基于多能互补的微电网调度策略研究

席庆雁

（青岛颐杰鸿利科技有限公司）

0 引言

各类分布式电源只有在被微电网组合之后，才能为当地负荷供给绿色能源，所以微电网必将成为全球各个国家所研究的热点。微电网在运行的过程中，并不存在相对较大的惯性，但是因为存在众多的模式和差异相对较大的内部电源特性，使其内部公共点的电压频率难以稳定，从而使微电网的控制问题变得过于复杂［1］。

分布式发电的英文简称为DG，它所指明的是直接布置于配电网或者负荷周边的发电设施，可以供给可靠、绿色以及高效的电能，分布式发电的实施可让我国化石能源短缺问题和环境污染问题一一得到解决，同时也能让雾霾天气的发生率降低。通过先进的电力电子技术，微电网可把分散电源、负荷同储能装置结合成为一个可控单元，其完全能够同配电系统并网运行，甚至也能离网孤岛运行［2］。微电网的接入能完全充分挖掘分布式电源的利用效率，最终为供电部门和客户端产生特殊的价值和经济效益。

1 微电网逆变器控制策略

微电网逆变器控制策略包含有主从控制和对等控制。对于主从控制的微电网来说，需要将一个或者多个主电源设置到位之后，才能分析其是否可对电网的电压和频率信息进行全面检测，需要通过通信才能对其所从属电源的功率进行输出。根据微电网一般的运行模式，需要使用相应的调节手段，才能达到微电网的功率平衡。对等控制的微电网内的各种不同的电源并不存在主次关系，都需要依据之前所设定的设计模式一同参加到功率的调节中，不需要通信过程就能实现即插即用的功能［3］。

1.1 微电网基本结构

混合微电网模型结构如图1所示。可以看出，微电源风机（WT）与交流母线直接连接，蓄能电池（BS）和光伏（PV）两者都可与直流母线相互连接，随后再通过逆变的方式才能同交流母线相互连接，STS是静态开关，T表示隔离变压器。若电网故障增大，STS必将断开，微电网呈孤岛运行，它将会为本地负荷供电，确保敏感负荷保持持续性供电，当STS闭合之后，微电网才能正常运行。

图1 混合微电网模型

1.2 微电网的运行模型

（1）联网运行

通过静态开关STS，微电网才能连接主网。分布式电源需要采取PQ控制策略，才能让微电网将指定功率输出。

（2）孤岛运行

多个不同分布式电源都是负荷供电，此方案需要对下垂控制策略加以改进和更新，才能保障母线的电压频率稳定。

（3）孤岛向联网的切换

微电网需要在孤岛模式下工作，在主电网稳定运行无故障的情况下，才能检测到STS是否成功闭合，最终才能进行并网操作。目的是让并网时的电流冲击减小，若此时检测到微电网同主网完全满足条件，可进行闭合STS，最终可进行并网运行。

（4）联网向孤岛的切换

当主网产生故障的时候，必须要断开STS，微电网孤岛可持续运行，因为微电网内负荷所需要的功率基本上不会与分布式电源所供功率相同，所以网内的电压频率与幅值必将会和额定值存在偏离。为了让电压频率偏差的调整速率增大，在启动前期的时候，就需要进行反馈控制，在对比例积分调节机制进行判断之后，才能对孤岛运行过程中的电压和频率稳定性加以调节。

2 交直流混合微电网平台架构

本论文在分析的过程中，需以交直流混合微电网控制策略研究为核心，同时要分析有关于微电网关键设备检测等不同的实际需求。在分析的过程中需借鉴国内外有关微电网平台的创设和更新经验，才能设计且开发出一个先进的电网拓扑结构（如图2所示）。该结构不但控制灵敏，而且操作十分灵活，同时，它也是集系统研究、设备检测以及系统功能于一体的交直流混合微电网的仿真测试平台，可完成微电网系统控制策略研究和逆变器等新资源发电关键设备的检测等。

图2 交直流混合微电网平台架构图

整个平台架构以光伏发电与储能电池为主要能源，它需要通过光伏发电模拟器、风力发电模拟系统和柴油发电模拟系统等才能完成装置过程，使用交直流混合母线形式，具体组网方案如下：

（1）DG总容量达到了120kW，其中真实的光伏发电系统为30kW，柴油发电机、小型风力发电模拟系统和光伏组件模拟器分别都刚好为30kW；

（2）储能系统达到了30kW·h锂电池储能；

（3）负载刚好为30kW 的可编程交流负载，且其中20kW 能够变成直流负载；

（4）储能双向变流器容量达到了50kW，直流变换器达到了30kW。

3 平台控制策略研究

此项目平台系统的终极目标是在微电网能量管理系统的完全控制之下，对各个部分的工作加以合理调度，由此才能满足并网以及孤岛情况下的基本运行要求。在并网与孤岛的基本情况下，储能系统也需要采取相关的控制方法和应用要求，这也是本平台能量调度控制策略的基本内容。

3.1 并网情况下的控制策略

3.1.1 系统功率调节控制策略

在此平台系统内，基于并网情况下完成控制策略之前，需要对电网故障时的备用能量需求进行预估，把电容容量的N%（默认设置为60%）用于备用，若此时电池存储的能量完全少于设定值，则在对电池进行充电的时候，需要在满足备用容量需求的前提下把电容容量的1-N%用于平抑光伏的功率波动。为了能够满足电池维护的需求，需要在并网运行的过程中定期对电池进行充满放空处理。在并网运行的过程中，需要首先使用光伏的输出功率，也就是负荷和电池所需要的能量最开始是通过光伏所提供的，与此同时，也能采取逆流的防护措施。

3.1.2 功率波动平抑策略

在微电网能量管理系统的调度下，功率波动平抑策略得以稳定进行。在分析的过程中，需要以光伏发电系统前n分钟平均功率P作为平抑功率波动的控制目标，由此才能实现储能并网变速器和功率的双向调节，从而使光伏和储能的总输出功率在相对更大的时间尺度上维持稳定性和高效性，进而让功率波动的平抑控制效果更好。

3.2 并网-孤岛的转换以及孤岛情况下的控制策略

在孤岛情况下的控制目标下，微电网系统需要通过光伏和储能系统的调度控制，才能在完全确保供电质量的前提下实现用电的功率平衡。

3.2.1 并网与孤岛模式的转换

通过孤岛检测算法，储能变流器能对孤岛情况的发生加以分析和监测。在对电网故障检测的时候，需要立即对智能配电柜和监控调度系统进行通知，使智能配电柜在得到孤岛指令之后马上切断与电网的连接，且依据孤岛供电预案的情况，保留或者切除其他负荷，对敏感负荷要保留到位。在智能配电柜断开和电网连接的过程中，也许会产生储能、光伏以及风电变流器等过载而脱网的情况，造成“并网-孤岛”无缝切换产生失败，此时，需要按动黑启动模式运行。孤岛检测过程不能掺入光伏和风电变流器等，在并网到孤岛转换过程中，也不需要采用特别的措施。

3.2.2 孤岛运行模式的控制方法

在孤岛运行模式下，对于储能系统而言，它不但是功率调节的主要执行环节，也是电网电压的控制环节。除了光伏之外，风电模拟系统也是功率输出的重要环节，所以各个部分都一定要根据如下规则，才能加以控制：

（1）储能系统内的储能变流器需要维持微电网交流母线电压的稳定性；

（2）光伏变流器和风电模拟器都需要以正常的模式工作，输出和交流母线电压相对应的电流；

（3）输出电流的大小重点通过变流器依据发电功率而加以确定；

（4）储能变流器需要进行功率调节，才能达到电负荷平衡。

3.3 储能变流器的控制策略

基于孤岛模式下，在储能变流器维持微电网母线电压和频率稳定的前提下，变流器三相输出电压幅值和频率需要稳定在380V／50Hz左右，所输出的功率需要通过负荷、光伏和风电模拟器的功率共同确定，而无需微电网能量管理系统下达相应的命令。

4 暂态分析和控制

当处于稳定运行的时候，光储发电系统可完全将微电网的渗透率提升到80%左右，这样对于微电网的稳定性以及可靠性有着巨大的考验，特别是暂态运行过程中的可靠性。就微电网的暂态控制而言，众多研究学者对此进行了更加深入的研究，例如电压和频率的下垂控制、集中储能对分布式光伏的电压和频率控制以及下垂控制的改进等。

在混合微电网中，柴油发电机组唯有在频率波动范围相对较大的时候，才能完成频率的调节，基本上不存在电压调节的功能，水电机组也能即时调节频率，甚至可以改变无功调节系统的电压，这些都归属于平衡节点。虽然水电能够承担暂态调频以及调压的基本任务，但是因为光储发电系统的渗透率较高，因此光储发电系统也一定要拥有暂态控制策略，目的是保障整个微电网的稳定性以及可靠性。

光储发电系统的两段35kV母线都设定了SVG，它可自动实现无功电压补偿，所以对于微电网暂态临时的调压控制策略，无需做具体分析。但是微电网的系统频率波动相对较大，范围是46～53Hz，光储发电系统中光伏逆变器的通信速率相对较慢，而储能通信响应较快，所以需要使用储能系统来完成暂态紧急调频控制。

5 结束语

本论文针对于微电网中的光储发电系统进行了重点分析，依据运行方式将不同的运行模式和切换控制方式加以划分，并且提出了稳态和暂态控制策略。借助RTDS仿真测试以及现场试验，证实了控制策略的稳定性以及可行性，对微电网内新能源的调度控制具有一定的参考意义，最终对光储等新能源和传统能源所构成的微电网研究起到积极的推动作用。