基于負(fù)荷峰谷變化的微電網(wǎng)二層協(xié)調(diào)控制研究

沈婷婷，呂廣強(qiáng)，段海軍

（南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210094）

基于負(fù)荷峰谷變化的微電網(wǎng)二層協(xié)調(diào)控制研究

沈婷婷，呂廣強(qiáng)，段海軍

（南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210094）

交流微電網(wǎng)是集成分布式發(fā)電單元和儲能單元的有效途徑。為了實現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，提出了一種風(fēng)光柴儲交流微電網(wǎng)的二層控制策略。建立了分布式發(fā)電單元、儲能單元以及柴油發(fā)動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。給出了風(fēng)光柴儲在并網(wǎng)運(yùn)行期間的本地控制策略。為了實現(xiàn)微電網(wǎng)削峰填谷作用，采用由以太網(wǎng)、高帶寬通信、監(jiān)控系統(tǒng)以及中央?yún)f(xié)調(diào)控制器構(gòu)成上層控制系統(tǒng)，分別給出了峰谷期間儲能系統(tǒng)和柴油發(fā)動機(jī)的協(xié)調(diào)控制方法。最終，通過仿真軟件搭建了系統(tǒng)仿真平臺，分別對兩種運(yùn)行模式進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果驗證了本文提出方法的可行性和有效性。

交流微電網(wǎng)；儲能變換器；協(xié)調(diào)控制；削峰填谷；能量管理

由于能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，大力發(fā)展可再生能源是解決上述問題的重要手段。隨著可再生能源的快速發(fā)展，光伏和風(fēng)電等發(fā)電單元的裝機(jī)容量不斷增加，由于分布式發(fā)電單元輸出功率具有隨機(jī)性和間歇性特點，大規(guī)模接入對電力系統(tǒng)提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)[1-2]。

為了解決這一問題提出了微電網(wǎng)概念，微電網(wǎng)主要是指將分布式發(fā)電單元、儲能單元以及負(fù)載單元構(gòu)成一個小型的自治發(fā)電系統(tǒng)，可以實現(xiàn)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行[3-5]。由于微電網(wǎng)中的分布式能源和儲能單元的種類繁多，因此如何實現(xiàn)不同微源和儲能單元之間的協(xié)調(diào)控制是保證微電網(wǎng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵難點。針對這一問題，大量學(xué)者提出了不同的控制策略。針對在孤島運(yùn)行模式頻率發(fā)生變化時，有文獻(xiàn)提出了一種改進(jìn)型逆變器控制策略，通過虛擬同步發(fā)電機(jī)控制，并且結(jié)合勵磁電流補(bǔ)償實現(xiàn)頻率控制，并且進(jìn)行了仿真驗證[6]。為了解決間歇性能源功率波動問題，有文獻(xiàn)提出了一種風(fēng)光儲能源管理方法，通過儲能變換器實現(xiàn)波動平抑，提高了系統(tǒng)可靠性[7]。針對微電網(wǎng)主動孤島和被動孤島，有文獻(xiàn)研究了微電網(wǎng)的不同接線模式，提出了不同逆變器控制策略并進(jìn)行了仿真研究[8]。有關(guān)光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)控制策略，有文獻(xiàn)通過采用VF和PQ協(xié)調(diào)控制策略，在孤島運(yùn)行時提供電壓和頻率支撐，在并網(wǎng)時實現(xiàn)光伏最大功率跟蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式間的平滑切換[9]。有文獻(xiàn)提出了風(fēng)光柴儲孤島運(yùn)行時的協(xié)調(diào)控制策略，以全壽命周期的經(jīng)濟(jì)型為主要指標(biāo)優(yōu)化分布式發(fā)電單元和儲能單元的運(yùn)行控制策略[10]。研究風(fēng)光儲微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式下的控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤，平滑切換等基本功能[11]。有文獻(xiàn)提出風(fēng)儲微電網(wǎng)的預(yù)測控制策略，該方法能夠減小間歇性能源和負(fù)載投切引起的有功和無功功率波動，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性[12]。

以往控制策略主要研究孤島運(yùn)行以及孤島和并網(wǎng)之間的切換問題，而研究并網(wǎng)運(yùn)行期間的協(xié)調(diào)控制策略較少，針對這一問題，本文提出了一種二層協(xié)調(diào)控制策略。首先建立了分布式發(fā)電源、儲能單元以及柴油發(fā)動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。其次給出了本地控制和上層控制策略框圖，并且對電力負(fù)荷處于峰值和谷值期間制定了能量管理和協(xié)調(diào)控制策略，最終通過仿真軟件進(jìn)行了仿真研究。

1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

文中研究的風(fēng)光柴儲交流微電網(wǎng)的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏采用兩級式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前級采用boost變換器實現(xiàn)最大功率跟蹤控制，后級采用電壓源型逆變器（voltage source inverter，VSI）實現(xiàn)功率控制。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由永磁同步電機(jī)（permanent magnet synchronousgenerator，PMSG）、風(fēng)力渦輪機(jī)以及雙PWM變換器組成。蓄電池儲能系統(tǒng)（battery energy storage system，BESS）主要由蓄電池組和電壓源型逆變器組成。柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要由同步電機(jī)，整流器和逆變器構(gòu)成。風(fēng)光柴儲接口變換器同時接入交流母線上。負(fù)載主要包括重要負(fù)荷和非重要負(fù)荷。在極端情況下非重要負(fù)荷可以卸載，而重要負(fù)荷需要保證不間斷供電。

2 微電網(wǎng)控制策略

2.1 本地控制

文中提出的控制策略主要分為兩層控制，本地層控制策略主要是指各個分布式發(fā)電單元、儲能單元以及柴油發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的控制策略。上層控制策略主要是指通過中央?yún)f(xié)調(diào)控制器下發(fā)有功和無功功率指令，實現(xiàn)全局優(yōu)化控制策略，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行。下面首先對本地控制策略進(jìn)行分析。

圖1 風(fēng)光柴儲交流微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1.1 光伏發(fā)電單元控制

光伏發(fā)電單元的主要作用是根據(jù)系統(tǒng)的光照和溫度的變化實現(xiàn)最大功率跟蹤運(yùn)行。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出光伏單元需要兩級控制。前級boost變換器采用擾動觀察法實現(xiàn)最大跟蹤。采集電壓和電流信號，將其通過擾動觀測MPPT模塊得到占空比，將占空比信號送入PWM模塊得到IGBT驅(qū)動信號。

光伏并網(wǎng)逆變器的主要控制目標(biāo)是保證中間母線電壓穩(wěn)定，且實現(xiàn)功率變換。在此采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，通過對d軸電網(wǎng)電壓進(jìn)行定向，使得有功和無功實現(xiàn)解耦。d軸電流對應(yīng)有功電流，而q軸電流對應(yīng)無功電流。設(shè)置q軸電流為零可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。由于逆變器中的d軸和q軸之間存在耦合，因此可以采用解耦和前饋控制消除影響。根據(jù)電壓和電流雙閉環(huán)控制能夠生成三相調(diào)制信號，采用正弦脈寬調(diào)制 （sinusoidal pulse width modulation，SPWM）策略進(jìn)而能夠得到并網(wǎng)逆變器的驅(qū)動信號。

2.1.2 風(fēng)機(jī)發(fā)電單元控制

風(fēng)機(jī)發(fā)電單元的主要作用是根據(jù)風(fēng)速的變化實現(xiàn)最大功率跟蹤運(yùn)行。系統(tǒng)中存在兩個PWM變流器，其中網(wǎng)側(cè)變換器主要控制直流電壓，其控制策略與光伏逆變器一致。機(jī)側(cè)變換器主要實現(xiàn)MPPT控制，根據(jù)風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行特性可知，在任意風(fēng)速情況下，總存在唯一的最優(yōu)轉(zhuǎn)速對應(yīng)最大功率，因此可以通過MPPT算法獲得最優(yōu)轉(zhuǎn)速，然后進(jìn)行閉環(huán)控制。PMSG系統(tǒng)控制如圖2所示。

圖2 PMSG機(jī)側(cè)變換器的控制策略

根據(jù)圖2首先通過MPPT模塊生成轉(zhuǎn)速指令，通過對轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)得到q軸電流指令。設(shè)置d軸電流指令為零，通過d軸和q軸電流實現(xiàn)閉環(huán)控制得到定子電壓，根據(jù)永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可以看出d軸和q軸存在耦合，因此為了實現(xiàn)解耦，將補(bǔ)償電壓疊加到電流調(diào)節(jié)器輸出生成調(diào)制信號。最終通過SPWM模塊生成機(jī)側(cè)變流器的驅(qū)動脈沖信號。

2.1.3 柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)控制

柴油發(fā)電系統(tǒng)同樣分為兩級，其中前級采用不控整流和電容濾波得到穩(wěn)定的直流電壓，而后級逆變器采用有功和無功功率控制，在極端情況下通過柴油機(jī)實現(xiàn)發(fā)電維持功率平衡。其逆變器的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的控制策略

在并網(wǎng)運(yùn)行中，由于PCC電壓不變，因此可以通過控制電流來控制有功和無功功率。根據(jù)逆變器的模型能夠得到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的有功和無功可以表示為：

采用電網(wǎng)電壓定向時，其電流指令為：

根據(jù)（3）和（4）可以看出，通過有功和無功生成電流指令實現(xiàn)電流閉環(huán)控制既可以實現(xiàn)功率控制。

2.2 上層控制

前面給出了分布式發(fā)電單元、儲能單元以及柴油機(jī)的本地控制策略，并且進(jìn)行了詳細(xì)。為了更好的實現(xiàn)全局優(yōu)化控制，發(fā)揮儲能系統(tǒng)的削峰填谷作用，本文提出的上層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上層控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先對可再生能源發(fā)電和日用負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)通信線收集各個單元的功率信息，實時監(jiān)控儲能系統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，將他們一并發(fā)送到中央?yún)f(xié)調(diào)控制器進(jìn)行處理。中央?yún)f(xié)調(diào)控制控制器根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行模式來下發(fā)儲能系統(tǒng)和柴油發(fā)電機(jī)的功率指令來實現(xiàn)整個微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)電力負(fù)荷的峰谷階段主要分為兩種運(yùn)行模式。

模式1：在電力負(fù)荷處于峰值期間，當(dāng)分布式發(fā)電單元輸出功率大于本負(fù)載功率時，多余的功率傳輸給電網(wǎng)，實現(xiàn)對電網(wǎng)的支撐。當(dāng)分布式發(fā)電單元輸出功率小于本負(fù)載功率時，通過中央?yún)f(xié)調(diào)控制器下發(fā)功率指令給儲能系統(tǒng)，多余的功率優(yōu)先由儲能供給，儲能系統(tǒng)運(yùn)行在放電模式，減小對電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，當(dāng)儲能荷電狀態(tài)達(dá)到下限時，啟動柴油發(fā)動機(jī)對儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電。

模式2：在電力負(fù)荷處于谷值期間，當(dāng)分布式發(fā)電單元輸出功率大于本負(fù)載功率時，通過中央?yún)f(xié)調(diào)控制器下發(fā)功率指令使得多余的功率優(yōu)先傳輸給儲能，當(dāng)儲能SOC達(dá)到上限時，停止充電，多余功率傳輸給電網(wǎng)。當(dāng)分布式發(fā)電單元輸出功率小于本負(fù)載功率時，不足的功率由電網(wǎng)提供。

3 仿真研究

為了驗證本文提出控制策略的有效性和可行性，下面通過仿真軟件搭建風(fēng)光柴儲交流微電網(wǎng)的仿真模型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用額定功率為25 kW的PMSG系統(tǒng)和15 kW的光伏發(fā)電系統(tǒng)。設(shè)置儲能系統(tǒng)額定容量為24 Ah，額定功率為30 kW，設(shè)置柴油電機(jī)容量為50 kW。下面分別對模式1和模式2進(jìn)行仿真研究。

3.1 模式1的仿真結(jié)果

假設(shè)目前處于電力負(fù)荷峰值階段，得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 模式1的仿真結(jié)果

在起始階段，風(fēng)速為10 m/s，光照強(qiáng)度為800 W/m2，采用MPPT算法可以實現(xiàn)分布式發(fā)電單元的最大功率運(yùn)行，此時分布式發(fā)電單元輸出功率大于負(fù)載功率，多余的功率傳輸給電網(wǎng)，為電網(wǎng)提供功率支撐。在0.5 s時，風(fēng)速由10 m/s階躍變化到9 m/s，光照強(qiáng)度由800 W/m2階躍變化到700 W/m2，負(fù)載由20 kW階躍變化到40 kW，此時分布式發(fā)電單元輸出功率小于負(fù)載功率，在功率達(dá)到穩(wěn)態(tài)期間，中央?yún)f(xié)調(diào)控制器下發(fā)功率指令，儲能系統(tǒng)在0.75s啟動，其輸出功率為30 kW，工作在放電模式，減小電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。在1 s時，風(fēng)速由9 m/s階躍變化到11 m/s，光照強(qiáng)度由700 W/m2階躍變化到1 000 W/m2，負(fù)載由40 kW階躍變化到60 kW，盡管分布式發(fā)電單元輸出功率增加，然而負(fù)載增加使得分布式發(fā)電單元輸出功率仍然小于負(fù)荷功率，因此蓄電池儲能系統(tǒng)仍然工作在放電模式。在1.5 s時，由于蓄電池長時間放電導(dǎo)致其荷電狀態(tài)達(dá)到下限值，此時中央?yún)f(xié)調(diào)控制器檢測到儲能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)后通過功率下發(fā)指令使得儲能系統(tǒng)工作在充電模式，且充電功率為20 kW，與此同時啟動柴油發(fā)動機(jī)，輸出功率為50 kW，對儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電，此時柴油發(fā)動機(jī)和分布式發(fā)電單元輸出功率大于負(fù)載功率，因此多余的功率傳輸給電網(wǎng)，提供有功功率支撐。

3.2 模式2的仿真結(jié)果

假設(shè)目前處于電力負(fù)荷谷值階段，得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

在起始階段，風(fēng)速為10m/s，光照強(qiáng)度為1000 W/m2，采用MPPT算法可以實現(xiàn)分布式發(fā)電單元的最大功率運(yùn)行，此時分布式發(fā)電單元輸出功率小于負(fù)載功率，不足的功率由電網(wǎng)提供。在0.5 s時，風(fēng)速由10 m/s階躍變化到9 m/s，光照強(qiáng)度由1 000 W/m2階躍變化到800 W/m2，負(fù)載由40 kW階躍變化到20 kW，此時分布式發(fā)電單元輸出功率大于負(fù)載功率，在功率達(dá)到穩(wěn)態(tài)期間，中央?yún)f(xié)調(diào)控制器下發(fā)功率指令使得多余的功率傳輸給儲能，其充電功率的大小主要取決于分布式發(fā)電單元輸出功率與負(fù)載功率之間的差值。在1 s時，風(fēng)速由9 m/s階躍變化到12 m/s，光照強(qiáng)度由800 W/m2階躍變化到1 000 W/m2，此時分布式發(fā)電單元輸出功率仍然大于負(fù)荷功率，蓄電池儲能系統(tǒng)工作在充電模式。在1.5 s時，由于蓄電池長時間充電導(dǎo)致其荷電狀態(tài)達(dá)到上限值，此時中央?yún)f(xié)調(diào)控制器檢測到儲能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)后通過功率下發(fā)指令使得儲能系統(tǒng)工作在停止模式，于此同時負(fù)載由20 kW階躍變化到40 kW，分布式發(fā)電單元輸出功率小于負(fù)荷功率，此時不足的功率由電網(wǎng)供給。

圖6 模式2的仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

文中提出了一種風(fēng)光柴儲交流微電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行控制策略。該控制策略分為兩層結(jié)構(gòu)，本地控制主要實現(xiàn)各個接口變換器的控制策略，保證系統(tǒng)具備基本功能。上層控制器通過監(jiān)測和采集處理下發(fā)功率指令通過儲能系統(tǒng)實現(xiàn)消峰調(diào)谷。通過仿真軟件搭建了系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明本文提出的分層并網(wǎng)控制策略能夠保證風(fēng)光柴儲交流微電網(wǎng)實現(xiàn)穩(wěn)定高效運(yùn)行，具有控制結(jié)構(gòu)簡單，適用性強(qiáng)，具有一定的工程應(yīng)用價值。

[1]丁明，王偉勝，王秀麗，等．大規(guī)模光伏發(fā)電對電力系統(tǒng)影響綜述 [J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，34（1）：1-14．

[2]Liping Jiang，Yongning Chi，Haiyan Qin，et al．Wind Energy in China[J]．IEEE power energy magazine，2011，9（6）：36-46．

[3]王成山，武震，李鵬．微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．電工技術(shù)學(xué)報，2014，29（2）：1-12．

[4]馬藝瑋，楊蘋，王月武，等．微電網(wǎng)典型特征及關(guān)鍵技術(shù)[J]．電力系統(tǒng)自動化，2015，39（8）：168-175．

[5]Robert Panora，Joseph E.Gehret，Melinda M.Furse，et al．Real-world performance of a CERTS microgrid in manhattan[J]．IEEE Transactions on Sustainable Energy，2014，5（4）：1356-1340．

[6]雒志秀，李旭鋒．孤島電網(wǎng)頻率變化下分布式電源控制策略[J]．電氣傳動，2015，45（8）：32-36．

[7]李金鑫，張建成，周陽．風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能量管理策略研究[J]．華東電力，2011，39（12）：2026-2029．

[8]歐陽翚，牛銘．基于不同控制策略的微網(wǎng)仿真[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2011，27（3）：19-25．

[9]Sarina Adhikari，F(xiàn)angxing Li．Coordinated V-f and P-Q control of solar photovoltaic generators with MPPT and battery storage in microgrids[J]．IEEE Transactions on Smart Grid，2014，5（3）：1270-1281．

[10]劉夢璇，郭力，王成山，等．風(fēng)光柴儲孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行控制策略設(shè)計[J]．電力系統(tǒng)自動化，2012，36（15）：19-25．

[11]周思明，劉天琪，李興源，等．風(fēng)光儲互補(bǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)的建模及仿真分析[J]．華東電力，2012，40（7）：1161-1165．

[12]Junbiao Han，Sarika Khushalani Solanki，Jignesh Solanki．Coordinated predictive control of a wind/battery microgrid system [J]．IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2013，1（4）：296-305．

Research on operation control strategy in two layers for micro-grid based on load peak and valley

SHEN Ting-ting，LV Guang-qiang，DUAN Hai-jun
（College of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

AC micro grid is an effective way to integrate distributed generation units and energy storage units.In order to realize the stable operation of microgrid，a two layer operation control strategy is proposed for AC microgrid including wind power，photovoltaic system，and diesel generator and battery storage.The mathematical model of distributed generation unit，energy storage unit and diesel engine is established and the local control strategies also are given in grid-connected operation.In order to realize microgrid peak load shaving function，an upper control system is composed of Ethernet，high bandwidth communication，monitoring system and central coordination controller is used，and the coordination control method for energy storage system and diesel engine is given.Finally，the simulation platform is built by the simulation software，simulation research on two operation modes are carried out respectively.The simulation results verify the feasibility and effectiveness of the proposed method in this paper.

AC microgrid；energy storage converter；coordinated control；peak load shaving；energy management

TN915.853

：A

：1674－6236（2017）13-0182-05

2016-06-24稿件編號：201606192

江蘇省普通高校專業(yè)學(xué)位研究生創(chuàng)新計劃（sjlx15_0174）

沈婷婷（1992—），女，江蘇江陰人，碩士研究生。研究方向：微電網(wǎng)及其儲能。