基于分層主從協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)智能管理系統(tǒng)

林慧婕，張宇峰，孫季澤

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；2.國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

氣候變化的持續(xù)威脅要求全球快速轉(zhuǎn)向可持續(xù)能源系統(tǒng)。增加可再生能源對于我國的減碳戰(zhàn)略至關(guān)重要，同時(shí)需要更高效地利用電網(wǎng)，以提高可變可再生電力的滲透率。值得一提的是，電池儲能系統(tǒng)（Battery Energy Storage Systems, BESS）在提供輔助服務(wù)（Ancillary Service）方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。而支持電網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行和參與恢復(fù)非計(jì)劃孤島（Unintentional Islanding）是BESS 未來應(yīng)用的新方向。

目前，主要設(shè)備制造商已經(jīng)得到電網(wǎng)的支持和安全開發(fā)更加有效的BESS 解決方案[1]。之前的許多文獻(xiàn)研究了BESS 在電力系統(tǒng)中的集成，包括技術(shù)和市場[2-4]，而得出的一般觀點(diǎn)是有效地集成和利用BESS 取決于儲能系統(tǒng)的高效控制能力。因此，許多工作致力于開發(fā)智能控制系統(tǒng)，通過分布式BESS[5]為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，或者在微電網(wǎng)配置中控制包括BESS[6]在內(nèi)的并網(wǎng)混合電力系統(tǒng)[7]。

本文提出了一種新的控制邏輯，通過分層智能轉(zhuǎn)換器架構(gòu)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)、負(fù)荷和混合儲能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage System, HESS）的協(xié)調(diào)管理，旨在使得微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)為電網(wǎng)提供更優(yōu)的輔助服務(wù)。具體來說，本文的控制邏輯集成了一種新算法，用于評估BESS，提供電網(wǎng)輔助服務(wù)的能力，并協(xié)調(diào)管理BESS-雙電層電容（Supercapacitor）的充放電，以確保BESS 能夠保持所需的電力。本文的工作分為：

1）使用PiCon-RET 工具[8]配置和開發(fā)主從智能轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。PiCon-RET 是基于SPEA-Ⅱ算法和電熱設(shè)計(jì)程序相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化工具，可幫助設(shè)計(jì)人員配置不同能源場景的智能轉(zhuǎn)換器。

2）通過軟件開發(fā)了一種可用于微電網(wǎng)資源協(xié)調(diào)管理和BESS-雙電層電容的耦合智能控制算法。

3）以一個(gè)并網(wǎng)住宅微電網(wǎng)的案例為例，對所提出的控制方法的有效性進(jìn)行測試。

1 本文方法

1.1 主從架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的主從架構(gòu)致力于微電網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備的協(xié)調(diào)控制。所考慮的能源環(huán)境如圖1 所示，微電網(wǎng)中的所有資源包括BESS、雙電層電容、交流負(fù)荷（AC Load）和直流負(fù)荷（DC Load），以及分布式發(fā)電機(jī)組，都由主轉(zhuǎn)換器（Master Converter, MC）控制，MC 管理分布在資源中的智能轉(zhuǎn)換器從器（Smart Converter Slaves, SCS）集群。HESS 算法通過軟件編程，集成到更通用的MC 控制流程中，使得BESS 和雙電層電容協(xié)同工作。

圖1 微電網(wǎng)主從方案

具體來說，MC 持續(xù)從SCS1、SCS2 和SCS3 接收可再生能源(Renewable Energy Sources, RES)數(shù)據(jù)，并從SCS6、SCS7、SCS8、SCS9 和SCS10 接收負(fù)荷數(shù)據(jù)。此外，它驗(yàn)證BESS 的荷電狀態(tài)(State of Charge, SoC)的瞬時(shí)值（SCS4）和雙電層電容的狀態(tài)（SCS5）。

基于這些信息，MC 能夠在能量流之間進(jìn)行連續(xù)的匹配，并應(yīng)用所提出的控制邏輯。為了最大限度地利用可再生能源，減少從電網(wǎng)中提取的電量，并應(yīng)用BESS-雙電層電容的協(xié)調(diào)控制以提高提供輔助服務(wù)的能力，MC 按照表1 中總結(jié)的步驟進(jìn)行操作。

1.2 BESS-雙電層電容的協(xié)調(diào)管理

在當(dāng)前的能源場景中，儲能系統(tǒng)越來越多地用于支持電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。在過去的10年中，電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）中已經(jīng)嵌入了算法來驗(yàn)證SoC 的瞬時(shí)值是否在可接受的范圍內(nèi)，即放電的最小值（minSoC）和充電的最大值（maxSoC）之間的范圍，以確保電池的安全。之前的許多研究還提出了BESS 控制算法，以改進(jìn)BESS 在微電網(wǎng)運(yùn)行期間參與輔助服務(wù)的能力[5-7]。為此，當(dāng)BESS 的能量儲備不足時(shí)，控制算法會從電網(wǎng)獲取所需能量。本文中，將在更高的層次上集成一個(gè)額外的控制邏輯到之前的邏輯中，將文獻(xiàn)[9]中的邏輯擴(kuò)展到HESS，提出了一種新的控制算法來協(xié)調(diào)BESS 和雙電層電容的運(yùn)行，允許更快地從雙電層電容中恢復(fù)BESS 的能量儲備，從而更有效地向電網(wǎng)提供輔助服務(wù)，如圖2 所示。

圖2 BESS SoC 虛擬帶

該算法允許將BESS 的SoC 保持在能量恢復(fù)帶內(nèi)（即圖2 中灰色區(qū)域，mnrSoC 和mxrSoC 之間），該SoC 區(qū)間可以確保BESS 能夠參與頻率恢復(fù)過程，即確保在微電網(wǎng)運(yùn)行期間為下一個(gè)頻率偏差提供所需的能量恢復(fù)儲備。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在本節(jié)中，通過提出的MC 對微電網(wǎng)進(jìn)行管理，并以一個(gè)案例進(jìn)行了測試，用于表明MC 控制應(yīng)用于所提出的智能轉(zhuǎn)換器主從架構(gòu)(包括BESS-雙電層電容的組合管理)的有效性。在文獻(xiàn)[9]中已經(jīng)證明了引入控制算法后可以提高BESS 平衡電網(wǎng)的能力，因此本文并不對其進(jìn)行驗(yàn)證。本節(jié)對開發(fā)并嵌入在微電網(wǎng)主從轉(zhuǎn)換器體系結(jié)構(gòu)中的控制邏輯進(jìn)行了仿真，并將其應(yīng)用于覆蓋一幢由8 套公寓組成的建筑的并網(wǎng)住宅微電網(wǎng)中，其中太陽能發(fā)電系統(tǒng)（Photo Voltaic, PV）、BESS 和雙電層電容用于滿足AC 和DC 住宅負(fù)荷的能量需求。

微電網(wǎng)中的BESS 是一個(gè)多層鋰離子電池，設(shè)計(jì)用于儲存在5 月份的北京市順義區(qū)（緯度坐標(biāo)40.136 57°，經(jīng)度坐標(biāo)116.607 73°）太陽能系統(tǒng)產(chǎn)生能量的25%，其中每個(gè)層均用于覆蓋一個(gè)公寓的AC 吸收。BESS 通過雙向DC/AC 轉(zhuǎn)換器與電網(wǎng)連接，用于供應(yīng)AC 負(fù)荷，但不能供應(yīng)DC 負(fù)荷，因?yàn)镈C 負(fù)荷同時(shí)連接到雙電層電容和電網(wǎng)。具體來講，雙電層電容通過雙向DC/AC 與電網(wǎng)連接，用于滿足DC 負(fù)荷，并對BESS 的充放電進(jìn)行調(diào)節(jié)，將BESS 的SoC 帶回能量恢復(fù)帶，如第1.2 節(jié)所示。

MC 根據(jù)圖1 中提供的操作模式和表1 中描述的邏輯步驟，管理分布在微電網(wǎng)資源中的SC 集群，包括BESS、雙電層電容、DC 負(fù)荷、AC 負(fù)荷以及PV 系統(tǒng)。

主要資源和微電網(wǎng)參數(shù)說明如表2 所示。

表2 仿真參數(shù)

每個(gè)公寓的負(fù)荷曲線是根據(jù)典型的北京四口之家的客戶消費(fèi)行為的平均需求趨勢進(jìn)行構(gòu)建[10]，包括家用AC 電器（包括1 臺冰箱、1 臺洗衣機(jī)、4 臺空調(diào)和1 臺電飯煲）和家用DC 電器（4 部智能手機(jī)、1 臺平板式計(jì)算機(jī)和1 臺便攜式計(jì)算機(jī)）的平均功耗。

為了驗(yàn)證提出模型的有效性，進(jìn)行了兩次仿真實(shí)驗(yàn)。第一次仿真評估了正常運(yùn)行條件下的微電網(wǎng)運(yùn)行；第二次仿真在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)模擬了6 套公寓同時(shí)斷開（模擬負(fù)荷過程），以驗(yàn)證當(dāng)發(fā)生不平衡現(xiàn)象時(shí)，BESS 參與恢復(fù)過程的能力，以及BESS 能否回到能量恢復(fù)帶。能量恢復(fù)帶設(shè)置在40%（mnrSoC）～60%（mxrSoC）之間，而BESS 的安全SoC 范圍為20%（minSoC）～90%（maxSoC）。

2.1 第一次仿真

本次仿真從午夜開始，此時(shí)BESS 的SoC 為50%，持續(xù)24 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 BESS SoC 虛擬帶的仿真結(jié)果

由于夜間電力需求較低，BESS便可滿足。在6：00—19：00 之間，雙電層電容開始確保DC 負(fù)荷的充電，以滿足居民的需求。然后BESS 滿足AC 電力需求。白天時(shí)PV 首先給電池充電，直到達(dá)到最大SoC，然后對雙電層電容充電。此操作避免了額外的AC/DC 轉(zhuǎn)換，有助于減少微電網(wǎng)的損耗。一旦家庭成員在18：00 返回家中，因?yàn)樾枰獙σ苿釉O(shè)備和便攜設(shè)備進(jìn)行充電，此時(shí)電力需求增加，并在20：00—22：00 之間達(dá)到峰值消耗。如圖3 所示，在19：00—20：00 期間，MC 控制雙電層電容開始運(yùn)作。然后BESS 滿足能量吸收到21：00，之后需要電網(wǎng)干預(yù)到午夜。

2.2 第二次仿真

第二次仿真假設(shè)在00：57 發(fā)生了微電網(wǎng)的不平衡現(xiàn)象，如圖4 所示。為了模擬不平衡現(xiàn)象，對其施加了突然的負(fù)荷減少（負(fù)荷削減：-75%）。在電網(wǎng)恢復(fù)平衡過程中，當(dāng)BESS SoC 等于61%時(shí)，本次仿真評估了所提出的控制策略將BESS SoC 帶入能量恢復(fù)帶的能力，以確保其參與其他電網(wǎng)平衡過程的潛力。

圖4 正常運(yùn)行狀態(tài)下的BESS SoC 圖

此外，為了驗(yàn)證應(yīng)用所提出的控制方法和雙電層電容進(jìn)行快速BESS 充電的有效性，進(jìn)行了另外的3 次仿真，如圖5 所示。

圖5 平衡恢復(fù)過程后的BESS SoC 圖

在第一種情況下，控制器關(guān)閉，雙電層電容僅用于滿足DC 負(fù)荷（雙電層電容與BESS 斷開連接）；在第二種情況下，控制器打開，雙電層電容僅用于滿足DC 負(fù)荷（雙電層電容與BESS 斷開連接）；在最后一種情況下，控制器打開，雙電層電容與BESS 連接在一起。

如圖5 所示，在第一種情況下，BESS 在參與平衡恢復(fù)后，遠(yuǎn)離mxrSoC（負(fù)荷斷開且控制器關(guān)閉）；在第二種情況下，MC 采取行動將BESS SoC 帶回能量恢復(fù)帶。BESS 向電網(wǎng)提供多余的能量，BESS SoC 在2～5 min 內(nèi)恢復(fù)到能量恢復(fù)帶。在最后一種情況下，MC 再次采取行動將BESS SoC 帶回能量恢復(fù)帶，但是BESS 多余的能量被雙電層電容獲取。此時(shí)BESS SoC 不到1 min 恢復(fù)到能量恢復(fù)帶，因此，這個(gè)過程比第二種情況快得多?？梢员砻鳎度朐贛C 和HESS 中的所提控制算法的聯(lián)合使用有助于確保BESS 向電網(wǎng)提供輔助服務(wù)。

3 結(jié) 論

本文提出一種新的控制邏輯，通過分層智能轉(zhuǎn)換器架構(gòu)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)、負(fù)荷和混合儲能設(shè)備的協(xié)調(diào)管理。提出方法被嵌入到一個(gè)主轉(zhuǎn)換器中，并允許與分布在微電網(wǎng)資源之間的從轉(zhuǎn)換器協(xié)作在線管理電力通量。對微電網(wǎng)發(fā)電、吸收和電池-雙電層電容儲能系統(tǒng)進(jìn)行的智能協(xié)調(diào)，可以使得存儲設(shè)備為電網(wǎng)提供更好的輔助服務(wù)。最后，將智能變換器主從架構(gòu)，包括BESS-雙電層電容聯(lián)合管理算法，應(yīng)用于居民區(qū)的并網(wǎng)微電網(wǎng)中，驗(yàn)證了本文方法的有效性。