微电网中心控制器控制策略研究

张韵辉

(深圳职业技术学院机电工程学院，广东 深圳 518055)

0 引言

随着清洁能源开发、利用规模的扩大，清洁能源电力并网难题不断显现。为改善并网的种种弊端，人们已将视角转向微电网技术[1-4]。微电网的基础是分布式发电。其实质是小型电网，由各种分布式电源、储能系统、负荷、监控、保护、通信等组成。通过微电网将分布式电源分散、多点接入配电网，不但有利于清洁能源电力并网消纳，而且能最大限度发挥分布式发电的效能、提高清洁能源的利用效率。从技术层面看，分布式发电是解决未来能源短缺问题的必经之路，而微电网作为“网中网”的形式，已成为分布式发电供电系统集成技术的核心，也是分布式发电无缝接入大电网的发展趋势[5-7]。

由于微电网的分布式特性、海量的控制数据以及控制方式灵活多变，使以往由调度中心统一判断、调度的集中式控制方式难以实现灵活、有效地调度。通过将控制权分散到各微电网元件，各元件根据微电网的调度，自行改变运行状态的分布式协调控制方式[8-11]。在微电网控制系统中，按内部信息流动，分三层来进行协调控制：上层管理层、中间管理层、下层执行层。微电网中心控制器(microgrid center controller， MGCC)位于中间管理层，是保障微电网稳定、可靠运行的必要设备。每个微电网元件都有控制权，MGCC集中控制和调度分层控制结构，各发电子系统可独立运行也可投入微电网系统，可以删减或增加投入的发电单元数，方便扩容和维护。

MGCC是建立各能量管理控制装置的分层控制结构，对微电网中的分布式电源、储能装置、本地负荷等进行有效的协调控制，以保证微电网在不同运行状态下都尽可能满足本地用户的要求。MGCC控制策略是微电网安全稳定和可靠运行的关键。因此，有必要对其进行深入研究，有效协调微电网系统内部分布式电源和负荷、储能单元等模块的运行状态，优化微电源功率，实现微网系统稳定、安全、经济运行。

1 微电网控制系统架构

在微电网控制系统中，各个分布式电源(distributed generation,DG)的可控程度、动态响应都有较大区别。因此，将微电网的控制系统分为上层管理层、中间管理层、下层执行层进行协调控制。微电网控制系统架构如图1所示。采用Modbus-TCP工业以太网协议将就地控制器与MGCC连接，MGCC与上层管理信息网络连接，实现数据交换，便于监控和调度。

图1 微电网控制系统架构图

①上层管理层。

微电网系统管理层，即智能微电网监控与能量管理监控平台。它通过与微电网的中心控制器进行通信，实现对多个微电网的协调和控制。

②中间管理层。

管理层为多个分布式微电网的运行管理系统，包括MGCC。MGCC从就地控制层获取DG和负荷、储能的信息，并实现对下层DG和负荷、储能单元的管理。该层下达上层控制命令，并与上层控制交互。该层执行微电网并网运行、离网运行、并离网无缝切换控制策略，并预留大电网调度接口。

③执行层。

执行层为各分布式微电网的就地控制层，实现对储能变流器(power control system,PCS)、储能单元、负荷单元、发电单元、用电能耗的数据采集及设备控制等。就地控制器包括负荷控制器(load controller,LC)或微电源控制器(microsource montroller,MC)。LC位于负荷侧,对负荷进行控制;MC位于分布式电源侧,对微电源进行控制。LC和MC之间通过MGCC交换信息。

2 MGCC控制策略

以深圳职业技术学院交直流混合微电网工程为具体研究对象[12]，MGCC与下层各子系统对应的就地控制器之间进行数据采集、控制指令下达的信息流动如图2所示。通过以太网实时获取各子单元的运行状态，同时等待组态的指令，如并网启动、离网启动、并网转离网、离网转并网、停机等；接到指令后，迅速执行相应的运行策略，控制各子单元启停。通过RS-485与交流负载电量表和交流模拟负载电量表进行通信，实时采集交流负载端、模拟负载端的电流、电压、功率和电度，对采集数据进行整合转换，供中间管理层或上层管理层组态软件读取、显示、存储。

图2 MGCC信息流动示意图

2.1 并网运行策略

并网运行主要是电网参与能量调度，可使用电网将电能输送至微电网内部负荷及储能系统。微电网首先获取数据，并进行数据处理，再对微电网实时发电功率和实时用电功率进行对比判断。同时，根据储能系统荷电状态(state of charge,SOC)，对储能电池充电或将电能输送到微电网中。并网运行控制策略流程如图3所示。图3中：P发电、P负荷分别为微电网内部实时发电功率和负荷功率；SOC为储能电池的荷电状态；SOCmin、SOCmax分别为储能电池SOC下限和上限；ΔP1=P发电-P用电，即当发电大于用电时，微电网的盈余功率；ΔP2=P用电-P发电，即当用电大于发电时，微电网的不足功率。

图3 并网运行控制策略流程图

并网运行策略如下。

当P发电>P负荷，且SOC

当P发电>P负荷，且SOC=SOCmax，ΔP1输送到电网；

当P发电=P负荷，系统达到暂态平衡，不进行能量调度控制；

当P发电

当P发电

2.2 离网运行策略

离网运行时，电网不参与能量调度。在出现电能不足或盈余时，电网不能进行调节，只能切负荷或减小发电单元输出功率。微电网首先获取数据并进行处理，再对微电网实时发电功率和实时用电功率进行对比判断。同时根据储能系统的SOC对储能电池进行充电或进行电负荷投切、发电单元输出功率限制。离网控制策略流程如图4所示。

图4 离网运行控制策略流程图

离网运行策略如下。

当P发电>P负荷，且SOC

当P发电>P负荷，且SOC=SOCmax时，ΔP1为发电单元减小的功率；

当P发电=P负荷时，系统达到暂态平衡，不进行能量调度控制；

当P发电

当P发电

2.3 储能系统运行策略

储能系统主要与储能管理单元(battey management system,BMS)进行通信，实时获取储能系统 SOC、电池总电压、电流、温度以及单体电池电压、电流、温度等数据，并进行欠压、过压、过温绝缘监测等报警；根据储能系统的状态信息，判断储能系统是否可进行充电或放电控制。储能系统控制策略流程如图5所示。图5中：Umin、Umax分别为储能系统总电压下限和上限；U为储能系统总电压；U单min、U单max为储能系统单体电池电压下限和上限；U单为储能系统单体电池电压；T为储能系统温度；Tmin、Tmax分别为储能系统温度下限和上限。

储能系统运行策略如下。

储能系统运行主要是判断电池总电压、温度、单体电压等数据。

当U>Umax时，过压报警；当U

当U单>U单max时，过压报警；

当U单

当Tmin≤T≤T单max范围内，温度异常报警；

当SOC

当SOC>SOCmax时，电池充满，储能系统只能设置放电不能充电。

图5 储能系统控制策略流程图

3 系统测试

为了验证控制策略是否能正确执行，本文针对并网运行、离网运行，分多种工况来进行测试。

3.1 并网测试

本文分两种情况来研究微电网并网运行时的能量流动：一是发电功率大于用电功率时的能量流动，二是发电功率小于用电功率时的能量流动。

3.1.1 发电功率P发电>用电功率P负荷

针对发电功率P发电>用电功率P负荷时的能量流动，在多种不同工况下进行测试，结果如表1所示。

表1 能量流动(P发电>P负荷)

从表1可得以下结论。

①当P发电>P负荷、SOC

②当P发电>P负荷、SOC=SOCmax时，将交流负载启动调节至0.9 kW，锂电池处待机状态。交流单晶硅系统发电功率为2.7 kW，交流单晶硅发电功率为2.5 kW，发电单元总发电功率为5.2 kW，满足0.9 kW交流负载运行。另外，电网功率损耗为1.1 kW，则发电功率中，剩余3.2 kW由微电网交直流母线送到电网上。

由此可见，并网模式下，发电功率大于用电功率时，且电池处于充满状态时，微电网盈余功率送给电网。

3.1.2 发电功率P发电<用电功率P负荷

当P发电

表2 能量流动(P发电

①当P发电SOCmin时，以表2中第一种工况为例说明。当4.8 kW交流负载和5 kW直流负载同时运行，分布式发电单元的发电功率为8.6 kW，电网功率损耗为0.7 kW。为满足负载用电需求，储能单元提供1.7 kW，另外，不足的功率从电网取0.2 kW供给负载使用。

由此可见，微电网并网运行时，若发电功率小于用电功率，且SOC>SOCmin。不足的功率主要由微电网储能单元提供，不足的再从电网取电供给负载使用。

②当P发电

3.2 离网测试

3.2.1 发电功率P发电>用电功率P负荷

①SOC

当PCS为离网运行模式、P发电>P负荷、SOC

②SOC=SOCmax。

当PCS为离网运行模式、P发电>P负荷、SOC=SOCmax时，针对多种工况进行测试。当交流负载值为9.9 kW时，从监控数据得到储能单元为放电状态，储能单元功率为-0.9 kW。发电单元通过限制功率输出，仅交流单晶硅输出功率为6.2 kW和交流多晶硅输出功率为4.1 kW，发电总功率为10.3 kW，则发电单元发电，储能单元供电共同构成了负载的供电电源。电网功率为0.0 kW，表明电网不输出功率，也不吸收功率。除此之外，相当一部分功率损耗在电网，以及交直流混合母线的传输过程中。

当P发电>P负荷、SOC=SOCmax时，分布式发电单元的能量调动情况是交流单晶硅发电系统优先出力，再依次交流多晶硅、直流单晶硅、直流多晶硅发电系统出力。

3.2.2 发电功率P发电<用电功率P负荷

①SOC>SOCmin。

当发电功率P发电<用电功率P负荷、SOC>SOCmin时，对多种工况进行测试。当交流单晶硅发电系统发电功率为4.5 kW、交流多晶硅发电系统发电功率为1.9 kW、以7.8 kW交流负载运行时，电网功率损耗为1.2 kW，发电功率不足以满足负载需求，则由储能电池放出2.6 kW给负载使用。

可见，当微电网离网运行、P发电SOCmin时，发电和用电的偏差由微电网储能系统提供。

②SOC=SOCmin。

当电池电量不足时，电池进入充电保护期。电池处于充电保护状态时，开启所有发电单元，并将可调功率单元的功率调至最大。当所有发电单元开启尚不能满足负载需求时，将计算发电和负载功率差，调节负载的输出功率。负荷切投的功率即发电和负载功率差。

4 结束语

本文以深圳职业技术学院交直流混合微电网工程为具体研究对象，分析了MGCC的控制策略，并在各种运行模式、运行工况下进行了在线测试。测试结果表明，MGCC通过对底层设备的数据实时采集,根据负荷需求、天气因素以及电网运行状态等，运用能量管理策略进行运算，能有效协调微电网系统内部分布式电源和负荷、储能单元等模块的运行状态，优化了微电源功率出力，实现了微网系统稳定、安全、经济运行。