風光柴儲微網系統運行模式切換控制策略探討

王師 李錦雙

摘要：風光柴儲微網系統是當前電網并網研究的熱點，通過對風光柴儲微網系統的結構進行分析，對風光柴儲微網系統的并網策略進行探析，對微網并網的算法進行設計，對微網并網的策略進行了分析，最后研究了風光柴儲微網系統解列控制策略，為風光柴儲微網系統并網提供了指導。

關鍵詞：風光柴儲微網系統；并網運行；運行模式切換控制策略 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM614 文章編號：1009-2374（2016）18-0140-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.069

1 風光柴儲微網系統結構

風光柴儲微網系統一般主要由能量產生裝置、能量儲存裝置、能量消耗裝置三個部分組成。不同的能量裝置具有不同的功能，其中系統的能量產生裝置由風力發電機組、光伏電池以及柴油機三部分組成，共同承擔著風光柴儲的能

量產生功能，具體的風光柴儲微網系統結構如圖1所示：

系統直接連接在10kV的母線上，在系統的結構中，采用690V的母線上連接0.5MW的風力發電機組，一套125kWh的儲能電池和100kW的光伏電池連接在400V的母線上，采用變壓器（630kVA，690/400V）將690V與400V母線連接在一起，微網系統的負荷分為重要負荷和次要負荷，能耗裝置主要連接在400V的母線上。系統主要是交流微網電力管理系統，由于系統的能量產生的所有裝置輸出電能特性與火力電力電能特性存在差異，因此該系統采用逆變器連接到交流母線上，而不是采用直接接入到電路的方式，因為逆變器將能量與轉換接口結合在一起，對保證系統的穩定具有十分重要的作用。逆變器在系統中一般采用DG并網結構進行連接，圖2為逆變結構的DG并網結構。

在該結構中，DG逆變器主要為并聯的模式進行連接，提高了系統的穩定性。與單一的集中式電源相比較，采用逆變器的并網結構，能夠提高網絡穩定的可靠性。在圖2中采用的是電壓源型逆變器（VSI）逆變器，系統主要包括風力發電機組、光伏電池和儲能電池三個部分。其中儲能電池、光伏電池生產的是直流電流，需要采用DC/AC逆變器將直流電轉換為50Hz的交流電才能并網使用，而風力發電機組產生的是交流，也需要通AC/DC將其轉換為直流，然后在經過DC/AC將其轉換為50Hz的交流電，柴油機可以直接提供50Hz的交流電，不需要通過逆變器，可以直接通過變壓器進行轉換。

2 風光柴儲微網系統運行控制策略研究

風光柴儲微網系統在并網運行的過程中，需要保證供電的品質和可靠性，要能夠充分發揮清潔能源的效率和示范作用，同時還要能夠保證微網系統不能通過配電變壓器向電網倒送電的問題產生。

2.1 能量控制算法分析

能量控制算法對微網的能量進行控制，由于各種原因往往會引起電網的頻率和電壓的波動，各個逆變器DG都采用PQ控制的方式，保證電網輸出的有功和無功功率是恒定的。風光柴儲微網系統在并網運行主要是對風力發電機組和光伏電池的輸出功率進行控制，保證系統能夠穩定的運行，需要考慮PCC處交換功率必須大于0這個條件之后，才能對各個DG的輸出功率進行控制，因此需要對風力發電機組和光伏電池的輸出功率等一系列的系統算法進行設計。

2.1.1 控制目標。

式中：ImLoad為重要負荷集合；為負荷吸收的功率大小；為系統連接的開關閉合判斷，當它的值為1時，系統閉合，當它的值為0時，系統為斷開狀態；表示PCC處的電網交換的功率，當它大于0時，系統處于工作狀態，值為0時，表示微網系統處于孤島運行的狀態。

2.1.2 微網功率的平衡約束條件。

式中： 分別表示風力發電機組、光伏電池、儲能電池和柴油機的輸出功率大小，儲能電池為負值時，表示電池正在充電，當儲能電池為正值時，表示電池正在放電；w、p、b、d分別表示對DG電路的閉合判斷，當DG供電時，值為1，線路閉合，當值為0時，表示線路斷開，DG不供電；SeLoad為負荷集合；Ps為次要負荷的吸收功率；Ys是次要負荷的開關判斷。

2.1.3 微網并行的約束條件。

為了保證微網能夠有效工作，在不向外供電的情況下，要能夠向儲能電池充電，當儲能電池充滿電之后，這樣就需要能夠有效地對系統的恒定功率進行分析，根據線路功率平衡的條件，采用柴油機對網絡的能量進行控制。

2.2 微網運行控制策略設計

微網并入電網運行時，微網內DG輸出的功率大小控制系統的能量補償機制，具體的微網系統與電網的并聯結構如圖3所示（粗箭頭表示能量流動，細箭頭表示信息控制）。

在一般情況下，風力發電機組和光伏電池發電條件較好，通過中心控制器對微網的系統能量進行全面管理和控制，可以直接由負荷使用，能有效地減少電能的消耗。如果出現惡劣天氣，電網就無法滿足微網內的負荷需要，通過系統能夠對微網的能量進行實施監控，保證微網能夠穩定地工作。在微網系統中采用自動功率控制的功能，這樣風力發電機組、光伏電池、儲能電池可以自動地對并網進行管理，DG就不用參與到電網的功率調查，只需要根據微網內的負荷來調節自身的輸出功率，當微網的負荷較大時，采用最大功能跟蹤控制的方法對風力發電機組和光伏電池進行控制，可以提高風能和太陽能的利用效率，在微網的負荷較小時，可以采用負荷功率跟蹤控制（LPTC）的方法，使得微網的能量達到平衡。

3 風光柴儲微網系統解列控制策略

3.1 基于單主電源的微網解列分析

微網并入電網之后，電路的電壓和頻率的主要由電網支撐，電網的柴油機未啟動，然后主要由DG均以PQ的方法進行控制。如果電網失去支撐后，微網的儲能電池或者柴油機就需要為微網的電壓和頻率進行支撐。單主電源的解列控主要包括微網解列后以儲能電池，實現對微網電壓的穩頻，再有就是由于電池故障或者SOC達到最小極限值時，微網內的柴油機可以作為主電源對微網進行供電。

3.1.1 先切負荷方法。在微網的能量不能達到平衡時，需要切除負荷后，當微網的所有DG輸出最大功率之和的范圍內，系統的能量達到穩定，系統會出現一個較大的暫態過渡過程，系統的啟動穩壓穩頻開始工作，這時電網的電壓和頻率不在正常的范圍內，這種暫態需要依靠微網的自身阻尼對電網進行平衡，但是這個過程的震蕩時間長而且振幅比較大。

3.1.2 先切換控制器控制方法。如果微網監測到電壓的波動異常，采用先切換控制器的方法對電網進行控制，減少電壓的波動，控制器具有調節電壓和頻率的功能，通過控制器對電網的電壓進行調節，然后再切換負荷以達到微網的平衡，使得微網比較容易進入穩定狀態，有利于達到電網中的能力平衡。

3.2 基于多主電源的微網解列分析

微網并入電網一般是采用并聯的方式接入的，形成了多主電源的微網結構，當風力發電機組、光伏電池和儲能電池的能量能夠滿足微網內的功率需要，實現對電網的控制。當風力發電機組、光伏電池和儲能電池的儲能不能滿足微網的負荷要求時，可以啟動柴油機對微網進行供電，由柴油機和儲能電池共同對電池的電壓進行穩壓穩頻。對于柴油機和儲能電池的調節主要采用的是下垂控制，但是當微網內所有微源總和不能滿足負荷需求時，系統就會自行調節，減少系統的負荷，這樣通過控制器能夠實現解列后只能通過柴油機進行穩壓穩頻，實現微網的穩定控制。

4 風光柴儲微網系統并網控制策略研究

4.1 并網控制策略分析

微網并網之后，在電網的控制過程中，不需要閉合并網開關對微網進行控制，只需要對主控制器進行控制就可以完成微網的控制。當微網的儲能電池為主電源時，需要將儲能電池的控制方法與并網開關進行同時切換，這樣就會使儲能電池除以充電狀態，系統達到穩定的狀態，但是在實際的工作過程中，很難做到這種情況，如果儲能電池在并網開關的過程中，儲能電池有PQ控制并且進行充電，在并網的過程中，儲能電池仍然可以采用V/f進行控制，保證微網的電壓，但是在實際工作的過程中，并不能保證儲能電池與并網開發能夠進行同時工作，需要在并網前由PQ對儲能電池進程控制。對于微網孤島運行，這時柴油機開始工作，需要對微網頻率與電壓震蕩的情況進行分析，對電壓的變化造成影響，采用微網孤島運行狀況下，儲能電池的輸出功率為0.448kW作為電池下垂控制進行切換，設定儲能電池設定輸出功率為0.376MV，當微網并網的開關閉合為1.1s時關閉柴油機，保證微網能夠正常地工作。

4.2 并網控制策略設計

通過對微網的控制策略進行分析，綜合微網的電壓值、頻率差和相角差之間的關系進行分析，可以發現電網與微網之間的相位差對微網并網影響比較大，從而能夠有效地影響電網電流的波動，造成有功功率與無功功率之間存在沖擊，影響著微網正常工作。這樣就需要對微網的負荷進行控制，保證在有功功率與無功功率之間達到平衡，盡量對相角差進行控制，降低微網各個機組的損耗，提高微網的電壓輸出的穩定性。但是在實際的工作過程中，由于電壓偏差比頻率偏差對并網的影響程度小，對電網電壓的波動影響也不是很大。在這種情況下，可以通過減少電壓的輸出、降低電網的能力來提高微網的頻率，使得微網的頻率能夠接近電網的頻率。但是在微網并網過程十分迅速，如果過于對微網的頻率和電壓差之間進行嚴格限制，這樣也會影響微網的并網速度，但是能夠提高電網的電壓，所有微網的頻率和電網的頻率過于接近，這樣就需要發揮大量的時間尋找微網與電網之間的相位差之間的最小值，才能滿足微網的穩定要求。

5 結語

通過對微網并網的相關情況進行分析，需要結合具體的情況制定微網并行的情況進行全面分析，針對具體的情況采用合適策略，以滿足微網并網的要求。并網時，電流應從電網流向微網，要求DG能夠有效地對微網的電壓和信息能量進行控制，以減少并網對電網的沖擊，將微網與電網之間的電壓差值減到最小，以保障微網并網的穩定性。

參考文獻

[1] 鄭競宏，王燕廷，李興旺，等.微電網平滑切換控制方法及策略[J].電力系統自動化，2011，（10）.

作者簡介：王師（1987-），男，安徽懷寧人，中廣核太陽能（深圳）有限公司助理工程師，研究方向：火電、風力、光伏、微網。

（責任編輯：秦遜玉）