微电网中光伏-储能协制策略的研究

张远;曾杰;李庆生;刘千杰;吉小鹏

【摘 要】针对水光储柴(光伏、储能、水电和柴油发电)混合型微电网的运行需求，分析光储在该混合微电网中稳态时的特性，提出了稳态控制策略。搭建水光储柴混合微电网模型，对提所出的光储协制策略进行实时数字仿真和现场实验，验证了微电网中控制策略的可行性和可靠性。%Aiming at running requirements of photovoltaic,energy storage,hydroelectricity and diesel generating mixed type micro grid,characteristic of photovoltaic energy storage in this mixed micro grid in steady state was analyzed and steady state control strategy was proposed. A mixed type micro grid model was established. Meanwhile,real-time numerical simula-tion and field experiment on photovoltaic energy storage control strategy was conducted which verified feasibility and relia-bility of this control strategy for micro grid.

【期刊名称】《广东电力》

【年(卷),期】2014(000)008

【总页数】5页(P10-14)

【关键词】微电网;光伏;储能;稳态;暂态;控制策略;调频

【作 者】张远;曾杰;李庆生;刘千杰;吉小鹏

【作者单位】广东电网公司电力科学研究院，广东 广州 510080;广东电网公司电力科学研究院，广东 广州 510080;贵州电网公司电网规划研究中心，贵州 贵阳 550002;南京四方亿能电力自动化有限公司，江苏 南京 211111;南京四方亿能电力自动化有限公司，江苏 南京 211111

【正文语种】中 文

【中图分类】TM962

随着当前社会对能源需求的日益增长，而煤炭、石油等非可再生能源却日益减少，而且在利用过程中造成了环境污染等问题，因此新能源已经成为世界各国研究和利用的热点。与此同时，由于发展需求，许多偏远地区需要提供电力支撑，但因地理因素的，本地区电网并入大电网困难，因此微电网（孤立电网）正成为研究和应用的热点［1］。随着新能源技术的革新，新能源与传统能源相混合的微电网系统受到越来越多的关注。

由于新能源的应用，微电网与大电网的特性差异较大，国内外很多学者对其进行了研究，同时也建立了各种微电网实验室与工程项目［2－3］。在微电网中光伏－储能（以下简称光储）是应用最广泛的一种新能源组合方式。在对含光储微电网研究中，多数将储能放置在直流侧与光伏协制［4－6］；另外，也存在光伏和储能都与交流母线相连接的控制方式［7－8］，但该方式多数属于分布式，节点较为分散。本文所述的微电网（下称微电网A）中，光储系统属于集中式，而且还含有水电和柴油发电系统。

1 水光储柴混合型微电网

微电网A 的结构属于水光储柴（光伏、储能、水电和柴油发电）混合型微电网，其结构框图如图1所示。

图1 水光储柴混合微电网结构框图PV—光伏，photovoltaics 的缩写；SVG—静止无功补偿器，static var generator的缩写。

混合微电网主要由光储发电系统、水力发电系统、柴油发电系统和负荷组成。微电网A 属于孤立电网，与大电网无任何电气连接。光储发电系统通过35 kV 双回架空线与中心变电站相连；水电经6 kV／35 kV 升压变压器通过双回架空线与中心变电站相连；柴油发电系统经10 kV／35 kV 升压变压器与中心变电站相连；负荷是由多个10 kV馈线组成。

光储发电系统由两段35 kV 母线组成，每段母线均连接光伏和储能，且每段母线的光伏和储能装机容量分别为5 MWp和5.32 MWh。另外，为保证电网电压的稳定性，在光储发电系统中增加了SVG。水电装机容量为4×1.3 MW，但因水位，最多只能投入3台机组。柴油发电系统装机容量为4×0.8 MW，考虑正常检修和运行维护的需求，最多也只能投入3台机组。

2 模式分析与切换控制

关于微电网的控制，目前已研究出基于功率管理系统、基于多代理技术等微电网控制方式［9］。微电网A 主要采用基于功率管理系统的控制方式。在微电网A 中，光储发电系统因发电、调峰、调频等任务需求，出现了不同的运行模式及切换控制方式。如图2所示，经手动切换的光储发电系统可由系统启动状态切换为并网运行或孤岛运行状态。系统稳定时，并网运行主要负责计划曲线发电和调峰等任务；孤岛运行则只满足光储系统的频率不在设定频率范围［fL，ref，fH，ref］（fL，ref、fH，ref 分别为频率下越限值和上越限值）时，经滑差闭锁检测，光储发电系统切换为紧急调频暂态运行，通过储能主动调整系统有功功率，使频率恢复至设定范围内。若储能通过调节仍然无法使频率恢复则发出频率异常告警，并维持原有输出直至接收到下一步调度指令，中途若出现故障则保护系统动作。当系统电压不在设定电压范围［UL，lim，UH，lim］（UL，lim、UH，lim分别为电压阈值下限和上限）时，则系统切换为临时调压暂态运行，通过SVG 调节系统无功功率，使电压恢复至设定范围内。若通过调节仍然无法使电压恢复则发出电压异常警告，并维持原有输出直至接收到下一步调度指令，中途如果出现故障则保护系统动作。另外，在稳态（并网运行或孤岛运行稳态）时，故障可通过手动切换转为系统停机。

图2 光储系统运行模式切换示意图

3 稳态分析与控制

对于光储发电系统在微电网中的应用控制，除了将光储放在直流侧协制外，文献［10］还提出利用储能抑制出口功率波动，但这种控制方式会造成储能频繁动作。本文设计使用的储能电池为锂电池，不宜频繁进行充放电操作。光伏白天处于发电状态，晚上则停止发电，但此时水电和柴油发电，由于各种条件的不能完全满足负荷需求，因此，晚上储能须向电网供电，以满足负荷需求。

在微电网A 中，水电运行方式受季节变化影响较大，而柴油发电系统装机容量较小，因此光储发电系统的运行方式需随水电运行方式的改变而改变；同时，由于光照变化问题，光储发电系统的昼夜运行方式也不同。因光照强度受实时天气影响较大，为保证微电网A 运行的稳定性，为此在光储发电系统增加了光伏功率预测系统［11－12］。微电网A 的光伏功率预测系统所预测的光伏功率数据分为3种：第一种是长期（72 h）预测数据；第二种是中期（24 h）预测数据；第三种是短期（15 min）实时预测数据。其控制系统结构如图3所示。长期和中期预测数据通过远动系统送至调度中心，供其参考；短期预测数据则实时送至微电网控制器（micro－grid central controller，MGCC）和微电网能量管理系统，供其控制光伏，控制策略则根据预测数据来改变储能充放电模式及功率。另外，为减小充放电对储能装置寿命的影响，对储能充电设置两种功率值：当光伏预测功率较大时储能以较大功率充电；当光伏预测功率较小时储能则以较小功率充电。

图3 光伏功率预测控制系统结构图

在光储发电系统稳态控制中，联络线功率的控制是必不可少的，因为它是光储发电系统进行计划曲线发电和调峰的基础。联络线功率控制采用比例－积分－微分（proportion integration differentiation，PID）控制算法，以确保联络线功率保持在允许误差范围内。同时，考虑到微电网A 的负荷需求较小（小于8 MW），若在联络线控制中设置的允许偏差范围以百分比（%）为单位，则当负荷较大时，功率允许偏差值较大，此时容易对微电网A产生较大的频率波动，从而影响微电网A 的稳定性。因此，在设计联络线功率控制策略时，其功率允许偏差设置为具体功率值。

4 暂态分析与控制

稳态运行时，光储发电系统对微电网A 的渗透率最高可达80%，这对微电网A 的稳定性和可靠性将是巨大的考验，尤其是暂态运行时的可靠性。对于微电网的暂态控制，许多文献对此进行了深入的研究，如电压、频率的下垂控制，集中储能对分布式光伏的电压控制，以及改进型频率和下垂控制［13］等。在水光储柴混合微电网中，柴油发电机组只能在频率波动较大时进行频率调节，基本没有电压调节功能；水电机组可实时调节频率，还可以改变无功调节系统的电压，属于平衡节点。虽然水电可以承担暂态调频和调压的任务，但由于光储发电系统的渗透率过高，所以光储发电系统必须有暂态控制策略，以确保整个微电网的稳定性和可靠性。

光储发电系统的两段35 kV 母线均设有SVG，可自动实现实时电压补偿。因此，对于微电网A暂态临时的调压控制策略不作具体分析。微电网A的系统频率波动较大（46～53 Hz），光储发电系统中光伏逆变器的通信速度较慢，而储能通信响应时间很快，因此采用储能进行暂态紧急调频控制。在实际运行中，由于储能寿命受充放电次数影响较大，储能不宜进行实时无差调频，所以储能的调频控制策略应为有差调频，且在频率恢复后储能因调频投入的有功部分应退出，并将其释放给水电机组，以保证储能稳态控制策略的需求。

微电网A 中，储能的调频应与水电机组的调频相匹配，以保证在储能退出调频控制策略后水电机组能平稳地承担储能释放出的有功，因此，储能调频控制算法应与水电机组调频相近。为此提出模拟水电调频特性的储能调频控制算法，如图4 所示。在储能调频控制策略中，当频率超出设定范围［fL，ref，fH，ref］后，使用高周或低周越限值作为参考值fref与当前频率fc做差Δf；然后，经过比例环节K 和积分环节（1／s）后得到有功变化量ΔP，再经过调差系数R 形成负反馈；最后将ΔP 与当前的储能有功值Pc代数求和，并考虑储能有功功率的增加限幅控制器，从而得出储能调频时输出的总有功功率P。

图4 储能调频控制结构图

5 实验结果及分析

5.1 实验仿真平台

为验证系统控制策略的可行性和可靠性，构建了实验仿真平台，如图5所示。仿真平台主要由实时数字仿真（real time digital simulation，RTDS）系统、光伏控制系统、储能控制系统、电池管理系统、MGCC 和能量管理监控系统组成。采用RTDS构建如图1所示的微电网系统，各设备容量按实际微电网1／4容量搭建。储能变流器、光伏逆变器主拓扑也在RTDS中建模，由外接的光伏系统和储能系统分别进行控制。采用MGCC 实现本文提出的控制策略，能量管理监控系统实现系统发电与负荷预测以及监控功能。

图5 实验仿真系统连接图

5.2 稳态仿真与实验结果分析

为了进一步验证稳态控制策略的可行性和稳定性，对本文提出的稳态控制策略进行了仿真和现场实验。通过能量管理监控系统得到如图6所示的联络线功率控制的RTDS仿真曲线；现场实验过程中只投入35kV I段母线，得到如图7所示的光储发电系统24小时有功历史发电曲线。

图6 联络线控制RTDS仿真图

图7 光储系统历史发电曲线

从图6可以看出，联络线功率能较稳定地保持在设定范围内，且在计划指令值改变后能迅速改变实际联络线功率，响应性能较好；由图7 可以看出，实际稳态运行中，在允许偏差范围内光储发电系统能正确按照计划发电值发电，储能晚间能根据调峰指令以较稳定的功率向微电网供电。

5.3 暂态仿真与实验结果分析

在RTDS仿真环境，对本文设计的储能紧急调频控制策略进行暂态仿真试验，并现场实验验证了暂态时控制策略的可行性和稳定性。

RTDS测试中，设置频率低周越限值为48 Hz，改变负荷（由1.5 MW 增加至2.1 MW）使系统频率出现跌落，得到储能调频动作曲线，如图8所示。

图8 储能调频策略RTDS仿真图

由图8可以看出，储能在频率低于48 Hz时开始投入调频控制策略，储能出力最大变化值约为300 kW；在频率恢复至48 Hz以上后，储能出力因调频的增加而逐渐退出。

现场实验时，综合考虑微电网频率波动范围、储能充放电次数等因素的，设置低周限值为48.5 Hz，使用故障录波仪对储能紧急调频动作过程进行录波，得到储能紧急调频动作曲线如图9所示。

图9 储能调频动作曲线

由图9可以看出，频率出现了低频越限，最低达47.861 Hz，且储能单相有功变化量为36 kW，使系统频率快速恢复正常。因此，根据RTDS 仿真测试和现场实验可以综合看出，储能紧急调频控制策略对微电网频率暂态的稳定性起到了积极作用。

6 结束语

本文针对水光储柴混合型微电网中的光储发电系统进行了分析，根据运行方式划分不同的运行模式及切换控制方式，并提出了稳态和暂态控制策略。通过RTDS仿真测试和现场实验，证明了控制策略的可行性和稳定性，对微电网中新能源的协制提供了参考，并对光储等新能源与传统能源构成的微电网研究起到了积极的推动作用。

另外，微电网中的光储协制策略研究，对我国边远地区的孤立电网应用光伏、储能等新能源发电具有深远意义，能有效缓解地区用电紧缺问题，为地区经济发展提供电力支撑。同时，通过优化运行策略，实现光伏、水电、柴油发电多能互补，推动我国以新能源为主体的微电网技术的发展。

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