一種基于電池儲(chǔ)能的微電網(wǎng)自愈協(xié)調(diào)控制策略的研究

俞　翰,舒征宇,丁紅聲,周建華（國(guó)網(wǎng)宜昌供電公司,湖北　宜昌　443000）

一種基于電池儲(chǔ)能的微電網(wǎng)自愈協(xié)調(diào)控制策略的研究

俞翰,舒征宇,丁紅聲,周建華
（國(guó)網(wǎng)宜昌供電公司,湖北宜昌443000）

本文基于微電網(wǎng)自愈的基本思想，提出了通過三個(gè)控制模塊協(xié)調(diào)控制使微電網(wǎng)具有自愈功能，從而保障重要負(fù)荷供電。一是將微電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行分類處理，不同類別負(fù)荷連接對(duì)應(yīng)的三條母線，通過動(dòng)作可控開關(guān)改變母線的工作狀態(tài)；二是在負(fù)荷分類的基礎(chǔ)上，提出相鄰微電網(wǎng)互為備用的方法，遵循微電網(wǎng)“重要負(fù)荷始終優(yōu)先供電”的原則控制相鄰微電網(wǎng)的母線潮流；三是基于電池儲(chǔ)能裝置，根據(jù)指定節(jié)點(diǎn)母線的功率偏差對(duì)鋰電池組的逆變器進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)電池組的輸出功率。基于以上三個(gè)模塊，制定了協(xié)調(diào)綜合控制策略。最后，通過仿真，驗(yàn)證了本文提出的控制策略可以有效地提高微電網(wǎng)的自愈能力。

微電網(wǎng)自愈;負(fù)荷分類;互為備用;電池儲(chǔ)能;協(xié)調(diào)控制

0　　引言

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，分布式電源廣泛接入微電網(wǎng)。風(fēng)電等新能源具有間歇性的特點(diǎn)，以分散形式接入微電網(wǎng)可能發(fā)生功率波動(dòng)，影響了微電網(wǎng)的供電可靠性。同時(shí)，電氣設(shè)備的隨機(jī)性故障也會(huì)造成系統(tǒng)的功率缺額，對(duì)負(fù)荷供電產(chǎn)生影響。提高微電網(wǎng)自愈能力可保證供電可靠性，對(duì)智能微電網(wǎng)建設(shè)很有意義。

使用儲(chǔ)能設(shè)備可以有效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)功率缺額，而蓄電池具有能量密度高、建設(shè)周期短和功率規(guī)模適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，可作為系統(tǒng)備用和用于新能源并網(wǎng)發(fā)電功率平抑。電網(wǎng)自愈以保證負(fù)荷供電為基本目標(biāo)，電網(wǎng)自愈控制策略主要有網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和增加備用電源等。關(guān)于分布式電源接入微網(wǎng)，傳統(tǒng)研究更側(cè)重于分布式電源接入對(duì)繼電保護(hù)的影響和無功優(yōu)化等問題，沒有從系統(tǒng)的角度來分析微電網(wǎng)的功率問題和負(fù)荷供電問題。

本文從微電網(wǎng)整體的角度，以保證負(fù)荷供電為出發(fā)點(diǎn)，提出了模塊協(xié)調(diào)控制的方法，對(duì)微電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行分類并使其可控，引入相鄰微電網(wǎng)互為備用的思想，基于儲(chǔ)能電池構(gòu)建了較為完整的控制體系，并制定了應(yīng)對(duì)功率缺額的微電網(wǎng)自愈協(xié)調(diào)控制策略。最后，通過仿真對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)自愈控制以保證負(fù)荷供電為基本原則。為了保證負(fù)荷的供電可靠性，自愈電網(wǎng)首先應(yīng)通過保障措施避免故障發(fā)生；其次，如果故障發(fā)生，則以不失去負(fù)荷或盡量少的失去負(fù)荷為目的。微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自愈控制需要滿足兩個(gè)條件：（1）具備儲(chǔ)能電源;（2）電源和負(fù)荷的投切是可控的。

微電網(wǎng)是供電系統(tǒng)的最基本組成單元。電源部分主要由配電網(wǎng)系統(tǒng)電源、微電網(wǎng)電源（Microsouce，以風(fēng)電太陽能等為主）和儲(chǔ)能設(shè)備（蓄電池、飛輪儲(chǔ)能等）組成，其中儲(chǔ)能設(shè)備等直流輸出電源一般都通過換流器連接微電網(wǎng)。微電網(wǎng)負(fù)荷可依據(jù)重要程度劃分等級(jí)。

2　　具有自愈功能微電網(wǎng)的布局規(guī)劃

2.1 微電網(wǎng)負(fù)荷分類

微電網(wǎng)作為用電系統(tǒng)的基本單元，將其負(fù)荷按照重要程度依次劃分為一類負(fù)荷、二類負(fù)荷和三類負(fù)荷。不同的負(fù)荷分別連接對(duì)應(yīng)的母線e、f、g，重要程度

在微電網(wǎng)產(chǎn)生了功率缺額時(shí)，動(dòng)作可控開關(guān)投入儲(chǔ)能裝置。當(dāng)儲(chǔ)能裝置的可用容量不能彌補(bǔ)功率缺額時(shí)，則基于“重要負(fù)荷優(yōu)先供電”的原則，按照母線重要程度切掉較不重要的母線負(fù)荷，使微電網(wǎng)處于最優(yōu)狀態(tài)運(yùn)行。

2.2 相鄰微電網(wǎng)的互為備用

當(dāng)微電網(wǎng)產(chǎn)生功率缺額，而自身的儲(chǔ)能裝置不能滿足需求時(shí)，只能通過切除部分負(fù)荷的方式來解決。而如果考慮把相鄰的微電網(wǎng)作為其備用功率，則可能最大限度地減少負(fù)荷損失。假設(shè)微電網(wǎng)A與微電網(wǎng)B相連，其主母線通過可控開關(guān)相連。

通過控制開關(guān)，可以使微電網(wǎng)A運(yùn)行在以下狀態(tài)：（1）A孤島運(yùn)行；（2）A單獨(dú)與市電相連；（3）A與B、市電相連，B與市電相連；（4）A與B、市電相連，B與市電不相連；（5）A只與B相連，B與市電相連；（6）A只與B相連，B與市電不相連。

由上述分析可得如下初步結(jié)論：

（1）當(dāng)A不與B相連時(shí)，A只能從市電和A的儲(chǔ)能電池獲取能量；當(dāng)A與B相連時(shí)，A可以從市電、A的儲(chǔ)能電池和B的儲(chǔ)能電池獲取能量。顯然，A的可用功率來源增加，A的耐功率缺額能力增強(qiáng)。（2）相比較單個(gè)微電網(wǎng)而言，當(dāng)A與B相連，A產(chǎn)生較大功率缺額時(shí)，儲(chǔ)能電池的可用容量不能彌補(bǔ)A的功率缺額，則可考慮先切除A和B的第三類負(fù)荷，而不是切除A的第三類負(fù)荷和第二類負(fù)荷，從而較為重要的A的第二類負(fù)荷可以在B的第三類負(fù)荷切除后再考慮是否切除。這樣，在電能有限的情況下，可以使較為重要的負(fù)荷優(yōu)先得到供電，實(shí)現(xiàn)了不同微電網(wǎng)之間的協(xié)同控制，增強(qiáng)了供電的選擇性和可控性。

3　　具有自愈功能的微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略

當(dāng)微電網(wǎng)產(chǎn)生功率缺額時(shí)，可以從兩方面采取措施：一是增加功率來源，二是減少功率消耗。對(duì)于前者，本文采用投入鋰電池組和從相鄰微電網(wǎng)獲取功率支援的方式，需要制定蓄電池組的投切控制策略。對(duì)于后者，則需要根據(jù)電網(wǎng)功率情況制定可控開關(guān)的動(dòng)作方案。4.1小節(jié)介紹了如何根據(jù)功率偏差控制換流器從而改變鋰電池組的有功和無功輸出，4.2小節(jié)重點(diǎn)介紹如何單個(gè)微電網(wǎng)如何控制聯(lián)絡(luò)開關(guān)和鋰電池組的投切容量，4.3小節(jié)在前兩小節(jié)的基礎(chǔ)了提出了考慮相鄰微電網(wǎng)備用功率的協(xié)調(diào)控制策略。

3.1換流器的控制策略

鋰電池組控制的關(guān)鍵在于控制換流器。換流器控制一般有兩種策略：（1）PQ型換流器控制，逆變器作為一個(gè)提供給定的有功和無功功率的結(jié)點(diǎn)。（2）電壓源型換流器控制，逆變器用來按照設(shè)定的電壓頻率值來滿足負(fù)荷的需求。

3.2多個(gè)微電網(wǎng)的互為備用

圖2描述了用電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，微電網(wǎng)作為基本單元，若干個(gè)微電網(wǎng)組成了用電網(wǎng)絡(luò)。這里的微電網(wǎng)須滿足約束條件：（1）包含一般性負(fù)荷；（2）具備微電源。等效主饋線為配電網(wǎng)主電源與微電網(wǎng)交互能量的通道。

用電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)方程組描述如下：

在同一等級(jí)負(fù)荷中，考慮重要性和系統(tǒng)平衡性對(duì)其編號(hào)，依次為。判別執(zhí)行方程如下：

4　　仿真驗(yàn)證

本文選取微電網(wǎng)負(fù)荷有功功率總額為2.5MW，其中一類負(fù)荷0.8MW，二類負(fù)荷1.2MW，三類負(fù)荷0.7MW。單元微電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置0.3MW，新能源接入容量1MW。

微電網(wǎng)因故障產(chǎn)生小容量功率缺額，電網(wǎng)電壓跌落，如圖3所示。

通過切負(fù)荷的方式，微電網(wǎng)損失部分負(fù)荷可以恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。同樣，通過投入儲(chǔ)能裝置，微電網(wǎng)也能恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。其電壓波動(dòng)情況如圖4、圖5所示。

可見，發(fā)生小容量功率缺額時(shí)，可通過儲(chǔ)能裝置有效改善電網(wǎng)運(yùn)行狀況，保證負(fù)荷的正常故障。

微電網(wǎng)發(fā)生較嚴(yán)重故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的儲(chǔ)能設(shè)備無法滿足其功率需求，將相鄰微電網(wǎng)作為備用容量，投入儲(chǔ)能，此時(shí)仍需切除部分負(fù)荷。切除微電網(wǎng)A的第三類負(fù)荷和部分第二類負(fù)荷后，系統(tǒng)恢復(fù)正常；通過協(xié)調(diào)控制，切除微電網(wǎng)A和微電網(wǎng)B的第三類負(fù)荷，微電網(wǎng)電壓和頻率也得到恢復(fù)，其頻率波動(dòng)分別如圖6所示。

圖中，兩條虛線表示不同切負(fù)荷方案下頻率的改善情況。在投入儲(chǔ)能設(shè)備的情況下，兩種切負(fù)荷方式都可以使系統(tǒng)頻率恢復(fù)正常。顯然，采用協(xié)調(diào)控制策略后，較重要的負(fù)荷在較大功率缺額時(shí)得到了保護(hù)，提高了供電負(fù)荷的選擇性。

6　　結(jié)論

電網(wǎng)故障和分布式電源波動(dòng)會(huì)影響重要負(fù)荷的供電可靠性，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面的社會(huì)影響。

本文基于電池儲(chǔ)能措施和負(fù)荷分類管理，以微電網(wǎng)為基本供電單位，從整個(gè)配電網(wǎng)的角度，利用相鄰微電網(wǎng)互為備用，通過靈活的開關(guān)動(dòng)作，提出了一種功率缺額情況下的微電網(wǎng)自愈控制方案。通過仿真算例分析，該方法可以有效地提高配電網(wǎng)系統(tǒng)的供電選擇性，改善負(fù)荷的供電可靠性。該研究成果可以作為微電網(wǎng)規(guī)劃和自愈控制的理論基礎(chǔ)。

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俞翰（1983-）,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)調(diào)度。