孤島運行模式下的低壓微電網控制策略

何其偉，潘仁秋，姬生飛，徐光福

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著我國整體經濟建設的飛速發展，各行業的電力需求都在持續增加。同時，在生態環保與能源問題的制約下，傳統配電網的運行模式出現了諸多問題，無法發揮繼電保護裝置的最大功效。低壓微電網技術的誕生，可以有效實現能源轉換與系統儲能。尤其是在孤島運行模式中，由于它與主供電網處于并聯關系，因此低壓微電網的運行控制是當前的主要問題。研究正是以此為切入點，研究孤島模式中低壓微電網的控制策略，采用基于主從控制的源荷平衡控制策略，保證配電網電壓、功率以及頻率的穩定性。最后，采用Matlab進行仿真分析，驗證了控制策略的可行性，對我國電力事業的可持續發展具有重要意義。

1 低壓微電網的系統組成

孤島模式下低壓微電網系統的具體情況如圖1所示。

低壓微電網主要由光伏電機、風機、變流器以及儲能電池等裝置構成。為保證微電網的運行穩定性，還要配置相應的控制系統。配電網在運行中會受到變流器的實時控制，從而將功率與電流維持在合理范圍內。此外，根據用電側的實際情況，還要調整供電負荷的優先級，可以將分為可控負荷與重要負荷。

圖1 低壓微電網系統

由于孤島配電模式與傳統供電網絡存在差異，因此低壓微電網通常情況下采取三層控制系統，分別針對各類組件的運行狀態進行管理控制，即配電網級的能量管理系統EMS、微電網級的中央控制器MGCC以及單元級的源荷控制器。只有保證三者之間高效運行，才能確保微電網有效運轉。

微電源控制器分別與配電網和控制系統連接，根據線路與節點位置信息添加信息采集器，可以監控微電源的運行情況。當發現運行數據信息有異常時，MGCC會協同微電源及時發出指令，以及時切斷配電網中的故障區域。同時，MGCC還可以根據指令調整線路運行負荷，通過負荷情況緩解線路中的電流與電壓變化情況，以此協調控制低壓微電網，并且將監控與調整數據信息反饋到EMS。此外，微電網的運行質量與各微源特性和負荷特性存在一定的關聯，也就是說配電網的實際運行負荷會影響到孤島微電網的運行效果[1]。

2 孤島模式下低壓微電網的控制策略

2.1 微電網源頭控制策略

在對微電網運行模式進行調控時，采用恒頻或恒壓的控制方式。這種控制方式是從微電網源頭進行管控，采用數據采集裝置采集配電網的電壓與頻率情況，并且將數據信號傳遞到控制系統終端，以此為微電網系統提供電壓與頻率參考。例如，當低壓微電網中的電壓情況長時間超出額定范圍時，系統的數據分析模塊會及時發現問題并反饋給操作人員，通過判定數據信息，找到電壓不正常的區域，從而針對孤島運行模式中的微電網采取電壓調整措施[2]。

孤島運行模式中，微電網電壓的調整方法具體如下：（1）通過分析微電網的恒定功率，并且將源頭的實際輸出值作為參考對象，可以計算相應的有功功率與無功功率；（2）采用下垂控制模式，利用微電網源頭模擬發電機的出口特征，這時電壓與功率的變化情況會真實反映到模擬數據中，也能夠計算微電網中的有功功率和無功功率；（3）聯合應用各類DG裝置，也就是將低壓微電網調整為不同狀態的運行模式，不僅可以制定不同的控制措施，還能夠找到影響功率變化的主要故障點。

此外，在針對低壓微電網進行控制時還要采用發電側的DG控制，即源荷協同控制模式，利用配電網運行源頭電壓與荷載的比值關系，結合孤島運行模式參數，對各供電區域開展主從控制、對等控制以及分層控制。例如，當微電網處于孤島狀態時，主微源為配電網提供的電壓與頻率信息都可以作為計算參考，同時其他微源產生的恒定功率也能夠反映配電網的實際運行情況，有利于主從控制策略的實施。對等控制模式主要對微電網中各DG裝置進行信息自主控制，按照預先設定的功率調節方案來執行，因此在實際調控環節缺乏靈活性。為解決此類問題，可以對MGCC傳統的運行模式作出革新，將優化重點放到反應效率與解決措施層面。不僅要完全掌握配電網的運行情況，還要生成相應的運行數據。這樣當實際運行數據與模擬數據存在差異時，微電網控制系統可及時作出反應，以此保證微網的穩定運行。

2.2 儲能系統控制策略

儲能系統是低壓微電網的重要組成部分，其運行質量直接影響風機、光伏以及DG裝置的作業效果。當儲能系統的輸出功率較低時，以上元件會失去最大運行效能，從而無法對微電網開展精準控制。因此，為保證微電網的正常運行，一般對主電池系統配備相應的備用電源系統。當儲能電池的電量較低時，備用電池不僅可以對其進行電量補充，還時刻準備投入正常運行模式，代替儲能電池對控制系統提供能源保障[3]。因此，完善電池的充電與放電措施，可以有效提升鋰電池的使用壽命。

本研究對于鋰電池提出的控制策略具體如下。

（1）優化鋰電池的充電與放電切換問題。當鋰電池中的電容量過剩時，需要儲能系統吸收電能，以保證儲能系統的運行效率。但是，當鋰電池的電容量較低時，為保證儲能系統的運行效果，可以加大充電倍率來提高充電效率，即盡量縮短原有的鋰電池充電時間，使鋰電池可以在更多時間中為飽滿容量狀態。

（2）低壓微電網的運行穩定性會受到儲能系統的直接影響。例如，當儲能系統存在故障時，可能無法檢測出配電網中電壓與負荷的細微變化，這樣在終端調控環節將無法掌握全面的數據。因此，在對儲能系統進行動力保障時，要采取自動與手動方式。自動方式設定能源檢查模式，使儲能系統可以檢查自身能量，在電量較低時作出反應；手動方式則是運維人員要定期檢查儲能系統，保證儲能系統時刻處于正常狀態。

（3）儲能系統的充電控制策略可以有效提升控制裝置的運行質量，從而合理改善微電網的可靠性與穩定性。

2.3 源荷協調控制策略

由于低壓微電網中的電源與負荷具有分散性與多樣性特點，且運行過程中體現出動態各異與分布廣泛的情況，因此要合理應用DG裝置的互補性，促進源荷協調控制的應用效率，采用DG裝置解決配電網運行中的間歇性問題與隨機性問題，以此減少系統備用容量，提升可再生能源的利用率。

在孤島運行模式中，低壓微電網的控制策略選用主要考慮配電網的穩定性與可靠性，也就是要保證負荷的不斷電和少斷電。因此，具體控制措施如下：（1）采用測控裝置實時監控配電網的運行情況，包括運行電壓、功率、頻率以及電流等，利用控制系統判定采集到的數據信息，以此明確微電網的源荷運行是否處于平衡狀態；（2）如果配電網內部的源荷處于平衡狀態，則維持現狀，如果源荷運行處于失衡狀態，要計算失衡量并對儲能系統發出調整指令，通過調整配電網中的電流、功率等參數，使微電網恢復到源荷平衡狀態。

為保證孤島運行模式下低壓微電網的穩定運行，一方面要滿足各類裝置與設備的運行狀態，另一方面要更新控制系統的參數。由于不同供電區域的電量需求與最大荷載情況存在差異，運維人員在進行源荷控制時可以根據區域制定不同的調控方案，并且提前制定相應的防治措施，在發現電力故障時切斷部分可控負荷，以逐漸平衡低壓微電網的源荷協調狀態。

3 低壓微電網控制策略的仿真分析

在明確低壓微電網的控制策略后，為驗證控制措施的準確性與可行性，研究構建了相應的Matlab模型進行分析。在控制策略的仿真過程中，可知電池組的實際容量為15 000 Ah，PCS額定容量為50 kW，重要負荷為30 kW。測試前將光伏與風機的狀態調整為滿發狀態，同時檢查儲能系統的電源穩定性，避免敏感影響因素，以使實際測試效果更加準確。低壓微電網啟動后，隨著時間的發展，MGCC裝置發揮自身作用，根據提前設定的運行參數對控制系統發出指令。該環節不僅要保證配網啟動與MGCC啟動的連貫性，還要將EMS的放電數值控制在5 kW左右。啟動MGCC后，整體仿真波形也會產生一定的變化。根據實驗可知，采取MGCC切負荷的方式可以使控制過程回到平穩狀態。當可控負荷量降低時，可以從儲能系統作出調整，從而對主電源進行支持，從而保持孤島低壓微電網的穩定運行。

4 結 論

綜上所述，孤島低壓微電網在運行中容易受到各類因素的影響，降低自身的穩定性。對于用電側而言，負荷的動態特性存在差異，因此在避免配電網停電問題時需要面對諸多問題。本文針對孤島模式下低壓微電網的控制策略進行分析，介紹低壓微電網的系統組成，提出相應的控制策略，并進行了仿真分析。仿真結果表明：提出的孤島低壓微電網控制策略可以對配電網的儲能系統實現精準控制，同時將系統的運行頻率與電壓控制在合理范圍內。整體來說，控制策略可以科學提升孤島低壓微電網的穩定性與可靠性。