分散自律架構(gòu)下微電網(wǎng)功率管理研究

摘要：詳細(xì)介紹了微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及變流器在光儲(chǔ)系統(tǒng)中的模型構(gòu)建，分析了基于分散自律架構(gòu)下的微電網(wǎng)功率管理策略，并對(duì)其進(jìn)行了仿真計(jì)算，仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述管理策略的可行性，對(duì)今后基于分散自律架構(gòu)下的微電網(wǎng)功率管理工作提供了良好的建議。關(guān)鍵詞：分散自律；微電網(wǎng)；功率管理0引言我國(guó)光伏發(fā)電分布范圍比較廣泛，總量已經(jīng)突破了7萬(wàn)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(wú)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(wú)法保障電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)效益。而在電網(wǎng)中接入微電網(wǎng)，可以穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行功率，控制電網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)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(chǔ)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(chǔ)能設(shè)備、光儲(chǔ)聯(lián)合單元設(shè)備、下垂單元設(shè)備等，這些設(shè)備由每個(gè)分支的開(kāi)關(guān)控制。光伏源頭需要選擇類型匹配的變壓器，實(shí)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(diǎn)的母線連接，完成交流指令。儲(chǔ)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(guò)變壓器與PCC相連，儲(chǔ)能設(shè)備需要以聯(lián)合單元設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)為基準(zhǔn)，切換PQ和VF控制方式，即微電網(wǎng)在并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)應(yīng)用PQ控制方式，微電網(wǎng)在孤島狀態(tài)時(shí)應(yīng)用VF控制方式。微電網(wǎng)還需要根據(jù)DG的運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)不同類型的單元進(jìn)行混合調(diào)控，除了光伏控制需要應(yīng)用最大功率點(diǎn)跟蹤（MaximumPowerPointTracking，MPPT），儲(chǔ)能控制需要PQ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(yùn)行狀態(tài)還受開(kāi)關(guān)閉合影響，開(kāi)關(guān)未閉合，處于孤島運(yùn)行狀態(tài)；開(kāi)關(guān)閉合，處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。1.2逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)目前針對(duì)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(jìn)行控制，而在控制逆變器輸出電流時(shí)還需要鎖相回路或鎖相環(huán)（PhaseLockedLoop，PLL）進(jìn)行配合，以提高功率穩(wěn)定性。從輸出端角度來(lái)看，這兩種控制方式可以簡(jiǎn)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(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行。若光伏轉(zhuǎn)換器的最大放電功率小于儲(chǔ)能設(shè)備的放電功率，輸出功率值為負(fù)數(shù)，這個(gè)數(shù)據(jù)可以修正光伏設(shè)備偏離功率的最大運(yùn)行點(diǎn)，繼而降低功率輸出值，滿足儲(chǔ)能最大功率需求。此外，儲(chǔ)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(kāi)關(guān)進(jìn)行閉合操作時(shí)，微電網(wǎng)需要在并網(wǎng)環(huán)境下運(yùn)行，這種模式下的下垂單元沒(méi)有功率輸出，只需要內(nèi)部光儲(chǔ)設(shè)備和外網(wǎng)配合對(duì)系統(tǒng)的供電狀態(tài)、儲(chǔ)能狀態(tài)應(yīng)用PQ方式進(jìn)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(jì)費(fèi)）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(chǔ)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(yùn)行變化值，及時(shí)做出反饋，在功率變化的第一時(shí)間開(kāi)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(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，PCC端電線內(nèi)的電壓超過(guò)了配電電壓的最低值或最高值，開(kāi)關(guān)就會(huì)觸發(fā)斷開(kāi)指令，這時(shí)處于并網(wǎng)狀態(tài)的微電網(wǎng)開(kāi)始轉(zhuǎn)變成孤島狀態(tài)，觸碰下垂單元設(shè)備的運(yùn)行開(kāi)關(guān)，儲(chǔ)能控制方式由PQ轉(zhuǎn)向VF，幫助微電網(wǎng)在復(fù)雜的模式切換工作中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。2.3基于孤島環(huán)境下的功率管理手段當(dāng)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，光儲(chǔ)系統(tǒng)的變化趨勢(shì)可以分成3個(gè)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(chǔ)能充電效果最佳；當(dāng)儲(chǔ)能充電功率的最大值小于充電功率時(shí)，改變光伏設(shè)備的輸入電壓即可脫離功率的最大運(yùn)行點(diǎn)，實(shí)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(chǔ)能設(shè)備處于浮動(dòng)充電狀態(tài)。（3）功率大于最大輸出功率階段，儲(chǔ)能設(shè)備處于放電狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備的系統(tǒng)芯片處于正常工作狀態(tài)時(shí)，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(chǔ)能設(shè)備開(kāi)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(shí)，對(duì)應(yīng)曲線需要整體向左平移。若儲(chǔ)能設(shè)備的系統(tǒng)芯片運(yùn)行狀態(tài)較差，就需要對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行充電處理，同時(shí)在負(fù)荷不斷增加的情況下，下垂單元和儲(chǔ)能設(shè)備開(kāi)始輸出功率。另外當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備的功率值較小時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行充電，在這個(gè)過(guò)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(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果基于上述3種管理措施，建立了微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)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(lái)驗(yàn)證上文理論。（1）微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，為了保障PCC端口功率處于恒定交換值，需要儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行充電和放電處理。（2）微電網(wǎng)在并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島的運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)內(nèi)網(wǎng)中的DG進(jìn)行控制協(xié)調(diào)，維持電網(wǎng)內(nèi)部穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。（3）微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，負(fù)荷值發(fā)生了較大變化。（4）微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)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(yàn)值對(duì)功率的控制等。由于篇幅有限，本文只選擇了這些運(yùn)行場(chǎng)景中的兩個(gè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)的第一場(chǎng)景時(shí)，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(yùn)行狀態(tài)的第二場(chǎng)景時(shí)，負(fù)荷值沒(méi)有變化，光伏設(shè)備的輸出值變化較大。將這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以圖形方式進(jìn)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(gè)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(duì)其進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真預(yù)期重疊較大，充分說(shuō)明了