基于RT-LAB的微電網能量管理系統(tǒng)

杜 輝，趙玉偉

（上海科梁信息工程有限公司 上海200234）

基于RT-LAB的微電網能量管理系統(tǒng)

杜 輝，趙玉偉

（上海科梁信息工程有限公司 上海200234）

在充分考慮儲能電源的充放電深度、柴油發(fā)電機的啟停次數限制等設備約束條件的基礎上，針對多電壓源型微源組網的風光柴儲結構的獨立型微電網，提出了一種分層式微網能量管理策略。該系統(tǒng)根據風光發(fā)電預測、負荷預測、儲能充放電方案、當前電網的運行狀態(tài)及實時量測數據，通過協調分布式電源的出力及負荷投切，在保證微電網安全穩(wěn)定運行條件下，實現微電網的經濟運行。搭建了微電網系統(tǒng)的RTLAB數模混合仿真實驗平臺，可對微電網協調控制策略和能量管理策略等關鍵技術進行有效驗證，針對孤網運行時，風力發(fā)電系統(tǒng)、系統(tǒng)負荷發(fā)生大幅度功率波動的情況下的控制策略進行了仿真驗證，實驗結果表明本文所提分層式微網能量管理策略的可行性和正確性。

設備約束；微電網；能量管理系統(tǒng)；RTLAB數模混合仿真平臺

微網能高效率解決分布式電源的大規(guī)模分散接入問題，并可成為大電網的有益補充。風電、光伏等分布式發(fā)電單元輸出功率具有隨機性和間接性以及不同運行模式下控制方式的多樣性，因此在維持微網系統(tǒng)能量平衡、保證供電質量的基礎上，如何實現微網系統(tǒng)在并網模式和獨立模式之間的無縫切換、分布式發(fā)電單元的靈活投切、儲能單元的智能充放電管理是目前微網能量管理亟需解決的關鍵問題[1-3]。文獻[4]提出了一種含微型燃氣輪機、燃料電池和光伏發(fā)電的微電網控制策略，該策略基于主從控制方式，實現了微電網并網運行、孤島運行和運行模式切換。文獻[5]通過對短期內風機出力和負荷需求進行預測，提前制定儲能系統(tǒng)的充放電計劃，保證微電網經濟運行。文獻[6]認為微電網的能量管理屬于帶約束的多目標優(yōu)化問題，其優(yōu)化目標主要有：減輕環(huán)境污染、負荷最優(yōu)管理、減小經濟費用和最大化向主網輸送電能等；約束條件主要有：運行狀態(tài)約束、功率平衡和穩(wěn)定性約束等。

上述文獻主要采用離線數字仿真軟件或實際物理實驗對所提出的優(yōu)化方法和控制策略進行驗證。物理仿真受規(guī)模和極端工況的限制較大，不能對實際系統(tǒng)運行情況進行充分的仿真研究；數字仿真模型通常都有不同程度的簡化，準確性不及物理仿真模型，缺乏對分布式電源和電網一些電磁暫態(tài)的實證性分析研究，且無法模擬未知或難于用數學表達式描述的物理現象[7-8]。基于RTLAB實時數字仿真系統(tǒng)，建立分布式電源控制系統(tǒng)和微電網能量管理系統(tǒng)聯合的微電網數模混合實時仿真實驗平臺，能夠真實反映實際控制器和微電網能量管理系統(tǒng)的性能，測試和驗證所提控制策略的效果。

文中在考慮儲能電源充放電深度、柴油發(fā)電機啟停次數限制的基礎上[9-10]，制定了微電網在并網運行模式下的并網轉孤網運行、孤網運行模式下的主電源切換以及經濟運行的協調運行方案。最后采用基于RTLAB搭建的微電網數模混合實時仿真平臺，針對孤網運行時，風力發(fā)電系統(tǒng)、系統(tǒng)負荷發(fā)生大幅度功率波動的情況下的控制策略進行了仿真驗證，實驗結果表明本文所提分層式微網能量管理策略的可行性和正確性。

1 微電網系統(tǒng)架構及約束條件

1.1 微電網系統(tǒng)架構

微電網系統(tǒng)采用風力發(fā)電機、光伏、柴油發(fā)電機，并配置由鋰電池、超級電容以及鉛酸電池組成的混合儲能組作為分布式電源供電系統(tǒng)的儲能單元，系統(tǒng)結構如圖1所示。分布式電源發(fā)出的電能通過饋線匯交到35 kV交流母線上，供負荷使用。公共連接點PCC與大電網相連，PCC閉合時，微電網處于并網運行狀態(tài)；PCC斷開時，微電網處于孤島運行狀態(tài)。

圖1 微電網系統(tǒng)結構

微網系統(tǒng)中分布式電源及負荷容量如表1所示。

1.2 約束條件

1）柴油發(fā)電機

柴油發(fā)電機要滿足的約束條件[11-13]包括柴油機組出力限值約束、機組爬坡率約束及機組最小啟停機時間約束等。柴油發(fā)電機的出力限值約束為：

表1 分布式電源及負荷容量

其中，Pdiesel，max和 Pdiesel，min分別為柴油機組 m 的最大和最小出力限值。柴油發(fā)電機的出力爬坡率約束為：

其中，Rui為柴油機組的爬坡速率，ΔT為時間間隔。

在該模型中，為限制柴油發(fā)電機組的頻繁啟停機操作，設置最小停機時間約束和最小啟機時間約束。最小停機時間約束為：

其中，krun為柴油發(fā)電機啟動后，須連續(xù)運行的時間長度。最小啟機時間約束為：

其中，kstop為柴油發(fā)電機停機后，須連續(xù)停機的時間長度。

2）儲能裝置

儲能系統(tǒng)包含三組蓄電池，每組均配置電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Mangement SYSTEM）和雙向能量轉換系統(tǒng) （Power Conversion System，PCS），BMS對系統(tǒng)內每個電池的運行狀態(tài)進行有效的檢查、控制和維護，并與后臺中央控制系統(tǒng)實現遠程通信。在蓄電池工作過程中，應保持荷電狀態(tài)在一定范圍內。較大的充放電電流、蓄電池過充或過放等都會對蓄電池造成傷害。為了有效延長儲能系統(tǒng)的運行壽命，避免其頻繁地進行深度充放電，需要合理地設定儲能系統(tǒng)SOC（state of charge）充放電電流、電壓和SOC變化區(qū)間[14-15]。

1）蓄電池電流約束為：

其中，Icharge、Idischarge分別為蓄電池的充放電電流，Idischarge，max，Icharge，max分別為蓄電池最大充、放電允許電流。

2）蓄電池端電壓約束：

當蓄電池端電壓V 高于Vbattery，max或低于 Vbattery，min時，會影響蓄電池使用壽命。

3）蓄電池SOC約束：

其中，SOCmin，SOCmax為蓄電池系統(tǒng)剩余電量的上下限，取值范圍介于0～100%之間。

2 微電網能量管理系統(tǒng)

微電網能量管理系統(tǒng)EMS（Energy Management System）如圖2所示，分為上層管理管理模塊及低層控制模塊兩部分。

圖2 微電網能量管理系統(tǒng)

模式管理模塊是微電網能量管理系統(tǒng)EMS的核心，主要作用是在保證微電網安全穩(wěn)定運行條件下，實現微電網經濟運行。根據儲能管理模塊提供的儲能充放電方案、經濟運行模塊提供的孤網模式下風機的投切、大小柴發(fā)的切換方案、網絡拓撲提供的實時量測數據以及模式識別與控制模塊提供的當前電網運行模式，生成相應的控制預案通過模式識別與控制模塊來控制微電源的出力和負荷的投切，這些預案包括：1）并網運行預案；2）并網轉孤網預案；3）孤網運行預案；4）孤網轉并網運行預案。

微電源控制器和負載控制器是基礎，負責系統(tǒng)運行數據的采集、控制指令的傳輸以及電壓和頻率的穩(wěn)定性。微電源控制器根據模式識別與控制模塊下發(fā)的指令控制微網的瞬態(tài)電壓和頻率，當微網與公共電網連接時，能夠進行分布式有功和無功潮流控制、快速負載跟蹤、孤島保護。本地負荷控制器被安裝在可控負載中，提供負載控制能力，可以接收模式識別與控制模塊發(fā)送的命令對負載進行管理。

3 基于RTLAB的數模混合仿真平臺

基于 RTLAB的實時數模混合仿真實驗平臺能夠逼真的模擬真實系統(tǒng)，測試裝置可直接連接到仿真系統(tǒng)中，有效地為新算法和控制策略提供測試。文搭建的基于RTLAB的微電網數模混合仿真平臺對能量管理策略進行驗證，平臺結構如圖10所示。能量管理系統(tǒng)EMS通過不同的通信協議與RTLAB、微電網測控保護裝置、BMS等設備通信，采集系統(tǒng)數據，并向RTLAB、微電網測控保護裝置和微電網模式切換器下發(fā)遙控和遙調指令。該仿真平臺可滿足本文能量管理測試需求，實現EMS的在線測試。

圖3 基于RTLAB的數模混合仿真平臺

4 實驗驗證

基于本文所構建的RTLAB數模仿真實驗平臺，對微電網在孤網穩(wěn)定運行條件下，風力發(fā)電系統(tǒng)、負荷發(fā)生大幅度功率波動的情況進行了仿真測試，分布式電源及系統(tǒng)負荷初始容量如表2所示，分布式電源及負荷功率變化波形如圖4、5所示。

圖4～5中，P_PV、Q_PV分別為光伏的有功、無功功率；P_WP、Q_WP分別為大柴油發(fā)電機組的有功、無功功率；P_LS、Q_LS分別為鋰電池的有功、無功功率；P_TJ、Q_TJ分別為系統(tǒng)負荷的有功、無功功率；P_US、Q_US分別為超級電容的有功、無功功率；P_DG、Q_DG分別為風機的有功、無功功率；P_BS、Q_BS分別為鉛酸電池的有功、無功功率。

表2 分布式電源及負荷初始容量

圖4 分布式電源、負荷有功功率變化

圖5 分布式電源、負荷無功功率變化

由圖4可以看出，在30 s時刻，系統(tǒng)負荷有功功率減少為500 kW，儲能電源、光伏、風機有功功率之和大于負荷有功功率，大柴油發(fā)電機停運，鋰電池PCS調整出力，有功功率減小到280 kW，在大柴油發(fā)電機停運過程中，超級電容進行放電，調節(jié)這個過程中的功率變化；在45 s時刻，風電系統(tǒng)有功功率由200 kW突增至400 kW，鋰電池PCS有功功率迅速減小到80 kW，超級電容平抑這個過程的功率波動；由圖5可以看出，在60 s時刻，系統(tǒng)負荷無功功率由100 kvar突增至300 kvar，鋰電池無功功率減小到0，鉛酸電池充當SVG使用，無功功率迅速增加到200 kvar，實現系統(tǒng)的無功功率平衡。

基于本文所提出的微電網能量管理系統(tǒng)，在分布式電源出力波動和瞬時功率突變情況下能夠快速調整分布式電源的有功功率及無功功率變化，實現了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

5 結束語

文中提出了一種分層式微網能量管理策略，以風光發(fā)電預測、負荷預測為基礎，綜合考慮儲能電源的充放電深度以及柴油發(fā)電機的啟停次數限制。針對孤網穩(wěn)定運行時，風力發(fā)電系統(tǒng)、系統(tǒng)負荷發(fā)生大幅度功率波動的情況下的控制策略進行仿真驗證。實驗結果表明，基于建立的RTLAB數模混合仿真平臺可對真實的分布式電源控制系統(tǒng)性能和協調控制策略以及微電網能量管理算法等進行有效的測試和驗證。

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Energy management system for microgrid based on RT-LAB

DU Hui，ZHAO Yu-wei
（Shanghai Keliang Information Tech.&Eng.Co.Ltd，Shanghai 200234，China）

In the full account of equipment constraints consisiting the depth of the charge and discharge of storage power and start-stop frequency limit of diesel generator，a hierarchical decay net energy management strategy was proposesd for microgrid consisting of wind power generation，diesel generator，energy storage system.In accordance with the results of the scene generation forecast、load forecasting、energy storage charge and discharge scheme、the current status of power network and realtime measurement data，under the condition of safe and stable，the microgrid can be operated on economic model through the coordination of distributed power output and load cutting.Using the analog-digital simulation platform built based on real time digital simulator（RTLAB），a case is done to verify the control strategy of the island operation whose wind and system load power was large fluctuated，which proved the validity and feasibility of the control strategy.

equipment constraints；microgrid；energy management；analog-digital simulation platform

TN91

A

1674－6236（2017）10-0044-04

2016-04-28稿件編號：201604269

杜 輝（1987—），男，江蘇徐州人，碩士。研究方向：新能源發(fā)電，微電網，柔性直流輸電。