分散自律架构下微电网功率管理研究

引言

我国光伏发电分布范围较广泛,总量已经突破了7万Mw,其中接入了较多的分散式、间歇式的分布式发电装置（DistributedGeneration,DG）,无形中加大了微电网结构的复杂程度,增加了管理人员的控制难度,无法保障电力系统的运行安全和经济效益。而在电网中接入微电网,可以稳定电网运行功率,控制电网运行动态性能,为电网后期发展奠定良好的基础。

1微电网拓扑结构及变流器在光储系统中的模型构建

1.1微电网系统拓扑结构

微电网（MiCro-Grid）也被称为微网,是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网拓扑结构以光储系统为主,由光伏源头的两端输送电流和电压,传送到直流设备中,经电容器和变压设备的改装,优化了微电网的输出功率。此外微电网中还有许多电子配件,如传感器、储能设备、光储联合单元设备、下垂单元设备等,这些设备由每个分支的开关控制。光伏源头需要选择类型匹配的变压器,实现稳定电压、升降电压的功能,再利用AC变压器与PCC公共连接点的母线连接,完成交流指令。储能系统则由较多串联单体电池组成,叠加后的功率、容量和电压都有了较大的拓展,再通过变压器与PCC相连,储能设备需要以联合单元设备的运行状态为基准,切换PO和VF控制方式,即微电网在并网状态时应用PO控制方式,微电网在孤岛状态时应用VF控制方式。微电网还需要根据DG的运行特点,对不同类型的单元进行混合调控,除了光伏控制需要应用最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTraCking,MPPT）,储能控制需要PO和VF方式外,还需要引入DG的下垂控制方式。此外,微电网的运行状态还受开关闭合影响,开关未闭合,处于孤岛运行状态:开关闭合,处于并网运行状态。

1.2逆变器拓扑结构

目前针对逆变器的输出控制方式主要有两种,分别是电流控制和电压控制。这两种控制方式能够对逆变器的输出电流和输出电压进行控制,而在控制逆变器输出电流时还需要锁相回路或锁相环(PhaseLoCkedLoop,PLL）进行配合,以提高功率稳定性。从输出端角度来看,这两种控制方式可以简化为电压源头控制和电流源控制。

1.3光伏转换器结构及修正存储放电限制的策略

DC/DC光伏转换器的拓扑结构比较复杂,在分析时常常将最大放电功率设为最大充电功率,该系统中包含了较多的电容设备,如光伏电容、并网电容等。若光伏转换器的最大放电功率大于储能设备的放电功率,输出功率值为0,光伏设备按最大功率实现系统运行。若光伏转换器的最大放电功率小于储能设备的放电功率,输出功率值为负数,这个数据可以修正光伏设备偏离功率的最大运行点,继而降低功率输出值,满足储能最大功率需求。此外,储能设备的最大充电功率由自身负荷状态决定。

2基于分散自律架构下的微电网系统功率管理具体策略

2.1基于并网环境下的功率管理手段

当开关进行闭合操作时,微电网需要在并网环境下运行,这种模式下的下垂单元没有功率输出,只需要内部光储设备和外网配合对系统的供电状态、储能状态应用Po方式进行控制,其中外网主要为系统提供稳定性较高的电压和频率,具有良好的支撑效果。另外,在并网工作环境下,DG在协调控制手段的配合下PCC(策略控制和计费）的交互功率处于恒定值,为微电网的融合创造良好环境。因此,储能设备需要参考电网内部负荷值和光伏设备运行变化值,及时做出反馈,在功率变化的第一时间开展控制工作。

2.2由并网环境转向孤岛环境的功率管理手段

当电网外部运行发生故障时,PCC端电线内的电压超过了配电电压的最低值或最高值,开关就会触发断开指令,这时处于并网状态的微电网开始转变成孤岛状态,触碰下垂单元设备的运行开关,储能控制方式由Po转向VF,帮助微电网在复杂的模式切换工作中实现稳定运行。

2.3基于孤岛环境下的功率管理手段

当开关处于断开状态时,微电网处于孤岛运行状态,光储系统的变化趋势可以分成3个阶段:(1）功率小于最大输出功率阶段,即负荷值小于光伏系统的最大功率,储能充电效果最佳:当储能充电功率的最大值小于充电功率时,改变光伏设备的输入电压即可脱离功率的最大运行点,实现减少功率输出的终极目标,维持电网内部环境的平衡状态。(2）功率处于最大功率和最小功率范围内阶段,储能设备处于浮动充电状态。(3）功率大于最大输出功率阶段,储能设备处于放电状态。

当储能设备的系统芯片处于正常工作状态时,系统的PF曲线变化如下:随着负荷量的不断增加,下垂单元和储能设备开始向系统输入电压。若光伏设备间歇的输出功率明显增加或减少时,对应曲线需要整体向左平移。若储能设备的系统芯片运行状态较差,就需要对储能设备进行充电处理,同时在负荷不断增加的情况下,下垂单元和储能设备开始输出功率。另外当储能设备的功率值较小时,需要对其进行充电,在这个过程中要控制光伏设备的输出频率,保障功率的合理输出。

3仿真计算及实验结果

基于上述3种管理措施,建立了微电网运营的仿真模型,并给出了变流器相应的参考数据,设定了几种环境来验证上文理论。

(1）微电网在并网运行状态下,为了保障PCC端口功率处于恒定交换值,需要储能设备进行充电和放电处理。(2）微电网在并网转孤岛的运行状态下,对内网中的DG进行控制协调,维持电网内部稳定的运行状态。(3）微电网处于孤岛运行状态时,负荷值发生了较大变化。(4）微电网处于孤岛运行状态下,光伏设备的功率发生了较大变化。(5）微电网处于孤岛原型状态下,光伏设备校验值对功率的控制等。

由于篇幅有限,本文只选择了这些运行场景中的两个进行实验分析。当微电网处于孤岛运行状态的第一场景时,SOC值处于最小值和最大值中间,光伏设备输出功率不变,模拟负荷发生了突变现象:当微电网处于孤岛运行状态的第二场景时,负荷值没有变化,光伏设备的输出值变化较大。将这两个实验结果以图形方式进行展现,可以看出第一环境微电网的负荷值先上升后下降,在分散自律式框架的支撑下,每个单元需要根据负荷功率的变化而变化,即系统频率的变化趋向先降低后增加。第二环境微电网下光伏设备的功率变化比较明显,若需要对其进行控制,就必须有其他单元配件的配合,将工作频率控制在合理范围内。这两种环境的实验结果与仿真预期重叠较大,充分说明了上述管理策略的有效性。

4结语

综上所述,微电网中的光伏/储能联合发电系统能够分散DG的功率,提升操作人员的管理效率,是现阶段电网调控的最佳手段。特别是孤岛运行状态时,微电网可以对其进行分段,形成分散自律性协调控制体系,为增强通信的连接通道建立良好的环境,充分发挥出微电网的应用价值。