微電網負荷平衡優化運行控制技術及仿真分析

摘" 要：該文主要探究微電網負荷平衡優化控制技術在并網、孤網，以及并網轉孤網等不同運行狀況下的應用效果。首先介紹微電網的整體結構，以及微電網在并網運行、并網轉孤網、孤網轉并網3種模式下的負荷平衡優化控制策略。隨后利用仿真軟件Matlab搭建光儲混合微電網仿真模型。利用該模型對微電網負荷平衡優化控制技術的應用效果展開仿真分析。結果表明，在并網運行時，大電網與微電網可實現能量雙向流動，維持微電網功率平衡；在孤網運行和并轉孤時，蓄電池可向微電網提供電壓與頻率，保證功率平衡和系統穩定運行。

關鍵詞：微電網；并網；孤網；蓄電池；光伏發電

中圖分類號：TM743" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）31-0075-04

Abstract： This paper mainly explores the application effect of microgrid load balance optimization control technology in different operating conditions， such as grid connection， isolated grid， and grid connection to solitary grid. Firstly， this paper introduces the overall structure of microgrid and the load balance optimization control strategy of microgrid under three modes： grid-connected operation， grid-connected to isolated grid and isolated grid to grid-connected. Then the simulation model of optical storage hybrid microgrid is built by using the simulation software Matlab. The model is used to simulate and analyze the application effect of microgrid load balance optimization control technology. The results show that when connected to the grid， the large grid and the microgrid can realize two-way energy flow and maintain the power balance of the microgrid， and when the isolated grid is running and paralleling to solitary， the battery can provide voltage and frequency to the microgrid， so as to ensure the power balance and stable operation of the system.

Keywords： microgrid; grid connection; isolated grid; battery; photovoltaic power generation

微電網是一個由分布式電源、負荷、控制和保護等裝置共同組成的復雜系統，可以作為大電網的補充，在大電網因為突發故障發生斷電后，立即投切向用戶提供電能，滿足用戶的用電需求。微電網與大電網的結合，在保證供電可靠性、減小大電網在用電高峰期的負擔，以及減小諧波污染、提高電能質量等方面均表現出突出優勢。微電網的電能來源以可再生能源為主，如太陽能、風能等；其運行模式有2種，即并網運行和孤網運行。不同運行模式下，微電網與大電網之間的能量交換也存在差異。采取負荷平衡優化控制技術，能夠最大程度上降低兩網融合時的不良影響（如電壓波動、頻率波動等），保證電力系統總體性能達到最優。

1" 微電網負荷平衡優化運行控制技術

1.1" 微電網結構組成

某發電企業在建筑物頂部安裝太陽能光伏發電設備，構建能夠在離網模式下獨立運行的微電網。光伏發電設備產生的電能采用380 V低壓并網方式接入建筑內部電網，滿足建筑內部照明、電梯的電氣設備的用電需求；多余電能通過蓄電池保存，蓄電池SOC（荷電狀態）的充電上限為80%、放電下限為20%。該微電網的結構組成如圖1所示。

1.2" 并網運行負荷平衡優化控制策略

當微電網處于并網運行模式時，根據微電網與大電網之間能量交換方式的不同，選擇差異化的控制策略。

策略一：2種電網之間允許能量的雙向流動，優先考慮分布式電源調節，提高光電的利用效率，分布式電源的輸出功率達到最大。

策略二：若2種電網之間存在單向的能量流動，即只允許微電網從大電網吸收功率，不允許向大電網輸出功率，優先考慮“分布式電源+大電網”同步調節[1]。

從理論層面上看，策略二的調控效果更好，但是在實際中經常會因為分布式電源和大電網額定電壓差距太大、兼容性不好等原因，導致調控效果不穩定、操作難度增加，因此本文選擇策略一用于并網運行負荷平衡優化控制，其控制流程如圖2所示。

圖2中，P1表示所有光伏當前狀態下輸出的最大功率，P2表示負荷總功率，Pmax表示蓄電池最大充放電功率。在整個并網運行中，微電網中光伏均設置為MPPT（最大功率的跟蹤）運行模式[2]。根據電源與負荷關系的不同，控制策略有以下6種（S1—S6）。

若P1-P2gt;0，這種情況下微電網不會從大電網中吸收功率，而是由蓄電池自身的SOC決定蓄電池處于何種工作模式。若SOClt;80%，進一步對比P1-P2與Pmax的值，若前者大，則蓄電池以恒定最大功率充電，超出電量輸入到大電網中，對應控制策略S2；若后者大，則蓄電池跟隨充電，并吸收多余電量，對應控制策略S1。若SOCgt;80%，此時蓄電池進入浮充狀態，充電電流約等于0，超出電量輸入到大電網中，對應控制策略S3。

若P1-P2lt;0，同樣需要判斷蓄電池的荷電狀態。若SOCgt;20%，進一步對比P1-P2與Pmax的值，若前者大，蓄電池以恒定最大功率放電，若放電過程中產生功率缺額，則由大電網予以補充，對應控制策略S5；若后者大，蓄電池跟隨放電，補充缺少的功率，對應控制策略S4。若SOClt;20%，蓄電池不工作，完全由大電網供電，對應控制策略S6。

1.3" 并網轉孤網負荷平衡優化控制策略

根據轉網行為是否在計劃范圍之內，可以將并網轉孤網分成2種類型：計劃孤網、非計劃孤網。后者是在發生計劃外突發事件后，不得不將并網模式轉外孤網模式，會影響微電網的正常運行，并導致運維成本的攀升，這種非計劃孤網是必須要禁止的[3]。因此，本文只討論計劃孤網，其控制流程如圖3所示。

由圖3可知，微電網計劃孤網的控制策略包括4種（F1—F4），具體如下：在P1-P2gt;0，同時滿足SOClt;80%的情況下，1#樓屋頂光伏停止工作，執行控制策略F1；在P1-P2lt;0，同時滿足SOCgt;80%的情況下，1#樓屋頂光伏停止工作，使凈負荷大于0，執行控制策略F2；在P1-P2lt;0，同時滿足SOCgt;20%的情況下，切除電源負荷、照明負荷，執行控制策略F3；在P1-P2lt;0，同時滿足SOClt;20%的情況下，將全部負荷切除，使凈負荷小于0，執行控制策略F4。無論采取何種控制策略，在執行完畢后，都需要將微電網的總開關PCC斷開，然后根據對應的控制策略，實現蓄電池工作模式的切換。在順利切換完畢后，微電網從并網模式切換成孤網模式。

1.4" 孤網轉并網負荷平衡優化控制策略

假設大電網電壓為Un，微電網在孤網運行模式下的電壓為Ud，要想讓微電網順利并入大電網，必須滿足以下條件

Fd=Fn，

ωd-ωn=0，

即大電網側電壓頻率與微電網側電壓頻率相等，并且兩個電壓的相角差為0。在同時滿足上述2個條件的情況下，能夠讓并網合閘時的沖擊電流為0，最大程度上降低并網合閘對大電網產生的不良影響[4]。但是，在實際中由于電網電壓波動等因素的影響，很難達到上述理想條件。因此，本文認為只需要滿足以下條件

|Fd-Fn|?F0，

即可將并網合閘時產生的沖擊電流控制在相對安全范圍內，不會對大電網的供電質量產生明顯影響。上式中F0表示微電網和大電網兩側頻率差定值。同期并網邏輯為主控制器會按照設定好的頻率循環檢測是否有來自能量管理系統的“結束計劃孤網”指令。在檢測到該指令后，微電網內、外2個系統進行同期檢測。若滿足同期條件，則將內外系統連接點處的斷路器閉合，同步生成“切換并網模式”的指令，執行機構根據該指令將儲能模式從V/f模式轉換成PQ模式，系統實現從孤網向并網的切換。孤網轉并網的控制流程如圖4所示。2" 微電網運行仿真分析

為探究上文設計的多種控制策略的應用效果，本文基于Matlab仿真軟件搭建了光儲混合微電網仿真模型。該模型可用于光伏電源、蓄電池等微電源的特性分析，以及探究不同微電源相互作用對微電網產生的影響。同時，支持微電網在并網、孤網以及并轉孤、孤轉并4種狀態下的靈活切換，進而探究不同運行模式下微電網自身特性及對大電網產生的影響[5]。該模型中，對于光伏微電源選擇了恒功率控制策略，蓄電池并網選擇了恒功率控制策略，孤網時選擇了恒壓恒頻控制策略。

2.1" 微電網并網仿真分析

微電網在初始運行條件下，光伏系統輸出功率為2.8～3.2kW，蓄電池以-0.7～-1.7kW恒功率進行充電，為了滿足負荷需求，需要從大電網向微電網輸送有功功率，分析此時光伏輸出發生變化，仿真結果如圖5所示。

結合圖5可知，從0.3 s開始光伏系統的輸出功率開始出現變化。在微電網運行的0～0.3 s，光伏系統的輸出功率為正弦波，穩定在2.5～3.2 kW。從0.3 s開始，光伏系統的輸出功率開始增加，經過0.5 s后達到了4.2 kW，并很快穩定在4.0～4.2 kW。同樣的，在0.3 s以后，大電網向微電網輸送的功率也穩定在-0.5 kW。上述仿真結果表明，若光伏系統實際輸出功率無法同時滿足蓄電池充電和負荷需求時，需要有大電網向微電網補充缺失的功率。相反，如果光伏系統輸出功率超出了蓄電池充電和負荷的總需求，那么剩余的電能會輸入到大電網中。在0.3～0.35 s時，電網頻率會發生小幅度的波動，這說明微電網與大電網之間存在能量流動。

2.2" 微電網孤網仿真分析

微電網在初始運行條件下，光伏系統輸出功率為1.1～1.3kW，蓄電池輸出功率為1.7～2.2kW，為了滿足負荷需求，需要從大電網向微電網輸送有功功率。在微電網運行0.3 s后，光伏系統輸出功率的變化結果如圖6所示。

結合圖6可知，當微電網運行0.3 s后，光伏系統的輸出功率開始發生變化。在0～0.3 s時，其功率穩定在1.1～1.2 kW；從0.3 s開始功率上升，經過0.5 s后達到2.4 kW，并最終穩定在2.2～2.4 kW。這一仿真結果表明，微電網在孤網運行時，選擇V/f控制模式的蓄電池可以發揮調節微電網內功率平衡的作用。

2.3" 微電網模式切換仿真分析

這里以微電網“并轉孤”切換為例，對模式切換時的輸出功率進行仿真。微電網的初始條件設定如下：光伏系統輸出功率為0.5～1.5 kW，蓄電池以-0.5～-1.25kW恒功率進行充電，為了滿足負荷需求，需要從大電網向微電網輸送有功功率。在運行0.3 s后，將微電網運行模式從并網切換成孤網；同時調整蓄電池的控制模式，從并網狀態下的PQ控制調整為孤網狀態下的V/f控制。并網轉孤網后微電網輸出功率的仿真結果如圖7所示。

結合圖7可知，當微電網運行0.3 s后，總開關PCC斷開，此時微電網突然出現較大的功率缺失。蓄電池的控制模式轉為V/f控制后，會向外放電來彌補微電網缺失的一部分功率，因此圖7中蓄電池輸出功率在0.3 s后開始快速升高，并經過0.05 s后達到峰值2.2 kW。之后再經過0.05 s的調整，從0.4 s開始進入到穩定狀態，維持在1.5～1.7 kW。光伏系統的輸出功率只在并網轉孤網的瞬間發生跳動，完成轉換后快速回到之前的穩態。

3" 結論

在微電網運行時，采取符合平衡優化控制策略，能夠根據其運行模式的不同采取相應的調控措施，在保證系統穩定運行的基礎上，進一步提高了光電的利用率。在并網運行模式下，可以利用微電網與大電網之間雙向流動的能量，實現微電網功率平衡，保證并網時對大電網電壓、功率的沖擊影響降到最低；在孤網運行模式下，由蓄電池提供系統工作所需的電壓和頻率，在蓄電池的調節作用下維持功率平衡，讓微電網系統得以穩定運行。實行負荷平衡優化控制策略，徹底解決了分布式電源不可控的缺陷，對微電網的推廣應用提供了技術支持。

參考文獻：

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[3] 劉俊峰，羅燕，侯媛媛，等.考慮廣義儲能的微電網主動能量管理優化算法研究[J].電網技術，2023（1）：11-12.

[4] 盧自寶，鐘尚鵬，郭戈.基于分布式策略的直流微電網下垂控制器設計[J].自動化學報，2021（10）：12-15.

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