基于分層主從協(xié)調結構的微電網(wǎng)智能管理系統(tǒng)

林慧婕，張宇峰，孫季澤

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；2.國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

氣候變化的持續(xù)威脅要求全球快速轉向可持續(xù)能源系統(tǒng)。增加可再生能源對于我國的減碳戰(zhàn)略至關重要，同時需要更高效地利用電網(wǎng)，以提高可變可再生電力的滲透率。值得一提的是，電池儲能系統(tǒng)（Battery Energy Storage Systems, BESS）在提供輔助服務（Ancillary Service）方面發(fā)揮著關鍵作用。而支持電網(wǎng)、實現(xiàn)微電網(wǎng)運行和參與恢復非計劃孤島（Unintentional Islanding）是BESS 未來應用的新方向。

目前，主要設備制造商已經(jīng)得到電網(wǎng)的支持和安全開發(fā)更加有效的BESS 解決方案[1]。之前的許多文獻研究了BESS 在電力系統(tǒng)中的集成，包括技術和市場[2-4]，而得出的一般觀點是有效地集成和利用BESS 取決于儲能系統(tǒng)的高效控制能力。因此，許多工作致力于開發(fā)智能控制系統(tǒng)，通過分布式BESS[5]為電網(wǎng)提供輔助服務，或者在微電網(wǎng)配置中控制包括BESS[6]在內的并網(wǎng)混合電力系統(tǒng)[7]。

本文提出了一種新的控制邏輯，通過分層智能轉換器架構實現(xiàn)微電網(wǎng)中發(fā)電機、負荷和混合儲能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage System, HESS）的協(xié)調管理，旨在使得微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)為電網(wǎng)提供更優(yōu)的輔助服務。具體來說，本文的控制邏輯集成了一種新算法，用于評估BESS，提供電網(wǎng)輔助服務的能力，并協(xié)調管理BESS-雙電層電容（Supercapacitor）的充放電，以確保BESS 能夠保持所需的電力。本文的工作分為：

1）使用PiCon-RET 工具[8]配置和開發(fā)主從智能轉換器架構。PiCon-RET 是基于SPEA-Ⅱ算法和電熱設計程序相結合的多目標優(yōu)化工具，可幫助設計人員配置不同能源場景的智能轉換器。

2）通過軟件開發(fā)了一種可用于微電網(wǎng)資源協(xié)調管理和BESS-雙電層電容的耦合智能控制算法。

3）以一個并網(wǎng)住宅微電網(wǎng)的案例為例，對所提出的控制方法的有效性進行測試。

1 本文方法

1.1 主從架構設計

本文的主從架構致力于微電網(wǎng)系統(tǒng)和設備的協(xié)調控制。所考慮的能源環(huán)境如圖1 所示，微電網(wǎng)中的所有資源包括BESS、雙電層電容、交流負荷（AC Load）和直流負荷（DC Load），以及分布式發(fā)電機組，都由主轉換器（Master Converter, MC）控制，MC 管理分布在資源中的智能轉換器從器（Smart Converter Slaves, SCS）集群。HESS 算法通過軟件編程，集成到更通用的MC 控制流程中，使得BESS 和雙電層電容協(xié)同工作。

圖1 微電網(wǎng)主從方案

具體來說，MC 持續(xù)從SCS1、SCS2 和SCS3 接收可再生能源(Renewable Energy Sources, RES)數(shù)據(jù)，并從SCS6、SCS7、SCS8、SCS9 和SCS10 接收負荷數(shù)據(jù)。此外，它驗證BESS 的荷電狀態(tài)(State of Charge, SoC)的瞬時值（SCS4）和雙電層電容的狀態(tài)（SCS5）。

基于這些信息，MC 能夠在能量流之間進行連續(xù)的匹配，并應用所提出的控制邏輯。為了最大限度地利用可再生能源，減少從電網(wǎng)中提取的電量，并應用BESS-雙電層電容的協(xié)調控制以提高提供輔助服務的能力，MC 按照表1 中總結的步驟進行操作。

1.2 BESS-雙電層電容的協(xié)調管理

在當前的能源場景中，儲能系統(tǒng)越來越多地用于支持電網(wǎng)的可靠運行。在過去的10年中，電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）中已經(jīng)嵌入了算法來驗證SoC 的瞬時值是否在可接受的范圍內，即放電的最小值（minSoC）和充電的最大值（maxSoC）之間的范圍，以確保電池的安全。之前的許多研究還提出了BESS 控制算法，以改進BESS 在微電網(wǎng)運行期間參與輔助服務的能力[5-7]。為此，當BESS 的能量儲備不足時，控制算法會從電網(wǎng)獲取所需能量。本文中，將在更高的層次上集成一個額外的控制邏輯到之前的邏輯中，將文獻[9]中的邏輯擴展到HESS，提出了一種新的控制算法來協(xié)調BESS 和雙電層電容的運行，允許更快地從雙電層電容中恢復BESS 的能量儲備，從而更有效地向電網(wǎng)提供輔助服務，如圖2 所示。

圖2 BESS SoC 虛擬帶

該算法允許將BESS 的SoC 保持在能量恢復帶內（即圖2 中灰色區(qū)域，mnrSoC 和mxrSoC 之間），該SoC 區(qū)間可以確保BESS 能夠參與頻率恢復過程，即確保在微電網(wǎng)運行期間為下一個頻率偏差提供所需的能量恢復儲備。

2 實驗結果與分析

在本節(jié)中，通過提出的MC 對微電網(wǎng)進行管理，并以一個案例進行了測試，用于表明MC 控制應用于所提出的智能轉換器主從架構(包括BESS-雙電層電容的組合管理)的有效性。在文獻[9]中已經(jīng)證明了引入控制算法后可以提高BESS 平衡電網(wǎng)的能力，因此本文并不對其進行驗證。本節(jié)對開發(fā)并嵌入在微電網(wǎng)主從轉換器體系結構中的控制邏輯進行了仿真，并將其應用于覆蓋一幢由8 套公寓組成的建筑的并網(wǎng)住宅微電網(wǎng)中，其中太陽能發(fā)電系統(tǒng)（Photo Voltaic, PV）、BESS 和雙電層電容用于滿足AC 和DC 住宅負荷的能量需求。

微電網(wǎng)中的BESS 是一個多層鋰離子電池，設計用于儲存在5 月份的北京市順義區(qū)（緯度坐標40.136 57°，經(jīng)度坐標116.607 73°）太陽能系統(tǒng)產(chǎn)生能量的25%，其中每個層均用于覆蓋一個公寓的AC 吸收。BESS 通過雙向DC/AC 轉換器與電網(wǎng)連接，用于供應AC 負荷，但不能供應DC 負荷，因為DC 負荷同時連接到雙電層電容和電網(wǎng)。具體來講，雙電層電容通過雙向DC/AC 與電網(wǎng)連接，用于滿足DC 負荷，并對BESS 的充放電進行調節(jié)，將BESS 的SoC 帶回能量恢復帶，如第1.2 節(jié)所示。

MC 根據(jù)圖1 中提供的操作模式和表1 中描述的邏輯步驟，管理分布在微電網(wǎng)資源中的SC 集群，包括BESS、雙電層電容、DC 負荷、AC 負荷以及PV 系統(tǒng)。

主要資源和微電網(wǎng)參數(shù)說明如表2 所示。

表2 仿真參數(shù)

每個公寓的負荷曲線是根據(jù)典型的北京四口之家的客戶消費行為的平均需求趨勢進行構建[10]，包括家用AC 電器（包括1 臺冰箱、1 臺洗衣機、4 臺空調和1 臺電飯煲）和家用DC 電器（4 部智能手機、1 臺平板式計算機和1 臺便攜式計算機）的平均功耗。

為了驗證提出模型的有效性，進行了兩次仿真實驗。第一次仿真評估了正常運行條件下的微電網(wǎng)運行；第二次仿真在某個時間點模擬了6 套公寓同時斷開（模擬負荷過程），以驗證當發(fā)生不平衡現(xiàn)象時，BESS 參與恢復過程的能力，以及BESS 能否回到能量恢復帶。能量恢復帶設置在40%（mnrSoC）～60%（mxrSoC）之間，而BESS 的安全SoC 范圍為20%（minSoC）～90%（maxSoC）。

2.1 第一次仿真

本次仿真從午夜開始，此時BESS 的SoC 為50%，持續(xù)24 h，實驗結果如圖3 所示。

圖3 BESS SoC 虛擬帶的仿真結果

由于夜間電力需求較低，BESS便可滿足。在6：00—19：00 之間，雙電層電容開始確保DC 負荷的充電，以滿足居民的需求。然后BESS 滿足AC 電力需求。白天時PV 首先給電池充電，直到達到最大SoC，然后對雙電層電容充電。此操作避免了額外的AC/DC 轉換，有助于減少微電網(wǎng)的損耗。一旦家庭成員在18：00 返回家中，因為需要對移動設備和便攜設備進行充電，此時電力需求增加，并在20：00—22：00 之間達到峰值消耗。如圖3 所示，在19：00—20：00 期間，MC 控制雙電層電容開始運作。然后BESS 滿足能量吸收到21：00，之后需要電網(wǎng)干預到午夜。

2.2 第二次仿真

第二次仿真假設在00：57 發(fā)生了微電網(wǎng)的不平衡現(xiàn)象，如圖4 所示。為了模擬不平衡現(xiàn)象，對其施加了突然的負荷減少（負荷削減：-75%）。在電網(wǎng)恢復平衡過程中，當BESS SoC 等于61%時，本次仿真評估了所提出的控制策略將BESS SoC 帶入能量恢復帶的能力，以確保其參與其他電網(wǎng)平衡過程的潛力。

圖4 正常運行狀態(tài)下的BESS SoC 圖

此外，為了驗證應用所提出的控制方法和雙電層電容進行快速BESS 充電的有效性，進行了另外的3 次仿真，如圖5 所示。

圖5 平衡恢復過程后的BESS SoC 圖

在第一種情況下，控制器關閉，雙電層電容僅用于滿足DC 負荷（雙電層電容與BESS 斷開連接）；在第二種情況下，控制器打開，雙電層電容僅用于滿足DC 負荷（雙電層電容與BESS 斷開連接）；在最后一種情況下，控制器打開，雙電層電容與BESS 連接在一起。

如圖5 所示，在第一種情況下，BESS 在參與平衡恢復后，遠離mxrSoC（負荷斷開且控制器關閉）；在第二種情況下，MC 采取行動將BESS SoC 帶回能量恢復帶。BESS 向電網(wǎng)提供多余的能量，BESS SoC 在2～5 min 內恢復到能量恢復帶。在最后一種情況下，MC 再次采取行動將BESS SoC 帶回能量恢復帶，但是BESS 多余的能量被雙電層電容獲取。此時BESS SoC 不到1 min 恢復到能量恢復帶，因此，這個過程比第二種情況快得多。可以表明，嵌入在MC 和HESS 中的所提控制算法的聯(lián)合使用有助于確保BESS 向電網(wǎng)提供輔助服務。

3 結 論

本文提出一種新的控制邏輯，通過分層智能轉換器架構實現(xiàn)微電網(wǎng)中發(fā)電機、負荷和混合儲能設備的協(xié)調管理。提出方法被嵌入到一個主轉換器中，并允許與分布在微電網(wǎng)資源之間的從轉換器協(xié)作在線管理電力通量。對微電網(wǎng)發(fā)電、吸收和電池-雙電層電容儲能系統(tǒng)進行的智能協(xié)調，可以使得存儲設備為電網(wǎng)提供更好的輔助服務。最后，將智能變換器主從架構，包括BESS-雙電層電容聯(lián)合管理算法，應用于居民區(qū)的并網(wǎng)微電網(wǎng)中，驗證了本文方法的有效性。