光儲微電網(wǎng)研究現(xiàn)狀及其在農(nóng)業(yè)領域應用發(fā)展趨勢

楊旭超　劉金輝　李建軍　潘鵬　葛勇

摘 要：近年來，光儲微電網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領域的應用嶄露頭角，以其無污染、無噪聲、可再生等特點成為國內(nèi)外的熱點研究課題。由于光伏電池的物理特性以及微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)多元性，使得光儲微電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)設計、運行調(diào)度和保護控制等方面存在技術(shù)壁壘。該文對當前主流的光儲微電網(wǎng)控制策略和光儲協(xié)調(diào)控制等關鍵技術(shù)進行了闡述與總結(jié)，以期為我國農(nóng)業(yè)領域發(fā)展的研究提供參考。

關鍵詞：農(nóng)業(yè)領域;光儲微電網(wǎng);功率分配;控制策略

中圖分類號 TM615;F323 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）07-0142-03

信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)的深度融合已經(jīng)成為我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，農(nóng)業(yè)信息感知數(shù)字化、管理決策科學化以及農(nóng)業(yè)裝備智能化等已經(jīng)成為提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的重要途徑[1]。面對我國南疆地廣人稀的地域特點，如果僅依靠集中式供電網(wǎng)絡為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供電能，不僅增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，而且可靠性得不到保障。就地取能是獲取電能的最佳途徑，南疆地區(qū)擁有得天獨厚的太陽能資源，由光儲構(gòu)成的微電網(wǎng)將成為南疆地區(qū)發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)最有效的供電形式之一。

隨著半導體技術(shù)的成熟，太陽能的消費量占比逐年擴大，有效地緩解了人類社會對傳統(tǒng)能源的依賴。但是太陽能在實際使用中表現(xiàn)出的隨機性和間歇性，嚴重影響其利用率。為了提高太陽能供電的可靠性以及改善電能質(zhì)量，光儲微電網(wǎng)的構(gòu)思孕育而生。電力電子變換器應用解決了直流電電壓變化的問題，加之直流負荷的設備與人類的生活息息相關，如通訊設備、LED照明及半導體設備等。光儲微電網(wǎng)將更好地切合現(xiàn)代生活對電力能源的需求和未來負荷的發(fā)展[2]。

1 光伏微電網(wǎng)

微電網(wǎng)是集發(fā)配輸為一體的小型的電力網(wǎng)絡，是由分布式電源（DG）、控制器、儲能單元和負荷等構(gòu)成的自治系統(tǒng)，依靠自身控制及能源管理實現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡和電能質(zhì)量治理[3-5]。相較于傳統(tǒng)的集中式高壓配電方式可靠性低和調(diào)節(jié)能力差的問題，采用DG的微電網(wǎng)以靈活、高效應用實現(xiàn)對負荷的高可靠供給。

微電網(wǎng)作為一種新式能源結(jié)構(gòu)，母線電壓是反映微電網(wǎng)可靠性的唯一指標。微電網(wǎng)在無大電網(wǎng)支撐下，由于自身的能量容量有限、組織結(jié)構(gòu)單薄，致使微電網(wǎng)系統(tǒng)運行時表現(xiàn)低慣量、弱阻尼的特性。母線電壓極易受光伏輸出功率的隨機性和負荷功率投切而產(chǎn)生能量波動，如何迅速平抑系統(tǒng)中的能量波動，為負荷提供持續(xù)可靠的供電，是一個值得深入研究的課題。為此，研究光儲微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行控制策略具有現(xiàn)實意義。

2 光儲微電網(wǎng)控制策略

在光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)中，直流母線兩端分布大量電力電子變換器，對于不同作用的變換器的控制目標和控制方法各有不同，因此微電網(wǎng)中各變換器之間需要控制策略。通常的控制策略有集中式控制、分布式控制和分層式控制3種。其中，分層控制且有可靠性、經(jīng)濟性和效率的優(yōu)點，優(yōu)于前兩者，并且對通信鏈路依賴低，降低系統(tǒng)設計的復雜性。

分層控制能夠處理各節(jié)點的信息，并將處理后的結(jié)果送至各單元，用來控制各單元的相關裝置，以使微電網(wǎng)的電壓和頻率達到穩(wěn)定。分層結(jié)構(gòu)按優(yōu)先度將微電網(wǎng)的組網(wǎng)控制劃分為多個控制層，包括微源控制層和微電網(wǎng)管理層2層控制結(jié)構(gòu)。

2.1 微源控制層 該層控制可分為主從控制和對等控制。在主從控制模式下，設定采用V/F控制的一個或多個DG作為主電源，將該主電源電壓以及頻率作為參考值，其他DG則采用P/Q控制。因負荷投切造成的功率的變化由主電源支撐，因此要求其容量必須充足以及能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從屬的微源能夠在突發(fā)情況下及時調(diào)用確保穩(wěn)定性。而對等控制中各DG或儲能裝置在參與微電網(wǎng)電壓、頻率調(diào)節(jié)和控制過程中地位是相等的，根據(jù)微源接入點就地進行信息控制。若其中某一控制單元出現(xiàn)故障時，其余控制單元仍然可以維持系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。與主從控制相比，采用下垂控制的微源可以自動進行負荷功率的分配，易于實現(xiàn)即插即用的功能。

2.2 微電網(wǎng)管理層 微電網(wǎng)管理層控制的主要解決微源控制層出現(xiàn)母線電壓和頻率偏移問題。集中二次控制是一種常用的控制方法，由微電網(wǎng)中心控制器（MGCC）實時檢測微電網(wǎng)電壓和頻率，通過調(diào)整微電網(wǎng)中各電力電子變換器下垂系數(shù)，回調(diào)電壓和頻率偏移量。其缺陷在于各控制功能均由MGCC實現(xiàn)，因而MGCC出現(xiàn)故障時，微電網(wǎng)將無法正常運行，嚴重影響系統(tǒng)可靠性;另一種方法為分布式協(xié)同控制。將微電網(wǎng)內(nèi)各主控單元與鄰近單元主控單元的輸出電壓、頻率等信息交換，通過算法實現(xiàn)自身狀態(tài)更新，消除微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和頻率的偏移量，提高微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的可靠性。

3 光儲微電網(wǎng)協(xié)調(diào)分析

光伏功率的間歇性和波動性以及與負荷消耗功率的不匹配引起的系統(tǒng)功率失衡，主要依靠儲能裝置進行協(xié)調(diào)控制[11]。目前，混合儲能技術(shù)是一種有效可行的方案，能量型儲能裝置具有儲能容量大的特點，為系統(tǒng)削峰填谷和電壓支撐提供必要手段，功率型儲能裝置提高系統(tǒng)的響應速度，能夠迅速平抑系統(tǒng)波動。兩者相結(jié)合的混合儲能系統(tǒng)獲得功率和能量密度的互補優(yōu)勢，確保微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

3.1 儲能單元運行模式 針對光儲微電網(wǎng)“即插即用”的設計期望，對微電網(wǎng)功率分配策略的通用性和魯棒性提出了更高要求。配合負荷的投切實現(xiàn)儲能單元工作在不同模式下，充分利用儲能單元的能量容量提升系統(tǒng)抑制母線電壓和頻率波動能力[13]。表1是儲能系統(tǒng)工作在不同工作條件得工作模式，其中PPV、Pload和Pbat分別表示光伏單元輸出功率、負荷功率和儲能單元充電上限功率。

3.2 功率分配控制 依據(jù)微電網(wǎng)的不同工作條件，DG或儲能單元需要采取不同的控制策略運行不同的工作模式，主要分為恒功率控制、恒壓控制和下垂控制。在多儲能單元的微電網(wǎng)中通常采用分散特性的下垂控制來實現(xiàn)負荷功率在各微源間分配。依據(jù)功率變化決定頻率和電壓的F/P和V/Q下垂控制方法，反之是P/F和Q/V下垂控制方法。其原理是引入下垂系數(shù)產(chǎn)生一個虛擬阻抗效果，使母線電壓值線性變化，從而實現(xiàn)功率的動態(tài)分配[12]。其中傳統(tǒng)的功率/電壓（P/V）的下垂表達式：

式中：Udc_ref為母線標準電壓;Udc_i、Ri和Pbat_i別為第i個儲能單元的輸出電壓、下垂系數(shù)和輸出功率?？紤]到各儲能單元都并聯(lián)在直流母線兩端，假定忽略線路阻抗差異可以得出各儲能單元端口電壓相同，即：

對于系統(tǒng)缺額功率的分配，各儲能單元的輸出功率與下垂系數(shù)成反比關系，改變儲能單元間的下垂系數(shù)即可以實現(xiàn)負荷功率分配。

但在實際工程應用中，儲能單元與母線之間的阻抗嚴重負荷功率精準分配。針對這個問題，鄧<H：＼安徽農(nóng)學通報202207＼Z1.eps>一等[14]采用二次調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的方法對母線電壓進行補償，但增加了系統(tǒng)的復雜程度，降低系統(tǒng)的可靠性。呂振宇等[15]采用分組一致性算法對全網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)過迭代能夠動態(tài)找尋目標虛擬電阻實現(xiàn)自適應下垂控制，并且對微電網(wǎng)負荷功率突變具有較強的適應性。張玉等[16]采用模糊控制對下垂系數(shù)進行實時優(yōu)化，使初始下垂曲線系數(shù)有效發(fā)生動態(tài)調(diào)整，在實現(xiàn)對缺額功率的合理化分配。針對不同頻率特性的功率波動與混合儲能單元間的有效分配。丁明等[17]采用一階低通濾波器對確定平抑功目標，利用模糊控制技術(shù)對超出的功率偏差在蓄電池和超級電容之間進行分配?？梢杂行Ю没旌蟽δ芟到y(tǒng)的優(yōu)點，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應速度以及功率分配精度。然而以上方法都未考慮各儲能單元之間的SOC不平衡的問題，鄭麗君[18]介紹一種基于儲能荷電狀態(tài)（SOC）的多儲能單元分級運行控制，實現(xiàn)各儲能單元間SOC均衡和協(xié)調(diào)運作，避免因工作模式切換導致的直流母電壓波動。

4 光儲微電網(wǎng)今后需要研究的問題

隨著微電網(wǎng)控制技術(shù)和儲能技術(shù)的發(fā)展，光儲微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)呈多元化發(fā)展趨勢[19]。在如何實現(xiàn)光儲微電網(wǎng)的可靠與穩(wěn)定運行的領域，還有眾多問題值得深入研究。

儲能技術(shù)促進光伏能源的消納，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的靈活性。目前，儲能成本仍處于較高水平，在大規(guī)模使用能量型儲能裝置時不免要考慮經(jīng)濟因素，而且微電網(wǎng)系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)啟停頻繁、響應快的要求，嚴重影響儲能設備的使用壽命?，F(xiàn)階段，可以采用如超級電容和飛輪儲能與蓄電池結(jié)合的混合儲能系統(tǒng)，通過對儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置和相應的協(xié)調(diào)控制策略，提升儲能系統(tǒng)的可靠性和安全性。其次，在系統(tǒng)在設計時，系統(tǒng)的儲能容量規(guī)劃必須是在微電網(wǎng)經(jīng)濟性和系統(tǒng)運行性能中間尋求平衡點，做到兩者兼顧實現(xiàn)微電網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢最大化。

光伏功率預測技術(shù)是對輸出功率進行準確預測，判斷系統(tǒng)功率變化趨勢有助于系統(tǒng)提前預測模型，以便規(guī)避風險提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性。但預測功率控制是一種極度依賴標準模型的控制策略，面對突發(fā)情況很容易導致系統(tǒng)參數(shù)與控制模型失配，而傳統(tǒng)的延時補償環(huán)節(jié)補償效果則不能及時響應。這就要求我們在微電網(wǎng)設計規(guī)劃時多增設層防護措施，提高系統(tǒng)魯棒性。

自適應頻率是微電網(wǎng)實現(xiàn)穩(wěn)定高效工作的重要手段。由于微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜和接入負荷種類繁多，難以得到準確的微電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型，導致控制器參數(shù)很難整定。其次，微電網(wǎng)在工作時為時變非線性系統(tǒng)，智能算法雖能在實現(xiàn)非線性系統(tǒng)自適應控制和尋優(yōu)過程中有突出的能力，但該類算法運算對硬件的要求較高，且龐大的邏輯運算必然導致降低算法的收斂速度。因此，在提升算法收斂速度的同時也要考慮經(jīng)濟適用性。

5 結(jié)語

近年來，一站式將新科技、新業(yè)態(tài)和新模式被引入到我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展中，探索創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)運營模式，助力農(nóng)業(yè)向規(guī)?；⒅腔刍?、集約化、特色化等方向發(fā)展。我國農(nóng)業(yè)規(guī)模逐年擴大，作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中必需品的電力遠離配電網(wǎng)已成常態(tài)，遠距離輸電造成的線路損耗加重農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。并且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程對電的質(zhì)量、穩(wěn)定性和可靠性要求都很高。在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的大背景下，光伏與農(nóng)業(yè)結(jié)合備受民眾矚目，一個是綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的明日之星，一個是穩(wěn)定經(jīng)濟全局的壓艙石。未來光伏微電網(wǎng)將契合我國能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，對智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著廣泛的意義。

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（責編：張宏民）

Research Status of Optical Storage Micro-grid and its Development Trend in Agriculture

YANG Xuchao1，2? ?LIU Jinhui1，2? ?LI Jianjun1，2，3? ?PAN Peng1，2? ?GE Yong1，2

（1College of Mechanical and Electronic Engineering， Tarim University， Alar 843300， China; 2The Key Laboratory of College&Universities under the Department of Education of Xinjiang， Alar 843300， China; 3Xinjiang University of Political Science and Law， Tumshuke 843900， China）

Abstract： In recent years， the application of optical storage micro-grid in agriculture has become a hot research topic because of its non-pollution， non-noise， renewable and so on. Because of the physical characteristics of photovoltaic cells and the diversity of the micro-grid topology， there are technical barriers in the structure design， Operation Scheduling and protection control of the micro-grid. In this paper， the main control strategies of optical storage micro-grid and the key technologies of optical storage coordinated control are introduced and summarized， so as to provide reference for the development of agriculture in China.

Key words： Agriculture; Optical storage micro-grid; Power distribution; Control strategy

作者簡介：楊旭超（1995—），男，陜西寶雞人，碩士研究生，研究方向：可再生能源發(fā)電與控制技術(shù)。 通訊作者：李建軍（1972—），男，黑龍江肇東人，副教授，碩士，研究方向：可再生能源發(fā)電與控制技術(shù)。? 收稿日期：2021-11-20