孤島運行模式下的低壓微電網(wǎng)控制策略

何其偉，潘仁秋，姬生飛，徐光福

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著我國整體經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，各行業(yè)的電力需求都在持續(xù)增加。同時，在生態(tài)環(huán)保與能源問題的制約下，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的運行模式出現(xiàn)了諸多問題，無法發(fā)揮繼電保護裝置的最大功效。低壓微電網(wǎng)技術(shù)的誕生，可以有效實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換與系統(tǒng)儲能。尤其是在孤島運行模式中，由于它與主供電網(wǎng)處于并聯(lián)關(guān)系，因此低壓微電網(wǎng)的運行控制是當前的主要問題。研究正是以此為切入點，研究孤島模式中低壓微電網(wǎng)的控制策略，采用基于主從控制的源荷平衡控制策略，保證配電網(wǎng)電壓、功率以及頻率的穩(wěn)定性。最后，采用Matlab進行仿真分析，驗證了控制策略的可行性，對我國電力事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 低壓微電網(wǎng)的系統(tǒng)組成

孤島模式下低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)的具體情況如圖1所示。

低壓微電網(wǎng)主要由光伏電機、風機、變流器以及儲能電池等裝置構(gòu)成。為保證微電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性，還要配置相應(yīng)的控制系統(tǒng)。配電網(wǎng)在運行中會受到變流器的實時控制，從而將功率與電流維持在合理范圍內(nèi)。此外，根據(jù)用電側(cè)的實際情況，還要調(diào)整供電負荷的優(yōu)先級，可以將分為可控負荷與重要負荷。

圖1 低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)

由于孤島配電模式與傳統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)存在差異，因此低壓微電網(wǎng)通常情況下采取三層控制系統(tǒng)，分別針對各類組件的運行狀態(tài)進行管理控制，即配電網(wǎng)級的能量管理系統(tǒng)EMS、微電網(wǎng)級的中央控制器MGCC以及單元級的源荷控制器。只有保證三者之間高效運行，才能確保微電網(wǎng)有效運轉(zhuǎn)。

微電源控制器分別與配電網(wǎng)和控制系統(tǒng)連接，根據(jù)線路與節(jié)點位置信息添加信息采集器，可以監(jiān)控微電源的運行情況。當發(fā)現(xiàn)運行數(shù)據(jù)信息有異常時，MGCC會協(xié)同微電源及時發(fā)出指令，以及時切斷配電網(wǎng)中的故障區(qū)域。同時，MGCC還可以根據(jù)指令調(diào)整線路運行負荷，通過負荷情況緩解線路中的電流與電壓變化情況，以此協(xié)調(diào)控制低壓微電網(wǎng)，并且將監(jiān)控與調(diào)整數(shù)據(jù)信息反饋到EMS。此外，微電網(wǎng)的運行質(zhì)量與各微源特性和負荷特性存在一定的關(guān)聯(lián)，也就是說配電網(wǎng)的實際運行負荷會影響到孤島微電網(wǎng)的運行效果[1]。

2 孤島模式下低壓微電網(wǎng)的控制策略

2.1 微電網(wǎng)源頭控制策略

在對微電網(wǎng)運行模式進行調(diào)控時，采用恒頻或恒壓的控制方式。這種控制方式是從微電網(wǎng)源頭進行管控，采用數(shù)據(jù)采集裝置采集配電網(wǎng)的電壓與頻率情況，并且將數(shù)據(jù)信號傳遞到控制系統(tǒng)終端，以此為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓與頻率參考。例如，當?shù)蛪何㈦娋W(wǎng)中的電壓情況長時間超出額定范圍時，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析模塊會及時發(fā)現(xiàn)問題并反饋給操作人員，通過判定數(shù)據(jù)信息，找到電壓不正常的區(qū)域，從而針對孤島運行模式中的微電網(wǎng)采取電壓調(diào)整措施[2]。

孤島運行模式中，微電網(wǎng)電壓的調(diào)整方法具體如下：（1）通過分析微電網(wǎng)的恒定功率，并且將源頭的實際輸出值作為參考對象，可以計算相應(yīng)的有功功率與無功功率；（2）采用下垂控制模式，利用微電網(wǎng)源頭模擬發(fā)電機的出口特征，這時電壓與功率的變化情況會真實反映到模擬數(shù)據(jù)中，也能夠計算微電網(wǎng)中的有功功率和無功功率；（3）聯(lián)合應(yīng)用各類DG裝置，也就是將低壓微電網(wǎng)調(diào)整為不同狀態(tài)的運行模式，不僅可以制定不同的控制措施，還能夠找到影響功率變化的主要故障點。

此外，在針對低壓微電網(wǎng)進行控制時還要采用發(fā)電側(cè)的DG控制，即源荷協(xié)同控制模式，利用配電網(wǎng)運行源頭電壓與荷載的比值關(guān)系，結(jié)合孤島運行模式參數(shù)，對各供電區(qū)域開展主從控制、對等控制以及分層控制。例如，當微電網(wǎng)處于孤島狀態(tài)時，主微源為配電網(wǎng)提供的電壓與頻率信息都可以作為計算參考，同時其他微源產(chǎn)生的恒定功率也能夠反映配電網(wǎng)的實際運行情況，有利于主從控制策略的實施。對等控制模式主要對微電網(wǎng)中各DG裝置進行信息自主控制，按照預(yù)先設(shè)定的功率調(diào)節(jié)方案來執(zhí)行，因此在實際調(diào)控環(huán)節(jié)缺乏靈活性。為解決此類問題，可以對MGCC傳統(tǒng)的運行模式作出革新，將優(yōu)化重點放到反應(yīng)效率與解決措施層面。不僅要完全掌握配電網(wǎng)的運行情況，還要生成相應(yīng)的運行數(shù)據(jù)。這樣當實際運行數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)存在差異時，微電網(wǎng)控制系統(tǒng)可及時作出反應(yīng)，以此保證微網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

2.2 儲能系統(tǒng)控制策略

儲能系統(tǒng)是低壓微電網(wǎng)的重要組成部分，其運行質(zhì)量直接影響風機、光伏以及DG裝置的作業(yè)效果。當儲能系統(tǒng)的輸出功率較低時，以上元件會失去最大運行效能，從而無法對微電網(wǎng)開展精準控制。因此，為保證微電網(wǎng)的正常運行，一般對主電池系統(tǒng)配備相應(yīng)的備用電源系統(tǒng)。當儲能電池的電量較低時，備用電池不僅可以對其進行電量補充，還時刻準備投入正常運行模式，代替儲能電池對控制系統(tǒng)提供能源保障[3]。因此，完善電池的充電與放電措施，可以有效提升鋰電池的使用壽命。

本研究對于鋰電池提出的控制策略具體如下。

（1）優(yōu)化鋰電池的充電與放電切換問題。當鋰電池中的電容量過剩時，需要儲能系統(tǒng)吸收電能，以保證儲能系統(tǒng)的運行效率。但是，當鋰電池的電容量較低時，為保證儲能系統(tǒng)的運行效果，可以加大充電倍率來提高充電效率，即盡量縮短原有的鋰電池充電時間，使鋰電池可以在更多時間中為飽滿容量狀態(tài)。

（2）低壓微電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性會受到儲能系統(tǒng)的直接影響。例如，當儲能系統(tǒng)存在故障時，可能無法檢測出配電網(wǎng)中電壓與負荷的細微變化，這樣在終端調(diào)控環(huán)節(jié)將無法掌握全面的數(shù)據(jù)。因此，在對儲能系統(tǒng)進行動力保障時，要采取自動與手動方式。自動方式設(shè)定能源檢查模式，使儲能系統(tǒng)可以檢查自身能量，在電量較低時作出反應(yīng)；手動方式則是運維人員要定期檢查儲能系統(tǒng)，保證儲能系統(tǒng)時刻處于正常狀態(tài)。

（3）儲能系統(tǒng)的充電控制策略可以有效提升控制裝置的運行質(zhì)量，從而合理改善微電網(wǎng)的可靠性與穩(wěn)定性。

2.3 源荷協(xié)調(diào)控制策略

由于低壓微電網(wǎng)中的電源與負荷具有分散性與多樣性特點，且運行過程中體現(xiàn)出動態(tài)各異與分布廣泛的情況，因此要合理應(yīng)用DG裝置的互補性，促進源荷協(xié)調(diào)控制的應(yīng)用效率，采用DG裝置解決配電網(wǎng)運行中的間歇性問題與隨機性問題，以此減少系統(tǒng)備用容量，提升可再生能源的利用率。

在孤島運行模式中，低壓微電網(wǎng)的控制策略選用主要考慮配電網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性，也就是要保證負荷的不斷電和少斷電。因此，具體控制措施如下：（1）采用測控裝置實時監(jiān)控配電網(wǎng)的運行情況，包括運行電壓、功率、頻率以及電流等，利用控制系統(tǒng)判定采集到的數(shù)據(jù)信息，以此明確微電網(wǎng)的源荷運行是否處于平衡狀態(tài)；（2）如果配電網(wǎng)內(nèi)部的源荷處于平衡狀態(tài)，則維持現(xiàn)狀，如果源荷運行處于失衡狀態(tài)，要計算失衡量并對儲能系統(tǒng)發(fā)出調(diào)整指令，通過調(diào)整配電網(wǎng)中的電流、功率等參數(shù)，使微電網(wǎng)恢復(fù)到源荷平衡狀態(tài)。

為保證孤島運行模式下低壓微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，一方面要滿足各類裝置與設(shè)備的運行狀態(tài)，另一方面要更新控制系統(tǒng)的參數(shù)。由于不同供電區(qū)域的電量需求與最大荷載情況存在差異，運維人員在進行源荷控制時可以根據(jù)區(qū)域制定不同的調(diào)控方案，并且提前制定相應(yīng)的防治措施，在發(fā)現(xiàn)電力故障時切斷部分可控負荷，以逐漸平衡低壓微電網(wǎng)的源荷協(xié)調(diào)狀態(tài)。

3 低壓微電網(wǎng)控制策略的仿真分析

在明確低壓微電網(wǎng)的控制策略后，為驗證控制措施的準確性與可行性，研究構(gòu)建了相應(yīng)的Matlab模型進行分析。在控制策略的仿真過程中，可知電池組的實際容量為15 000 Ah，PCS額定容量為50 kW，重要負荷為30 kW。測試前將光伏與風機的狀態(tài)調(diào)整為滿發(fā)狀態(tài)，同時檢查儲能系統(tǒng)的電源穩(wěn)定性，避免敏感影響因素，以使實際測試效果更加準確。低壓微電網(wǎng)啟動后，隨著時間的發(fā)展，MGCC裝置發(fā)揮自身作用，根據(jù)提前設(shè)定的運行參數(shù)對控制系統(tǒng)發(fā)出指令。該環(huán)節(jié)不僅要保證配網(wǎng)啟動與MGCC啟動的連貫性，還要將EMS的放電數(shù)值控制在5 kW左右。啟動MGCC后，整體仿真波形也會產(chǎn)生一定的變化。根據(jù)實驗可知，采取MGCC切負荷的方式可以使控制過程回到平穩(wěn)狀態(tài)。當可控負荷量降低時，可以從儲能系統(tǒng)作出調(diào)整，從而對主電源進行支持，從而保持孤島低壓微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

4 結(jié) 論

綜上所述，孤島低壓微電網(wǎng)在運行中容易受到各類因素的影響，降低自身的穩(wěn)定性。對于用電側(cè)而言，負荷的動態(tài)特性存在差異，因此在避免配電網(wǎng)停電問題時需要面對諸多問題。本文針對孤島模式下低壓微電網(wǎng)的控制策略進行分析，介紹低壓微電網(wǎng)的系統(tǒng)組成，提出相應(yīng)的控制策略，并進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明：提出的孤島低壓微電網(wǎng)控制策略可以對配電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)實現(xiàn)精準控制，同時將系統(tǒng)的運行頻率與電壓控制在合理范圍內(nèi)。整體來說，控制策略可以科學(xué)提升孤島低壓微電網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性。