考慮多能量流的光柴儲獨立微電網協調控制

徐從啟賈桂芝李祖賢祝振鵬林 方

（1.62026部隊，西安 710032；2.62402部隊，天津 300182；3.北京北變微電網技術有限公司，北京 100037）

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考慮多能量流的光柴儲獨立微電網協調控制

徐從啟1賈桂芝1李祖賢2祝振鵬3林 方3

（1.62026部隊，西安 710032；2.62402部隊，天津 300182；3.北京北變微電網技術有限公司，北京 100037）

為研究光柴儲獨立微電網，提出了該系統的結構、組網形式，并對其運行時的系統內各元件的協調控制策略進行了詳細描述。該協調控制策略將光伏最大功率跟蹤控制、蓄電池充放電控制及柴油機控制相結合，在保證微電網電能質量的前提下，最大化地利用光能、減少柴油消耗，提供供電穩定性。仿真模型驗證了上述控制策略的正確性，結果表明，該控制策略能協調光柴儲微電網各部分的能量流動，使之合理有序運行。

微電網；協調控制；綜合策略；最大功率跟蹤；充放電控制

對遠離電網的偏遠地區，由光伏發電系統、柴油發電機和儲能電池組成的光柴儲獨立微電網是解決其供電的有效途徑。光伏發電系統為間歇性微源，加之負荷變化存在隨機性，若無有效可行的協調控制策略，會對系統的穩定運行產生不利影響，引起電壓或頻率的波動。因此協調控制光伏發電系統、柴油機、儲能電池的動態響應是系統穩定運行的關鍵。

文獻[1-15]分別從不同角度研究了獨立微電網的協調控制策略。文獻[1-4]針對獨立微電網中的儲能系統進行控制，文獻[1]針對光柴儲微網中負荷突變和光伏微源輸出功率隨機波動引起的系統頻率波動問題，給出一種基于頻率偏差的儲能動態能量調度策略。文獻[2]利用電池儲能的快速響應特性，提出了柴油發電機和儲能電池的協調控制方法。文獻[3]主要通過負荷功率估計器得到負荷功率的估計值并將該值用于儲能的能量調度。文獻[4]提出了一種基于比例微分（PD）的儲能動態調度策略。文獻[5]針對于微電網提出了一種基于不同時間尺度的獨立微電網分層協調控制方案，設計了基于電池儲能的一級控制器和基于柴油發電機的二級控制器來提高系統電壓、頻率在不同時間尺度上的穩定性。文獻[6]文中提出一種孤島模式下非合作環境中基于多代理系統（MAS）的能量協調控制策略，在考慮各分布式電源的利益下，通過各代理的交互協調達到系統的整體目標。文獻[7]提出風光柴蓄分布式微電網發電系統的控制策略，包括各個模塊的控制方式、微電網系統的各項功能、雙向逆變器交流側的電壓控制以及風光柴蓄分布式微電網的能量調度與管理。文獻[8]根據微電網及其接入低壓配電網的特點，提出了一種協調控制策略。文獻[9]給出一種光伏發電最大功率點跟蹤自尋優控制系統的技術方案實現了微電網中光伏發電系統與儲能系統的功率協調控制。文獻[10]在含光伏系統最大功率跟蹤和儲能電池充放電特性的系統中，提出了一種改進的V-f模式和P-Q模式控制算法，采用P-Q模式下的微燃機作為后備V-f模式調節單元，通過與光伏逆變器控制模式的切換解決了系統穩定性問題，同時在光伏陣列輸出功率過剩的情況下提高了可再生能源的利用率。文獻[11]以由太陽電池陣列、蓄電池組和可控負載等組成的低壓微型光伏直流微電網系統為研究對象，針對系統并網和孤島運行模式，采用了主從并聯和母線電壓下垂相結合的控制模式，實現了直流微電網的能量協調控制。此外，文獻[12-13]從能量管理角度，文獻[14-15]從系統結構和組網形式角度分別對獨立微電網進行了詳細研究。

本文采用了一種綜合控制策略，將光伏最大功率跟蹤控制、蓄電池充放電控制及柴油機控制相結合，研究光伏發電功率和負荷變化時光柴儲發電系統的協調控制策略。

1 系統結構

本文所研究的光柴儲獨立微電網適用于不能由電網直接供電的偏遠地區，或不能與電網連接的特殊情況。該系統將負荷、儲能、光伏、柴油機等有效地組織起來，利用自然中易獲取的可再生能源，并輔以傳統電源柴油機作為后備電源，可滿足軍隊野營等戶外活動的供電需求。該系統充分考慮了供電的可靠穩定性和不間斷性，優先使用可再生能源，節約補給能源，兼具供電安全性和環保。

交流型獨立微電網的結構如圖1所示，光伏系統和儲能電池通過逆變器連接到交流母線，柴油機及交流負荷直接與交流母線連接，為照明、充電等負荷提供穩定的電能輸出。根據柴油機的起停情況，系統可在兩種組網模式間切換。其結構示意如圖1所示。

圖1 光柴儲獨立微電網系統結構示意圖

2 協調控制策略

本文采用了一種綜合控制策略，將光伏最大功率跟蹤控制、蓄電池充放電控制及柴油機控制相結合，研究光伏發電功率和負荷變化時光柴儲發電系統的協調控制策略。光伏發電系統采用MPPT控制，跟蹤最大功率，與儲能電池SOC及負荷共同控制柴油機斷路器的開斷。柴油機功率和電壓由其勵磁系統及轉速系統控制。

本文的協調控制策略目標首先為提供符合電能質量的的電能，保證系統安全運行，在此基礎上盡可能利用多地利用光伏發電系統發電，減少柴油機出力。由于光伏發電系統出力隨機性強，因此僅靠光伏發電系統為負荷供電，難以保證供電可靠性與電能質量，因此不采用光伏發電系統單獨為負荷供電。據此，本文提出以下協調控制策略：

在蓄電池SOC處于安全運行范圍內時，蓄電池儲能系統控制交流母線電壓，光伏發電系統工作在MPPT模式，柴油機作為緊急備用處于停止狀態。監測蓄電池SOC，當蓄電池SOC小于40%時[12]，蓄電池儲能系統將會停止工作，光伏發電系統工作在MPPT模式，啟動緊急備用柴油機投入系統工作控制交流母線電壓。當檢測到光伏輸出功率與負載功率之差大于零時，使得蓄電池系統重新投入，并且工作在Vf控制處于充電模式，此時柴油機處于停止模式。

當蓄電池SOC大于80%時，將會停止充電，若此時負載功率小于光伏發電單元輸出功率，為了保證系統電壓及頻率穩定，需要停止光伏發電系統，由電池單獨為負荷供電。若光伏輸出功率小于負載功率時，由光伏發電系統及蓄電池共同為負荷供電。

圖2 協調控制流程圖

3 結果及分析

在Matlab/Simulink中建立系統各元件模型并進行仿真。仿真系統中，光伏系統為40kW，柴油機最大功率100kW，儲能電池最大充放電功率40kW，SOC可從0.4～0.8變化。當蓄電池SOC小于40%的仿真結果如下圖所示。

初始條件下，蓄電池SOC=0.403，大于0.4。系統通過蓄電池放電建立交流電壓，光伏發電系統未投入工作，負荷為65kW。

系統電壓穩定后，在1s時，光伏發電系統投入工作，并運行在MPPT模式，其光照強度為700W/m2，此時光伏發電系統功率小于負荷，蓄電池儲能系統仍然放電。

在1.2s附近蓄電池SOC降至40%，按照協調控制策略，此時蓄電池停止工作，柴油機投入，用以控制交流電壓。

在2s時，光照強度變為1000W/m2，光伏發電系統仍采用MPPT模式，出力增大，由于負荷未發生變化，按照控制策略，減少柴油機出力。

在3s時，負載功率發生突變，由65kW變為30kW，此時元輸出功率大于負載功率，按照協調控制策略，此時停止柴油機工作，投入蓄電池儲能系系統檢測到光伏發電單統充電，并采用下垂控制策略控制交流母線電壓。

在4s和5s時負載分別變為20kW和10kW，此時光伏發電單元輸出功率始終大于負載功率，因此蓄電池始終進行充電，直至SOC達到80%。

圖3 蓄電池SOC小于40%時的仿真結果

在蓄電池充電過程中，若光照條件不滿足，光伏發電系統停止工作，蓄電池由充電狀態轉為放電狀態，單獨為負荷供電。模擬初始條件下無光照的情景，結果如圖4所示。

圖4 蓄電池SOC大于80%時的仿真結果

初始條件下光伏發電系統發電為零，蓄電池電量充足，通過蓄電池建立系統交流電壓，蓄電池放電單獨為負載提供電能，負載為20kW。

在1s時，光照強度增加至1000W/m2，光伏發電系統投入工作，并運行在MPPT模式，此時檢測到光伏發電單元輸出功率大于負載功率且蓄電池SOC小于80%，因此，蓄電池轉為充電狀態，由光伏發電系統為負載供電；

在3s附近蓄電池SOC達到80%，光伏發電系統停止為蓄電池充電，此時光伏發電系統輸出功率仍大于負荷。由于光伏出力波動性較大，難以保證系統電壓和頻率的穩定，為避免光伏發電系統單獨為系統供電，由蓄電池為負載供電，以保證為負荷提供的電能質量。

在3.5s附近，光伏發電單元重新接入，輸出功率大于負載功率，為負載供電的同時為蓄電池充電；在4s時，負載功率增加到65kW，此時光伏發電單元輸出功率小于負載功率，蓄電池儲能系統進入放電狀態。

4 結論

由上述的分析可知，隨著光照強度和負載的不斷變化，控制系統可以實現系統各種運行狀態的及時有效切換。在保證供電質量的前提下，最大化的利用光能，減少柴油機出力，使蓄電池工作在合理的狀態。本文提出的協調控制策略能夠協調系統各部件的有序運行。仿真有力地驗證了本文所提出的協調控制策略的合理性和可行性。

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Coordination Control of Isolated Microgrid Composed of Diesel,Photovoltaic and Battaryconsidering Multiple Power Flow

Xu Congqi1Jia Guizhi1Li Zuxian2Zhu Zhenpeng3Lin Fang3
(1.Unit 62026,Xi’an 710032；2.Unit 62402,Tianjin 300182；3.Beijing Beibian MicroGrid Technology Co.,Ltd,Beijing 100037)

Abstract:To study isolated microgrid composed of diesel,photovoltaic and energy storage battary,structure and network form are proposed and the coordination control strategy for the system aredescribed in detail.A control strategy,in which the maximum power point tracking control is combined withengine control,storage battery charging and discharging control,is putforward to maximize use of solar energy,reduce the diesel consumption and improve power supply stability.Simulation results show that the proposed control strategy can coordinate power flow of each part of the microgrid,make a reasonable and orderly operation.

microgrid; coordinate control; multi-strategy; maximum power point tracking; charging and discharging control

徐從啟（1981-），男，山東省莒縣人，博士，62026部隊工程師，主要研究領域為智能微電網、新能源利用及野營供配電。