分散自律架構(gòu)下微電網(wǎng)功率管理研究

引言

我國光伏發(fā)電分布范圍較廣泛,總量已經(jīng)突破了7萬Mw,其中接入了較多的分散式、間歇式的分布式發(fā)電裝置（DistributedGeneration,DG）,無形中加大了微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,增加了管理人員的控制難度,無法保障電力系統(tǒng)的運行安全和經(jīng)濟效益。而在電網(wǎng)中接入微電網(wǎng),可以穩(wěn)定電網(wǎng)運行功率,控制電網(wǎng)運行動態(tài)性能,為電網(wǎng)后期發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

1微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及變流器在光儲系統(tǒng)中的模型構(gòu)建

1.1微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)（MiCro-Grid）也被稱為微網(wǎng),是由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護裝置等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以光儲系統(tǒng)為主,由光伏源頭的兩端輸送電流和電壓,傳送到直流設(shè)備中,經(jīng)電容器和變壓設(shè)備的改裝,優(yōu)化了微電網(wǎng)的輸出功率。此外微電網(wǎng)中還有許多電子配件,如傳感器、儲能設(shè)備、光儲聯(lián)合單元設(shè)備、下垂單元設(shè)備等,這些設(shè)備由每個分支的開關(guān)控制。光伏源頭需要選擇類型匹配的變壓器,實現(xiàn)穩(wěn)定電壓、升降電壓的功能,再利用AC變壓器與PCC公共連接點的母線連接,完成交流指令。儲能系統(tǒng)則由較多串聯(lián)單體電池組成,疊加后的功率、容量和電壓都有了較大的拓展,再通過變壓器與PCC相連,儲能設(shè)備需要以聯(lián)合單元設(shè)備的運行狀態(tài)為基準(zhǔn),切換PO和VF控制方式,即微電網(wǎng)在并網(wǎng)狀態(tài)時應(yīng)用PO控制方式,微電網(wǎng)在孤島狀態(tài)時應(yīng)用VF控制方式。微電網(wǎng)還需要根據(jù)DG的運行特點,對不同類型的單元進行混合調(diào)控,除了光伏控制需要應(yīng)用最大功率點跟蹤（MaximumPowerPointTraCking,MPPT）,儲能控制需要PO和VF方式外,還需要引入DG的下垂控制方式。此外,微電網(wǎng)的運行狀態(tài)還受開關(guān)閉合影響,開關(guān)未閉合,處于孤島運行狀態(tài):開關(guān)閉合,處于并網(wǎng)運行狀態(tài)。

1.2逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前針對逆變器的輸出控制方式主要有兩種,分別是電流控制和電壓控制。這兩種控制方式能夠?qū)δ孀兤鞯妮敵鲭娏骱洼敵鲭妷哼M行控制,而在控制逆變器輸出電流時還需要鎖相回路或鎖相環(huán)(PhaseLoCkedLoop,PLL）進行配合,以提高功率穩(wěn)定性。從輸出端角度來看,這兩種控制方式可以簡化為電壓源頭控制和電流源控制。

1.3光伏轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)及修正存儲放電限制的策略

DC/DC光伏轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,在分析時常常將最大放電功率設(shè)為最大充電功率,該系統(tǒng)中包含了較多的電容設(shè)備,如光伏電容、并網(wǎng)電容等。若光伏轉(zhuǎn)換器的最大放電功率大于儲能設(shè)備的放電功率,輸出功率值為0,光伏設(shè)備按最大功率實現(xiàn)系統(tǒng)運行。若光伏轉(zhuǎn)換器的最大放電功率小于儲能設(shè)備的放電功率,輸出功率值為負(fù)數(shù),這個數(shù)據(jù)可以修正光伏設(shè)備偏離功率的最大運行點,繼而降低功率輸出值,滿足儲能最大功率需求。此外,儲能設(shè)備的最大充電功率由自身負(fù)荷狀態(tài)決定。

2基于分散自律架構(gòu)下的微電網(wǎng)系統(tǒng)功率管理具體策略

2.1基于并網(wǎng)環(huán)境下的功率管理手段

當(dāng)開關(guān)進行閉合操作時,微電網(wǎng)需要在并網(wǎng)環(huán)境下運行,這種模式下的下垂單元沒有功率輸出,只需要內(nèi)部光儲設(shè)備和外網(wǎng)配合對系統(tǒng)的供電狀態(tài)、儲能狀態(tài)應(yīng)用Po方式進行控制,其中外網(wǎng)主要為系統(tǒng)提供穩(wěn)定性較高的電壓和頻率,具有良好的支撐效果。另外,在并網(wǎng)工作環(huán)境下,DG在協(xié)調(diào)控制手段的配合下PCC(策略控制和計費）的交互功率處于恒定值,為微電網(wǎng)的融合創(chuàng)造良好環(huán)境。因此,儲能設(shè)備需要參考電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷值和光伏設(shè)備運行變化值,及時做出反饋,在功率變化的第一時間開展控制工作。

2.2由并網(wǎng)環(huán)境轉(zhuǎn)向孤島環(huán)境的功率管理手段

當(dāng)電網(wǎng)外部運行發(fā)生故障時,PCC端電線內(nèi)的電壓超過了配電電壓的最低值或最高值,開關(guān)就會觸發(fā)斷開指令,這時處于并網(wǎng)狀態(tài)的微電網(wǎng)開始轉(zhuǎn)變成孤島狀態(tài),觸碰下垂單元設(shè)備的運行開關(guān),儲能控制方式由Po轉(zhuǎn)向VF,幫助微電網(wǎng)在復(fù)雜的模式切換工作中實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

2.3基于孤島環(huán)境下的功率管理手段

當(dāng)開關(guān)處于斷開狀態(tài)時,微電網(wǎng)處于孤島運行狀態(tài),光儲系統(tǒng)的變化趨勢可以分成3個階段:(1）功率小于最大輸出功率階段,即負(fù)荷值小于光伏系統(tǒng)的最大功率,儲能充電效果最佳:當(dāng)儲能充電功率的最大值小于充電功率時,改變光伏設(shè)備的輸入電壓即可脫離功率的最大運行點,實現(xiàn)減少功率輸出的終極目標(biāo),維持電網(wǎng)內(nèi)部環(huán)境的平衡狀態(tài)。(2）功率處于最大功率和最小功率范圍內(nèi)階段,儲能設(shè)備處于浮動充電狀態(tài)。(3）功率大于最大輸出功率階段,儲能設(shè)備處于放電狀態(tài)。

當(dāng)儲能設(shè)備的系統(tǒng)芯片處于正常工作狀態(tài)時,系統(tǒng)的PF曲線變化如下:隨著負(fù)荷量的不斷增加,下垂單元和儲能設(shè)備開始向系統(tǒng)輸入電壓。若光伏設(shè)備間歇的輸出功率明顯增加或減少時,對應(yīng)曲線需要整體向左平移。若儲能設(shè)備的系統(tǒng)芯片運行狀態(tài)較差,就需要對儲能設(shè)備進行充電處理,同時在負(fù)荷不斷增加的情況下,下垂單元和儲能設(shè)備開始輸出功率。另外當(dāng)儲能設(shè)備的功率值較小時,需要對其進行充電,在這個過程中要控制光伏設(shè)備的輸出頻率,保障功率的合理輸出。

3仿真計算及實驗結(jié)果

基于上述3種管理措施,建立了微電網(wǎng)運營的仿真模型,并給出了變流器相應(yīng)的參考數(shù)據(jù),設(shè)定了幾種環(huán)境來驗證上文理論。

(1）微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行狀態(tài)下,為了保障PCC端口功率處于恒定交換值,需要儲能設(shè)備進行充電和放電處理。(2）微電網(wǎng)在并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島的運行狀態(tài)下,對內(nèi)網(wǎng)中的DG進行控制協(xié)調(diào),維持電網(wǎng)內(nèi)部穩(wěn)定的運行狀態(tài)。(3）微電網(wǎng)處于孤島運行狀態(tài)時,負(fù)荷值發(fā)生了較大變化。(4）微電網(wǎng)處于孤島運行狀態(tài)下,光伏設(shè)備的功率發(fā)生了較大變化。(5）微電網(wǎng)處于孤島原型狀態(tài)下,光伏設(shè)備校驗值對功率的控制等。

由于篇幅有限,本文只選擇了這些運行場景中的兩個進行實驗分析。當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島運行狀態(tài)的第一場景時,SOC值處于最小值和最大值中間,光伏設(shè)備輸出功率不變,模擬負(fù)荷發(fā)生了突變現(xiàn)象:當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島運行狀態(tài)的第二場景時,負(fù)荷值沒有變化,光伏設(shè)備的輸出值變化較大。將這兩個實驗結(jié)果以圖形方式進行展現(xiàn),可以看出第一環(huán)境微電網(wǎng)的負(fù)荷值先上升后下降,在分散自律式框架的支撐下,每個單元需要根據(jù)負(fù)荷功率的變化而變化,即系統(tǒng)頻率的變化趨向先降低后增加。第二環(huán)境微電網(wǎng)下光伏設(shè)備的功率變化比較明顯,若需要對其進行控制,就必須有其他單元配件的配合,將工作頻率控制在合理范圍內(nèi)。這兩種環(huán)境的實驗結(jié)果與仿真預(yù)期重疊較大,充分說明了上述管理策略的有效性。

4結(jié)語

綜上所述,微電網(wǎng)中的光伏/儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能夠分散DG的功率,提升操作人員的管理效率,是現(xiàn)階段電網(wǎng)調(diào)控的最佳手段。特別是孤島運行狀態(tài)時,微電網(wǎng)可以對其進行分段,形成分散自律性協(xié)調(diào)控制體系,為增強通信的連接通道建立良好的環(huán)境,充分發(fā)揮出微電網(wǎng)的應(yīng)用價值。