風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行模式切換控制策略探討

王師 李錦雙

摘要：風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)是當(dāng)前電網(wǎng)并網(wǎng)研究的熱點(diǎn)，通過(guò)對(duì)風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)策略進(jìn)行探析，對(duì)微網(wǎng)并網(wǎng)的算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)微網(wǎng)并網(wǎng)的策略進(jìn)行了分析，最后研究了風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)解列控制策略，為風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)；并網(wǎng)運(yùn)行；運(yùn)行模式切換控制策略 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TM614 文章編號(hào)：1009-2374（2016）18-0140-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.069

1 風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)一般主要由能量產(chǎn)生裝置、能量?jī)?chǔ)存裝置、能量消耗裝置三個(gè)部分組成。不同的能量裝置具有不同的功能，其中系統(tǒng)的能量產(chǎn)生裝置由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池以及柴油機(jī)三部分組成，共同承擔(dān)著風(fēng)光柴儲(chǔ)的能

量產(chǎn)生功能，具體的風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

系統(tǒng)直接連接在10kV的母線上，在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，采用690V的母線上連接0.5MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一套125kWh的儲(chǔ)能電池和100kW的光伏電池連接在400V的母線上，采用變壓器（630kVA，690/400V）將690V與400V母線連接在一起，微網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)荷分為重要負(fù)荷和次要負(fù)荷，能耗裝置主要連接在400V的母線上。系統(tǒng)主要是交流微網(wǎng)電力管理系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的能量產(chǎn)生的所有裝置輸出電能特性與火力電力電能特性存在差異，因此該系統(tǒng)采用逆變器連接到交流母線上，而不是采用直接接入到電路的方式，因?yàn)槟孀兤鲗⒛芰颗c轉(zhuǎn)換接口結(jié)合在一起，對(duì)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定具有十分重要的作用。逆變器在系統(tǒng)中一般采用DG并網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，圖2為逆變結(jié)構(gòu)的DG并網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

在該結(jié)構(gòu)中，DG逆變器主要為并聯(lián)的模式進(jìn)行連接，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與單一的集中式電源相比較，采用逆變器的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，能夠提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的可靠性。在圖2中采用的是電壓源型逆變器（VSI）逆變器，系統(tǒng)主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池和儲(chǔ)能電池三個(gè)部分。其中儲(chǔ)能電池、光伏電池生產(chǎn)的是直流電流，需要采用DC/AC逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為50Hz的交流電才能并網(wǎng)使用，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的是交流，也需要通AC/DC將其轉(zhuǎn)換為直流，然后在經(jīng)過(guò)DC/AC將其轉(zhuǎn)換為50Hz的交流電，柴油機(jī)可以直接提供50Hz的交流電，不需要通過(guò)逆變器，可以直接通過(guò)變壓器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2 風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行控制策略研究

風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)程中，需要保證供電的品質(zhì)和可靠性，要能夠充分發(fā)揮清潔能源的效率和示范作用，同時(shí)還要能夠保證微網(wǎng)系統(tǒng)不能通過(guò)配電變壓器向電網(wǎng)倒送電的問(wèn)題產(chǎn)生。

2.1 能量控制算法分析

能量控制算法對(duì)微網(wǎng)的能量進(jìn)行控制，由于各種原因往往會(huì)引起電網(wǎng)的頻率和電壓的波動(dòng)，各個(gè)逆變器DG都采用PQ控制的方式，保證電網(wǎng)輸出的有功和無(wú)功功率是恒定的。風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行主要是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏電池的輸出功率進(jìn)行控制，保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)行，需要考慮PCC處交換功率必須大于0這個(gè)條件之后，才能對(duì)各個(gè)DG的輸出功率進(jìn)行控制，因此需要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏電池的輸出功率等一系列的系統(tǒng)算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.1 控制目標(biāo)。

式中：ImLoad為重要負(fù)荷集合；為負(fù)荷吸收的功率大??；為系統(tǒng)連接的開(kāi)關(guān)閉合判斷，當(dāng)它的值為1時(shí)，系統(tǒng)閉合，當(dāng)它的值為0時(shí)，系統(tǒng)為斷開(kāi)狀態(tài)；表示PCC處的電網(wǎng)交換的功率，當(dāng)它大于0時(shí)，系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，值為0時(shí)，表示微網(wǎng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行的狀態(tài)。

2.1.2 微網(wǎng)功率的平衡約束條件。

式中： 分別表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池、儲(chǔ)能電池和柴油機(jī)的輸出功率大小，儲(chǔ)能電池為負(fù)值時(shí)，表示電池正在充電，當(dāng)儲(chǔ)能電池為正值時(shí)，表示電池正在放電；w、p、b、d分別表示對(duì)DG電路的閉合判斷，當(dāng)DG供電時(shí)，值為1，線路閉合，當(dāng)值為0時(shí)，表示線路斷開(kāi)，DG不供電；SeLoad為負(fù)荷集合；Ps為次要負(fù)荷的吸收功率；Ys是次要負(fù)荷的開(kāi)關(guān)判斷。

2.1.3 微網(wǎng)并行的約束條件。

為了保證微網(wǎng)能夠有效工作，在不向外供電的情況下，要能夠向儲(chǔ)能電池充電，當(dāng)儲(chǔ)能電池充滿(mǎn)電之后，這樣就需要能夠有效地對(duì)系統(tǒng)的恒定功率進(jìn)行分析，根據(jù)線路功率平衡的條件，采用柴油機(jī)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的能量進(jìn)行控制。

2.2 微網(wǎng)運(yùn)行控制策略設(shè)計(jì)

微網(wǎng)并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)內(nèi)DG輸出的功率大小控制系統(tǒng)的能量補(bǔ)償機(jī)制，具體的微網(wǎng)系統(tǒng)與電網(wǎng)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖3所示（粗箭頭表示能量流動(dòng)，細(xì)箭頭表示信息控制）。

在一般情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏電池發(fā)電條件較好，通過(guò)中心控制器對(duì)微網(wǎng)的系統(tǒng)能量進(jìn)行全面管理和控制，可以直接由負(fù)荷使用，能有效地減少電能的消耗。如果出現(xiàn)惡劣天氣，電網(wǎng)就無(wú)法滿(mǎn)足微網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷需要，通過(guò)系統(tǒng)能夠?qū)ξ⒕W(wǎng)的能量進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，保證微網(wǎng)能夠穩(wěn)定地工作。在微網(wǎng)系統(tǒng)中采用自動(dòng)功率控制的功能，這樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池、儲(chǔ)能電池可以自動(dòng)地對(duì)并網(wǎng)進(jìn)行管理，DG就不用參與到電網(wǎng)的功率調(diào)查，只需要根據(jù)微網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷來(lái)調(diào)節(jié)自身的輸出功率，當(dāng)微網(wǎng)的負(fù)荷較大時(shí)，采用最大功能跟蹤控制的方法對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏電池進(jìn)行控制，可以提高風(fēng)能和太陽(yáng)能的利用效率，在微網(wǎng)的負(fù)荷較小時(shí)，可以采用負(fù)荷功率跟蹤控制（LPTC）的方法，使得微網(wǎng)的能量達(dá)到平衡。

3 風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)解列控制策略

3.1 基于單主電源的微網(wǎng)解列分析

微網(wǎng)并入電網(wǎng)之后，電路的電壓和頻率的主要由電網(wǎng)支撐，電網(wǎng)的柴油機(jī)未啟動(dòng)，然后主要由DG均以PQ的方法進(jìn)行控制。如果電網(wǎng)失去支撐后，微網(wǎng)的儲(chǔ)能電池或者柴油機(jī)就需要為微網(wǎng)的電壓和頻率進(jìn)行支撐。單主電源的解列控主要包括微網(wǎng)解列后以?xún)?chǔ)能電池，實(shí)現(xiàn)對(duì)微網(wǎng)電壓的穩(wěn)頻，再有就是由于電池故障或者SOC達(dá)到最小極限值時(shí)，微網(wǎng)內(nèi)的柴油機(jī)可以作為主電源對(duì)微網(wǎng)進(jìn)行供電。

3.1.1 先切負(fù)荷方法。在微網(wǎng)的能量不能達(dá)到平衡時(shí)，需要切除負(fù)荷后，當(dāng)微網(wǎng)的所有DG輸出最大功率之和的范圍內(nèi)，系統(tǒng)的能量達(dá)到穩(wěn)定，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較大的暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程，系統(tǒng)的啟動(dòng)穩(wěn)壓穩(wěn)頻開(kāi)始工作，這時(shí)電網(wǎng)的電壓和頻率不在正常的范圍內(nèi)，這種暫態(tài)需要依靠微網(wǎng)的自身阻尼對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行平衡，但是這個(gè)過(guò)程的震蕩時(shí)間長(zhǎng)而且振幅比較大。

3.1.2 先切換控制器控制方法。如果微網(wǎng)監(jiān)測(cè)到電壓的波動(dòng)異常，采用先切換控制器的方法對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行控制，減少電壓的波動(dòng)，控制器具有調(diào)節(jié)電壓和頻率的功能，通過(guò)控制器對(duì)電網(wǎng)的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后再切換負(fù)荷以達(dá)到微網(wǎng)的平衡，使得微網(wǎng)比較容易進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，有利于達(dá)到電網(wǎng)中的能力平衡。

3.2 基于多主電源的微網(wǎng)解列分析

微網(wǎng)并入電網(wǎng)一般是采用并聯(lián)的方式接入的，形成了多主電源的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池和儲(chǔ)能電池的能量能夠滿(mǎn)足微網(wǎng)內(nèi)的功率需要，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的控制。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池和儲(chǔ)能電池的儲(chǔ)能不能滿(mǎn)足微網(wǎng)的負(fù)荷要求時(shí)，可以啟動(dòng)柴油機(jī)對(duì)微網(wǎng)進(jìn)行供電，由柴油機(jī)和儲(chǔ)能電池共同對(duì)電池的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓穩(wěn)頻。對(duì)于柴油機(jī)和儲(chǔ)能電池的調(diào)節(jié)主要采用的是下垂控制，但是當(dāng)微網(wǎng)內(nèi)所有微源總和不能滿(mǎn)足負(fù)荷需求時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自行調(diào)節(jié)，減少系統(tǒng)的負(fù)荷，這樣通過(guò)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)解列后只能通過(guò)柴油機(jī)進(jìn)行穩(wěn)壓穩(wěn)頻，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的穩(wěn)定控制。

4 風(fēng)光柴儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略研究

4.1 并網(wǎng)控制策略分析

微網(wǎng)并網(wǎng)之后，在電網(wǎng)的控制過(guò)程中，不需要閉合并網(wǎng)開(kāi)關(guān)對(duì)微網(wǎng)進(jìn)行控制，只需要對(duì)主控制器進(jìn)行控制就可以完成微網(wǎng)的控制。當(dāng)微網(wǎng)的儲(chǔ)能電池為主電源時(shí)，需要將儲(chǔ)能電池的控制方法與并網(wǎng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行同時(shí)切換，這樣就會(huì)使儲(chǔ)能電池除以充電狀態(tài)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，但是在實(shí)際的工作過(guò)程中，很難做到這種情況，如果儲(chǔ)能電池在并網(wǎng)開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，儲(chǔ)能電池有PQ控制并且進(jìn)行充電，在并網(wǎng)的過(guò)程中，儲(chǔ)能電池仍然可以采用V/f進(jìn)行控制，保證微網(wǎng)的電壓，但是在實(shí)際工作的過(guò)程中，并不能保證儲(chǔ)能電池與并網(wǎng)開(kāi)發(fā)能夠進(jìn)行同時(shí)工作，需要在并網(wǎng)前由PQ對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)程控制。對(duì)于微網(wǎng)孤島運(yùn)行，這時(shí)柴油機(jī)開(kāi)始工作，需要對(duì)微網(wǎng)頻率與電壓震蕩的情況進(jìn)行分析，對(duì)電壓的變化造成影響，采用微網(wǎng)孤島運(yùn)行狀況下，儲(chǔ)能電池的輸出功率為0.448kW作為電池下垂控制進(jìn)行切換，設(shè)定儲(chǔ)能電池設(shè)定輸出功率為0.376MV，當(dāng)微網(wǎng)并網(wǎng)的開(kāi)關(guān)閉合為1.1s時(shí)關(guān)閉柴油機(jī)，保證微網(wǎng)能夠正常地工作。

4.2 并網(wǎng)控制策略設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)微網(wǎng)的控制策略進(jìn)行分析，綜合微網(wǎng)的電壓值、頻率差和相角差之間的關(guān)系進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)與微網(wǎng)之間的相位差對(duì)微網(wǎng)并網(wǎng)影響比較大，從而能夠有效地影響電網(wǎng)電流的波動(dòng)，造成有功功率與無(wú)功功率之間存在沖擊，影響著微網(wǎng)正常工作。這樣就需要對(duì)微網(wǎng)的負(fù)荷進(jìn)行控制，保證在有功功率與無(wú)功功率之間達(dá)到平衡，盡量對(duì)相角差進(jìn)行控制，降低微網(wǎng)各個(gè)機(jī)組的損耗，提高微網(wǎng)的電壓輸出的穩(wěn)定性。但是在實(shí)際的工作過(guò)程中，由于電壓偏差比頻率偏差對(duì)并網(wǎng)的影響程度小，對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)影響也不是很大。在這種情況下，可以通過(guò)減少電壓的輸出、降低電網(wǎng)的能力來(lái)提高微網(wǎng)的頻率，使得微網(wǎng)的頻率能夠接近電網(wǎng)的頻率。但是在微網(wǎng)并網(wǎng)過(guò)程十分迅速，如果過(guò)于對(duì)微網(wǎng)的頻率和電壓差之間進(jìn)行嚴(yán)格限制，這樣也會(huì)影響微網(wǎng)的并網(wǎng)速度，但是能夠提高電網(wǎng)的電壓，所有微網(wǎng)的頻率和電網(wǎng)的頻率過(guò)于接近，這樣就需要發(fā)揮大量的時(shí)間尋找微網(wǎng)與電網(wǎng)之間的相位差之間的最小值，才能滿(mǎn)足微網(wǎng)的穩(wěn)定要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)微網(wǎng)并網(wǎng)的相關(guān)情況進(jìn)行分析，需要結(jié)合具體的情況制定微網(wǎng)并行的情況進(jìn)行全面分析，針對(duì)具體的情況采用合適策略，以滿(mǎn)足微網(wǎng)并網(wǎng)的要求。并網(wǎng)時(shí)，電流應(yīng)從電網(wǎng)流向微網(wǎng)，要求DG能夠有效地對(duì)微網(wǎng)的電壓和信息能量進(jìn)行控制，以減少并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，將微網(wǎng)與電網(wǎng)之間的電壓差值減到最小，以保障微網(wǎng)并網(wǎng)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭競(jìng)宏，王燕廷，李興旺，等.微電網(wǎng)平滑切換控制方法及策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，（10）.

作者簡(jiǎn)介：王師（1987-），男，安徽懷寧人，中廣核太陽(yáng)能（深圳）有限公司助理工程師，研究方向：火電、風(fēng)力、光伏、微網(wǎng)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）