光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王曉華，孫德亮，李維華（.合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽合肥　0009；.陽光電源股份有限公司，安徽合肥　0088；.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥　0009）

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光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王曉華1，孫德亮2，李維華3
（1.合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽合肥230009；2.陽光電源股份有限公司，安徽合肥230088；3.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥230009）

摘要：文章在光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，給出了光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的組成架構(gòu)設(shè)計(jì)及并網(wǎng)、孤島模式下的運(yùn)行控制和模式切換方法，其軟件控制模型可使光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)在遠(yuǎn)程或本地后臺(tái)的調(diào)度下穩(wěn)定運(yùn)行，并在電網(wǎng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)做到快速模式切換。

關(guān)鍵詞：光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)；并網(wǎng)模式；孤島模式；模式切換；能量管理系統(tǒng)

0　引言

近年來，在能源短缺、環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的背景下，國家不斷出臺(tái)對新能源有利的政策，大力鼓勵(lì)新能源的建設(shè)與發(fā)展。將分布式發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元及負(fù)荷單元相結(jié)合組成光儲(chǔ)系統(tǒng)，通過微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)控制相關(guān)裝置間的配合，可以使新能源利用最大化，實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和可靠供電。自2001年微電網(wǎng)的概念被提出以來，美國、歐盟、日本等國家和地區(qū)加快了微網(wǎng)研究和建設(shè)的步伐［1-3］，并結(jié)合自身特點(diǎn)分別提出了具有不同特色的微網(wǎng)概念和發(fā)展規(guī)劃，在微網(wǎng)的運(yùn)行、控制、保護(hù)、能量管理以及對電力系統(tǒng)的影響等方面開展了大量的研究工作，取得了一定的進(jìn)展。微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、電力電子、熱電冷聯(lián)產(chǎn)等多種技術(shù)的相互交叉與融合［4-5］。當(dāng)前，微電網(wǎng)較成熟的控制技術(shù)主要有基于電力電子技術(shù)“即插即用”及“對等”概念的控制、基于能量管理系統(tǒng)的控制和基于多代理技術(shù)的控制等。控制架構(gòu)主要有以歐盟ICROGRIDS項(xiàng)目中的微電網(wǎng)中央控制器（MGCC）為代表的主從控制和美國CERTS微電網(wǎng)為代表的對等控制［5-6］。

本文設(shè)計(jì)了一種由光伏單元、儲(chǔ)能單元和負(fù)荷單元組成的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)，由微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。大電網(wǎng)存在時(shí)，可通過調(diào)度指令控制光伏單元發(fā)電上網(wǎng)，同時(shí)通過儲(chǔ)能單元對蓄電池進(jìn)行充放電控制；大電網(wǎng)故障時(shí)，可以通過控制儲(chǔ)能單元進(jìn)行無縫切換，保證負(fù)荷用電安全，并根據(jù)用電情況對光伏單元進(jìn)行限發(fā)控制。

1　光儲(chǔ)電站及其系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)由微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)、電網(wǎng)檢測控制模塊、氣象站、光伏發(fā)電單元、儲(chǔ)能控制單元、負(fù)荷單元等組成，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1　光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架

由圖1可知，光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)與公共電網(wǎng)通過進(jìn)線開關(guān)相連，公共電網(wǎng)正常時(shí)微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)線開關(guān)閉合，根據(jù)遠(yuǎn)程調(diào)度，控制光伏單元的有功指令，也可以控制系統(tǒng)向電網(wǎng)注入無功能量以改善電能質(zhì)量。公共電網(wǎng)故障時(shí)，微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)可控制斷開進(jìn)線開關(guān)，控制儲(chǔ)能單元建立電網(wǎng)，光伏單元并網(wǎng)發(fā)電，微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷用電情況、儲(chǔ)能單元電池狀態(tài)和光伏發(fā)電能力，計(jì)算出光伏單元和儲(chǔ)能單元的出力分配，控制光儲(chǔ)系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

2　光儲(chǔ)系統(tǒng)控制算法

2.1模式控制

光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)有并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行2種運(yùn)行模式，根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際狀態(tài)，中央控制系統(tǒng)控制光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行2種運(yùn)行模式間無縫切換。

并網(wǎng)運(yùn)行模式下，光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)響應(yīng)遠(yuǎn)程調(diào)度指令，根據(jù)采集的儲(chǔ)能單元的電池狀態(tài)、光伏單元狀態(tài)和負(fù)載狀態(tài)，計(jì)算出控制輸出，協(xié)調(diào)控制光伏單元的發(fā)電控制、儲(chǔ)能單元的充放電管理和負(fù)載單元的供電，使光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電利用最大化。同時(shí)，光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)也可以響應(yīng)調(diào)度的無功調(diào)度指令，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。并網(wǎng)模式下，光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行控制如圖2所示。

孤島運(yùn)行模式下，微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)斷開電網(wǎng)連接單元，儲(chǔ)能單元工作在VF（電壓頻率控制）模式，根據(jù)負(fù)載情況和儲(chǔ)能單元電池SOC狀態(tài)進(jìn)行仲裁，最終控制光伏單元進(jìn)行限發(fā)，以保證負(fù)荷用電安全和管理電池充放電。

電網(wǎng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)可根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)的變化對系統(tǒng)運(yùn)行模式進(jìn)行切換。

孤島模式下電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)，微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置可主動(dòng)或被動(dòng)進(jìn)入并網(wǎng)模式運(yùn)行，系統(tǒng)由VF運(yùn)行控制轉(zhuǎn)為PQ（有功無功控制）運(yùn)行控制，重新響應(yīng)遠(yuǎn)程的PQ調(diào)度指令，根據(jù)PQ給定、電池SOC和負(fù)載情況，計(jì)算儲(chǔ)能單元電池充放電控制和光伏單元的發(fā)電控制。孤島模式下，光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的控制如圖3所示。

圖2　并網(wǎng)模式光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行控制圖

圖3　孤島模式光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行控制圖

并網(wǎng)模式下電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，儲(chǔ)能單元檢測到電網(wǎng)故障自動(dòng)轉(zhuǎn)入孤島模式運(yùn)行，微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)根據(jù)儲(chǔ)能單元狀態(tài)自動(dòng)轉(zhuǎn)入孤島控制模式，根據(jù)負(fù)載和儲(chǔ)能單元電池SOC狀態(tài)控制光伏單元的發(fā)電和儲(chǔ)能單元電池的充放電管理。

2.2光儲(chǔ)統(tǒng)一控制算法

光儲(chǔ)系統(tǒng)中，各分布式發(fā)電設(shè)備在能量管理系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度下，呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)組相類似的輸出特性。在實(shí)現(xiàn)負(fù)荷自動(dòng)均衡匹配的同時(shí)，確保了微電網(wǎng)內(nèi)部光伏最大功率跟蹤和蓄電池充放電管理［7-8］。

光儲(chǔ)統(tǒng)一控制算法，將蓄電池電量（SOC）控制、虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）控制及光伏最大功率跟蹤（MPPT）相結(jié)合，使網(wǎng)內(nèi)各分布式發(fā)電設(shè)備呈現(xiàn)出下垂特性，能夠適應(yīng)沖擊性負(fù)荷和非線性負(fù)荷供電需求，維持微網(wǎng)在一定頻率誤差范圍內(nèi)的穩(wěn)定，并為能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率誤差控制及經(jīng)濟(jì)性能量調(diào)度提供了可能與接口［9-10］。

由于同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性及調(diào)頻調(diào)壓控制特性能夠改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，若借助配備的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，使分布式電源能夠表現(xiàn)出同步發(fā)電機(jī)的特性，那么分布式系統(tǒng)的穩(wěn)定性必定會(huì)得到提升［11］。虛擬同步發(fā)電機(jī)最先由歐洲VSYNC工程提出，荷蘭能源研究中心、代爾夫特工業(yè)大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)及高校參與了該工程的理論及試驗(yàn)研究，從外特性上看，該工程提出的虛擬同步發(fā)電機(jī)等效于受控電流源。加拿大多倫多大學(xué)、英國利物浦大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)也相繼提出了多種虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，從外特性上看，它們均等效于受控電壓源［11］。

虛擬慣性頻率控制技術(shù)雖然模擬了同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣性、一次調(diào)頻及勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性，但并未充分反映出同步發(fā)電機(jī)的電磁暫態(tài)過程，而文獻(xiàn)［12］根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的電磁慣性提出了“Synchronverter”技術(shù)，更能反映出同步發(fā)電機(jī)的特性。Synchronverter控制原理框圖如圖4所示［11，13］。其中，Pset和Qset分別為二次調(diào)頻有功和無功給定；Dp為有功-頻率下垂系數(shù)；Dq為無功-電壓下垂系數(shù)；Mf為勵(lì)磁繞組與定子繞組間的互感；if為勵(lì)磁電流；θ為電角度。

圖4　Synchronverter控制原理框圖

根據(jù)同步發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電磁關(guān)系可以得到感應(yīng)電動(dòng)勢為：

假設(shè)勵(lì)磁電流恒定，則有：

同步發(fā)電機(jī)有功和無功表達(dá)式為：

電磁轉(zhuǎn)矩為：

VSG實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于合理設(shè)置分布式發(fā)電設(shè)備輸出電壓的電角度θ及幅值Uref。θ的設(shè)置直接表征了電源設(shè)備輸出的有功功率，因此在設(shè)定中不僅需要考慮微網(wǎng)頻率偏差，還需要考慮蓄電池SOC應(yīng)限制在合理范圍，盡量實(shí)現(xiàn)光伏電力的最大化利用；而輸出電壓幅值Uref則主要基于并網(wǎng)點(diǎn)無功功率的下垂控制。基于虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的光儲(chǔ)統(tǒng)一控制算法如圖5所示。

圖5　基于虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的光儲(chǔ)統(tǒng)一控制算法

其中，mSOC為有功功率下垂特性SOC影響因子；mMPPT為有功功率下垂特性MPPT影響因子；KSOC為SOC下垂控制系數(shù)；fΔω為SOC下垂特性頻率影響因子；fMPPT為SOC下垂特性MPPT影響因子；η為電壓下垂特性影響因子。

2.3蓄電池組均衡控制算法

微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)要求工作在獨(dú)立模式或并網(wǎng)模式，并具有自我調(diào)節(jié)和均衡的能力，能夠提高微網(wǎng)內(nèi)可再生能源的發(fā)電以及用電效率，同時(shí)降低對電網(wǎng)的干擾，為了實(shí)現(xiàn)這些功能，儲(chǔ)能設(shè)備成為微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不可缺少的部件之一。然而儲(chǔ)能設(shè)備價(jià)格高昂，為延長設(shè)備壽命，尋求合理的充放電技術(shù)是非常必要的。在大功率微電網(wǎng)系統(tǒng)中，蓄電池將被分成不同單元而獨(dú)立工作。但是，為了保障蓄電池間運(yùn)行工況的一致性，延長蓄電池使用壽命，應(yīng)采取全局性的蓄電池功率控制，以確保各組蓄電池間具有比較一致的充放電工作過程。蓄電池均衡控制算法基于對各組蓄電池參數(shù)的采集，主要為直流電壓參數(shù)，綜合設(shè)置蓄電池組統(tǒng)一的目標(biāo)控制電壓，并據(jù)此對蓄電池的充電功率進(jìn)行優(yōu)化管理。

其中，Vdcj為第j組蓄電池電壓；n為蓄電池組數(shù)；Vdcref為蓄電池均衡控制目標(biāo)電壓。

其中，Pref為蓄電池組總功率控制指令；Prefj為第j組蓄電池功率控制指令。

3　光儲(chǔ)系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)軟件分為運(yùn)行控制軟件和后臺(tái)控制軟件2個(gè)部分，其功能架構(gòu)如圖6所示。

從圖6可以看出，運(yùn)行控制層包含電池SOC控制、AGC控制、模式切換控制、PQ控制以及各設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等功能；后臺(tái)控制層包含外部調(diào)度接口、能量管理、運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控以及光照、負(fù)荷預(yù)測功能。光儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行控制層通過采集設(shè)備層各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，響應(yīng)后臺(tái)控制層的調(diào)度指令，控制設(shè)備進(jìn)行模式切換。后臺(tái)控制層主要提供外部調(diào)度接口、本地監(jiān)控操作界面、重要參數(shù)預(yù)測等功能，運(yùn)行控制層通過后臺(tái)控制層獲取以上參數(shù)，結(jié)合采集的設(shè)備層運(yùn)行信息，綜合仲裁計(jì)算，最終進(jìn)行模式切換控制和能量管理。

圖6　光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)圖

4　光儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用

青海省某自治州，地處4 000 m以上的高海拔地區(qū)，臨近2個(gè)縣共用1處水力發(fā)電設(shè)施，供電很不穩(wěn)定。為提高該地區(qū)的生活水平，在縣郊投資建設(shè)了1個(gè)MW級(jí)光儲(chǔ)微網(wǎng)電站。以已有的水電為主電網(wǎng)，系統(tǒng)由微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。主電網(wǎng)有電時(shí)，系統(tǒng)工作在并網(wǎng)模式，光伏向站用電負(fù)荷和縣城負(fù)荷供電，同時(shí)對蓄電池組進(jìn)行充放電管理；主電網(wǎng)斷電時(shí)，系統(tǒng)切換到孤島模式，向站用負(fù)荷和縣城負(fù)荷供電。該光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

圖7　某自治州光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

該光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)以穩(wěn)定供電為主要目的，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，響應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)的控制，同時(shí)完成對蓄電池組的充放電管理；孤島運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)建立電網(wǎng)，光伏逆變器并網(wǎng)運(yùn)行，光伏發(fā)電控制由光儲(chǔ)系統(tǒng)微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載和電池組SOC狀態(tài)控制，可實(shí)現(xiàn)負(fù)載穩(wěn)定供電、蓄電池的充放電管理及電池均衡。

電網(wǎng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)可以完成并網(wǎng)、孤島的雙向切換功能。該微網(wǎng)的能量管理監(jiān)控界面如圖8所示。

5　結(jié)束語

本文給出了光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的典型組成架構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)，給出了光儲(chǔ)系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行的控制方法，電網(wǎng)發(fā)生變化時(shí)，微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)能在并網(wǎng)和孤島2種模式間相互切換。該光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)目前已應(yīng)用于青海某自治州的供電系統(tǒng)中，證明了該方案的可行性。

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（責(zé)任編輯胡亞敏）

Design and application of photovoltaic and energy-storage micro-grid system

WANG Xiao-hual，SUN De-liang2，LI Wei-hua3
（1.School of Computer and Information，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Sungrow Power Supply Co.，Ltd.，Hefei 230088，China；3.School of Electric Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract：In this paper，the configuration design of a photovoltaic and energy-storage micro-grid system is proposed，and the methods of operation control and mode switch in grid mode or island mode are described.The proposed software control model makes the photovoltaic and energy-storage micro-grid system stably operate in remote or local background system scheduling and switch fleetly when grid changes.

Key words：photovoltaic and energy-storage micro-grid system；grid mode；island mode；mode switch；energy management system

作者簡介：王曉華（1977-），女，河南漯河人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師.

基金項(xiàng)目：國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011AA05A308）

收稿日期：2015-01-27；修回日期：2015-04-20

doi：10.3969/j.issn.1003-5060.2016.01.015

中圖分類號(hào)：TK019

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5060（2016）01-0079-05