考虑多能量流的光柴储独立微电网协调控制

徐从启贾桂芝李祖贤祝振鹏林 方

（1.62026部队，西安 710032；2.62402部队，天津 300182；3.北京北变微电网技术有限公司，北京 100037）



考虑多能量流的光柴储独立微电网协调控制

徐从启1贾桂芝1李祖贤2祝振鹏3林 方3

（1.62026部队，西安 710032；2.62402部队，天津 300182；3.北京北变微电网技术有限公司，北京 100037）

为研究光柴储独立微电网，提出了该系统的结构、组网形式，并对其运行时的系统内各元件的协调控制策略进行了详细描述。该协调控制策略将光伏最大功率跟踪控制、蓄电池充放电控制及柴油机控制相结合，在保证微电网电能质量的前提下，最大化地利用光能、减少柴油消耗，提供供电稳定性。仿真模型验证了上述控制策略的正确性，结果表明，该控制策略能协调光柴储微电网各部分的能量流动，使之合理有序运行。

微电网；协调控制；综合策略；最大功率跟踪；充放电控制

对远离电网的偏远地区，由光伏发电系统、柴油发电机和储能电池组成的光柴储独立微电网是解决其供电的有效途径。光伏发电系统为间歇性微源，加之负荷变化存在随机性，若无有效可行的协调控制策略，会对系统的稳定运行产生不利影响，引起电压或频率的波动。因此协调控制光伏发电系统、柴油机、储能电池的动态响应是系统稳定运行的关键。

文献[1-15]分别从不同角度研究了独立微电网的协调控制策略。文献[1-4]针对独立微电网中的储能系统进行控制，文献[1]针对光柴储微网中负荷突变和光伏微源输出功率随机波动引起的系统频率波动问题，给出一种基于频率偏差的储能动态能量调度策略。文献[2]利用电池储能的快速响应特性，提出了柴油发电机和储能电池的协调控制方法。文献[3]主要通过负荷功率估计器得到负荷功率的估计值并将该值用于储能的能量调度。文献[4]提出了一种基于比例微分（PD）的储能动态调度策略。文献[5]针对于微电网提出了一种基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方案，设计了基于电池储能的一级控制器和基于柴油发电机的二级控制器来提高系统电压、频率在不同时间尺度上的稳定性。文献[6]文中提出一种孤岛模式下非合作环境中基于多代理系统（MAS）的能量协调控制策略，在考虑各分布式电源的利益下，通过各代理的交互协调达到系统的整体目标。文献[7]提出风光柴蓄分布式微电网发电系统的控制策略，包括各个模块的控制方式、微电网系统的各项功能、双向逆变器交流侧的电压控制以及风光柴蓄分布式微电网的能量调度与管理。文献[8]根据微电网及其接入低压配电网的特点，提出了一种协调控制策略。文献[9]给出一种光伏发电最大功率点跟踪自寻优控制系统的技术方案实现了微电网中光伏发电系统与储能系统的功率协调控制。文献[10]在含光伏系统最大功率跟踪和储能电池充放电特性的系统中，提出了一种改进的V-f模式和P-Q模式控制算法，采用P-Q模式下的微燃机作为后备V-f模式调节单元，通过与光伏逆变器控制模式的切换解决了系统稳定性问题，同时在光伏阵列输出功率过剩的情况下提高了可再生能源的利用率。文献[11]以由太阳电池阵列、蓄电池组和可控负载等组成的低压微型光伏直流微电网系统为研究对象，针对系统并网和孤岛运行模式，采用了主从并联和母线电压下垂相结合的控制模式，实现了直流微电网的能量协调控制。此外，文献[12-13]从能量管理角度，文献[14-15]从系统结构和组网形式角度分别对独立微电网进行了详细研究。

本文采用了一种综合控制策略，将光伏最大功率跟踪控制、蓄电池充放电控制及柴油机控制相结合，研究光伏发电功率和负荷变化时光柴储发电系统的协调控制策略。

1 系统结构

本文所研究的光柴储独立微电网适用于不能由电网直接供电的偏远地区，或不能与电网连接的特殊情况。该系统将负荷、储能、光伏、柴油机等有效地组织起来，利用自然中易获取的可再生能源，并辅以传统电源柴油机作为后备电源，可满足军队野营等户外活动的供电需求。该系统充分考虑了供电的可靠稳定性和不间断性，优先使用可再生能源，节约补给能源，兼具供电安全性和环保。

交流型独立微电网的结构如图1所示，光伏系统和储能电池通过逆变器连接到交流母线，柴油机及交流负荷直接与交流母线连接，为照明、充电等负荷提供稳定的电能输出。根据柴油机的起停情况，系统可在两种组网模式间切换。其结构示意如图1所示。

图1 光柴储独立微电网系统结构示意图

2 协调控制策略

本文采用了一种综合控制策略，将光伏最大功率跟踪控制、蓄电池充放电控制及柴油机控制相结合，研究光伏发电功率和负荷变化时光柴储发电系统的协调控制策略。光伏发电系统采用MPPT控制，跟踪最大功率，与储能电池SOC及负荷共同控制柴油机断路器的开断。柴油机功率和电压由其励磁系统及转速系统控制。

本文的协调控制策略目标首先为提供符合电能质量的的电能，保证系统安全运行，在此基础上尽可能利用多地利用光伏发电系统发电，减少柴油机出力。由于光伏发电系统出力随机性强，因此仅靠光伏发电系统为负荷供电，难以保证供电可靠性与电能质量，因此不采用光伏发电系统单独为负荷供电。据此，本文提出以下协调控制策略：

在蓄电池SOC处于安全运行范围内时，蓄电池储能系统控制交流母线电压，光伏发电系统工作在MPPT模式，柴油机作为紧急备用处于停止状态。监测蓄电池SOC，当蓄电池SOC小于40%时[12]，蓄电池储能系统将会停止工作，光伏发电系统工作在MPPT模式，启动紧急备用柴油机投入系统工作控制交流母线电压。当检测到光伏输出功率与负载功率之差大于零时，使得蓄电池系统重新投入，并且工作在Vf控制处于充电模式，此时柴油机处于停止模式。

当蓄电池SOC大于80%时，将会停止充电，若此时负载功率小于光伏发电单元输出功率，为了保证系统电压及频率稳定，需要停止光伏发电系统，由电池单独为负荷供电。若光伏输出功率小于负载功率时，由光伏发电系统及蓄电池共同为负荷供电。

图2 协调控制流程图

3 结果及分析

在Matlab/Simulink中建立系统各元件模型并进行仿真。仿真系统中，光伏系统为40kW，柴油机最大功率100kW，储能电池最大充放电功率40kW，SOC可从0.4～0.8变化。当蓄电池SOC小于40%的仿真结果如下图所示。

初始条件下，蓄电池SOC=0.403，大于0.4。系统通过蓄电池放电建立交流电压，光伏发电系统未投入工作，负荷为65kW。

系统电压稳定后，在1s时，光伏发电系统投入工作，并运行在MPPT模式，其光照强度为700W/m2，此时光伏发电系统功率小于负荷，蓄电池储能系统仍然放电。

在1.2s附近蓄电池SOC降至40%，按照协调控制策略，此时蓄电池停止工作，柴油机投入，用以控制交流电压。

在2s时，光照强度变为1000W/m2，光伏发电系统仍采用MPPT模式，出力增大，由于负荷未发生变化，按照控制策略，减少柴油机出力。

在3s时，负载功率发生突变，由65kW变为30kW，此时元输出功率大于负载功率，按照协调控制策略，此时停止柴油机工作，投入蓄电池储能系系统检测到光伏发电单统充电，并采用下垂控制策略控制交流母线电压。

在4s和5s时负载分别变为20kW和10kW，此时光伏发电单元输出功率始终大于负载功率，因此蓄电池始终进行充电，直至SOC达到80%。

图3 蓄电池SOC小于40%时的仿真结果

在蓄电池充电过程中，若光照条件不满足，光伏发电系统停止工作，蓄电池由充电状态转为放电状态，单独为负荷供电。模拟初始条件下无光照的情景，结果如图4所示。

图4 蓄电池SOC大于80%时的仿真结果

初始条件下光伏发电系统发电为零，蓄电池电量充足，通过蓄电池建立系统交流电压，蓄电池放电单独为负载提供电能，负载为20kW。

在1s时，光照强度增加至1000W/m2，光伏发电系统投入工作，并运行在MPPT模式，此时检测到光伏发电单元输出功率大于负载功率且蓄电池SOC小于80%，因此，蓄电池转为充电状态，由光伏发电系统为负载供电；

在3s附近蓄电池SOC达到80%，光伏发电系统停止为蓄电池充电，此时光伏发电系统输出功率仍大于负荷。由于光伏出力波动性较大，难以保证系统电压和频率的稳定，为避免光伏发电系统单独为系统供电，由蓄电池为负载供电，以保证为负荷提供的电能质量。

在3.5s附近，光伏发电单元重新接入，输出功率大于负载功率，为负载供电的同时为蓄电池充电；在4s时，负载功率增加到65kW，此时光伏发电单元输出功率小于负载功率，蓄电池储能系统进入放电状态。

4 结论

由上述的分析可知，随着光照强度和负载的不断变化，控制系统可以实现系统各种运行状态的及时有效切换。在保证供电质量的前提下，最大化的利用光能，减少柴油机出力，使蓄电池工作在合理的状态。本文提出的协调控制策略能够协调系统各部件的有序运行。仿真有力地验证了本文所提出的协调控制策略的合理性和可行性。

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Coordination Control of Isolated Microgrid Composed of Diesel,Photovoltaic and Battaryconsidering Multiple Power Flow

Xu Congqi1Jia Guizhi1Li Zuxian2Zhu Zhenpeng3Lin Fang3
(1.Unit 62026,Xi’an 710032；2.Unit 62402,Tianjin 300182；3.Beijing Beibian MicroGrid Technology Co.,Ltd,Beijing 100037)

Abstract:To study isolated microgrid composed of diesel,photovoltaic and energy storage battary,structure and network form are proposed and the coordination control strategy for the system aredescribed in detail.A control strategy,in which the maximum power point tracking control is combined withengine control,storage battery charging and discharging control,is putforward to maximize use of solar energy,reduce the diesel consumption and improve power supply stability.Simulation results show that the proposed control strategy can coordinate power flow of each part of the microgrid,make a reasonable and orderly operation.

microgrid; coordinate control; multi-strategy; maximum power point tracking; charging and discharging control

徐从启（1981-），男，山东省莒县人，博士，62026部队工程师，主要研究领域为智能微电网、新能源利用及野营供配电。