光储联合微电网控制策略

边顿 加央

摘要：当前随着我国光伏需求的持续上升以及电力市场经济的快速增长，化石生物燃料再生能源日益匮乏和日渐枯竭，能源危机和生态环境资源污染等社会问题也越来越严重，光伏电力行业都面临着严峻的新挑战，为解决传统化石燃料发电所面临的问题，在“低碳”的号召下，源于分布式光伏风力发电的小型智能微电网应运而生。微电网灵活的经营运作管理方式及其所配套的高质量电网供电运输服务都必定离不开一套科学完善的经营控制管理体系，所以关于我国微电网经营管理策略的深入探讨必须具有很强的理论指导性。本文主要探索光储系统在电力系统应用的价值，以现场光储系统联合驱动微电网技术工程建设为主要研究背景，在完成总体控制策略的相关技术理论研究及其系统建模仿真的基础上，将这一技术控制策略成功地应用于现场的微电网。该项重点技术是国内外首个面向采用光伏电池发电、储能混合动力车和蓄电池组的新型储能微电网国家试点研究项目，对于新型微电网在系统运行过程中的控制应用做出有效的技术探索和创新尝试，为其用于后续的新型微电网的深入研究应用和发展奠定重要的理论和实践基础。

关键词：微电网;逆变器;光储联合微电网

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

當今电力能源是国家一次能源综合利用的主要能源方式，随着我国市场经济与社会工业化的飞速发展，对于民用电力的市场需求量也不断增加，这种趋势在未来还会持续增长。火电、水电、核电等各种传统民用能源已经发展成为我国电力系统中最主要的民用电源，其中以化石生物燃料电源为主的民用电源已经占据传统电源的很大比重。然而，以现代煤炭燃烧发电工艺技术为主的火力发电已经造成世界性的环保问题和大气污染问题。同时石油、天然气等主要化石生物燃料在各国各地区的广泛开采使用会产生的大量二硫化物和二氧化碳，这已经逐渐成为引起大地酸雨和大气温室效应的一个重要原因。另一方面，可再生能源仍然被认为是影响当今世界和其他社会日常生活以及持续发展的重要动力资源和基本物质基础。清洁能源具有可再生性强、环保安全无污染、经济价值高等特点，满足了人们日益增长的能源消费需求和建设环境友好型国家的迫切要求。对于清洁可再生发电能源的利用和开发问题已经成为我国的一项重要发展战略，也逐渐成为我国社会和全球人民日益关注的热点话题和讨论焦点。

1.微电网的定义与结构

微电网这个概念主要是相对于传统的大型电网来说的，指的是微电源和负载之间通过一个系统电路的拓扑结构进行组合，各种分布式电源构成一个能够实现其自我管理、控制及保护功能的微型发配电系统，作为一个整体和传统的大电网相连接[1]。微电网接入后可与配电网同时配合，实现并网运行操作，可视为可空负载;退出后则可与大电网断开联系，实现单独的孤岛操作，可视为虚拟发电机。微电网的输出功率随着用户的供电负荷要求而不断地发生改变，具有较高的供电可靠性、实现不间断供电能力、减少线路损耗、支持系统电压、资金能够得到充分使用等特点。微电网是发挥分布式电源效能的最有效形式，为实现多种可再生能源的最大效益综合利用，提升负荷供电的可靠性以及配电网信息系统的智能化建设提供了巨大帮助。我们应当深入地研究我国在微电网建设过程中对于小型微电源大量、小规模接入的技术经验[2]。

图1是一个非常典型的微电网网络结构。通常意义来说，微电网的动态工作管理模式可以划分为两个基本方面：静态孤岛工作模式和动态并网工作模式。图中所示的网络是一个辐射状的大型微电网，它总共拥有一百多种类型的辐射微电源、a、b、c三条辐射馈线、不同的供电类型的微负载。微电网技术是在一个公用配电连接点（pointofcommoncouple，pcc）接口处通过一个微型静态电源开关直接将其与公用配电网进行电源连接，从而基本实现在手动孤岛并网模式和自动并网时用户能够顺利、自由的进行电源切换。在外部的配电网出现故障和需要进行停电维护检修的情况下，静态启动器开关迅速地打开，使得微电网和大型配电网断开。为保证重要敏感负载的连续正常运行，当一个微电网内部产生短路或不足时，将有机器通过一个隔离设备切除一般的可以中断敏感负载。但是当大型电网恢复正常的供电后，微电网又一次地运行到并网的状态。馈线a上的一个小型微电源器件就能够给用户同时输送热能和电动机。馈线a、b分别采取诸如光伏与燃气轮机、风力与存储式动力电池等一系列的双功率电源为一般负荷和敏感性大的负载进行供电。馈线c为一种无微电源的方式供电。

2.微电网中逆变器的数学模型及特性分析

一般承载负荷时所需要的和输出的专用电能大都是一种交流和高频两用电能，但是光伏风力发动机的电阵列却是属于一种交流和低频蓄能电源[3]。直流电源供电的主要技术特点是局限性很高，不过它易于直接改变直流输出的工作电压。当负载运行时间过长也可能会使其受到一定约束，所以必须使用能够把直流电直接转化成交流电的电子设备-如逆变器。逆变器（inverter）系统是目前中国微电网电力系统中最重要的一个核心部件。逆变器的种类繁多，根据条件不同而对其分类也不同[4]。按照功率变换的等级，可以划分为单级式和双级式。单级式逆变器中只有一个逆变过程，此时逆变过程就是实现直流逆变形成交流、电压转换、系统控制等同步操作。两级式逆变器由前级dc/dc的boost升压电路和后级dc/ac的功率转化器组成。前级中的dc/dc系列变换器在结构设计上主要具有最大输出功率和对节点的自动跟踪和实时控制、保持直流控制母线并网电压稳定等重要功能。后级中的dc/ac系列变换器主要功能是将控制直流电压逆转转换为控制交流、稳定直流控制母线并网电压、控制交流并网指令电流和实时跟踪控制指令并网电流等重要功能。本文选择一种二级式交流逆变器。光伏电网系统的电源阵列由boost-up（升压斩波电路）通过升压控制电路相互连接至直流供电母线，储能发电设备与直流供电母线相互连接，输出输入电源控制装置与直流供电母线在直接互联后，将双向式的dc/dc直流转换器进行连接，其分别属于输入输出电源装置，通过一个双向式的dc/ac转换逆变器的直流供电母线直接互连至光伏配电网。

3.光储联合微电网的总体结构设计及调度策略

太阳能源的发展已成为最具开发潜力的可再生清洁能源之一，其资源丰富、清洁而且无任何污染，但是自然环境的不断变化对光伏综合发电的直接影响，使得光伏综合发电具有明显的不可随机性与不可间歇性[5]。将储能蓄电池作为储能的这个环节应用到光伏混合发电并网系統当中，就这样可以有效降低光伏混合发电并网系统设备并网时对于非输配电光伏系统并网形成的电磁干扰。微电网主要研究有网络并网和电源孤岛两种并网工作组合运行方式模型，提出一种基于网络依据各个电源元件的并网能量及其流动方向不同电源组合并网运行工作方式的模型研究，分析多个不同电源并网场景下的不同组合并网运行方式模型。

3.1、光储联合微电网的整体结构

根据其与光伏配电网的相互联系应用情况，光伏综合发电管理系统被广泛称为并网式光伏发电管理系统和并网独立式光伏发电管理系统[6]。光伏燃料电池储能阵列、蓄电池组、dc/dc充电变换器、充放电系统控制器和光伏逆变器等模块构成目前我国独立光伏电池发电技术体系的主要组成部分。光伏系统阵列把其中剩余的光伏太阳能转化成光伏电能，经由一个Chopper降压电路自动降压提升其进入输出能源电压，然后通过dc/ac通过逆变器将光伏直流电转化成光伏交流电并向光伏负载设备进行连续供电，光伏系统阵列中所产生的多余太阳电能都完全可以被应用到需要进行充放电的微控制器上，再将其作为充放电后的剩余太阳能分子能量储存作为能源储备，以一种基于化学分子能量的存储形式对其进行连续储存，有利于在冬季太阳光不充足的气候条件下能够继续为光伏负载设备进行连续供电。本文主要介绍研究的一种新型光储式光伏微电网管理系统，其主要部件包括光伏发电阵列、boost-up升压控制电路、双向dc/dc转换器、蓄电池、逆变器及不同的供电负载和零部件部分，如软件图2所示。系统的每个母线正常工作电压值为=700v。其中，光伏电池阵列的所有输入和输出功率都应该是随着它的光照强度、环境中的温度、负荷的强度变化而不断产生的有间歇性的温度变化。光伏阵列在最高功率节点上工作，这样就可以尽量有效地利用太阳能。boost-up升压电路就是起到控制光伏系统阵列输入和供电的主要作用。该电路是等价于一个阻抗匹配器，为使光伏阵列工作在最高功率端处，可根据各种实际情况改变相应等效阻抗的位置和大小。boost直流电路也可以是一个能够起直流升压作用的电路，能够给一个前级直流电路提供一个满足要求的直流电源母线输出电压，给后级直流电路提供一个可靠的直流电源。

3.2、光储联合微电网的综合控制

在当前我国大型微电网项目建设与经营运行的每一个关键环节中，控制这些技术问题都应该具有十分重要的指导作用[7]。一般大型微电网与大型微电网相互没有联系，在并网系统操作下微电网主要由大型微电网直接负责支配。所以当大型无线电网系统发生重大故障或被维护人员禁止进行异常检修时，处于单独的孤岛式正常运行维护状态下的小型无线微电网，为系统的正常维稳工作注入另外一剂新的强心药。可是，当原微配电网恢复正常，微电网重新恢复正常并网后，所带来的巨大冲击将可能会给整个正常运行中的微配电网系统的稳定性安全产生严重影响，进而造成不必要的经济损失[8]。针对这一重要网络技术基础问题笔者进行深入研究，在普遍缺乏电源转换系统控制策略的现实条件下，虽然一个微电网系统能够平滑地由一个并网系统模型直接通过切换进入到系统孤岛并网模型，但是在系统并网的整个运行过程中，它们往往会直接导致系统内部产生大量无限大功率的振荡，可能会影响到并网系统的工作电压，使得系统正常运行时的动态稳定性有所下降。另外一些国际有关技术文献还提出采用具有一种倒转向下垂直式特性的并網控制操作方法（droop）可用来直接控制整个微电网，这种特性控制操作方法虽然可以完全通过不同的操作模式进行变换的并网切换操作过程，但是在微电网系统运行时的稳定性还是会因为其在并网操作过程中所需要的持续时间太久而受到很大影响[9]。在这一操作步骤中，微电网对于外部电能的传输质量消耗进行直接牵制，从而直接影响内部敏感区的电源开关负载的正常工作。微电网在不同的网络运行条件模型下的各种操作控制系统战略都一定要能够保证该操作系统安全和稳定的正常运行，使得应用微电网的各种操作系统特性因此变得更加灵活，也因此不断提高社会经济效益。

4.结束语

本文是针对由光伏、储能组成的小型微电网体系提出的一种互相联合的运行管理控制战略。从理论上详细地分析光储联合微电网中各个逆变器的具体工作原理和其特性，并为此设计整个系统的工作模型以及每一个部分的控制单元。基于 pscad / emtdc 软件进行的仿真实验结果，它验证了该系统控制器的正确度和应用的可行性。储能系统能够平抑（抑制）光伏发电量的波动性，实现协调和互补，有效地解决光伏超发、欠发等特殊情况下大型负荷的供电。在各种控制系统的设计和方法合理的情况下，不同的工作模式之间进行切换时，该系统的稳定性较好。

参考文献：

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[3]曹杰，王维庆，王海云. 光储直流微电网系统协调控制策略研究[J]. 电测与仪表，1-7.

[4]王贤立，门三义，张莹文，王欣，刘琳. 光柴储微电网系统建模及运行特性分析[J]. 电工技术，2020，（19）：10-12+16.

[5]张梦菊. 基于直流电压控制的光储微电网系统稳定性研究[D].燕山大学，2020.

[6]高强，周洪青，高骞，林芬. 基于源荷和光储特征的小区多微电网系统工程设计[J]. 电子测量技术，2020，43（02）：64-67.

[7]李鹏，葛洪川，陈一言，郝娜，董霖霖. 储智科技 能动未来——“第一届中国储能学术论坛暨风光储创新技术大会（2019）”在华北电力大学举行[J]. 太阳能，2019，（08）：24-28.

[8] 雷博. 风光储微电网储能优化控制策略[D]. 宁夏大学，2018.[9]徐大明.微电网中的分布式光伏发电技术[J].电子技术与软件工程，2021（11）：225-226.