一种独立微电网及控制策略研究

一种独立微电网及控翻策略研究　电工电气（２０１５　Ｎｏ．４）　一种独立微电网及控制策略研究　方正，郑晓庆，徐涛　（许继电气股份有限公司，河南许昌４６１０００）　摘要：提出了一种基于智能控制器的独立微电网系统的组网方式及控制策略。系统采用微网子系　统相互连接的方式，进行就地能源管理，通过基于优先级的能量平衡控制策略实现发电、储能与负荷的　最优配合。据此构建的微电网系统响应速度快、扩展方便，在提升微电网系统控制性能的同时有效减少　了电能在不同微网子系统之间传输过程中的能量损失。　关键词：智能控制器；独立微电网；优先级；控制策略　中图分类号：ＴＭ７３４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—３１７５（２０１５）０４—００１９—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａ　Ｋｉｎｄ　ｏｆ　Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　Ｍｉｃｒｏ－Ｇｒｉｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｉｔｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ＦＡＮＧ　Ｚｈｅｎｇ，ＺＨＥＮＧ　Ｘｉａｏ—ｑｉｎｇ，ＸＵ　Ｔａｏ　（Ｘ］Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｘｕｃｈａｎｇ４６１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｌｌ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｍｉｃｒｏ・鲥ｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｘｅｃｕｔｅｄ　ｉｎ—ｐｌａｃｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｕｓｉｎｇ　ａｎ　ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｗａｙ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ－ｇｒｉｄ　ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ．Ｖｉａ　ｅｎｅｒｙｇ　ｂａｌａｎｃｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｒｉｏｒｉｔｙ，　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ｓｔｏｒｅｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｌｏａｄｓ．Ｔｈｅ　ｂｕｉｌｔ　ｍｉｃｒｏ－ｇｒｉｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｆａｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｅｘｔｅｎｄｓ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｍｉｃｒｏ—ｇｒｉｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｐｒｏｍｏｔｅｄ，ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｈｔｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｉｃｒｏ—ｇｒｉｄ　ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｍｉｃｒｏ—ｇｒｉｄ；ｐｒｉｏｒｉｔｙ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　０引言　能控制器，并提出了一种由此控制器搭建的独立直　流微电网系统及其能量控制策略　。该系统不依　海岛及偏远地区远离大电网，通常电力十分紧　赖传统的集控单元，实现分布式布局就地管控，响　缺，但是一般此类地区可再生能源比较丰富，因此　应速度快；控制策略对于发电和负荷的波动有平抑　充分利用可再生能源，建立含风、光等可再生能源　作用，管理了蓄电池的充放电，有利于延长蓄电池　的发电系统是解决此类地区用电问题的一种行之有　的使用寿命；有效解决了传统微电网系统可靠性低、　效的措施　。微电网系统作为可再生分布式发电　扩展性有限、能量远距离传输损耗大的问题。　源的有效组织形式，近年来尤其是在解决海岛及偏　远地区用电问题上发挥着重要作用　。传统独立　１一种独立微电网系统　微电网系统对于远距离分散式布置的发电源和负　荷，在能量传输过程中损耗较大；系统能量平衡及　文中提出的独立微电网系统采用直流母线，分　发电、储电、用电单元协调均需要依赖集控单元，　布式布局方式将空间距离较远的发电源、储能、负　不可靠因素多、可扩展性差；而且一般不存在有效　荷接入智能控制器中协调控制，并通过智能控制器　的设备控制策略和能量平衡控制策略来保证微电网　互联构成环网结构，系统中关键部件为智能控制器。　的稳态和高效运行　咱　，对于负荷、发电的波动调　１．１智能控制器结构　节效果较差，同时缺少对储能的充放电管理　。　智能控制器的结构见图１，它为多端口设备。智　文中首先介绍了一种适用于独立供电环境的智　能控制器采集各端口电能数据，控制负荷、发电源的　实时功率，调配蓄电池提供或吸收的功率，并协调控　作者简介：方正（１９８７一），男，助理工程师，硕士，从事新能源电力电子领域前瞻性技术的研究工作。　一１９—　电工电气（２０１５　Ｎｏ．４）　制智能控制器间的能量交换，达到系统功率平衡。　分布式发电源　＿百ＨＥ　利葡１　｛变流器卜－＿　＿－１．　Ｈ软开关｝　智能控制器２　—１　Ｈ软开关｝　智能控制器３　囤　圈　圆　圆　压　图１智能控制器结构图　图ｌ所示的智能控制器有４类端口，分别为发　电源接入端口、储能（以蓄电池为例）接入端口、　负荷接入端口及互联端口。各个端口接入对应的设　备，智能控制器集成能量管控单元，形成一个就地　小微网系统，根据策略完成系统内能量的平衡。　分布式发电源通过变流器接入直流母线，蓄电　池通过ＤＣ／ＤＣ模块接入直流母线；直流母线通过逆　变器与负荷连接，还通过ＤＣ／ＤＣ模块与其他微电网　子系统中智能控制器的互联端口连接。智能控制器、　负荷和其他微电网子系统的智能控制器之间的连接　及切除采用软开关控制。　１．２微电网子系统组网　如图２所示，由子系统１、子系统２、子系统　３组成一个微电网系统。子系统由智能控制器、分　布式发电源（光伏电站、风力发电机）、储能（蓄　电池）及负荷组成，子系统间通过外部电缆（Ｌ１、　Ｌ２、Ｌ３）、智能控制器的互联端口互联。　能控制器２　／荷电　微网子系统ｚｌ｛　／　耗源　＼大量　＼于？　微网子系统１　微网子系统３　智能控制器１　Ｌ１　Ｌ２　智能控制器３　端口ｌＬ３　＿Ｊ　Ｉ　ｆ端口　．　．．．端口ｌ．．．．　．．．．．．．～　．　．　．．．＿＿Ｊ　１　Ｉ端口　．　．．．．．一　端口ｌ　ｆ端口　端口ｌ　ｆ端口　图２基于智能控制器的微电网组网方式　分布式发电源往往有安装的地势要求，如风机　在海岛环境中一般存在于岛的边缘区域，光伏组件　往往安装在开阔地带如山顶。基于智能控制器的独　立直流微电网系统将空间距离较远的分布式发电源　和负荷作为不同的子系统，通过智能控制器互联端　口互联建立直流网络，形成分布式布局；分布式发　一２０—　一种独立微电网及控翩策略研究　电源与负荷就地安装，减少传输中带来的能量损失。　２独立直流微电网控制策略　独立直流微电网采用基于优先级的能量平衡控　制策略，具体的控制流程如图３所示。　负荷耗电量＼　不等于发电源发电量？／　＞　一电量ｌ　．Ｙ　＼　／　霾　令　储能放电调节　逐级切除负荷　图３基于智能控制器的微电网能量平衡控制流程　多个独立直流微电网子系统可通过智能控制器　互联组成环网结构，智能控制器不仅协调每个微网　子系统内部发电、用电、储能能量平衡，对蓄电池　进行充放电管理，而且控制不同微网子系统之间的　能量流动，因此独立微网的控制策略依赖智能控制　器的能量控制策略，由智能控制器实现。　１）子系统内部能量平衡　系统内部有４种电量调节方式，分别为发电调　节、储能调节、相邻子系统间电量调节及负荷调节。　按照能量最优利用的原则，其优先级递减。　一种独立微电网及控翩策略研究　电工电气　（２０１５　Ｎｏ．４）　发电量小于负荷需求时，其能量调节的优先级　部软开关完成，减少了机械开关的动作次数，延长　为：发电调节＞相邻子系统电量调节＞储能调节＞　系统的使用寿命。　切除负荷操作。　２）子系统之间能量平衡　发电量大于负荷需求时，其能量调节的优先级　子系统互联由智能控制器端口实现，智能控制　为：投入负荷操作＞相邻子系统电量调节＞储能调　器协调子系统之间的能量平衡。子系统内若发电源　节＞发电调节。　发电量大于负荷耗电量，则本系统可提供额外电量，　当子系统的发电源功率等于负荷需求时，储能　此时若相邻的子系统内部需要额外的电量，则由本　模块处于浮充状态，该子系统与其他子系统之间不　子系统通过互联端口对相邻的子系统提供电量。反　进行外充或补电调整。　之，若发电源发电量小于负荷耗电量，则本子系统　当子系统的发电源功率大于负荷需求时，优　需要外部电量，此时若相邻子系统可提供电量，则　先投入负荷，然后向其他子系统输送电能，再次　通过互联端口输入电量。该系统中微电网子系统通　视蓄电池Ｓ０Ｃ状态（电池剩余电量，设阈值上限为　过对应智能控制器的互联端口与其他微电网子系　ＳＯＣＨ，下限为ＳＯＣＬ）对该子系统内部的储能充电，　统进行电能传输。依靠就地电力电子技术，完成负　最后控制该子系统的发电源减少出力或切除操作。　荷按重要等级管理、蓄电池充电管理、发电源间　当子系统的发电源功率小于负荷需求时，视　能量传输平衡，可大幅度提高系统的可靠性和可用　发电源是否处于ＭＰＰＴ（最大功率点跟踪）状态优先　性，可再生能源利用率高；系统根据负荷情况进行　控制发电源增加出力，若发电源己处于ＭＰＰＴ状态，　综合调节并采用较高的直流电压进行输电，可实现　则从其他子系统中获取能量，再次视蓄电池Ｓ０Ｃ状　发电、储能、负荷的最优配合。　态控制该子系统内部的储能放电，最后才是逐级切　除负荷。只有当发电源、储能模块及其他微电网子　３独立直流微电网系统实现　系统均不能为当前子系统负荷提供更多的电能时，　才按负荷重要等级逐级切除负荷。负荷的切除时刻　３．１系统组成　参考预先设置的蓄电池剩余容量，负荷切除采用内　独立直流微电网系统结构图如图４所示。　图４独立直流微电网系统结构图　根据具体环境中分布式能源的位置就地组成子　入５　ｋＷ负荷；子系统２包含１个５　ｋＷ的风机、１个　系统，最终由子系统１、子系统２、子系统３互联　容量为１５０　ｋＷ・ｈ的储能；子系统３包含１个ｌ０　ｋＷ　组成大微电网系统，此系统的组成方式便于进行分　的光伏电站、１个容量为１００　ｋＷ・ｈ的储能，２个负　布式布局，便于扩展。其中子系统１包含１个１０　ｋｗ　荷端口分别接入５ｋｗ负荷。　的光伏电站、１个额定功率为ｌ０　ｋｗ的柴油发电机、　３．２系统功能设计　１个容量为１５０ｋＷ・ｈ的储能，２个负荷端口分别接　如图５所示，独立直流微电网系统的主控系统　一２１—　电工电气（２ｏ１　５　Ｎｏ．４）　结合系统数据库和外界条件控制微电网系统整体发　电管理、负荷管理、储能管理、能量的系统间调度　与经济调度。而每个子系统的能量平衡控制由各个　微网子系统中的智能控制器完成。　］太阳辐射　发电源信息　霪ｌ匦温度湿度　　元　功率元件信息　件　蓄电池信息　甚匦　信　相邻系统信息　息　负荷信息　系　统　数据库｝　主控系统　数　茇　网［——　——　——　——下　ｌ网网陶ｌ零ｆ！Ｉ壑塑壁　　历史　管理ｌＪ管理ＩＩ管理『Ｉ调度ｌｌ调度Ｉ　图５系统功能结构　子系统智能控制器内部模块包括采样模块、负　荷控制模块、蓄电池管理模块、发电管理模块、能　量互传管理模块、主控模块。　在不同的天气情况下，智能控制器协调各模块　按不同的控制策略工作。光伏电站１、光伏电站２　和风力发电机根据系统能量缺口进行调整；负荷管　理模块根据系统能量情况和负荷优先级调配负荷１、　负荷２、负荷３、负荷４；能量互传管理模块负责子　系统间能量的合理流动利用；蓄电池管理模块根据　预置的Ｓ０Ｃ值实现对蓄电池充放电管理。　子系统１（子系统３）中分别设置切除负荷１（负　荷３）的蓄电池的剩余容量为３０％，切除负荷２（负　荷４）的蓄电池为２０％，蓄电池剩余容量降低到１０％　时进行充电设置。当系统发电波动或负荷波动时，　根据子系统内和子系统间的控制策略，控制蓄电池　平抑差额电量。　阳光或风力充足时，１０ｋＷ光伏电站１、１０ｋＷ　光伏电站２可按照ＭＰＰＴ状态发电，比较子系统ｌ和　子系统３中负荷用电需求和光伏发电量，若相等不　予调节，５　ｋｗ风力发电机首先为子系统２储能充电，　接着通过互联电缆为子系统１、子系统３储能充电，　待各部分储能Ｓ　０Ｃ达到定值时，停止充电，按控制　策略切除光伏组件或停止风力发电。若子系统ｌ或　者子系统３中负荷用电需求大于光伏发电量，则其　他发电有余的子系统电量流入有电量需求的子系统。　极端阴雨天气或夜晚时，子系统１和子系统３　光伏发电受限或没有，根据能量控制策略，若子系　统２风力发电充足，子系统２发电首先流入子系统　ｌ和子系统３供给负载使用；若风力发电不充足，　一２２一　一种独立微电网及控锄策略研究　子系统１和子系统３储能按照储能控制策略为负载　供电，储能Ｓ０Ｃ到达下限时，按负荷等级逐级切除　负荷，必要时可启动柴油发电机供电。　在某一子系统出现发电故障时，智能控制器控　制切除发电部分，系统内负荷由其他未故障子系统　供能或根据控制策略直接切除负荷。　４结语　介绍了一种由智能控制器为主体设备的独立直　流微电网系统及能量控制策略。系统中可再生能源　与负荷就地安装，采用微网子系统相互连接的方式　将空间距离较远的发电源和负荷联络形成环网结构；　智能控制器按照优先级控制策略协调不同微网子系　统内部及相互之间的能量平衡；系统不依赖传统的　集控单元，实现分布式布局就地管控，响应速度快，　负荷、发电波动时系统可就地进行快速调节；系统　扩展方便，不需更改现有系统的蓄电池及其他配置，　不需重新调节集控单元。有效解决了传统微电网系　统响应速度慢、扩展性有限、能量远距离传输损耗　大等问题，为独立微电网领域提供了一种技术思路。　参考文献　［１］李富生，李瑞生，周逢权．微电网技术及工程应用　［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２０１２．　［２］刘梦璇，郭力，王成山，等．风光柴储孤立微电网　系统协调运行控制策略设计［Ｊ］．电力系统自动化，　２０１２，３６（１５）：１９—２４．　［３］黄伟，孙昶辉，吴子平，等．含分布式发电系统的微　网技术研究综述［Ｊ］．电网技术，２００９，３３（９）：１４－１８．　［４］鲁宗相，王彩霞，闵勇，等．微电网研究综述［Ｊ］．　电力系统自动化，２００７，３１（１９）：１００—１０７．　［５］陈楚南．新能源分布式独立微电网的调度管理的研　究［Ｄ］．长沙：湖南大学，２０１１．　［６］张佳军．风光储微电网多电源协调控制策略研究　［Ｄ］．北京：华北电力大学，２０１３．　［７］谭兴国，王辉，张黎，等．微电网复合储能多目　标优化配置方法及评价指标［Ｊ］．电力系统自动化，　２０１４，３８（８）：７－１４．　［８］吴志峰，舒杰，崔琼．多能互补微电网系统组网及控　制策略研究［Ｊ］．可再生能源，２０１４，３２（１）：４４～４８．　［９］岳飞飞．直流微电网的能量管理研究［Ｄ］．秦皇岛：燕　山大学，２０１２．　收稿日期：２０１４—１２—０３