基于下垂控制的微電網并網轉孤網的研究

劉丹妮 馬猛飛

基于下垂控制的微電網并網轉孤網的研究

劉丹妮1馬猛飛2

（1. 山東協和學院工學院，濟南 250107；2. 國網智能科技股份有限公司，濟南 250101）

針對微電網系統中分布式電源發電的隨機性和間歇性，為了平抑分布式電源的功率波動，本文提出一種微電網能量管理系統，研究基于下垂控制的微電網并網轉孤網的控制策略。該系統可以檢測微電網系統內功率缺額，將鋰電池儲能變流器設置為下垂模式并智能跟隨負荷變化，從而建立微電網過渡臨時主電源。鋰電池作為過渡臨時主電源控制混合儲能系統帶動微電網內所有負荷，斷開公共耦合點開關，起動柴油發電機，柴油發電機自動跟隨鋰電池儲能變流器電壓、頻率后轉為VF模式，由柴油發電機作為主電源帶動微網內所有負荷。微電網能量管理系統切鋰電池儲能變流器為PQ運行模式，穩定實現微電網計劃并轉孤控制。

微電網；計劃并轉孤；下垂控制；VF模式

0 引言

隨著社會生產的快速發展以及生活節奏的不斷提高，以煤炭、石油和天然氣為能源的傳統發電方式嚴重制約著社會的可持續發展[1-4]；世界范圍的能源壓力劇增以及超大規模電力系統帶來的問題也日漸嚴重[5]。為了加快社會進步，尋求電力領域的可持續發展道路勢在必行。作為可再生能源與分布式發電的有效利用形式，由風機、太陽能發電等分布式電源組成的微電網[6-8]因其使用清潔能源、無污染、減少輸配電建設以及高可靠性、可持續性等優勢得到了越來越多的關注[9-10]，成為眾多科研學者研究的熱點。微電網（micro-grid）是由可再生能源組成的分布式電源、儲能裝置（蓄電池等）、能量轉換裝置、電力系統的負荷、監控和保護裝置組成的可控小型發配電單元[11-12]。

目前的風電機組、光伏機組等分布式電源電能輸出隨機性和波動性大，而且網絡潮流復雜、繼電保護困難，單機接入成本高、控制比較困難，對大電網產生沖擊大[13]。為了平抑分布式電源的功率波動，保障微電網系統能滿足負荷的電能質量要求，提升微電網對可再生能源的利用率，獲得最理想的發電經濟效益，本文提出一種微電網能量管理系統，研究基于下垂控制的微電網并網轉孤網的控制策略，實現對微電網運行狀態的監測、控制和優化，穩定實現微電網計劃并轉孤控制，從而減少分布式電源和負載波動的影響，推動微電網技術的發展。

1 微電網分布式電源特性與建模

1.1 風力發電機組

在每臺風電機組出口處安裝一臺AC/DC/AC電壓變換器再接入到電網，類似于對機組進行全功率變換，可實現風電的低電壓穿越、無功補償、功率因數控制和異步風機出力調節等功能，電壓變換器的容量須大于單臺機組的容量。同時考慮在變換器直流側加入儲能裝置，參與功率平滑控制。

風機從自然風中所能獲得能量有限，根據貝茨理論

式中，風能利用系數p最大值為0.593，實際p＜0.593，p是風力機葉尖速比和節距角的函數。

機組額定容量750kW，考慮到機組1.1倍的過載能力，另外考慮到機組的無功勵磁電流、電壓變換器的抗擾動性及穩定裕量，取其系數一般為1.5，因此電壓變換器的設計容量范圍為

=750×1.1×1.5kW=1237kW

因此電壓變換器的設計容量可以考慮為1.2MW。

三臺風機每臺750kW，則

wind=750kW

wind_low=690V

wind_high=35000V

三臺風機匯流出線電流

wind_total=3wind_high=37.115A

接入方式如圖1所示，圖中實線框內，即為整改增加的電壓變換器。

圖1 串接電壓變換器示意圖

1.2 光伏發電系統

1）光伏組件布局

因島內缺少相對平坦、開闊的地帶，不具備布置大容量光伏電站的條件，因此需要考慮將光伏電站分散建設，分散接入電網。根據現有條件，有效利用機組周圍的空地，可將光伏電站分布建設在海島陸上風電場的每臺機組的周圍，分散接入電網。

2）容量選擇

島內共有16臺風電機組，每臺機組周圍有不低于200m2、相對平坦的空地。根據光伏電站建設約500kW容量的要求，考慮到島上平坦的地面較少，在每臺機組周圍布置30～50kW的光伏電站，可以滿足島上光伏電站建設的要求。

3）電網接入

風電機組的低壓側為690V，并配置有690V開關柜，光伏發電單元可接入風電機組變壓器的690V開關柜的近網端口，通過升壓變送至35kV側。光伏發電接入開關柜的近網端口，因此，當風電機組故障引起690V開關跳閘后，將不影響光伏發電的正常發電并網。

光伏發電分散接入并網示意圖如圖2所示，接入690V系統的逆變器為非標準逆變器，需要定制。

1.3 柴油發電機組

工程設計時須考慮柴油發電機可用，改造內容包括：①柴油發電機組自起動功能；②柴油發電機組勵磁控制；③柴油發電機組功率控制；④柴油發電機組電網接入設計。

圖2 光伏發電分散接入并網示意圖

小柴發系統參數計算如下：

小柴發功率rated=236kW。

小柴發工作電壓diesel=400V。

大柴發系統參數計算如下：

大柴發功率bigdiesel=1050kW。

額定電壓bigdiesel_low=400V。

1.4 微電網儲能系統設計方案

海島電網可以考慮的儲能方式包括抽水蓄能、飛輪儲能、超級電容器、電池類（鉛酸電池、鋰電池和鈉硫電池）等類型的儲能[14]。在國內外一些示范工程中，電池類儲能系統得到廣泛應用[15]。鉛酸蓄電池（AGM蓄電池、膠體蓄電池）技術成熟，可制成大容量存儲系統，單位能量成本和系統成本低，安全可靠、再利用性好，全釩液流電池和鋰電池技術較為成熟，已在張北風光儲示范系統和玉樹儲能項目中得到應用[16]。

在本微電網系統中，取鋰電池、鉛酸電池和超級電容，并加上配套的儲能變流器（power conversion system, PCS），如圖3所示。

圖3 蓄電池動態儲能系統

本項目對微電網內部儲能系統和負荷進行預測，鋰電系統作為主電源建立微電網并提供微網系統內的電壓和頻率支撐，鉛酸系統根據微網能量管理系統確定的無功補償量，輸出相應的無功功率，從而維持微網系統功率平衡，超級電容系統根據其快速充放電性能，設計為平抑微網峰谷波動，實現穩定控制，從而抑制可再生能源的間歇性和波動性，提高供電系統的穩定性。

2 系統軟件架構

軟件體系結構由操作系統、支撐平臺和應用功能共3個層次組成，層次結構圖如圖4所示。

圖4 系統軟件層次結構圖

其中：

1）操作系統選用Linux/UNIX操作系統。

2）支撐平臺為各種應用功能的實現提供通用的支撐服務，主要包括網絡數據傳輸軟總線、實時數據庫、商用數據庫、報表、權限管理、告警服務、通用服務、人機界面和圖形等。

3）應用功能主要包含分布式電源監控、儲能子系統運行監控、負荷監控、分布式發電預測、風光儲協調控制功能、聯絡線功率優化控制、電能統計分析功能、經濟性分析功能和協調控制功能。

3 微電網能量管理系統工程運行結果分析

微電網能量管理系統根據負荷等級以及風機發電功率計算相應功率缺額；監測并確認鋰電儲能雙向變流器（PCS）并網運行狀態，切換磷酸鐵鋰電池雙向變流器PCS為下垂模式，磷酸鐵鋰電池雙向變流器PCS智能跟隨負荷變化；鋰電作為過渡主電源控制混合儲能系統帶微電網內所有負荷，斷公共耦合點開關，起動柴油發電機，柴油發電機自動跟隨磷酸鐵鋰電池雙向變流器PCS電壓、頻率后轉為VF模式，由柴油發電機作為主電源帶微電網內所有負荷；能量管理系統切磷酸鐵鋰電池雙向變流器PCS為PQ運行模式，并確認系統穩定運行，從而穩定實現微電網計劃并轉孤控制。圖5為微電網計劃并轉孤穩定控制流程圖。

鋰電PCS接收能量管理系統下發的指令，能量管理系統根據鋰電池的穩定特性，設置其在整個微電網混合儲能系統中作為主電源，在微電網系統中建立穩定的電壓和頻率，在微電網并網運行轉孤網運行時，微電網能量管理系統控制鋰電系統雙向變流器（PCS）為下垂模式，鋰電系統智能跟隨負荷變化，當系統運行穩定后能量管理系統控制鋰電PCS為VF模式，在微電網系統中建立穩定的電壓和頻率；由預案執行結果（如圖6所示）和錄波曲線（如圖7所示）可以看出，微電網能量管理系統在計劃并轉孤程序運行過程中，各設備單元動作周期都在ms級并能正確順序動作，預案執行成功。

4 結論

本文通過介紹微電網研究的現狀，圍繞微電網能量管理系統的設計與實現展開相關研究，研究了微電網的結構、微電源的特性，以及能量管理系統的控制策略，綜合分析系統各節點的電氣量，通過設定的能量管理策略來發布命令控制各微網的運行模式、微電源和負荷的通斷，以此來控制整個微電網的高效穩定運行，并且實現綠色能源的最大化利用。研究內容涉及能量管理系統的框架理論、微電網能量管理系統的軟件實現。從理論和實踐兩個層面證明了微電網能量管理系統的可行性和有效性。

圖5 微電網計劃并轉孤穩定控制流程圖

圖6 計劃并轉孤有效預案執行記錄

圖7 計劃并轉孤系統錄波曲線

[1] 盛德剛, 徐運兵, 王曉丹, 等．孤島運行模式下的低壓微電網控制策略[J]. 電氣技術, 2018, 19(1): 34-39.

[2] 談竹奎, 徐玉韜, 班國邦, 等. 基于主從控制的交直流混合微電網多模式運行與切換策略[J]. 電氣技術, 2018, 19(9): 60-64.

[3] 徐宏健, 趙濤, 朱愛華, 等. 一種應用于直流微電網的改進型下垂控制策略[J]. 電氣技術, 2019, 20(7): 1-4, 17.

[4] 丁磊, 潘貞存, 叢偉. 基于有根樹的分布式發電孤島搜索[J]. 中國電機工程學報, 2008, 28(25): 62-67.

[5] 陳衛民, 陳國呈, 吳春華, 等. 基于分布式并網發電的新型孤島檢測研究[J]. 電工技術學報, 2007, 22(8): 114-118.

[6] 吳青峰, 孫孝峰, 王雅楠, 等. 基于分布式下垂控制的微電網分布式儲能系統SOC平衡策略[J]. 電工技術學報, 2018, 33(6): 1247-1256.

[7] NAJAFI P, VIKI A H, SHAHPARASTI M. Evaluation of feasible interlinking converters in a bipolar hybrid microgrid[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2020, 8(2): 305-314.

[8] 馮偉, 孫凱, 關雅娟, 等. 基于分層控制的微電網并網諧波電流主動抑制控制策略[J]. 電工技術學報, 2018, 33(6): 1400-1409.

[9] 涂春鳴, 楊義, 肖凡, 等. 非線性負載下微電網主逆變器輸出側電能質量控制策略[J]. 電工技術學報, 2018, 33(11): 2486-2495.

[10] 丁明, 王敏. 分布式發電技術[J]. 電力自動化設備, 2004, 24(7): 31-36.

[11] 趙宏偉, 吳濤濤. 基于分布式電源的微網技術[J]. 電力系統及其自動化學報, 2008, 20(1): 121-128.

[12] 魯宗相, 王彩霞. 微電網研究綜述[J]. 電力系統自動化, 2007, 31(19): 100-106.

[13] PENG F Z, LI Y W, TOLBERT L M. Control and protection of power electronics interfaced distributed generation systems in a customer-driven microgrid[C]// 2009 IEEE Power & Energy Society General Meeting, 2009: 1-8.

[14] LASSETER R H. Microgrids[C]//Proc IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, 2002: 305-308.

[15] LASSETER R H. Control and design of microgrid components[R]. Power System Engineering Research Center, 2006: 1-6.

[16] HATZIARGYRIOU N, ASANO H, IRAVANI R. Micro- grids[J]. IEEE Power and Energy Magazine, 2007, 5(4): 79-93.

Study on planed grid-connected to isolated grid based on droop control

LIU Danni1MA Mengfei2

(1. Shandong Xiehe University, Ji’nan 250107；2. State Grid Intelligent Technology Co., Ltd, Ji’nan 250101)

Aiming at the randomness and intermittentness of distributed power in the micro-grid system and power fluctuations of distributed power, this paper presents a microgrid energy management system and study on planed grid-connected to isolated grid based on droop control. The system detects power vacancy in micro-grid system and adjusts the lithium battery PCS in the hybrid energy storage system to droop mode and intelligently follows the load change. So the transitional main power of micro-grid is established. The lithium battery as the transitional main power controls the hybrid energy storage system and drives all loads in the micro-grid. Then disconnect the common couplings witch and start the diesel generator. The diesel generator automatically follows the voltage and frequency of the lithium battery PCS and switches to VF mode. The diesel generator as the main power source drives all loads in the micro-grid. The micro-grid energy management system switches the lithium battery PCS to the PQ operation mode, and stably realizes planed grid-connected to isolated grid of the micro-grid.

micro-grid; planed grid-connected to isolated grid; droop control; VF mode

2020-06-18

2020-07-13

劉丹妮（1988—），女，陜西省商洛市人，碩士，助教，主要研究方向為微電網智能控制技術。