安科瑞電氣股份有限公司

聯(lián)系人：邵怡倩

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摘要：微電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式配電網(wǎng)的一種有效形式，微電網(wǎng)技術(shù)能夠促進(jìn)分布式發(fā)電的大規(guī)模接入。針對(duì)微電網(wǎng)中并網(wǎng)模式和孤島模式之間的切換，提出一種含復(fù)合儲(chǔ)能裝置的微電網(wǎng)優(yōu)化控制策略。這種復(fù)合儲(chǔ)能的微電網(wǎng)優(yōu)化控制將超級(jí)電容器和蓄電池的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起，用于由分布式電源作為主控式電源的微電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)平滑切換的目標(biāo)。

微電網(wǎng)是一種將分布式電源、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷、變流器以及監(jiān)控保護(hù)裝置等有機(jī)整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)。它可以充分發(fā)揮分布式發(fā)電在經(jīng)濟(jì)、節(jié)能及環(huán)保中的優(yōu)勢(shì)，協(xié)調(diào)與大電網(wǎng)的矛盾，具有較高的靈活性與可調(diào)度性。微電網(wǎng)中主要電源的輸出功率具有較大的波動(dòng)性和隨機(jī)性，利用儲(chǔ)能技術(shù)可以解決這些問(wèn)題。微電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能既有速度方面的要求，又有容量方面的要求，一種儲(chǔ)能元件很難同時(shí)滿足這些要求，因此，復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)需要深入研究。，蓄電池與超級(jí)電容器組成的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有容量密度高、功率密度大、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),對(duì)于平抑由分布式能源組成的微電網(wǎng)的功率平衡及**穩(wěn)定運(yùn)行具有積極的意義。

近年來(lái)，許多專家學(xué)者利用混合儲(chǔ)能平抑間隙式電源功率波動(dòng)方面進(jìn)行了有效研究。將鋰電池與超級(jí)電容器的組合形式應(yīng)用在獨(dú)立光伏電站，快速平衡系統(tǒng)瞬時(shí)功率，維持系統(tǒng)的可靠性；將鋰電池與超級(jí)電容器組成的復(fù)合儲(chǔ)能裝置應(yīng)用于并網(wǎng)光伏電站，優(yōu)化了光伏電站的輸出功率、降低儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本。利用超級(jí)電容器與蓄電池的組合，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。基于上述研究可知，由超級(jí)電容器和蓄電池組成的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，在應(yīng)對(duì)由分布式新能源組成的微電網(wǎng)頻繁快速功率變化、無(wú)縫切換控制等方面具有良好的應(yīng)用前景，但目前在關(guān)于這方面研究應(yīng)用的文獻(xiàn)還不多。

本文在詳細(xì)分析了由風(fēng)電機(jī)組、光伏陣列組成的微電網(wǎng)**穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)儲(chǔ)能需求的基礎(chǔ)上，建立了風(fēng)電機(jī)組、光伏陣列及超級(jí)電容器和蓄電池組成的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)及控制模型。提出了適應(yīng)于微電網(wǎng)的復(fù)合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)及優(yōu)化控制策略

1光伏電池的模型

光伏電池陣列由一定數(shù)量的單體電池經(jīng)串并聯(lián)構(gòu)成。它的輸出功率與光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。

2復(fù)合儲(chǔ)能裝置模型

由蓄電池和超級(jí)電容器組成的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置等效電路。

超級(jí)電容器由于其容量大，充放電周期長(zhǎng)，可用一個(gè)理想電壓源和一個(gè)等效內(nèi)阻串聯(lián)來(lái)等效。超級(jí)電容器和蓄電池由儲(chǔ)能控制器控制經(jīng)雙向變換器(DC/DC)后接入直流母線。這種連接方式的優(yōu)點(diǎn)是可以使蓄電池、超級(jí)電容器工作在不同的電壓范圍，是兩者的容量配置與組合形式靈活可變。

在復(fù)合儲(chǔ)能的容量配置方面，蓄電池的容量應(yīng)能保證微電網(wǎng)中重要負(fù)荷的正常供電；超級(jí)電容器主要應(yīng)對(duì)切換瞬間的功率平衡，所配容量應(yīng)滿足微電網(wǎng)中所有負(fù)荷的功率要求。

3系統(tǒng)控制

并網(wǎng)運(yùn)行控制策略

當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)的功率缺額由配電網(wǎng)來(lái)平衡，頻率調(diào)整和電壓控制都由配電網(wǎng)來(lái)負(fù)責(zé)，網(wǎng)內(nèi)分布式發(fā)電(DistributedGeneration,DG)逆變器均采用P/Q控制方式。

孤島運(yùn)行控制策略

當(dāng)孤島運(yùn)行時(shí)，復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)采用U/F控制方式，為微電網(wǎng)提供頻率和電壓支持，并跟蹤負(fù)荷的變化，其余DG采用P/Q控制方式?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

4復(fù)合儲(chǔ)能控制策略

復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC/DG變換器采用Buck/Boost功率變換器形式，這種結(jié)構(gòu)體積小、工作效率高。當(dāng)S?動(dòng)作，S?驅(qū)動(dòng)閉鎖時(shí)，變換器處于Buck模式；當(dāng)S,驅(qū)動(dòng)閉鎖，S?動(dòng)作時(shí)，變換器處于Boost模式。這種策略可以靈活多層次地設(shè)定蓄電池的充放電電流及其相互之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

5無(wú)縫切換控制策略

當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)模式、孤島模式或者在并網(wǎng)/孤島無(wú)縫切換模式的情況下，微電網(wǎng)主要的任務(wù)就是保證微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的所有敏感負(fù)荷可靠正常的運(yùn)行；另一方面，在并網(wǎng)模式和孤島模式之間進(jìn)行無(wú)縫切換的過(guò)程中，微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷端的電壓幅值和相位不能發(fā)生較大的變化；同時(shí)在并網(wǎng)過(guò)程中不能產(chǎn)生很大的電流沖擊，導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。只要上述條件能夠得到保證，微電網(wǎng)就可以在并網(wǎng)模式和孤島模式之間成功地進(jìn)行無(wú)縫切換。

當(dāng)微電網(wǎng)在并網(wǎng)模式和孤島模式之間進(jìn)行無(wú)縫切換時(shí)，不僅需要保證控制策略的成功轉(zhuǎn)換，而且需要PCC點(diǎn)靜態(tài)開關(guān)的準(zhǔn)確配合。如果PCC點(diǎn)靜態(tài)開關(guān)配合不當(dāng)，很可能就會(huì)導(dǎo)致無(wú)縫切換的失敗。此外還需要依靠大電網(wǎng)狀態(tài)快速準(zhǔn)確的檢測(cè)，并網(wǎng)時(shí)電壓的同步檢測(cè)等諸多方面，只要有一方面配合不當(dāng)，很可能就會(huì)導(dǎo)致無(wú)縫切換的失敗。如果切換失敗，將導(dǎo)致很嚴(yán)重的后果。例如，當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)從并網(wǎng)模式向孤島模式轉(zhuǎn)換時(shí)，如果PCC點(diǎn)的靜態(tài)開關(guān)沒(méi)有正常關(guān)斷，就可能導(dǎo)致大電網(wǎng)的**影響進(jìn)入微電網(wǎng)，如果沒(méi)有敏感負(fù)荷實(shí)時(shí)的保護(hù)，微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的敏感負(fù)荷就會(huì)全部損壞。

在并網(wǎng)運(yùn)行情況下，當(dāng)配電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不能滿足要求時(shí)，檢測(cè)公共耦合點(diǎn)(PCC)電壓、頻率，超出允許的范圍時(shí)，微電網(wǎng)需要與配電網(wǎng)快速斷開，轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行方式，儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制方式由P/Q控制轉(zhuǎn)變?yōu)閁/F控制方式，其余DG仍采用P/Q控制方式。此時(shí)，若網(wǎng)內(nèi)功率不能保持平衡，就要考慮切負(fù)荷或者切機(jī)；在主網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行后，需要將微電網(wǎng)與配電網(wǎng)重新連接。此時(shí)，為了避免互聯(lián)過(guò)程中對(duì)配電網(wǎng)造成較大的暫態(tài)沖擊，對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行同期，為此，檢測(cè)公共耦合點(diǎn)微網(wǎng)側(cè)及配電網(wǎng)側(cè)的電壓、頻率及相角，當(dāng)對(duì)應(yīng)量相差在允許的范圍之內(nèi)時(shí)，完成同期并列。之后，復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)由U/F控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)镻/Q控制方式，并恢復(fù)負(fù)荷或DG。

3.仿真結(jié)果及分析

光伏發(fā)電容量為15kW，風(fēng)力發(fā)電為20kW；蓄電池容量為100A·h，額定電壓為240V，額定放電率為0．3C，超級(jí)電容器為10F，額定電壓360V；負(fù)荷功率為40+j10kVA。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，所有DG均采用P／Q控制，在1s時(shí)，配網(wǎng)發(fā)生故障，檢測(cè)到電壓或頻率越限，保護(hù)動(dòng)作，微電網(wǎng)與主配網(wǎng)斷開，由并網(wǎng)轉(zhuǎn)人孤網(wǎng)運(yùn)行，儲(chǔ)能裝置控制方式由P／Q轉(zhuǎn)為U／F方式；在2s時(shí)，配網(wǎng)故障消除，經(jīng)檢測(cè)，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)側(cè)電壓、頻率、相角差符合同期要求，保護(hù)動(dòng)作，微電網(wǎng)重新與配電網(wǎng)并列運(yùn)行，電氣量恢復(fù)到孤網(wǎng)運(yùn)行前的狀態(tài)。

4.Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，是安科瑞研發(fā)的新型電力系統(tǒng)下微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，滿足光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及充電樁的接入，全天候進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，直接監(jiān)視光伏、風(fēng)能、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電樁運(yùn)行狀態(tài)及健康狀況，集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體。該系統(tǒng)在**穩(wěn)定的基礎(chǔ)上以經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行為目標(biāo)，促進(jìn)可再生能源應(yīng)用，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)；有效實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負(fù)荷，提高電力設(shè)備運(yùn)行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網(wǎng)能量管理提供**、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了全新的解決方案。

4.1系統(tǒng)功能

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)人機(jī)界面友好，應(yīng)能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動(dòng)態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關(guān)等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號(hào)。

可以對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電管理，可以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)管理，能夠根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)告警，并支持定期的電池維護(hù)。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包含微電網(wǎng)光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁及總體負(fù)荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據(jù)不同的需求，也可將充電，儲(chǔ)能及光伏系統(tǒng)信息進(jìn)行顯示。

包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風(fēng)電信息、儲(chǔ)能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計(jì)列表等。

光伏系統(tǒng)界面展示對(duì)光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側(cè)、交流側(cè)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及報(bào)警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計(jì)及分析、并網(wǎng)柜電力監(jiān)測(cè)及發(fā)電量統(tǒng)計(jì)、電站發(fā)電量年有效利用小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)、發(fā)電收益統(tǒng)計(jì)、碳減排統(tǒng)計(jì)、輻照度/風(fēng)力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個(gè)逆變器的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

儲(chǔ)能系統(tǒng)界面展示本系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝機(jī)容量、儲(chǔ)能當(dāng)前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS參數(shù)設(shè)置界面

儲(chǔ)能系統(tǒng)BMS參數(shù)設(shè)置界面展示對(duì)BMS的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括電芯電壓、溫度保護(hù)限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)界面、儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS交流側(cè)數(shù)據(jù)界面、儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS直流側(cè)數(shù)據(jù)界面、

儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS狀態(tài)界面展示對(duì)PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、STS運(yùn)行狀態(tài)及STS故障告警等。

儲(chǔ)能電池狀態(tài)界面展示對(duì)BMS狀態(tài)信息，主要包括儲(chǔ)能電池的運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)信息以及告警信息等，同時(shí)展示當(dāng)前儲(chǔ)能電池的SOC信息。

儲(chǔ)能電池簇運(yùn)行數(shù)據(jù)界面展示對(duì)電池簇信息，主要包括儲(chǔ)能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當(dāng)前電芯的*大、*小電壓、溫度值及所對(duì)應(yīng)的位置。

風(fēng)電系統(tǒng)界面展示對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)信息，主要包括逆變控制一體機(jī)直流側(cè)、交流側(cè)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及報(bào)警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計(jì)及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)、發(fā)電收益統(tǒng)計(jì)、碳減排統(tǒng)計(jì)、風(fēng)速/風(fēng)力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個(gè)逆變器的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

光伏發(fā)電預(yù)測(cè)可以通過(guò)歷史發(fā)電數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、未來(lái)天氣預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)分布式發(fā)電進(jìn)行短期、超短期發(fā)電功率預(yù)測(cè)，并展示合格率及誤差分析。根據(jù)功率預(yù)測(cè)可進(jìn)行人工輸入或者自動(dòng)生成發(fā)電計(jì)劃，便于用戶對(duì)該系統(tǒng)新能源發(fā)電的集中管控。

光伏發(fā)電策略配置可以根據(jù)發(fā)電數(shù)據(jù)、儲(chǔ)能系統(tǒng)容量、負(fù)荷需求及分時(shí)電價(jià)信息，進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行模式的設(shè)置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計(jì)劃、需量控制、有序充電、動(dòng)態(tài)擴(kuò)容等。

運(yùn)行報(bào)表，查詢各子系統(tǒng)、回路或設(shè)備指定時(shí)間的運(yùn)行參數(shù)

具有實(shí)時(shí)報(bào)警功能，系統(tǒng)能夠?qū)Ω髯酉到y(tǒng)中的逆變器、雙向變流器的啟動(dòng)和關(guān)閉等遙信變位，及設(shè)備內(nèi)部的保護(hù)動(dòng)作或事故跳閘時(shí)應(yīng)能發(fā)出告警，應(yīng)能實(shí)時(shí)顯示告警事件或跳閘事件，包括保護(hù)事件名稱、保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻；以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關(guān)人員。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)，可以對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，使管理人員實(shí)時(shí)掌握供電系統(tǒng)電能質(zhì)量情況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除供電不穩(wěn)定因素。

1）在供電系統(tǒng)主界面上應(yīng)能實(shí)時(shí)顯示各電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負(fù)序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負(fù)序/零序電流值；

2）諧波分析功能：A/B/C三相電壓總諧波畸變率、電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應(yīng)能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動(dòng)與閃變：A/B/C三相電壓波動(dòng)值、電壓短閃變值、電壓長(zhǎng)閃變值；三相電壓波動(dòng)曲線、短閃變曲線和長(zhǎng)閃變曲線；應(yīng)能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計(jì)量：A/B/C三相有功功率、無(wú)功功率和視在功率；應(yīng)能顯示三相總有功功率、總無(wú)功功率、總視在功率和總功率因素；應(yīng)能提供有功負(fù)荷曲線，包括日有功負(fù)荷曲線（折線型）和年有功負(fù)荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態(tài)監(jiān)測(cè)：在電能質(zhì)量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時(shí)中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能產(chǎn)生告警并查看相應(yīng)暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

6）電能質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：系統(tǒng)應(yīng)能顯示1min統(tǒng)計(jì)整2h存儲(chǔ)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括均值、*大值、*小值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應(yīng)包含事件名稱、狀態(tài)（動(dòng)作或返回）、波形號(hào)、越限值、故障持續(xù)時(shí)間、事件發(fā)生的時(shí)間。

8）故障錄波

5.結(jié)束語(yǔ)

基于蓄電池與超級(jí)電容器的特性，建立微電網(wǎng)的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤島運(yùn)行方式平穩(wěn)切換的控制策略，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：

1)復(fù)合儲(chǔ)能兼具能量型儲(chǔ)能及功率型儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)，且控制方式靈活、方便。對(duì)于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)能量的瞬時(shí)平衡，維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用；

2)多層次的控制模式，在運(yùn)行方式切換前后，使微電網(wǎng)的頻率、電壓都能保持在允許的范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)平滑切換；

3)在線檢測(cè)頻率、電壓，切換時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊很小，保證電網(wǎng)電能質(zhì)量。

在下一步的研究中，將考慮超級(jí)電容器與蓄電池的容量?jī)?yōu)化配置及微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的改善。