風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬越超

包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030

0 引言

隨著我國(guó)持續(xù)推進(jìn)能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，風(fēng)電、天然氣、光伏等已成為我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化、保障能源安全的重要內(nèi)容[1-2]。但風(fēng)力發(fā)電具有巨大的隨機(jī)性，發(fā)電量極不穩(wěn)定。如果不設(shè)置合理的儲(chǔ)能裝置，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成巨大的沖擊。因此，逐步形成了以風(fēng)能、太陽(yáng)能和儲(chǔ)能系統(tǒng)為主的微電網(wǎng)。

微電網(wǎng)從結(jié)構(gòu)上可以分為交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)兩種形式，均可以并網(wǎng)和孤島運(yùn)行。目前，對(duì)微電網(wǎng)的研究主要集中在運(yùn)行控制策略方面，但微電網(wǎng)內(nèi)部能量流動(dòng)關(guān)系復(fù)雜多變，因此研究如何對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行管理具有重要的意義。

1 直流微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要采用風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。由于直流母線電壓是評(píng)判系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡與否的唯一要素，故該監(jiān)控系統(tǒng)主要針對(duì)風(fēng)機(jī)功率、負(fù)荷功率、蓄電池荷電狀態(tài)（SOC）及直流母線電壓進(jìn)行監(jiān)控。相應(yīng)的能量管理系統(tǒng)也重點(diǎn)在于平衡負(fù)荷、風(fēng)機(jī)和儲(chǔ)能單元三者之間的關(guān)系。

1.1 直流微電網(wǎng)能量流動(dòng)關(guān)系及各變換器控制策略

該系統(tǒng)可以在并網(wǎng)和孤島兩種狀態(tài)下運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由大電網(wǎng)控制母線電壓，風(fēng)機(jī)保持最大功率跟蹤，蓄電池恒流充電；當(dāng)系統(tǒng)孤島運(yùn)行時(shí)，設(shè)定蓄電池充當(dāng)系統(tǒng)的松弛終端，同時(shí)為了提高新能源利用率，優(yōu)先采用風(fēng)機(jī)提供能量。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率大于負(fù)荷所需功率時(shí)，為了保持內(nèi)部功率平衡，將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)盈余功率存儲(chǔ)到蓄電池中；當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率小于負(fù)荷所需功率時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部功率缺額，由蓄電池釋放能量使母線電壓維持穩(wěn)定。當(dāng)蓄電池SOC達(dá)到上限時(shí)，為了保護(hù)蓄電池，可以將風(fēng)機(jī)由最大功率控制轉(zhuǎn)為限功率控制；當(dāng)蓄電池SOC達(dá)到下限時(shí)，為了維持系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡，采用負(fù)荷減載控制策略，通過(guò)切除部分非關(guān)鍵性負(fù)載，維持母線電壓的穩(wěn)定[3-5]。

1.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略

風(fēng)力發(fā)電機(jī)前級(jí)控制框圖如圖1所示。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制，可實(shí)現(xiàn)在MPPT和LPTC模式間進(jìn)行自由切換。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大利用，風(fēng)機(jī)一般工作在MPPT模式，僅在孤島當(dāng)蓄電池SOC達(dá)到上限時(shí)，采用LPTC模式。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)前級(jí)控制框圖

圖1 中，C2為直流側(cè)電容，ωref為轉(zhuǎn)速參考值，ωm為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量值。i*

sd為無(wú)功電流參考值，isd和isq為定子電流。

1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

蓄電池孤島運(yùn)行時(shí)，采用恒壓控制穩(wěn)定直流母線電壓。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)SOC在正常范圍內(nèi)時(shí)，采用恒壓充電控制策略；當(dāng)SOC達(dá)到上限時(shí)，處于浮充狀態(tài)。當(dāng)SOC到達(dá)下限時(shí)，為了保護(hù)蓄電池，并/離網(wǎng)模式下均封鎖脈沖，停止工作。蓄電池并/離網(wǎng)控制策略框圖如圖2所示。

圖2 蓄電池并/離網(wǎng)控制策略

圖2 中，Ib為蓄電池輸入電流，Ubat為蓄電池實(shí)際端電壓，Ubref為蓄電池空載端電壓；Ufref為蓄電池浮充參考電壓。

2 風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了便于對(duì)直流微電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)，運(yùn)用Unity 3D開(kāi)發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控界面，整體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，進(jìn)行仿真和上位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)時(shí)傳送風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)仿真運(yùn)行中風(fēng)速、風(fēng)機(jī)功率、蓄電池功率、蓄電池SOC等信息，并在Unity 3D監(jiān)控界面上進(jìn)行顯示，運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

圖4 風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

3 結(jié)束語(yǔ)

文章主要設(shè)計(jì)了風(fēng)儲(chǔ)直流微電網(wǎng)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及相應(yīng)控制策略的仿真運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了MATLAB/Simulink中主要仿真數(shù)據(jù)（風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等）在Unity 3D界面中的實(shí)時(shí)顯示，從而有效提高了系統(tǒng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性。