微电网控制技术在集装箱信息平台中的应用

付奎 刘新建 杨煦

摘 要：随着新能源技术的发展，光伏，风电等能源在电源结构中的比例越来越大，对微电网控制技术的要求也逐步提高。本文阐述了微电网控制技术在小型集装箱信息平台系统的应用方法和控制策略，将集装箱信息平台供电与微电网控制系统布置于集装箱内，以解决集装箱信息平台各设备负荷的基本电能需求，并对微电网技术在集装箱系统的应用提出了进一步的要求。

关键词：微电网控制；集装箱；电源；光伏；风能

當前，随着信息技术创新应用的风起云涌，越来越多的集装箱信息平台在基建工地得到了应用，使得基建工地实现了一定的信息化和智能化。通过集装箱信息平台能将更多的信息化、数字化等技术植入到建筑、机械、人员穿戴设施、场地进出关口等各类物体中，并且被普遍互联，形成网络库，在和“互联网”结合，最终实现各级工程管理人员与工地现场的整合。以此同时，由于集装箱信息平台部署的基建工地多半位于深山、荒漠及海岛等偏远地区，受地域限制，电力无法供应或电力供应时常中断。

为了保证集装箱信息平台和工地办公用电的可靠性和稳定性，本文以新能源发电技术为基础，结合微电网控制的特点阐述了如何构建一个具有分布式电源，能量转换装置，储能系统，监控和保护装置的集装箱信息平台供配电系统，以解决集装箱信息平台及周边的负荷用电需求。

1 集装箱信息平台电源系统的特点

为了保证工地集装箱信息平台供电系统的稳定性及可靠性，电源的设计一般采用了“N+1”冗余设计的标准。现阶段各个工地信息平台的供电电源拟采用的形式主要包括：地区市电电源、光伏发电、小型风力发电、柴油发电等。这几种电源形式均采用模块化设计，一般可根据项目现场实际情况对电源的组合方式进行选择。

地区电网的市电电源作为集装箱式数据中心的基本电源，保障数据中心日常负荷的供电需求，是经济、可靠的供电型式。

光伏发电系统作为外来市电的补充，可根据项目地情况进行选配。根据集装箱布置地区的年平均日照强度及投资经济性等多方面综合考虑，以决定是否采用该套发电系统。光伏组件面积按照集装箱的投影面积尺寸进行选择，布置于集装箱顶部或周边。

微型风机发电系统作为外来市电的补充，也可根据项目情况进行选配。根据集装箱布置地区的风资源特点及投资经济性等多方面综合考虑，以决定是否采用该套发电系统。小型风力发电系统布置于集装箱附近。

柴油发电机组作为数据中心的应急保安电源使用，为基本配置。

这些新能源的组合构成一个微型小电网，可并网或者孤网运行；即通过本地光伏、风电、柴油发电机等分布式微型电源向集装箱式信息中心提供电能，在充分满足集装箱信息平台自身电能需求及供电质量的基础上，多余的电能可以向地区电网送电。

2 集装箱信息平台供配电系统的实施

2.1 集装箱信息平台微电网主接线控制方案

为了保障这种分布式电源的灵活性和可靠性，在集装箱信息平台的电网设计中采用经逆变器接入+储能装置的方式（交直交分布式电源）。这样设计既可与外来电网并网运行，又可独立孤网运行，当所产生电能过剩时可向电网反馈电能，提升集装箱周边负荷的供电可靠性，降低配电网络损耗，优化周边配电网运行，主接线图如下图所示。

图1 集装箱信息平台微电网主接线图

微电网正常工作时优先使用光伏及风能为数据中心供电，同时将多余电能储存于蓄电池中及送往地区电网。当光伏及风能发电量不足时，首先使用电池储能为数据中心供电，若电池储能急剧下降，同时光伏及风能供电尚未恢复时，此时由地区电网为数据中心供电。

微电网运行的核心在于控制器及微电网能源管理系统。微电网协调控制器可实现对关键设备的数据采集及实时监控。包括光伏发电、风机发电、电池储能、负荷、电能计量、电能质量、并网同期点检测及运行的等数据。同时能源管理系统可以根据采集的数据与控制目标的不同，执行不同的协调控制策略，主要包括电池储能系统计划充放电控制、风光储联合协调控制以及并网点功率控制，以保证电压和频率在可控范围内，同时保证电源的质量稳定可靠。

2.2 集装箱信息平台微电网的运行状态

本套供电系统具备并网运行、孤岛运行及应急运行三种工作状态。

2.2.1 并网运行状态

当系统侧外来电源线路正常供电时，系统进线开关闭合，微电网处于并网运行状态。微电网中光伏与风机独立运转，蓄电池组处于储能状态。微电网系统控制器检测各个单元的实时功率，若光伏和风机发出的功率大于负载和蓄电池组的充电功率则向系统电网输电，若不足，则从系统电网得电，以满足周边负荷用电需求。

2.2.2 孤岛运行状态

当系统侧出现故障时，系统进线开关动作，微电网切换至孤岛运行状态。微电网中光伏与风机独立运转。微电网系统控制器检测各个单元的实时功率。若光伏和风机发出的功率大于负载功率，蓄电池组处于充电状态，控制器增大负载或减少光伏和风机的发电量以平衡系统功率；若光伏和风机发出的功率小于负载功率，蓄电池组处于放电状态，同时控制器减少负载以平衡系统功率。

2.2.3 应急运行状态

供电系统中加入了柴油发电机组，可作为备用及应急电源使用。当电网外来电源，光伏、风机这三类电源均失去，蓄能电池组储能不足时，微电网控制器才控制柴油发电机的启动，同时切除多余负荷，仅保留必要的事故备用与应急负荷，满足临时供电的要求。

3 微电网的主要控制方法

从图1中可看出，本微电网控制方式的实现， 主要通过对光伏发电回路的逆变器、风机发电回路的变流器及柴油发电机的控制箱进行有效控制，以维持电压和频率在允许变化的范围之内，满足负荷对电能质量的要求。

在整个控制方法中，微电网逆变器的控制策略最重要，其一般采用P/Q、V/f和下垂控制等几种控制控制策略，对于光伏发电、小型风力发电等电源逆变器以P/Q控制为主，这样可以保证微电源可以输出设定的功率值。对于储能回路储能变流器以V/f控制为主，以控制微电网的电压和频率为主，使其保证在合理的范围内波动。 为了满足储能及孤网运行的需要，集装箱信息平台在负荷回路中增加一组交/直流逆变双向可控的蓄电池组，平台储能回路储能变流器以V/f控制策略为主。

对于集装箱信息平台的微电源的P/Q策略控制框图，详见图2。

图2 集装箱信息平台微电源P/Q控制框图

采集电网上的电流和电压，并对测定值进行dq变换，得到电压、电流的d轴分与q轴分量。瞬时功率计算器基于dq变换后的电压值与电流值计算逆变器输出的有功功率P和无功功率Q。功率外环控制模块将实时有功功率P和无功功率Q与预设值Pref和Qref进行差值比较，通过差值计算出电流的直轴分量参考值igd，ref和交轴分量参考值iqd，ref。电流内环控制模块根据实时电流值igd和iqd与参考值igd，ref和iqd，ref差值比较，生成脉宽调制系数d轴分量Pmd和q轴分量Pmq驱动逆变器工作，使逆变器输出功率与设定值接近，从而实现了微电源的PQ控制。

以下是集装箱信息平台储能回路V/f策略控制框图，详见图3。

图3 集装箱信息平台储能回路V/f控制框图

从图中可以看出，集装箱信息平台储能电源逆变器控制器采集电源进线连接母线排上测量电压U和电流i，通过dq变换，分别换算出d轴电压分量、电流分量和q轴电压分量、电流分量，最后根据这些分量计算出瞬时功率P，通过电压幅值计算器计算出瞬时电压U，通过锁相环控制器计算出瞬时频率f。瞬时电压U和瞬时频率f与预设值Uref和fref进行差值比较，得到△U和△f。差值△f经PI转换得出参考有功功率Pref，瞬时有功功率与参考有功功率Pref比较得到差值△P。△P和△U通过比例积分后得出参考的交流直轴分量与交轴分量igd，ref和iqd，ref。后续电流内环控制方式与P/Q控制法电流内环控制方式相一致，使逆变器输出功率与设定值接近，最终完成储能电源的调节控制。

同时，集中箱信息平台供电系统还有孤岛检测和应急运行监测功能，孤岛检测主要采用被动检测法，即根据电压、频率等参数的变化来判断孤岛状态的发生。同时为防止微电网误动，增加进线电流方向等闭锁条件。主要判据有低压及过压判据；谐波判据；低频及过频判据；电流检测闭锁判据等。为防止并网运行时发生故障微电网内元件配置过流保护及相对应的保护测控功能。

应急运行监测主要是微电网控制器跟踪系统侧与储能回路的电压及频率，风能、光伏设备的有功及无功功率，负荷需求以判断供需功率是否平衡。微电网控制器与柴油发电机控制器直接相连，根据低压判据，进线与负荷判据等判断柴发的启动，并及时切除多余的负荷。

4 结语

微电网控制技术在集中箱信息平臺中的应用，目的是为了解决地理位置偏远地区的基建工地集装箱信息平台及办公供电的不稳定和不可靠性，保证基建工地信息化设备的供电可靠性，解决用电的供需平衡的问题。随着微电网技术的发展，智能配电网的建设，微电网技术会在未来优化能源结构配置建设智能工地的实际应用中发挥更大的价值。

参考文献：

[1]王成山，武震，李鹏.微电网关键技术研究.电工技术学报，2014（2）：19.

[2]王成山，焦冰琦，郭力，等.微电网规划设计方法综述.电力建设，2015（1）：3945.

[3]苏玲，张建华，王利，苗唯时，吴子平.微电网相关问题及技术研究.电力系统保护与控制，2010.

[4]杨勇，张国新.含多微源的混合微电网控制策略与仿真.机电产品开发与创新，2015（2）.

[5]董宜鹏，谢小荣，孙浩，等.微网电池储能系统通用综合控制策略.电网技术，2013（12）.