微電網(wǎng)負(fù)荷平衡優(yōu)化運(yùn)行控制技術(shù)及仿真分析

摘" 要：該文主要探究微電網(wǎng)負(fù)荷平衡優(yōu)化控制技術(shù)在并網(wǎng)、孤網(wǎng)，以及并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)等不同運(yùn)行狀況下的應(yīng)用效果。首先介紹微電網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)，以及微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行、并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)、孤網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)3種模式下的負(fù)荷平衡優(yōu)化控制策略。隨后利用仿真軟件Matlab搭建光儲(chǔ)混合微電網(wǎng)仿真模型。利用該模型對(duì)微電網(wǎng)負(fù)荷平衡優(yōu)化控制技術(shù)的應(yīng)用效果展開仿真分析。結(jié)果表明，在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，大電網(wǎng)與微電網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，維持微電網(wǎng)功率平衡；在孤網(wǎng)運(yùn)行和并轉(zhuǎn)孤時(shí)，蓄電池可向微電網(wǎng)提供電壓與頻率，保證功率平衡和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；并網(wǎng)；孤網(wǎng)；蓄電池；光伏發(fā)電

中圖分類號(hào)：TM743" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）31-0075-04

Abstract： This paper mainly explores the application effect of microgrid load balance optimization control technology in different operating conditions， such as grid connection， isolated grid， and grid connection to solitary grid. Firstly， this paper introduces the overall structure of microgrid and the load balance optimization control strategy of microgrid under three modes： grid-connected operation， grid-connected to isolated grid and isolated grid to grid-connected. Then the simulation model of optical storage hybrid microgrid is built by using the simulation software Matlab. The model is used to simulate and analyze the application effect of microgrid load balance optimization control technology. The results show that when connected to the grid， the large grid and the microgrid can realize two-way energy flow and maintain the power balance of the microgrid， and when the isolated grid is running and paralleling to solitary， the battery can provide voltage and frequency to the microgrid， so as to ensure the power balance and stable operation of the system.

Keywords： microgrid; grid connection; isolated grid; battery; photovoltaic power generation

微電網(wǎng)是一個(gè)由分布式電源、負(fù)荷、控制和保護(hù)等裝置共同組成的復(fù)雜系統(tǒng)，可以作為大電網(wǎng)的補(bǔ)充，在大電網(wǎng)因?yàn)橥话l(fā)故障發(fā)生斷電后，立即投切向用戶提供電能，滿足用戶的用電需求。微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的結(jié)合，在保證供電可靠性、減小大電網(wǎng)在用電高峰期的負(fù)擔(dān)，以及減小諧波污染、提高電能質(zhì)量等方面均表現(xiàn)出突出優(yōu)勢(shì)。微電網(wǎng)的電能來源以可再生能源為主，如太陽能、風(fēng)能等；其運(yùn)行模式有2種，即并網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行。不同運(yùn)行模式下，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的能量交換也存在差異。采取負(fù)荷平衡優(yōu)化控制技術(shù)，能夠最大程度上降低兩網(wǎng)融合時(shí)的不良影響（如電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)等），保證電力系統(tǒng)總體性能達(dá)到最優(yōu)。

1" 微電網(wǎng)負(fù)荷平衡優(yōu)化運(yùn)行控制技術(shù)

1.1" 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成

某發(fā)電企業(yè)在建筑物頂部安裝太陽能光伏發(fā)電設(shè)備，構(gòu)建能夠在離網(wǎng)模式下獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng)。光伏發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的電能采用380 V低壓并網(wǎng)方式接入建筑內(nèi)部電網(wǎng)，滿足建筑內(nèi)部照明、電梯的電氣設(shè)備的用電需求；多余電能通過蓄電池保存，蓄電池SOC（荷電狀態(tài)）的充電上限為80%、放電下限為20%。該微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1.2" 并網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷平衡優(yōu)化控制策略

當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，根據(jù)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間能量交換方式的不同，選擇差異化的控制策略。

策略一：2種電網(wǎng)之間允許能量的雙向流動(dòng)，優(yōu)先考慮分布式電源調(diào)節(jié)，提高光電的利用效率，分布式電源的輸出功率達(dá)到最大。

策略二：若2種電網(wǎng)之間存在單向的能量流動(dòng)，即只允許微電網(wǎng)從大電網(wǎng)吸收功率，不允許向大電網(wǎng)輸出功率，優(yōu)先考慮“分布式電源+大電網(wǎng)”同步調(diào)節(jié)[1]。

從理論層面上看，策略二的調(diào)控效果更好，但是在實(shí)際中經(jīng)常會(huì)因?yàn)榉植际诫娫春痛箅娋W(wǎng)額定電壓差距太大、兼容性不好等原因，導(dǎo)致調(diào)控效果不穩(wěn)定、操作難度增加，因此本文選擇策略一用于并網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷平衡優(yōu)化控制，其控制流程如圖2所示。

圖2中，P1表示所有光伏當(dāng)前狀態(tài)下輸出的最大功率，P2表示負(fù)荷總功率，Pmax表示蓄電池最大充放電功率。在整個(gè)并網(wǎng)運(yùn)行中，微電網(wǎng)中光伏均設(shè)置為MPPT（最大功率的跟蹤）運(yùn)行模式[2]。根據(jù)電源與負(fù)荷關(guān)系的不同，控制策略有以下6種（S1—S6）。

若P1-P2gt;0，這種情況下微電網(wǎng)不會(huì)從大電網(wǎng)中吸收功率，而是由蓄電池自身的SOC決定蓄電池處于何種工作模式。若SOClt;80%，進(jìn)一步對(duì)比P1-P2與Pmax的值，若前者大，則蓄電池以恒定最大功率充電，超出電量輸入到大電網(wǎng)中，對(duì)應(yīng)控制策略S2；若后者大，則蓄電池跟隨充電，并吸收多余電量，對(duì)應(yīng)控制策略S1。若SOCgt;80%，此時(shí)蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài)，充電電流約等于0，超出電量輸入到大電網(wǎng)中，對(duì)應(yīng)控制策略S3。

若P1-P2lt;0，同樣需要判斷蓄電池的荷電狀態(tài)。若SOCgt;20%，進(jìn)一步對(duì)比P1-P2與Pmax的值，若前者大，蓄電池以恒定最大功率放電，若放電過程中產(chǎn)生功率缺額，則由大電網(wǎng)予以補(bǔ)充，對(duì)應(yīng)控制策略S5；若后者大，蓄電池跟隨放電，補(bǔ)充缺少的功率，對(duì)應(yīng)控制策略S4。若SOClt;20%，蓄電池不工作，完全由大電網(wǎng)供電，對(duì)應(yīng)控制策略S6。

1.3" 并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)負(fù)荷平衡優(yōu)化控制策略

根據(jù)轉(zhuǎn)網(wǎng)行為是否在計(jì)劃范圍之內(nèi)，可以將并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)分成2種類型：計(jì)劃孤網(wǎng)、非計(jì)劃孤網(wǎng)。后者是在發(fā)生計(jì)劃外突發(fā)事件后，不得不將并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)外孤網(wǎng)模式，會(huì)影響微電網(wǎng)的正常運(yùn)行，并導(dǎo)致運(yùn)維成本的攀升，這種非計(jì)劃孤網(wǎng)是必須要禁止的[3]。因此，本文只討論計(jì)劃孤網(wǎng)，其控制流程如圖3所示。

由圖3可知，微電網(wǎng)計(jì)劃孤網(wǎng)的控制策略包括4種（F1—F4），具體如下：在P1-P2gt;0，同時(shí)滿足SOClt;80%的情況下，1#樓屋頂光伏停止工作，執(zhí)行控制策略F1；在P1-P2lt;0，同時(shí)滿足SOCgt;80%的情況下，1#樓屋頂光伏停止工作，使凈負(fù)荷大于0，執(zhí)行控制策略F2；在P1-P2lt;0，同時(shí)滿足SOCgt;20%的情況下，切除電源負(fù)荷、照明負(fù)荷，執(zhí)行控制策略F3；在P1-P2lt;0，同時(shí)滿足SOClt;20%的情況下，將全部負(fù)荷切除，使凈負(fù)荷小于0，執(zhí)行控制策略F4。無論采取何種控制策略，在執(zhí)行完畢后，都需要將微電網(wǎng)的總開關(guān)PCC斷開，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)蓄電池工作模式的切換。在順利切換完畢后，微電網(wǎng)從并網(wǎng)模式切換成孤網(wǎng)模式。

1.4" 孤網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)負(fù)荷平衡優(yōu)化控制策略

假設(shè)大電網(wǎng)電壓為Un，微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運(yùn)行模式下的電壓為Ud，要想讓微電網(wǎng)順利并入大電網(wǎng)，必須滿足以下條件

Fd=Fn，

ωd-ωn=0，

即大電網(wǎng)側(cè)電壓頻率與微電網(wǎng)側(cè)電壓頻率相等，并且兩個(gè)電壓的相角差為0。在同時(shí)滿足上述2個(gè)條件的情況下，能夠讓并網(wǎng)合閘時(shí)的沖擊電流為0，最大程度上降低并網(wǎng)合閘對(duì)大電網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響[4]。但是，在實(shí)際中由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)等因素的影響，很難達(dá)到上述理想條件。因此，本文認(rèn)為只需要滿足以下條件

|Fd-Fn|?F0，

即可將并網(wǎng)合閘時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流控制在相對(duì)安全范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)大電網(wǎng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。上式中F0表示微電網(wǎng)和大電網(wǎng)兩側(cè)頻率差定值。同期并網(wǎng)邏輯為主控制器會(huì)按照設(shè)定好的頻率循環(huán)檢測(cè)是否有來自能量管理系統(tǒng)的“結(jié)束計(jì)劃孤網(wǎng)”指令。在檢測(cè)到該指令后，微電網(wǎng)內(nèi)、外2個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行同期檢測(cè)。若滿足同期條件，則將內(nèi)外系統(tǒng)連接點(diǎn)處的斷路器閉合，同步生成“切換并網(wǎng)模式”的指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)該指令將儲(chǔ)能模式從V/f模式轉(zhuǎn)換成PQ模式，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從孤網(wǎng)向并網(wǎng)的切換。孤網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的控制流程如圖4所示。2" 微電網(wǎng)運(yùn)行仿真分析

為探究上文設(shè)計(jì)的多種控制策略的應(yīng)用效果，本文基于Matlab仿真軟件搭建了光儲(chǔ)混合微電網(wǎng)仿真模型。該模型可用于光伏電源、蓄電池等微電源的特性分析，以及探究不同微電源相互作用對(duì)微電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。同時(shí)，支持微電網(wǎng)在并網(wǎng)、孤網(wǎng)以及并轉(zhuǎn)孤、孤轉(zhuǎn)并4種狀態(tài)下的靈活切換，進(jìn)而探究不同運(yùn)行模式下微電網(wǎng)自身特性及對(duì)大電網(wǎng)產(chǎn)生的影響[5]。該模型中，對(duì)于光伏微電源選擇了恒功率控制策略，蓄電池并網(wǎng)選擇了恒功率控制策略，孤網(wǎng)時(shí)選擇了恒壓恒頻控制策略。

2.1" 微電網(wǎng)并網(wǎng)仿真分析

微電網(wǎng)在初始運(yùn)行條件下，光伏系統(tǒng)輸出功率為2.8～3.2kW，蓄電池以-0.7～-1.7kW恒功率進(jìn)行充電，為了滿足負(fù)荷需求，需要從大電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送有功功率，分析此時(shí)光伏輸出發(fā)生變化，仿真結(jié)果如圖5所示。

結(jié)合圖5可知，從0.3 s開始光伏系統(tǒng)的輸出功率開始出現(xiàn)變化。在微電網(wǎng)運(yùn)行的0～0.3 s，光伏系統(tǒng)的輸出功率為正弦波，穩(wěn)定在2.5～3.2 kW。從0.3 s開始，光伏系統(tǒng)的輸出功率開始增加，經(jīng)過0.5 s后達(dá)到了4.2 kW，并很快穩(wěn)定在4.0～4.2 kW。同樣的，在0.3 s以后，大電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送的功率也穩(wěn)定在-0.5 kW。上述仿真結(jié)果表明，若光伏系統(tǒng)實(shí)際輸出功率無法同時(shí)滿足蓄電池充電和負(fù)荷需求時(shí)，需要有大電網(wǎng)向微電網(wǎng)補(bǔ)充缺失的功率。相反，如果光伏系統(tǒng)輸出功率超出了蓄電池充電和負(fù)荷的總需求，那么剩余的電能會(huì)輸入到大電網(wǎng)中。在0.3～0.35 s時(shí)，電網(wǎng)頻率會(huì)發(fā)生小幅度的波動(dòng)，這說明微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間存在能量流動(dòng)。

2.2" 微電網(wǎng)孤網(wǎng)仿真分析

微電網(wǎng)在初始運(yùn)行條件下，光伏系統(tǒng)輸出功率為1.1～1.3kW，蓄電池輸出功率為1.7～2.2kW，為了滿足負(fù)荷需求，需要從大電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送有功功率。在微電網(wǎng)運(yùn)行0.3 s后，光伏系統(tǒng)輸出功率的變化結(jié)果如圖6所示。

結(jié)合圖6可知，當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行0.3 s后，光伏系統(tǒng)的輸出功率開始發(fā)生變化。在0～0.3 s時(shí)，其功率穩(wěn)定在1.1～1.2 kW；從0.3 s開始功率上升，經(jīng)過0.5 s后達(dá)到2.4 kW，并最終穩(wěn)定在2.2～2.4 kW。這一仿真結(jié)果表明，微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，選擇V/f控制模式的蓄電池可以發(fā)揮調(diào)節(jié)微電網(wǎng)內(nèi)功率平衡的作用。

2.3" 微電網(wǎng)模式切換仿真分析

這里以微電網(wǎng)“并轉(zhuǎn)孤”切換為例，對(duì)模式切換時(shí)的輸出功率進(jìn)行仿真。微電網(wǎng)的初始條件設(shè)定如下：光伏系統(tǒng)輸出功率為0.5～1.5 kW，蓄電池以-0.5～-1.25kW恒功率進(jìn)行充電，為了滿足負(fù)荷需求，需要從大電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送有功功率。在運(yùn)行0.3 s后，將微電網(wǎng)運(yùn)行模式從并網(wǎng)切換成孤網(wǎng)；同時(shí)調(diào)整蓄電池的控制模式，從并網(wǎng)狀態(tài)下的PQ控制調(diào)整為孤網(wǎng)狀態(tài)下的V/f控制。并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)后微電網(wǎng)輸出功率的仿真結(jié)果如圖7所示。

結(jié)合圖7可知，當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行0.3 s后，總開關(guān)PCC斷開，此時(shí)微電網(wǎng)突然出現(xiàn)較大的功率缺失。蓄電池的控制模式轉(zhuǎn)為V/f控制后，會(huì)向外放電來彌補(bǔ)微電網(wǎng)缺失的一部分功率，因此圖7中蓄電池輸出功率在0.3 s后開始快速升高，并經(jīng)過0.05 s后達(dá)到峰值2.2 kW。之后再經(jīng)過0.05 s的調(diào)整，從0.4 s開始進(jìn)入到穩(wěn)定狀態(tài)，維持在1.5～1.7 kW。光伏系統(tǒng)的輸出功率只在并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)的瞬間發(fā)生跳動(dòng)，完成轉(zhuǎn)換后快速回到之前的穩(wěn)態(tài)。

3" 結(jié)論

在微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，采取符合平衡優(yōu)化控制策略，能夠根據(jù)其運(yùn)行模式的不同采取相應(yīng)的調(diào)控措施，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了光電的利用率。在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，可以利用微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間雙向流動(dòng)的能量，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)功率平衡，保證并網(wǎng)時(shí)對(duì)大電網(wǎng)電壓、功率的沖擊影響降到最低；在孤網(wǎng)運(yùn)行模式下，由蓄電池提供系統(tǒng)工作所需的電壓和頻率，在蓄電池的調(diào)節(jié)作用下維持功率平衡，讓微電網(wǎng)系統(tǒng)得以穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)行負(fù)荷平衡優(yōu)化控制策略，徹底解決了分布式電源不可控的缺陷，對(duì)微電網(wǎng)的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳莉偉，姚方，馬光輝.考慮源荷交互的獨(dú)立微電網(wǎng)分層優(yōu)化調(diào)度[J].電網(wǎng)與清潔能源，2021（8）：171-172.

[2] 陳創(chuàng)業(yè)，雷乘龍.基于智能建筑微電網(wǎng)的分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)研究[J].電子元器件與信息技術(shù)，2021（7）：54-56.

[3] 劉俊峰，羅燕，侯媛媛，等.考慮廣義儲(chǔ)能的微電網(wǎng)主動(dòng)能量管理優(yōu)化算法研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2023（1）：11-12.

[4] 盧自寶，鐘尚鵬，郭戈.基于分布式策略的直流微電網(wǎng)下垂控制器設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2021（10）：12-15.

[5] 柳丹，康逸群，熊平.計(jì)及經(jīng)濟(jì)性和光伏消納率的微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化策略研究[J].電力需求側(cè)管理，2023（2）：6-7.