基于獨立微電網的儲能單元與燃氣發電單元協調控制方法

焦小路

（中海油阜寧熱電有限責任公司）

0 引言

微電網作為電力系統的重要組成部分，既可以工作在獨立運行模式下，又可以工作在并網運行模式下[1]。當微電網工作在獨立模式下時，由其內部的微電源為微電網提供穩定的電壓和頻率，微電網會自動對其內部產生的電壓波動和功率波動進行調節，內部只有一個微電源時，采用電壓/頻率控制策略，內部有多個微電源時，采用下垂控制策略[2-3]。

通常情況下，微電網獨立運行時都采用儲能單元或燃氣發電單元作為主電源提供電壓和頻率，當微電網主電源進行切換時，系統微電網會出現短時停電現象，因此必須對微電網獨立運行時儲能單元和燃氣發電單元的協調控制進行深入研究，以保證微電網的運行穩定性[4-5]。

1 微電網系統架構及控制策略

本文所研究的獨立運行微電網系統包含了光伏發電單元、燃氣發電單元、儲能單元等微電源[6]，以及若干負荷，每一個微電源都通過與其對應的逆變器接入到微電網中，具體的架構如圖1所示。

圖1 獨立運行微電網系統架構

微電網中各個微電源的控制策略如下。

（1）光伏發電單元

光伏發電單元包括光伏陣列、DC/DC變換器、并網逆變器，光伏發電單元由其DC/DC變換器實現最大功率點跟蹤控制，其輸出的功率波動性較大，其并網逆變器采用恒功率控制策略[7-8]。其具體的結構如圖2所示。

圖2 光伏發電單元結構

（2）燃氣發電單元

燃氣發電單元包括燃氣輪機、永磁電機、四象限、并網逆變器，并網逆變器采用下垂控制策略[9]，其具體結構如圖3所示。

圖3 燃氣發電單元結構

其中，燃氣輪機會將燃氣的能量轉換為動能驅動渦輪做功，繼而帶動永磁電機高速旋轉發出高頻率的交流電，在經過四象限和逆變器進行交流－直流－交流的變換得到工頻電，出送到微電網中。燃氣發電單元采用下垂控制策略后，再采用電壓外環和電流內環的雙閉環控制后，得到頻率和電壓可控的交流電，實現維持微電網電壓和頻率穩定的功能[10-11]。

（3）儲能單元

儲能單元在微電網中主要起到能量存儲的作用，在微電網出現異常時提供電能、抑制負荷波動，儲能單元包括儲能電池、DC/DC變換器、并網逆變器[12]，其具體結構如圖4所示。

圖4 儲能單元結構

儲能單元中的DC/DC變換器和并網逆變器都能夠實現能量的雙向流動，并網逆變器采用了恒功率控制策略和下垂控制策略，兩種控制策略能夠無縫切換。

當燃氣發電單元工作時，儲能單元采用恒功率控制方式，由燃氣發電單元提供微電網工作的電壓和頻率，儲能單元配合燃氣發電單元工作，對微電網的功率波動進行抑制，恒功率控制策略的控制結構如圖5所示。

圖5 恒功率控制結構

如圖5所示采用了雙閉環的控制結構，當并網逆變器輸出的功率P和Q與參考功率Pref和Qref的誤差不為零時，采用比例積分控制器對誤差進行調節，將誤差調節到零后，并網逆變器工作在穩態。

當燃氣發電單元不工作時，由儲能單元提供微電網工作的電壓和頻率，儲能單元采用了下垂控制策略。根據下垂控制方程得到下垂參考電壓Udref和Uqref，再采用電壓外環和電流內環的雙閉環控制后，得到頻率和電壓可控的交流電，實現維持微電網電壓和頻率穩定的功能。

2 燃氣發電單元與儲能單元

2.1 燃氣發電單元與儲能單元協調控制策略

燃氣發電單元與儲能單元協調控制時，獨立運行的微電網中包含了兩組燃氣發電單元、光伏發電單元、儲能單元。兩組燃氣發電單元通過同步并網開關連接到微電網，燃氣發電單元與儲能單元之間的切換通過解列開關實現，協調控制單元向燃氣發電單元和儲能單元下發并網運行指令和參考功率指令，從而實現燃氣發電單元與儲能單元的協調控制。

當燃氣發電單元作為微電網主電源時，儲能單元的并網逆變器采用恒功率控制策略；當儲能單元作為主電源時，其并網逆變器采用下垂控制策略。

2.2 切換控制策略

當儲能單元或燃氣發電單元收到作為微電網主電源的運行指令后，需要并入微電網運行，并網運行的前提條件是并網單元的電壓幅值和頻率必須與微電網的電壓幅值和頻率保持完全一致，否則的話會對微電網造成沖擊。進行并網切換，會產生沖擊電流為：

式中，uinv和us分別為并網逆變器的輸出電壓和微電網的電壓，Zs為微電網側的等效阻抗：

要減小沖擊電流，實現無縫切換，就必須采用鎖相環技術來對微電網電壓的相位和頻率進行實時跟蹤。

當燃氣發電單元退出運行時，燃氣發電單元連接至微電網的解列開關斷開時間要長于儲能單元從恒功率控制方式切換到下垂控制方式的時間，因此在短時間內存在燃氣發電單元和儲能單元同時作為主電源的狀態，為了保證無縫切換，當儲能單元轉變為下垂控制方式時，其參考電壓的幅值和相位仍然由燃氣發電單元決定。在燃氣發電單元退出運行前，其發出的有功率越大，與微電網斷開瞬間對微電網的沖擊也就越大，因此在進行切換前最大限度降低流過解列開關的電流。

當儲能單元作為微電網主電源時，由其提供微電網工作的電壓和頻率，燃氣發電單元在并網運行前需要檢測微電網的電壓幅值、頻率、相位，并以此為基準調整自身輸出的電壓、幅值、相位，完全一致時，閉合解列開關，完成并網。

當協調控制單元檢測到燃氣發電單元重新并網運行后，向燃氣發電單元和儲能單元下發運行方式切換指令、參考功率指令，切換后微電網工作的電壓和頻率由燃氣發電單元提供。在切換時需要保證儲能單元的輸出功率保持恒定，完成切換后，再逐步降低儲能單元的輸出功率，將負荷平滑地轉移到燃氣發電單元上。

3 實例分析

構建獨立的微電網系統，微電網的基本架構如圖1所示。其中光伏發電單元的額定輸出功率為200kW，兩臺燃氣發電單元的單臺額定輸出功率為200kW，儲能單元的額定容量為200kVA，系統負荷為200kW。

（1）燃氣發電單元作為微電網主電源情況

在第0s時刻微電網中的負荷為120kW，第3s時，負荷突增80kW，達到了200kW。如圖6所示，在第3s時，由于負荷突然增加，整個微電網的有功功率也進行了調節，并且維持微電網工作電壓的燃氣發電單元采用的是下垂控制方式，微電網的頻率略微有所下降，但還是維持在允許范圍內；在第3s時，燃氣發電單元輸出的有功功率從80kW增加到160kW；儲能單元輸出的有功功率設定為30kW。燃氣發電單元能夠根據負荷的變化快速調節輸出的有功功率，負荷的突變對獨立運行的微電網的電壓和頻率影響都較小，微電網能對電壓和頻率進行快速的調節，系統穩定性良好。

圖6 燃氣發電單元作為主電源時系統波形

（2）燃氣發電單元與儲能單元切換情況

在燃氣發電單元與儲能單元進行切換時，微電網的負荷為180kW，其中光伏發電單元承擔了25kW，在第1s時刻燃氣發電單元退出運行，儲能單元由輔助電源變為主電源，其控制方式由恒功率控制變為下垂控制；在第3s時刻燃氣發電單元重新啟動，當電壓相位、頻率、幅值滿足要求時，完成并網，儲能單元由主電源變為輔助電源，控制方式由下垂控制變為恒功率控制。燃氣發電單元與儲能單元切換時的波形如圖7所示。

圖7 燃氣發電單元與儲能單元切換時系統波形

4 結束語

本文對獨立運行的微電網的穩定性關鍵因素進行分析，并且搭建了獨立微電網的模型，其中包含光伏發電單元、燃氣發電單元、儲能單元，給出了不同單元相對應的控制策略。根據其穩定性關鍵因素，提出了儲能單元與燃氣發電單元的協調控制策略。經過實際高壓試驗驗證，本文所提出的協調控制策略完全能夠保證獨立運行微電網的運行穩定性，該策略具備進行大規模推廣應用的價值，對于保持獨立運行的微電網的穩定性具有重要意義。