據(jù)各個(gè)電源元件的并網(wǎng)能量及其流動(dòng)方向不同電源組合并網(wǎng)運(yùn)行工作方式的模型研究，分析多個(gè)不同電源并網(wǎng)場(chǎng)景下的不同組合并網(wǎng)運(yùn)行方式模型。

3.1、光儲(chǔ)聯(lián)合微電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)其與光伏配電網(wǎng)的相互聯(lián)系應(yīng)用情況，光伏綜合發(fā)電管理系統(tǒng)被廣泛稱為并網(wǎng)式光伏發(fā)電管理系統(tǒng)和并網(wǎng)獨(dú)立式光伏發(fā)電管理系統(tǒng)[6]。光伏燃料電池儲(chǔ)能陣列、蓄電池組、dc/dc充電變換器、充放電系統(tǒng)控制器和光伏逆變器等模塊構(gòu)成目前我國(guó)獨(dú)立光伏電池發(fā)電技術(shù)體系的主要組成部分。光伏系統(tǒng)陣列把其中剩余的光伏太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成光伏電能，經(jīng)由一個(gè)Chopper降壓電路自動(dòng)降壓提升其進(jìn)入輸出能源電壓，然后通過(guò)dc/ac通過(guò)逆變器將光伏直流電轉(zhuǎn)化成光伏交流電并向光伏負(fù)載設(shè)備進(jìn)行連續(xù)供電，光伏系統(tǒng)陣列中所產(chǎn)生的多余太陽(yáng)電能都完全可以被應(yīng)用到需要進(jìn)行充放電的微控制器上，再將其作為充放電后的剩余太陽(yáng)能分子能量?jī)?chǔ)存作為能源儲(chǔ)備，以一種基于化學(xué)分子能量的存儲(chǔ)形式對(duì)其進(jìn)行連續(xù)儲(chǔ)存，有利于在冬季太陽(yáng)光不充足的氣候條件下能夠繼續(xù)為光伏負(fù)載設(shè)備進(jìn)行連續(xù)供電。本文主要介紹研究的一種新型光儲(chǔ)式光伏微電網(wǎng)管理系統(tǒng)，其主要部件包括光伏發(fā)電陣列、boost-up升壓控制電路、雙向dc/dc轉(zhuǎn)換器、蓄電池、逆變器及不同的供電負(fù)載和零部件部分，如軟件圖2所示。系統(tǒng)的每個(gè)母線正常工作電壓值為=700v。其中，光伏電池陣列的所有輸入和輸出功率都應(yīng)該是隨著它的光照強(qiáng)度、環(huán)境中的溫度、負(fù)荷的強(qiáng)度變化而不斷產(chǎn)生的有間歇性的溫度變化。光伏陣列在最高功率節(jié)點(diǎn)上工作，這樣就可以盡量有效地利用太陽(yáng)能。boost-up升壓電路就是起到控制光伏系統(tǒng)陣列輸入和供電的主要作用。該電路是等價(jià)于一個(gè)阻抗匹配器，為使光伏陣列工作在最高功率端處，可根據(jù)各種實(shí)際情況改變相應(yīng)等效阻抗的位置和大小。boost直流電路也可以是一個(gè)能夠起直流升壓作用的電路，能夠給一個(gè)前級(jí)直流電路提供一個(gè)滿足要求的直流電源母線輸出電壓，給后級(jí)直流電路提供一個(gè)可靠的直流電源。

3.2、光儲(chǔ)聯(lián)合微電網(wǎng)的綜合控制

在當(dāng)前我國(guó)大型微電網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)與經(jīng)營(yíng)運(yùn)行的每一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，控制這些技術(shù)問(wèn)題都應(yīng)該具有十分重要的指導(dǎo)作用[7]。一般大型微電網(wǎng)與大型微電網(wǎng)相互沒(méi)有聯(lián)系，在并網(wǎng)系統(tǒng)操作下微電網(wǎng)主要由大型微電網(wǎng)直接負(fù)責(zé)支配。所以當(dāng)大型無(wú)線電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生重大故障或被維護(hù)人員禁止進(jìn)行異常檢修時(shí)，處于單獨(dú)的孤島式正常運(yùn)行維護(hù)狀態(tài)下的小型無(wú)線微電網(wǎng)，為系統(tǒng)的正常維穩(wěn)工作注入另外一劑新的強(qiáng)心藥?？墒牵?dāng)原微配電網(wǎng)恢復(fù)正常，微電網(wǎng)重新恢復(fù)正常并網(wǎng)后，所帶來(lái)的巨大沖擊將可能會(huì)給整個(gè)正常運(yùn)行中的微配電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響，進(jìn)而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失[8]。針對(duì)這一重要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)問(wèn)題筆者進(jìn)行深入研究，在普遍缺乏電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制策略的現(xiàn)實(shí)條件下，雖然一個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠平滑地由一個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)模型直接通過(guò)切換進(jìn)入到系統(tǒng)孤島并網(wǎng)模型，但是在系統(tǒng)并網(wǎng)的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，它們往往會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生大量無(wú)限大功率的振蕩，可能會(huì)影響到并網(wǎng)系統(tǒng)的工作電壓，使得系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性有所下降。另外一些國(guó)際有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)還提出采用具有一種倒轉(zhuǎn)向下垂直式特性的并網(wǎng)控制操作方法（droop）可用來(lái)直接控制整個(gè)微電網(wǎng)，這種特性控制操作方法雖然可以完全通過(guò)不同的操作模式進(jìn)行變換的并網(wǎng)切換操作過(guò)程，但是在微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性還是會(huì)因?yàn)槠湓诓⒕W(wǎng)操作過(guò)程中所需要的持續(xù)時(shí)間太久而受到很大影響[9]。在這一操作步驟中，微電網(wǎng)對(duì)于外部電能的傳輸質(zhì)量消耗進(jìn)行直接牽制，從而直接影響內(nèi)部敏感區(qū)的電源開(kāi)關(guān)負(fù)載的正常工作。微電網(wǎng)在不同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行條件模型下的各種操作控制系統(tǒng)戰(zhàn)略都一定要能夠保證該操作系統(tǒng)安全和穩(wěn)定的正常運(yùn)行，使得應(yīng)用微電網(wǎng)的各種操作系統(tǒng)特性因此變得更加靈活，也因此不斷提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文是針對(duì)由光伏、儲(chǔ)能組成的小型微電網(wǎng)體系提出的一種互相聯(lián)合的運(yùn)行管理控制戰(zhàn)略。從理論上詳細(xì)地分析光儲(chǔ)聯(lián)合微電網(wǎng)中各個(gè)逆變器的具體工作原理和其特性，并為此設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的工作模型以及每一個(gè)部分的控制單元。基于 pscad / emtdc 軟件進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，它驗(yàn)證了該系統(tǒng)控制器的正確度和應(yīng)用的可行性。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠平抑（抑制）光伏發(fā)電量的波動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)和互補(bǔ)，有效地解決光伏超發(fā)、欠發(fā)等特殊情況下大型負(fù)荷的供電。在各種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和方法合理的情況下，不同的工作模式之間進(jìn)行切換時(shí)，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

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