考虑多源互补特性的微电网系统自动优化策略研究

黄 慧，邓文扬，刘志勇

（1.广东电网有限责任公司韶关供电局，韶关 512026；2.广州市奔流电力科技有限公司，广州 510530）

0 引言

为应对气候变化，我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”等战略目标，并提出“构建以新能源为主体的新型电力系统”作为能源电力发展的方向。风能和太阳能发电显示出更为广阔的前景。但是风力发电和光伏发电很容易受到气象因素影响，对电网的安全可靠性的影响很大，因此储能和微电网技术成为支撑新能源消纳的热门方向[1]。

新能源发电系统的输出功率波动会影响整个电网运行安全，因此要设置储能系统，以实现可控微源与光伏电网互相补充，确保微电网运行的稳定性。与此同时还需制定有效的优化策略，对系统功率进行灵活分配，使电网系统能够更好的适应不同用电场景的需求。

新能源发电系统的输出功率如果产生波动，整个微电网都难以安全稳定的运行，因此微电网系统在运行过程中，要设置储能系统，同时确保可控微源与光伏电源能够更好地实现补电，从而保证电网能够稳定可靠地运行，除此之外还要提出有效的优化策略，确保系统功率分配效果，使系统能够更加灵活稳定[2]。

本文针对基于复合储能电网对多源互补微电网的协调控制策略展开研究，建立复合储能控制模型，实现自动优化，并通过实验验证了优化策略的可行性。

1 考虑多源互补特性的微电网复合储能控制模型

微电网分为并网和孤网两种形式，本文仅针对直流孤网型微电网进行优化控制和多源互补协调控制策略研究。微电网主要包括光伏、水电、蓄电池、超级电容等多种发电系统[3]。微电网拓扑结构如图1所示。

图1 微电网拓扑结构

在确定微电网拓扑结构后，根据设计要求，构建三层控制结构，如图2所示。

图2 微电网控制框架

根据图2可知，第一层为局部控制，以局部发电分配、负荷控制、混合储能模式为主；第二层是协调控制，作为整个微网系统的协调控制核心，通过对收集的数据进行分析与处理，获得控制指令，并下发到本地控制器，该控制层既能协调局部各设备控制，又能接受上层能量管理的调度，实时修正实际运行和调度目标的误差，从而实现微网的多源互补协调控制；第三层的主要作用是优化控制，对功率分配进行了一系列的优化，实现对储能调度和功率分配的综合调整，从而使微电网运行更加经济、安全与稳定。

为了充分利用超级电容的响应速度优势和蓄电池的能量密度优势，采用复合储能，以更有效地发挥功率控制作用[4]。超级电容器结构如图3所示。

图3 超级电容器结构

根据图3可知，超电容器采取的结构为双电层机构，当结构内部输入直流电，则电极的电解质正、负离子会很好地聚到一起，形成一个有效的双电层，超级电容器利用双效层实现电荷储存。

超级电容器的等效电路RC模型由一个阻容单元，理想电容C，等效电阻Rs、Rp构成，如图4(a)所示。实际应用中电容器通常要经过功率转换器对功率进行调整后与电源相连，整个过程会出现频繁的充电放电的循环往复，假设忽略Rp的影响，可将电容器模型进行简化，如图4(b)所示。

图4 超级电容器的等效电路RC模型

由图4可知，本文研究的超级电容器的等效电路RC模型将复杂的结构简单化，通过反复地充电过程和发电过程来展示电气内部的特征，在展示过程中，连接方式不会影响展示结果，整个展示过程的容量配置可以提供很好地理论基础。其等效串联内阻计算公式为：

其中，Rarray为等效串联电阻；Ns为电力器件数量；Np为并联电路的支路数量。

等效电容计算公式为：

其中，Carray为等效电容。

由于超级电容器单个结构内部电压较低，实际应用中会同时使用多个电容器，多个电容器的电容量为：

其中，C为多个电容器组成的总电容值；Umax表示允许的最大工作电压。

从上面的公式可以看出，超级电容器的电容值会受端电压的影响，在使用过程中，伴随充电放电的循环往复，端电压也会随之发生变化。

蓄电池内阻极低，充电速度快，容量大，可作为电源供电，性能优良。蓄电池的容量通常定义为：

蓄电池放电过程中工作电压为：

其中，EO为开路电压；Ib为输出电流；R为蓄电池外接电阻；RO为电池内阻[5]。

蓄电池恒流充电模式，充电过程中电压升高，电流不变，通过对电池进行充电操作，保证蓄电池内部电量能够很好地被消耗，保证电源内部电量平衡。恒流充电的控制框图如图5所示。

图5 恒流充电控制线路图

蓄电池恒压充电模式，电压保持不变，随着充电过程的进行，电流就会随之减少，最终达到最小值。

恒压充电控制框图如图6所示。

图6 恒压充电控制框图

2 考虑多源互补特性的微电网系统自动优化策略

2.1 协调控制结构

本文设计的协调控制结构内部由多个系统组成，主要的系统包括光伏发电系统、小水电发电系统和超级电容系统，系统的结构框图如图7所示。

由图7可知，一旦光伏系统和水力发电系统运行过程，当输出功率不能及时就地消耗或不足时，通过能量管理系统调节复合储能和微型燃气轮机输出功率，对电压进行调节，使电压稳定在额定范围内。超级电容容量储能系统和蓄电池能量储能系统基于直流母线电压进行控制，使其处于正常工作状态，避免过度放电对电能储能系统造成损害[6]。

图7 多源互补微电网协调控制整体结构框图

2.2 协调控制策略

通过电压等级划分，对直流母线内部产生的电压波动进行点解，设定直流母线电压的内部限值，本文共设定了6个限值，划分的电压等级区域如图8所示。

图8 电压等级划分区域图

在分析直流母线电压波动幅度后，对波动幅度进行分析，设定的等级共有4个，分别是可允许波动、小范围波动、大范围波动和极限波动。控制策略流程图如图9所示。

根据图9可知，电压波动|Udc-UN|表示，根据我国民用电标准，当波动值小于0.05UN时，被视为可允许正常波动。设定复合储能系统，对复合储能系统进行电压补偿，将工作状态切换成模式一，这样可以很好地防止来回切换这一问题发生，确保系统使用寿命。

图9 控制策略流程图

当电压波动|Udc-UN|大于0.05UN且小于0.1UN时，视为小范围电压波动。对于这种小范围波动，可以采用储能对波动进行平抑。当母线电压大于额定电压时，首先调节超级电容器变换器，以减少蓄电池频繁充放电。超级电容器荷电量SOCSC小于85%时，超级电容器系统进行充电，这种工作状态定义为模式二；当SOCSC大于85%时，超级电容器内几乎充满电荷，饱和状态下的电容器无法继续充电，此时要检测蓄电池内电荷量SOCb，SOCb小于80%，蓄电池内电荷量为不饱和状态，能够进行正常充电，此时蓄电池工作状态定义为模式三。如果超级电容器的电量达到饱和，则不能进行继续充电，这时系统需要检测蓄电池的节电量；当SOCb大于80%时，说明复合储能系统已经达到最大电荷负载，无法调节降低母线电压，此时电网工作状态定义为模式四。当母线电压不足，超级电容器荷电量 SOCSC大于15%，超级电容器进行放电状态，这种工作状态定义为模式五；若SOCSC小于15%，此时超级电容器荷电量较低，不能完成放电动作，需对蓄电池荷电量SOCb进行检测，若SOCb大于20%，则表明蓄电池荷电量在正常范围内，可以实现正常放电，则这种工作状态被定义为模式六；如果蓄电池内部的SOCb低于20%，则蓄电池需要采用放电方式，设定这种模式为模式七。

当0.1UN≤|Udc-UN|<0.15UN时，视为大范围波动。对于大范围波动，单一储能系统的平抑波动效果不佳，需要引入复合储能加强平抑效果，如果系统采用的储能方式为单一波动方式，则平抑波动能力较差，因此本文设置了复合储能，从而提高平抑能力。同时需要移除部分次要负载，以保证系统对波动的调节效果。复合储能系统具有响应快、调节能力强的优势。当母线电压高于额定电压时，如果SOCb不能超过荷电状态要求的最大值，系统设定的模式为充电模式，设定这种工作状态为模式八；SOCb小于荷电状态的极限值，系统仍有空余荷载能力，可以进行正常充电，定义为模式八；SOCb超出荷电状态的最大值，说明系统无法完成充电，需要限值发电系统电力输出，调节母线电压，定义为模式九，否则限制发电设备出力，对母线电压进行调制，设定的系统荷电量处于饱和状态，可以正常放电，定义为模式十。若SOCSC和SOCb皆小于荷电状态的最小值，则需移除次要部分负载，降低母线电压，定义为模式十一。否则切除部分不重要负荷，这种工作状态定义为模式十一。

当电压波动大于0.15UN时，为极限波动，超出了复合储能系统调节电压波动的能力。如果母线电压的数值超过额定电压，则系统需要启动新的模式，本文设定的启动模式为限功率模式。若超级电容器和蓄电池满足上述的充电条件，系统启动充电模式，设定这样的工作模式为模式十二；如果母线的电压不能达到额定电压，需要切除不重要负荷，这种工作状态定义为模式十三。

3 实验研究

为了验证本文提出的考虑多源互补特性的微电网系统自动优化策略研究的有效性，与未优化前的微电网系统进行实验对比，设定实验参数如表1所示。

表1 实验参数

采用下垂控制时，直流母线电压会随负荷变化而改变，微电网各微电源出力曲线如图10所示。

图10 微电网微电源出力曲线

根据图10可知，开始时，负荷未投入允许，系统处于平衡状态，在0.6s时，投入10kW负荷，由于负荷比较小，直流母线在允许范围内波动，负荷由小水电单独供应；在1.1s左右，再投入10kW负荷，同时光伏发电系统开始允许，由于负荷的增加，直流电压继续下降，但由于还处于允许范围内，复合储能不动作；在1.6s时再有7kW负荷投入，此时直流电压处于0.1UN≤|Udc-UN|<0.15UN范围，由于负荷差额较小，单独由超级电容进行调节，2.1s时又投入20kW负荷，此时功率缺额已超过超级电容调节范围，将启动储能进行调节；在整个调节过程中，直流母线电压都可调节到允许范围内，实现了直流电压的稳定控制。

加入复合储能进行能量平衡前后电压如图11所示。

图11 加入复合储能进行能量平衡前后电压曲线

根据图11电压波动情况可知，在未加入复合储能进行能量平衡调节前，直流母线电压会随着负载的增加而降低；加入复合储能进行能量平衡调节后，直流母线电压的跌落明显降低，母线电压能够短时间内实现调节，完成内部的功率平衡[7]。

本文提出的优化策略能够很好地稳定直流母线电压，在电压跌入警告区域后，使用本文的优化策略可以使系统在短时间内回到合格区域，保证了电压的稳定。

综上所述，通过对光伏发电系统、小水电、复合储能系统组成的多源微电网系统进行分析，充分利用了超级电容、蓄电池调节能力，实现了多源互补微电网系统的自动优化控制。

4 结语

本文对多源互补微电网控制结构进行深入分析，探讨了复合储能特性及其功率分配策略，并设计复合储能系统模型实现优化系统的设计，最后基于直流母线电压分区方法提出了微电网系统自动优化策略，实验结果表明，该策略具有优越性，各种工况下直流母线电压都可调节到允许范围内，实现了直流电压的稳定控制。