微電網多能互補經濟運行策略的應用

張孝山

（深圳市匯托新邦科技有限公司 廣東省深圳市 518057）

1 引言

現代工業飛速發展，傳統化石能源日漸枯竭，為滿足人類對能源的需求，發展綠色清潔的可再生能源將成為世界各國能源發展戰略和技術方向。新能源分布式接入電網，有利于就地分散利用以提高用戶供電可靠性。在用戶側積極發展和規模化接入分布式光伏/儲能電源的趨勢下，構建運行模式靈活、響應用戶側用電需求管理和用能質量提高的微電網，是實現新能源就地消納利用、發揮分布式光伏/儲能發電系統效能的有效方式。

由于分散式新能源發電的接入，使原有的電力調度變得模糊，區域的微網控制使得潮流不再單向由“電源流向用戶側”，從而增大了配電系統的復雜性和不確定性。新能源發電的大規模并網，客觀上改變了電力系統瞬時平衡的電力供應模式，給電力系統的安全穩定運行帶來了一定的影響。

另外，由于用戶側的微電網建設是一個階段推進的過程，沒有統一規范的行業技術規范，對于分散式新能源發電的投退和調整，多數是人工調整的方式，造成了用戶側微電網功率供需的復雜性以及經濟成本的提高。

2 能量路由器實現用戶側功率供需平衡的實時跟蹤

在用戶側的微電網系統中，為了實現多能互補時的經濟調優控制，需要對進線、負載、充電樁、燃機、光儲的功率進行實時跟蹤。因此，要求微網系統的數據采集終端應具備多種物理接口設備的兼容性接入能力，同時還需要采用開放式設計，具備快速完成設備協議的接入能力。

基于以上要求，本應用將采用嵌入式通訊管理終端作為微電網能量路由器，實現微網各負載及發電設備數據的采集和控制。該終端為PowerPC 雙核架構、低功耗無風扇設計，具備多種物理接口（如RS485/RS232/CAN/以太網），可支持設備數據的快速采集及運算，豐富的物理接口可滿足絕大多數智能設備的直接接入。該終端采用“主程序+so”通訊設計架構，可內嵌多種標準或擴展協議，能輕松實現各種非標協議的快速開發及數據接入。另外，該路由器的應用程序支持端口冗余、設備冗余、協議冗余，可實現微網數據的穩定采集、高效可靠控制。一個能量路由器可實現5MW 左右的功率控制。通過“中心+區域+單元采集”組網模式，結合分散式邊緣計算的功率分配策略，還可滿足GW 級別的功率控制需要。

3 多能互補的控制策略應用研究

在微電網供電中，結合用電峰谷差價，通過自適應優化調控能量的供需平衡，可以實現多能互補的經濟調優之目的。

3.1 儲能設備功率分配策略

由于儲能電池有充/放次數限制，在微網系統的功率控制中，對儲能變流器（PCS）的功率分配將采用均衡分配策略。在功率分配算法中，應計入儲能電池的設計容量、額定功率，當前可用容量、可充/放功率等，以確保每個儲能單元都能被合理的使用。

圖1：典型微電網能流圖

圖2：EMS 微網監控首頁

能量路由器的微網控制協議將綜合監測PCS/DCDC 儲能單元及BMS 的運行狀態，及時完成功率分配及調整。當總功率需求為正時，各儲能變流器單元的功率命令值Pi 為：

當Pi>Pimax時，累加Sum+=Pi-Pimax，將Sum 重新分配（剔除已經滿額的PCS）。

當儲能電站總功率需求為負值時，各儲能變流器單元的功率命令值Pi 為：

當Pi>Pimax時，累加Sum+=Pi-Pimax，將Sum 重新分配（剔除已經滿額的PCS）。

3.2 逆功率防護與需量控制

能量控制器內嵌的功率分配控制策略程序將實時跟蹤EMS 設置的功率計劃曲線，并預演功率計劃調節，推演可能導致“進線功率P1”超出逆功率上限（超需量）或下限（發電功率倒送）的可能。如果預期的調節會超出逆功率上/下限門檻值，則相應調整燃機、1#DC/DC、2#DC/DC、光伏逆變器的功率。典型的微網能流圖示如圖1所示。

當功率計劃偏差產生時，首先進行功率計劃值設置的推演。推算公式如下：

3.2.1 推算出當前實時負載

P0(負載)=P1(并網)+P（發電）

3.2.2 通過計劃的充放電操作來推算進線功率的預期控制值

由于負載是波動的，光伏功率受天氣影響會出現不穩定，在人工調節燃機、光伏或儲能功率時，可能會導致進線功率超需量或功率倒送的情況。所以，在功率計劃跟蹤出現偏差時，應適時調整計劃的充/放電功率計劃值，嘗試把進線功率控制在“逆功率防護”的上/下限范圍內。推算時，應根據計劃功率的充放狀態，分別推算：

放電時，控制并網點功率（進線功率P1）在逆流下限值附近

P1(并網)預期控制 = P(并網)逆功率下限+P 逆功率可調偏差

推算過程如下：

（1）推算用戶側實時發電功率

P 實際（發電功率）=P 儲能+P 燃機+P 光伏

（2）推算出用戶側實時負載值

P 負載=P 并網+P 實際（發電功率）

（3）推算出用戶側非儲能設備的發電功率

P 非儲能發電功率=P 燃機+P 光伏

（4）推算出預期控制的并網點功率

P 并網預期=P 下限+P 偏差

（5）根據并網點預期的功率控制值，推算出需要用戶側控制的總發電功率（包括燃機、光伏和儲能）

P 發電=P 負載-P 并網預期

（6）推算出儲能單元需要分配的計劃功率設置值

P 儲能設置=P 發電-P 非儲能發電功率

如果推算出的儲能設置功率“P 儲能設置”比設置的“P 計劃”大，則就按“P 計劃”執行儲能的功率充放分配，否則按推算的“P儲能設置”調整儲能的功率分配。

充電時，控制并網點功率（進線功率P1）在逆流上限值附近

P1(并網)預期控制 = P(并網)逆功率上限+P 逆功率可調偏差

推算過程如下：

（1）推算用戶側實時發電功率

P 實際（發電功率）=P 儲能+P 燃機+P 光伏

（2）推算出用戶側實時負載值

P 負載=P 并網+P 實際（發電功率）

（3）推算出用戶側非儲能設備的發電功率

P 非儲能發電功率=P 燃機+P 光伏

（4）推算出預期控制的并網點功率

P 并網預期=P 上限-P 偏差

（5）根據并網點預期的功率控制值，推算出需要用戶側控制的總發電功率（包括燃機、光伏和儲能）

P 發電=P 負載-P 并網預期

（6）推算出儲能單元需要分配的計劃功率設置值

P 儲能設置=P 發電-P 非儲能發電功率

如果推算的充電功率“P 儲能設置”比用戶計劃設置的“P 計劃”大，且屬于用電低谷，則以最大可能的充電功率執行，否則，按計劃執行。

通過以上兩步的逆功率推演，就可以確保計劃的功率調整不會產生進線功率超出需量或功率倒送的情況。

3.3 多能互補控制策略

（1）能量控制協議將實時跟蹤進線功率P1，當檢測出該功率超出微網系統設置的逆功率下限或上限值，則表示微網系統的發電功率過高或偏低。進線的功率P1 小于逆功率下限，表示此時的負載偏低，而發電功率過多；相反，表示負載功率增加（用電需量超限），此時可結合峰谷電價情況適當提高發電功率以滿足功率調峰需求。

（2）逆功率超出上限，此時發電出力不足，需要增加發電功率：優先使用光伏功率，不足部分由儲能補充。功率控制流程為：優先開啟光伏，然后開啟儲能，不足部分再由燃機補充。功率需量超上限時，可根據燃機的發電成本、儲能的使用壽命來確定是否開啟功率補充。

（3）逆功率超出下限，此時發電過多，需要降低發電功率。優先降低儲能，盡量使用光伏功率。功率控制流程為：優先降低儲能的發電能力；然后降低燃機出力；最后降低光伏出力。

（4）處于電價高峰時優先電池放電，電量不足時市電通過PCS 補充供電。如電池放電過程中充電樁功率降低導致放電功率大于用電功率，則電池能量通過PCS 送入交流側為交流負載供電，電價低谷時PCS 向直流充電樁供電的同時通過雙向DC/DC 為電池充電。限制控制DC/DC 充電功率，避免PCS 過載。

4 EMS微網能量管理系統

如圖2所示，EMS 微電網能量管控系統，作為光伏、風力、充電樁、儲能、柴發等多種能源的一體化管控系統，主要用以實現對微網數據的實時監控與分析。該平臺將實時把微網計劃功率值更新到能量路由器，由能量路由器完成微網功率平衡的調節控制，以實現微電網的功率平滑（避免出力大幅波動）、消峰填谷（用電低谷儲能，用電高峰發電）、能量搬移（新能源過剩時優先儲能，避免棄光風；發電出力不足則用于發電）等功能，達到合理利用能源的目的。

5 結論

微電網多能互補經濟運行策略的應用研究，可廣泛應用于企業、公共基礎設施、多能充電站等需要新能源多能互補的節能應用項目。通過本控制方法，可實現光伏、儲能、充電、柴發高效協同、能量互補，提升清潔能源和配電設備利用率水平，能可靠實現用戶側微網功率供需平衡的自適應最優運行，實現用戶側低碳、經濟用能，能明顯降低用電開銷，為用戶提供最大可能的收益回報。