基于母线频率信号的独立微网多源协调控制策略

李燕青，杨惠岚，宋　乐，王　川，郑伟烁

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定　071000)



基于母线频率信号的独立微网多源协调控制策略

李燕青，杨惠岚，宋乐，王川，郑伟烁

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071000)

0引言

微电网即可与外部电网并网运行，也可独立运行。微电网独立运行时，没有大电网的支撑，并且可再生能源因自身固有的间歇性、波动性等特点，给电力系统的稳定运行及可靠供电带来一定的负面影响。因此，如何通过微电网内部多种微电源之间的协调配合来维持电网的功率平衡和电压、频率的稳定是微电网孤岛运行的关键和技术难点[1]。

微电网中微电源的协调控制主要有主从控制、对等控制和分层控制3种方法[2]。但是主从控制对主控单元和通信有很强的依赖性，一旦主控单元或通信系统故障，则整个系统奔溃。对等控制利用微电源接入系统点电压和频率的局部信息进行独立控制，实现电压和频率的自动调节，不需要响应的通信环节，可以灵活方便的构建微电网，但也牺牲了微电网电压和频率的稳定性，并且很难在第一时间做出统筹全局的响应。

针对独立微电网系统中多微电源的协调控制和能量管理技术，国内外学者已开展了大量的研究。文献[3]利用储能系统的快速响应特性，提出了柴油发电机和储能系统轮流作为主电源时，在切换过程中出现的短时停电问题，提出了双主电源的无缝切换控制策略。文献[4]根据孤立微电网中各微电源机组的不同特性，提出了按优先级设计的双层能量管理协调策略，提升了多元系统的整体性能。文献[5]在考虑储能系统荷电状态(SOC)的基础上，提出了独立微网中多微电源的协调控制策略，维持了独立微电网的稳定运行。文献[6]提出的风光柴储孤立微电网的协调运行控制策略中，考虑了孤立微电网中主要设备的运行约束条件，文中所提策略保证了孤立系统的长期稳定运行，并且提高了系统全寿命周期的经济性。上述多微源的协调控制的研究中主要采用分层控制，通过微电网中央控制器(MGCC)与各微源通信，并向各微源下达控制指令，实现微源的协调控制，对中央控制器及通信网络依赖性较强。

本文针对于一般结构简单且投资少的小型独立微电网中，较少配备中央控制器(MGCC)和通信网络的特点，提出了将交流母线频率作为协调控制信号的储能系统与微型燃气轮机的协调控制策略。该协调控制策略在考虑储能系统荷电状态(SOC)的基础上，设定频率阈值，储能系统(ESS)和微型燃气轮机根据ESS的荷电状态(SOC)达到上下限时，交流母线频率发生变化，当其达到阈值时切换控制模式，从而维持独立微网系统的频率稳定。最后，通过仿真平台对本文所提协调控制策略进行了验证。

1独立交流微电网的系统结构图

本文的小型独立交流微电网系统由光伏发电单元(PV)、储能系统(ESS)、微型燃气轮机等微电源，可控负荷及传输电缆组成。其系统结构见图1。图中微电源的光伏、储能系统及微型燃气轮机等微电源经过各自的逆变器接入到独立交流微电网中。

图1　独立交流微电网系统图

2独立微电网的自我决策模型

① 微电网与大电网并网运行，PCC闭合，储能系统采用PQ控制模式，微电网的电压和频率由大电网支撑。

③ 并网运行时，微型燃气轮机处于冷备用状态，微电网孤网运行，微型燃气轮机作为备用电源必须尽快启动。本文采用由储能系统给出稳定的启动电压参考值作为启动信号。微型燃气轮机稳定出力后，与储能系统按照Droop控制原则协同出力，共同维持独立微电网的稳定运行。

④ 考虑到规模性储能经济代价大，当微型燃气轮机稳定出力并且储能系统放电达到下限时，储能系统退出运行。考虑到储能系统一次性退出会产生功率振荡问题，储能系统应通过改变功率参考值逐级退出，实现储能系统与微型燃气轮机之间的功率转移。

3独立交流微电网的协调控制策略

图2　独立交流微电网协调控制结构

图2为基于母线频率信号的协调控制结构。本文所提出的协调控制策略中，光伏、储能系统及微型燃气轮机之间没有通信，而是根据储能系统的荷电状态(SOC)的变化，频率发生改变，储能系统将改变的频率作为信号，微型燃气轮机通过交流母线接收信号从而改变其输出。

3.1储能系统频率母线信号控制

储能系统(ESS)的频率信号算法如图3。f0为系统稳定运行时的频率。f1和f2为系统频率变化后最终稳定运行频率。当储能系统(ESS)的荷电状态(SOC)在合理范围内时，储能系统的输出频率稳定为f0。荷电状态(SOC)越出阈值(SOClow或SOChigh)时，储能系统的输出频率分别以斜率n减小、以斜率m增加，协调其他微电源维持荷电状态(SOC)在合理范围内。储能系统荷电状态(SOC)和输出频率(f)的关系：

其中m和n定义为

图3　储能系统(ESS)的频率信号

3.2协调控制策略

本文中系统有两种运行状态：① 独立微电网中储能系统在线运行(ON)；② ESS零输出，此时负荷由RES和微型燃气轮机承担。

该协调控制中微电源的逆变器有4种控制模式：零输出(OFF);恒功率控制(PQ);下垂控制(Droop);恒频/恒压控制(UF)。

协调控制策略：

① 独立微电网在频率为f0点稳定运行，并且储能系统(ESS)的荷电状态(SOC)在合理范围内(即SOClow

② ESS持续放电，当储能系统的荷电状态SOC处于偏低值SOClow(但大于SOCmin)时，储能系统的控制模式由UF切换至OFF控制模式，此时，储能系统ESS的输出为0，并且按照f-SOC曲线，储能系统逆变器输出频率f以n的倾斜率降低，并协调其它微电源控制其SOC，最终孤网稳定运行在f1点，此时，微型燃气轮机以f1作为控制信号，控制模式由UF切换到Droop模式，作为孤网主电源，为独立微网提供电压和频率支撑，并给储能系统充电，使其荷电状态尽快恢复到合理范围内。

③ 当储能系统的荷电状态SOC接近其上限SOChigh时，依据f-SOC曲线，频率f升高，当其升高到门槛值f2时，储能系统将频率f2作为阈值，控制模式由OFF控制切换到Droop控制模式，微型燃气轮机仍以Droop控制模式运行，并且储能系统与微型燃气轮机按照Droop控制原则协同出力，共同维持独立微网的稳定运行。

④ 为了最大限度地利用可再生能源，光伏发电单元始终按照MPPT输出。

⑤ 为了尽可能减少储能系统的充放电次数，延长储能系统的使用寿命，本文中，一旦储能系统进入充电状态，就需要微型燃气轮机一直保持充电状态直到达到设定的荷电状态SOC的上限；而一旦储能系统进入放电状态，就需保持持续放电状态，直到达到储能系统荷电状态SOC的下限[4]。

3.3储能系统控制模式切换

为实现上述所提协调控制策略，电池储能系统逆变器必须具备根据系统的运行状态自主选择相应控制模式的控制功能。针对储能系统须具备的控制功能，本文设计了如图4所示的储能系统控制原理图。

图4　储能系统控制原理

该控制模型由4个模块构成，分别为外环控制模块、功率计算模块、功率控制模块、电流控制模块。其中，外环控制模块为UF、Droop选择模块，通过开关的闭合选择相应的控制模式。功率计算模块通过采集逆变器经滤波后的输出电流和负载电压，输出逆变电源的平均有功和无功。功率控制器模块通过输入有功和无功功率的参考值产生内环电流参考值。电流控制模块通过PI调节产生逆变器所需的正弦调制信号。

该控制模型集中了3种控制模式，通过开关的闭合实现控制模式的切换，由于不存在通信，开关闭合的控制指令由协调控制策略给出。

独立微电网稳定运行于频率f0点时，开关K1的逻辑值为1，开关闭合于K1点，储能系统为UF控制，当储能系统的荷电状态SOC达到下限SOClow时，K2的逻辑逻辑值为1，开关闭合于K2点，储能系统控制模式由UF切换至OFF控制模式(PQ控制，Pref=Qref=0)，其中储能系统的荷电状态SOC参考文献[7]中的计算方法，如下：

其中：Q为电池储能系统容量, kW·h ;Q0为电池储能系统的最大容量, A·h;UBN为电池端口额定电压,V。

当系统频率f达到其控制模式切换阈值f2时，开关K1、K2的逻辑值均为0，储能系统控制模式切换为Droop控制。储能系统控制模式的切换采用文献[3]中补偿控制算法的平滑切换，当控制模式发生切换时，在电流控制方程中加入相关控制补偿项，并且记忆切换前同步旋转坐标系中d轴相角。

微网运行状态及各微电源的控制模式如表1。

表1　微电源的控制模式

4仿真与分析

为验证本文所提协调控制策略的可行性，利用Matlab/Simulink仿真软件搭建了如图1所示的独立微电网网络拓扑结构。仿真中有关参数取值：1台微型燃汽轮机的额定功率为10kW，电池储能系统的额定容量为10kV·A，光伏的额定功率为40kW，总负荷为25kW。系统稳定运行时频率f0为50Hz，频率的上、下阈值分别为50.5Hz、49.7Hz,其它参数取值参考文献[8]中的数值。

本文中的储能系统选取电池储能，为了控制电池储能系统的荷电状态(SOC)在0.2～0.9之间，本文设置电池过放、过充的阈值为0.3、0.8[7]，仿真结果如图5，可知：

① 由图5(a)～(d)可知，在0～6s时，孤网运行稳定运行于f0点，电池储能系统和微型燃气轮机的控制模式均为UF控制，维持系统频率为50Hz。电池储能系统的有功输出为10kW，微型燃汽轮机的有功输出为5kW。

② 储能系统持续放电，其荷电状态值SOC逐渐减少，6s时刻达到下限值0.3，储能系统的控制模式由UF切换至OFF，输出为0，并且频率f开始减小，微型燃汽轮机的有功输出增大到15kW，维持系统有功平衡。由图5(d)可以看出，当储能系统的控制模式切换时，由于系统中有功输出突然缺失，系统频率瞬间减小，由于UF型逆变器的调频作用，电网频率下降。

③ 6s时，系统频率f达到其阈值49.7Hz时，微型燃气轮机的控制模式切换至Droop，此时微型燃气轮机作为系统主电源，为系统提供频率支撑。

④ 6～15s时，储能系统充电，微型燃气轮机的有功出力增大到25kW，与光伏发电单元共同维持系统的稳定运行。

⑤ 15s时，储能系统的荷电状态达到其上限0.8，并且频率开始增加，16s时，频率增加到阈值50.5Hz，储能系统的控制模式切换至Droop。由图5(b)和图5(c)可以看出，储能系统和微型燃气轮机按Droop协同出力，并按各自的下垂系数分配负荷。系统最终稳定在50.2Hz运行。由图5(d)可以看出，储能系统和微型燃气轮机的协调控制为频率的有差调节,但可维持孤网在频率允许偏差内运行。

图5　仿真结果

⑥ 由图5(e)可知，6s时刻控制模式切换，在运行模式切换过程中微电网交流母线电压幅值和相位没有出现突变，并且切换前后电压逐渐恢复。

5结论

本文提出了基于母线频率信号的独立微网多源协调控制策略，该控制策略包括微电网基于本地信息的自决策模型、微网进入孤岛模式后储能系统和微型燃气轮机的协调控制策略及储能系统的控制模型。母线频率信号的提出实现了孤网中微源不依赖通信的协调控制，并且通过微型燃气轮机与储能系统协调配合，实现了储能系统的充放电控制，使其荷电状态控制在合理范围内。

本文提出的协调控制策略为频率的有差调节，如何实现频率的无差调节还需在以后的工作中进一步研究。

参考文献

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[10]黄羚，蔡涛，陈天锦，等.基于SOC调整的光伏电站储能系统调控策略[J].电力系统保护与控制，2013，41(16)：66-70.

李燕青(1974-)，男，教授，硕士生导师，研究方向为电力系统运行分析与控制、电气设备在线监测与故障诊断， E-mail:hdlyq@163.com;

杨惠岚(1990-)，女，硕士研究生，研究方向为新能源发电、微电网运行控制，E-mail:870585755@qq.com。

(责任编辑：杨秋霞)

A Multi-source Cooperative Control Strategy for Standalone Microgrids Based on Bus Frequency Signaling LI Yanqing，YANG Huilan，SONG Le，WANG Chuan，ZHEN Weishuo

(School of Electronic Engineering，North China Electric Power Univercity，Baoding 071000)

摘要：为了实现独立微电网的长期稳定运行，本文针对小型的独立微电网，提出了基于母线频率信号的多源协调控制策略和独立微电网的自我决策模型，本文提出的协调控制策略中，依据母线频率信号算法，在考虑储能系统荷电状态的基础上，设定频率阈值，微型燃气轮机将其作为控制模式切换信号，根据储能系统的荷电状态配合协助储能系统运行，保证储能系统能量充足，实现了快速响应的储能系统与后备电源微型燃气轮机之间不依赖通信的多源协调控制。通过MATLAB/SIMULINK仿真平台的验证，所述协调控制策略具有较大优势，可维持独立微电网的稳定运行。

关键词：独立微电网；储能系统；微型燃气轮机；母线频率信号；荷电状态；协调控制

Abstract：To achieve long-term and stable operation of standalone microgrid, the multi-source coordinated control strategy based on bus frequency signal and self-decision model of the standalone microgrid are put forward in this paper. As to the proposed coordinated control strategy, according to the bus frequency signal algorithm, the frequency threshold is set up by considering the state of charge of the energy storage system, which is used as the switch signal of control mode in the micro-turbine. The energy storage system operate according to the state of charge of the energy storage system, which can guarantee sufficient energy for energy storage system, and realizes cooperative control between the active storage system and the back-up micro-turbine independent of communication. Through the verification on MATLAB/SIMULINK simulation platform, it can be seen that coordinated control strategy has good effects, and can maintain the stable operation of the standalone microgrid.

Keywords：standalone microgrid; energy storage system; microturbine; bus frequency signal; state of charge; cooperative control

作者简介：

收稿日期：2015-06-03

中图分类号：TM76

文献标志码：A

文章编号：1007-2322(2016)02-0022-05