光儲聯合微電網控制策略

邊頓 加央

摘要：當前隨著我國光伏需求的持續上升以及電力市場經濟的快速增長，化石生物燃料再生能源日益匱乏和日漸枯竭，能源危機和生態環境資源污染等社會問題也越來越嚴重，光伏電力行業都面臨著嚴峻的新挑戰，為解決傳統化石燃料發電所面臨的問題，在“低碳”的號召下，源于分布式光伏風力發電的小型智能微電網應運而生。微電網靈活的經營運作管理方式及其所配套的高質量電網供電運輸服務都必定離不開一套科學完善的經營控制管理體系，所以關于我國微電網經營管理策略的深入探討必須具有很強的理論指導性。本文主要探索光儲系統在電力系統應用的價值，以現場光儲系統聯合驅動微電網技術工程建設為主要研究背景，在完成總體控制策略的相關技術理論研究及其系統建模仿真的基礎上，將這一技術控制策略成功地應用于現場的微電網。該項重點技術是國內外首個面向采用光伏電池發電、儲能混合動力車和蓄電池組的新型儲能微電網國家試點研究項目，對于新型微電網在系統運行過程中的控制應用做出有效的技術探索和創新嘗試，為其用于后續的新型微電網的深入研究應用和發展奠定重要的理論和實踐基礎。

關鍵詞：微電網;逆變器;光儲聯合微電網

Abstract：With the continuous rise of my country's photovoltaic demand and the rapid growth of the electricity market economy，fossil biofuel renewable energy is increasingly scarce and depleted，and social problems such as energy crisis and ecological environmental resource pollution are becoming more and more serious. The photovoltaic power industry is Facing severe new challenges，in order to solve the problems faced by traditional fossil fuel power generation，under the call of "low carbon"，a small smart microgrid derived from distributed photovoltaic wind power generation came into being. The flexible operation and management methods of microgrid and its supporting high-quality grid power supply and transportation services must be inseparable from a set of scientific and complete operation control and management system，so in-depth discussion on the management strategy of my country's microgrid must have a strong Theoretical guidance. This paper mainly explores the value of optical storage system in the application of power system. It takes the field optical storage system to drive the construction of microgrid technology as the main research background. On the basis of completing the relevant technical theoretical research of the overall control strategy and system modeling and simulation，This technology control strategy was successfully applied to the on-site micro-grid. This key technology is the first domestic and foreign national pilot research project for a new type of energy storage microgrid that uses photovoltaic cells for power generation，energy storage hybrid electric vehicles and battery packs. It is effective for the control application of the new microgrid during system operation. Technological exploration and innovative attempts have laid an important theoretical and practical foundation for the in-depth research，application and development of the subsequent new microgrid.

Keywords：Microgrid; Inverter; Optical-storage combined microgrid

當今電力能源是國家一次能源綜合利用的主要能源方式，隨著我國市場經濟與社會工業化的飛速發展，對于民用電力的市場需求量也不斷增加，這種趨勢在未來還會持續增長?；痣?、水電、核電等各種傳統民用能源已經發展成為我國電力系統中最主要的民用電源，其中以化石生物燃料電源為主的民用電源已經占據傳統電源的很大比重。然而，以現代煤炭燃燒發電工藝技術為主的火力發電已經造成世界性的環保問題和大氣污染問題。同時石油、天然氣等主要化石生物燃料在各國各地區的廣泛開采使用會產生的大量二硫化物和二氧化碳，這已經逐漸成為引起大地酸雨和大氣溫室效應的一個重要原因。另一方面，可再生能源仍然被認為是影響當今世界和其他社會日常生活以及持續發展的重要動力資源和基本物質基礎。清潔能源具有可再生性強、環保安全無污染、經濟價值高等特點，滿足了人們日益增長的能源消費需求和建設環境友好型國家的迫切要求。對于清潔可再生發電能源的利用和開發問題已經成為我國的一項重要發展戰略，也逐漸成為我國社會和全球人民日益關注的熱點話題和討論焦點。

1.微電網的定義與結構

微電網這個概念主要是相對于傳統的大型電網來說的，指的是微電源和負載之間通過一個系統電路的拓撲結構進行組合，各種分布式電源構成一個能夠實現其自我管理、控制及保護功能的微型發配電系統，作為一個整體和傳統的大電網相連接[1]。微電網接入后可與配電網同時配合，實現并網運行操作，可視為可空負載;退出后則可與大電網斷開聯系，實現單獨的孤島操作，可視為虛擬發電機。微電網的輸出功率隨著用戶的供電負荷要求而不斷地發生改變，具有較高的供電可靠性、實現不間斷供電能力、減少線路損耗、支持系統電壓、資金能夠得到充分使用等特點。微電網是發揮分布式電源效能的最有效形式，為實現多種可再生能源的最大效益綜合利用，提升負荷供電的可靠性以及配電網信息系統的智能化建設提供了巨大幫助。我們應當深入地研究我國在微電網建設過程中對于小型微電源大量、小規模接入的技術經驗[2]。

圖1是一個非常典型的微電網網絡結構。通常意義來說，微電網的動態工作管理模式可以劃分為兩個基本方面：靜態孤島工作模式和動態并網工作模式。圖中所示的網絡是一個輻射狀的大型微電網，它總共擁有一百多種類型的輻射微電源、a、b、c三條輻射饋線、不同的供電類型的微負載。微電網技術是在一個公用配電連接點（pointofcommoncouple，pcc）接口處通過一個微型靜態電源開關直接將其與公用配電網進行電源連接，從而基本實現在手動孤島并網模式和自動并網時用戶能夠順利、自由的進行電源切換。在外部的配電網出現故障和需要進行停電維護檢修的情況下，靜態啟動器開關迅速地打開，使得微電網和大型配電網斷開。為保證重要敏感負載的連續正常運行，當一個微電網內部產生短路或不足時，將有機器通過一個隔離設備切除一般的可以中斷敏感負載。但是當大型電網恢復正常的供電后，微電網又一次地運行到并網的狀態。饋線a上的一個小型微電源器件就能夠給用戶同時輸送熱能和電動機。饋線a、b分別采取諸如光伏與燃氣輪機、風力與存儲式動力電池等一系列的雙功率電源為一般負荷和敏感性大的負載進行供電。饋線c為一種無微電源的方式供電。

2.微電網中逆變器的數學模型及特性分析

一般承載負荷時所需要的和輸出的專用電能大都是一種交流和高頻兩用電能，但是光伏風力發動機的電陣列卻是屬于一種交流和低頻蓄能電源[3]。直流電源供電的主要技術特點是局限性很高，不過它易于直接改變直流輸出的工作電壓。當負載運行時間過長也可能會使其受到一定約束，所以必須使用能夠把直流電直接轉化成交流電的電子設備-如逆變器。逆變器（inverter）系統是目前中國微電網電力系統中最重要的一個核心部件。逆變器的種類繁多，根據條件不同而對其分類也不同[4]。按照功率變換的等級，可以劃分為單級式和雙級式。單級式逆變器中只有一個逆變過程，此時逆變過程就是實現直流逆變形成交流、電壓轉換、系統控制等同步操作。兩級式逆變器由前級dc/dc的boost升壓電路和后級dc/ac的功率轉化器組成。前級中的dc/dc系列變換器在結構設計上主要具有最大輸出功率和對節點的自動跟蹤和實時控制、保持直流控制母線并網電壓穩定等重要功能。后級中的dc/ac系列變換器主要功能是將控制直流電壓逆轉轉換為控制交流、穩定直流控制母線并網電壓、控制交流并網指令電流和實時跟蹤控制指令并網電流等重要功能。本文選擇一種二級式交流逆變器。光伏電網系統的電源陣列由boost-up（升壓斬波電路）通過升壓控制電路相互連接至直流供電母線，儲能發電設備與直流供電母線相互連接，輸出輸入電源控制裝置與直流供電母線在直接互聯后，將雙向式的dc/dc直流轉換器進行連接，其分別屬于輸入輸出電源裝置，通過一個雙向式的dc/ac轉換逆變器的直流供電母線直接互連至光伏配電網。

3.光儲聯合微電網的總體結構設計及調度策略

太陽能源的發展已成為最具開發潛力的可再生清潔能源之一，其資源豐富、清潔而且無任何污染，但是自然環境的不斷變化對光伏綜合發電的直接影響，使得光伏綜合發電具有明顯的不可隨機性與不可間歇性[5]。將儲能蓄電池作為儲能的這個環節應用到光伏混合發電并網系統當中，就這樣可以有效降低光伏混合發電并網系統設備并網時對于非輸配電光伏系統并網形成的電磁干擾。微電網主要研究有網絡并網和電源孤島兩種并網工作組合運行方式模型，提出一種基于網絡依據各個電源元件的并網能量及其流動方向不同電源組合并網運行工作方式的模型研究，分析多個不同電源并網場景下的不同組合并網運行方式模型。

3.1、光儲聯合微電網的整體結構

根據其與光伏配電網的相互聯系應用情況，光伏綜合發電管理系統被廣泛稱為并網式光伏發電管理系統和并網獨立式光伏發電管理系統[6]。光伏燃料電池儲能陣列、蓄電池組、dc/dc充電變換器、充放電系統控制器和光伏逆變器等模塊構成目前我國獨立光伏電池發電技術體系的主要組成部分。光伏系統陣列把其中剩余的光伏太陽能轉化成光伏電能，經由一個Chopper降壓電路自動降壓提升其進入輸出能源電壓，然后通過dc/ac通過逆變器將光伏直流電轉化成光伏交流電并向光伏負載設備進行連續供電，光伏系統陣列中所產生的多余太陽電能都完全可以被應用到需要進行充放電的微控制器上，再將其作為充放電后的剩余太陽能分子能量儲存作為能源儲備，以一種基于化學分子能量的存儲形式對其進行連續儲存，有利于在冬季太陽光不充足的氣候條件下能夠繼續為光伏負載設備進行連續供電。本文主要介紹研究的一種新型光儲式光伏微電網管理系統，其主要部件包括光伏發電陣列、boost-up升壓控制電路、雙向dc/dc轉換器、蓄電池、逆變器及不同的供電負載和零部件部分，如軟件圖2所示。系統的每個母線正常工作電壓值為=700v。其中，光伏電池陣列的所有輸入和輸出功率都應該是隨著它的光照強度、環境中的溫度、負荷的強度變化而不斷產生的有間歇性的溫度變化。光伏陣列在最高功率節點上工作，這樣就可以盡量有效地利用太陽能。boost-up升壓電路就是起到控制光伏系統陣列輸入和供電的主要作用。該電路是等價于一個阻抗匹配器，為使光伏陣列工作在最高功率端處，可根據各種實際情況改變相應等效阻抗的位置和大小。boost直流電路也可以是一個能夠起直流升壓作用的電路，能夠給一個前級直流電路提供一個滿足要求的直流電源母線輸出電壓，給后級直流電路提供一個可靠的直流電源。

3.2、光儲聯合微電網的綜合控制

在當前我國大型微電網項目建設與經營運行的每一個關鍵環節中，控制這些技術問題都應該具有十分重要的指導作用[7]。一般大型微電網與大型微電網相互沒有聯系，在并網系統操作下微電網主要由大型微電網直接負責支配。所以當大型無線電網系統發生重大故障或被維護人員禁止進行異常檢修時，處于單獨的孤島式正常運行維護狀態下的小型無線微電網，為系統的正常維穩工作注入另外一劑新的強心藥?？墒?，當原微配電網恢復正常，微電網重新恢復正常并網后，所帶來的巨大沖擊將可能會給整個正常運行中的微配電網系統的穩定性安全產生嚴重影響，進而造成不必要的經濟損失[8]。針對這一重要網絡技術基礎問題筆者進行深入研究，在普遍缺乏電源轉換系統控制策略的現實條件下，雖然一個微電網系統能夠平滑地由一個并網系統模型直接通過切換進入到系統孤島并網模型，但是在系統并網的整個運行過程中，它們往往會直接導致系統內部產生大量無限大功率的振蕩，可能會影響到并網系統的工作電壓，使得系統正常運行時的動態穩定性有所下降。另外一些國際有關技術文獻還提出采用具有一種倒轉向下垂直式特性的并網控制操作方法（droop）可用來直接控制整個微電網，這種特性控制操作方法雖然可以完全通過不同的操作模式進行變換的并網切換操作過程，但是在微電網系統運行時的穩定性還是會因為其在并網操作過程中所需要的持續時間太久而受到很大影響[9]。在這一操作步驟中，微電網對于外部電能的傳輸質量消耗進行直接牽制，從而直接影響內部敏感區的電源開關負載的正常工作。微電網在不同的網絡運行條件模型下的各種操作控制系統戰略都一定要能夠保證該操作系統安全和穩定的正常運行，使得應用微電網的各種操作系統特性因此變得更加靈活，也因此不斷提高社會經濟效益。

4.結束語

本文是針對由光伏、儲能組成的小型微電網體系提出的一種互相聯合的運行管理控制戰略。從理論上詳細地分析光儲聯合微電網中各個逆變器的具體工作原理和其特性，并為此設計整個系統的工作模型以及每一個部分的控制單元?；?pscad / emtdc 軟件進行的仿真實驗結果，它驗證了該系統控制器的正確度和應用的可行性。儲能系統能夠平抑（抑制）光伏發電量的波動性，實現協調和互補，有效地解決光伏超發、欠發等特殊情況下大型負荷的供電。在各種控制系統的設計和方法合理的情況下，不同的工作模式之間進行切換時，該系統的穩定性較好。

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