南京大全電氣研究院有限公司的研究人員盛德剛、徐運兵、王曉丹、徐大可，在撰文指出，根據(jù)分布式電源的分散性、間歇性等特點以及用電負荷的不同等級，需采用多種分布式電源之間的協(xié)同控制策略保障孤島運行模式下的微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。
該文采用了主從控制方式對多微源低壓微電網(wǎng)進行控制，以提高微電網(wǎng)的供電可靠性。微電網(wǎng)孤島運行下，源荷平衡策略首先保證重要負荷不斷電運行；其次，在微源狀態(tài)允許的情況下，盡量保證負荷少停電。使用MATLAB建立仿真模型，通過對孤島模式下投切負荷等情況進行仿真分析，驗證了低壓孤島微電網(wǎng)下所設(shè)計控制策略的可靠性及有效性。
近年來隨著能源與環(huán)保問題的日益突出，微電網(wǎng)技術(shù)受到人們越來越多的關(guān)注。微電網(wǎng)系統(tǒng)由分布式電源（DistributedGeneration，DG）、儲能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換裝置以及負荷等組成。其中DG既可以包含光伏電池、燃料電池等靜止型電源，又可以包含風力發(fā)電機、微型燃氣輪機等旋轉(zhuǎn)型電源。
微電網(wǎng)處于孤島狀態(tài)時，每個微電源需快速響應(yīng)用電側(cè)需求并實時反映微電網(wǎng)運行情況、自主實現(xiàn)并離網(wǎng)切換，是微電網(wǎng)控制的重點和難點。為此，國內(nèi)外的學者進行了大量的研究。
建立了微電網(wǎng)基礎(chǔ)模型，提出了儲能系統(tǒng)與微電網(wǎng)電源協(xié)調(diào)控制策略，對并網(wǎng)運行和孤島運行狀態(tài)進行了仿真分析，但未對DG的隨機性與間歇性問題提出解決方案。
介紹了基于小型屋頂光伏的微電網(wǎng)的實現(xiàn)方法，設(shè)計了穩(wěn)定可靠的主從型微電網(wǎng)系統(tǒng)，具有很好的推廣價值，但未涉及多種微源并列運行的情況。文獻研究了微電網(wǎng)在孤島模式下DG和儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，但未涉及DG、儲能系統(tǒng)與負荷的互動控制。
并網(wǎng)運行模式下，微電網(wǎng)系統(tǒng)對微源的可靠性要求不高；孤島運行模式下，則需要依靠可靠的DG和儲能系統(tǒng)來保證微電網(wǎng)平穩(wěn)運行。為此，本文以風光儲多種微源低壓微電網(wǎng)作為研究對象，采用基于主從控制的源荷平衡控制策略，確保在孤島運行模式下微電網(wǎng)功率保持平衡、電壓和頻率保持穩(wěn)定。
通過MATLAB建立微電網(wǎng)模型，仿真結(jié)果驗證了低壓微電網(wǎng)在孤島運行模式下，采用該控制策略的可行性和有效性。
1. 低壓微電網(wǎng)的系統(tǒng)組成
本文的研究對象是風光儲低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 低壓微電網(wǎng)系統(tǒng)圖
微電網(wǎng)系統(tǒng)由風機、光伏電源、儲能電池、變流器、負荷、配電網(wǎng)控制系統(tǒng)等組成。發(fā)電側(cè)包含風機、光伏電源、儲能電池等，通過變流器將微源的輸出轉(zhuǎn)換為滿足并網(wǎng)條件的電能；用電側(cè)根據(jù)負荷優(yōu)先級的不同，分為重要負荷與可控負荷。
為了能與配電網(wǎng)友好融合，微電網(wǎng)包含三個層級的控制系統(tǒng)，即配網(wǎng)級的能量管理系統(tǒng)（EMS）、微電網(wǎng)級的微電網(wǎng)中央控制器（Micro GridCentral Controller，MGCC）單元級的微源和負荷的就地控制器，三者互為聯(lián)系協(xié)調(diào)配合，保障微電網(wǎng)穩(wěn)定運行。
微源控制器包含在逆變器中，將微源的運行狀況實時地送往MGCC；負荷控制器為低壓測控裝置，一方面可將負荷用電情況送往MGCC，另一方面可根據(jù)MGCC的指令投切負荷；MGCC根據(jù)單元級控制系統(tǒng)上送的電氣信息對微電網(wǎng)進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，同時接收EMS下發(fā)的調(diào)控指令。
另一方面，微電網(wǎng)的運行與各微源特性、負荷特性密切相關(guān)，為了平抑DG的出力波動以及負荷的需求波動，對儲能系統(tǒng)進行有效的能量管理至關(guān)重要。同時，微電網(wǎng)的孤島運行亟需解決電壓和頻率的管理、微源和負荷的平衡等問題，因此，需要可靠的儲能系統(tǒng)充放電策略和源荷協(xié)調(diào)控制策略保證微電網(wǎng)的平穩(wěn)運行。
2. 孤島模式下低壓微電網(wǎng)的控制策略
2.1 微源控制策略
光伏、風機、儲能電池等DG經(jīng)過電能變換裝置接入微電網(wǎng)，其基本控制方法包括V/f（恒壓/恒頻）控制、PQ（恒功率）控制和Droop（下垂）控制等。
恒壓/恒頻控制的微源輸出恒定的頻率和電壓，為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供頻率和電壓的參考，孤島運行模式下的微電網(wǎng)常采用該控制方法；恒功率控制的微源依據(jù)給定的功率參考值輸出恒定的有功功率和無功功率；下垂控制的微源模擬發(fā)電機出口特性，電壓和頻率根據(jù)檢測到的有功功率和無功功率來調(diào)節(jié)，最終使各DG合理分配負荷。微電網(wǎng)處于不同的運行狀態(tài)時，可采取不同的控制策略。
微電網(wǎng)的運行控制除了發(fā)電側(cè)的DG控制，還包括系統(tǒng)級的多微源協(xié)同控制，其基本控制方法為主從控制、對等控制、分層控制模式。
微電網(wǎng)處于孤島狀態(tài)時，其中一個微源采取V/f控制（稱為主微源），為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供電壓和頻率參考，其他微源采用恒功率控制（稱為從微源），該控制方法即為主從控制。
對等控制的微電網(wǎng)中各DG在控制上具有同等的地位，不存在主從之分，按照預(yù)先設(shè)定的功率調(diào)節(jié)方案根據(jù)本地信息自主控制。
分層控制一般設(shè)有MGCC，MGCC首先對微電網(wǎng)內(nèi)的微源和負荷進行預(yù)測，然后擬定運行計劃，并根據(jù)采集的網(wǎng)內(nèi)電氣量對運行計劃實時調(diào)整，保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。
綜上所述，低壓微電網(wǎng)對經(jīng)濟性、穩(wěn)定性等要求較高，主從控制在通信的實時性、系統(tǒng)級別的統(tǒng)籌控制上有較大優(yōu)勢，因而本文選擇以主從控制方式搭建微電網(wǎng)模型進行控制策略研究。
2.2 儲能系統(tǒng)充放電策略
儲能系統(tǒng)是微電網(wǎng)的重要組成部分。光伏、風機等DG的輸出功率難以滿足微電網(wǎng)對供電質(zhì)量以及供電可靠性的要求，為保證微電網(wǎng)正常運行，通常會配置一定容量的儲能電池作為補充。根據(jù)微電網(wǎng)規(guī)劃架構(gòu)中儲能系統(tǒng)的需求，本文選擇鋰電池作為微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的主要研究對象。
對于鋰電池而言，不能無限制的充電或放電，完善電池充放電控制策略以減少充放電次數(shù)可有有效增加電池壽命[10]。本章提出一種針對鋰電池充放電的控制策略，以實現(xiàn)孤島運行下低壓微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。
1）電池充放電切換問題分析
①當微電網(wǎng)系統(tǒng)電能過剩時，需要儲能系統(tǒng)吸收電能。當電池剩余電量（State of Charge，SOC）較小時，由電池管理系統(tǒng)（BatteryManagement System，BMS）加大充電倍率，提高充電效率；當電池SOC較大時，BMS則減小充電倍率。
②當微電網(wǎng)系統(tǒng)電能不足時，需要儲能系統(tǒng)提供電能。當電池SOC較大時，由BMS加大放電倍率，快速向微電網(wǎng)補充電能；當電池SOC較小時，BMS則減小放電倍率。
2）孤島微電網(wǎng)中電池的充放電策略
圖2孤島模式儲能系統(tǒng)充放電控制策略流程圖
儲能系統(tǒng)充放電控制策略在風光儲多微源低壓微電網(wǎng)控制中有著重要作用，極大改善了微電網(wǎng)的穩(wěn)定性與可靠性。
2.3 微電網(wǎng)源荷協(xié)調(diào)控制策略
微電網(wǎng)中的電源與負荷具有多樣性和分散性的特點，其空間分布廣泛，動態(tài)特性各異。但總體來看，各DG又具有一定的互補性。通過多源互補可彌補單一DG的隨機性與間歇性問題，從而增強微電網(wǎng)的自主調(diào)節(jié)能力，減少系統(tǒng)備用容量，有效提高可再生能源的利用率。
微電網(wǎng)不僅發(fā)電側(cè)的微源可控，用電側(cè)的負荷也可調(diào)節(jié)。微電網(wǎng)的源荷協(xié)調(diào)運行是將微電網(wǎng)用電側(cè)的可控負荷參與到微電網(wǎng)有功功率的調(diào)節(jié)中，實現(xiàn)用電側(cè)與發(fā)電側(cè)之間的協(xié)調(diào)運行，以應(yīng)對微電網(wǎng)中DG的間歇性問題，達到微電網(wǎng)內(nèi)資源的優(yōu)化配置。
與自發(fā)的無序運行不同，微電網(wǎng)源荷協(xié)調(diào)運行具有有效的約束機制，以微電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化可靠運行為總體目標并遵循微電網(wǎng)內(nèi)部相關(guān)策略，實現(xiàn)微電網(wǎng)用電側(cè)與發(fā)電側(cè)的良性有序協(xié)調(diào)運行。
作為電力系統(tǒng)的需求方，負荷的動態(tài)特性對微電網(wǎng)的穩(wěn)定性有著不可忽略的影響。對于微電網(wǎng)的供電可靠性，不同負荷因為優(yōu)先級的不同對供電可靠性要求也有所不同。對于重要負荷，保證其不斷電；對于可控負荷，微源條件允許的情況下，保證其少斷電，即實現(xiàn)斷電時間最少和斷電次數(shù)最少。
微電網(wǎng)孤島運行時，控制策略的選用主要考慮在微電網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定運行的情況下，如何保證重要負荷不斷電、可控負荷少斷電。微電網(wǎng)實施源荷平衡的過程主要包括：
①：通過測控裝置實時采集全微電網(wǎng)的電氣量，包括功率因數(shù)、電壓、電流以及頻率；
②：根據(jù)采集到的電氣量判斷微電網(wǎng)是否源荷平衡；
③：若網(wǎng)內(nèi)源荷平衡，轉(zhuǎn)到①；若網(wǎng)內(nèi)源荷失衡，計算失衡量，轉(zhuǎn)到④；
④：判斷儲能系統(tǒng)剩余電量是否低于最小剩余電量；
⑤：若儲能系統(tǒng)剩余電量大于最小剩余電量，轉(zhuǎn)到⑥，否則轉(zhuǎn)到⑨；
⑥：根據(jù)③中計算所得的源荷失衡量調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)出力；
⑦：根據(jù)采集到的電氣量判斷微電網(wǎng)是否源荷平衡；
⑧：若網(wǎng)內(nèi)源荷平衡，轉(zhuǎn)到①；若網(wǎng)內(nèi)源荷失衡，計算失衡量，轉(zhuǎn)到⑨；
⑨：根據(jù)計算所得的失衡量投切負荷；轉(zhuǎn)到②。
圖3 孤島模式下低壓微電網(wǎng)源荷平衡流程圖
根據(jù)上述控制策略對孤島狀態(tài)下的低壓微電網(wǎng)的微源和負荷進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，不僅可以有效提高各微源的利用效率，還能提高微電網(wǎng)的供電可靠性，減小平均停電損失。
圖4 風光儲微電網(wǎng)主接線示意圖
如圖4所示風光儲微電網(wǎng)，包含光伏50kW、風機10kW、鋰電池組50kW、重要負荷50kW、可控負荷60kW。當PCC開關(guān)斷開，微電網(wǎng)處于孤島狀態(tài)時，根據(jù)本文所述控制策略，以鋰電池組作為主微源，以V/f控制模式運行，為微電網(wǎng)提供電壓和頻率參考，其余DG為從微源，以PQ控制模式運行。
當光伏電源出力發(fā)生波動，由50kW突降為30kW時，MGCC根據(jù)監(jiān)測到的電氣量計算功率失衡量，并將結(jié)果下發(fā)至儲能系統(tǒng)，若鋰電池組容量足以補充20kW的功率差額，則儲能系統(tǒng)增加20kW出力；若鋰電池組不具備增加出力的條件（SOC＜SOCmin）或增加的出力不足以補充功率差額，則由MGCC計算功率失衡量，統(tǒng)一調(diào)配鋰電池組出力并切斷部分可控負荷。
3. 算例仿真
基于上述微電網(wǎng)運行方案和控制策略，搭建了含光伏、風機、儲能及負荷的微電網(wǎng)MATLAB電磁暫態(tài)模型。微電網(wǎng)仿真模型系統(tǒng)如圖5所示：
圖5微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真示意圖
仿真模型中，光伏最大功率設(shè)為45kW，風機為5kW，主儲能采用鋰電池組，容量為14000Ah，PCS額定容量為50kW；從儲能鋰電池容量為100000Ah，PCS額定容量為50kW；重要負荷30kW，可控負荷1為50kW，可控負荷2為20kW。仿真參數(shù)為：求解器ode23tb，求解步長：50us。
測試步驟：
1）初始狀態(tài)下，光伏、風機滿發(fā)，從儲能浮充，主儲能作為主電源提供穩(wěn)定的電壓及頻率，敏感負荷投入30kW，可控負荷1投入，共80kW；
2）0.06s后啟動MGCC，從儲能運行于PQ控制，按照上層EMS的指令放電（5kW）；
3）0.16s后敏感負荷增加35kW，整體仿真波形如圖6所示：
圖6微電網(wǎng)仿真波形
從圖6中可以看出，0.16s突增負荷后，由于主電源的輸出功率接近額定容量，影響了孤島微電網(wǎng)運行的可靠性，因此MGCC采取切負荷的策略，切負荷數(shù)量及從儲能的功率支持如圖7所示，從這兩張圖可知，整個控制過程較為平穩(wěn)，可控負荷總量少了10kW，從儲能盡可能輸出最大功率以支持主電源，最終保持孤島微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。
圖7切負荷過程
4. 結(jié)論
對微電網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電側(cè)與用電側(cè)特性進行分析，風光發(fā)電由于其自身出力的隨機性與間歇性，增加了微電網(wǎng)運行的復(fù)雜度，降低了微電網(wǎng)運行的可靠性。同時，對于用電側(cè)而言，負荷的動態(tài)特性各異和重要程度有別，減少微電網(wǎng)用戶停電損失的難度較大。
針對這些問題，提出儲能系統(tǒng)充放電策略以及微電網(wǎng)源荷協(xié)調(diào)控制策略，以儲能系統(tǒng)為主電源，采用V/f方式控制，其余各微源全部采用PQ控制，實現(xiàn)微電網(wǎng)中的源源互動、源荷互動，完成DG、負荷、儲能的全局優(yōu)化分配及安全可靠運行。
本文使用MATLAB搭建了低壓微電網(wǎng)模型，并對其進行仿真分析，仿真結(jié)果表明，微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠有序地進行增減儲能系統(tǒng)出力以及投切負荷。在微電網(wǎng)孤島運行過程中，系統(tǒng)的電壓和頻率始終處于合格范圍內(nèi)并保持較小波動。對儲能系統(tǒng)充放電策略和微電網(wǎng)源荷協(xié)調(diào)控制策略提高了低壓微電網(wǎng)在孤島模式下的穩(wěn)定性與可靠性進行了有效驗證。
