基于復(fù)合儲能的微電網(wǎng)平滑切換控制方法

高靜蘭

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 伊犁 835000）

在電力發(fā)展過程中，如何保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進而提高供電過程的整體水平，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點問題。我國建設(shè)微電網(wǎng)促進電力系統(tǒng)的廣范圍供電，微電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)可以將再生能源引入供電體系中，形成多個獨立的經(jīng)濟實用型供電系統(tǒng)，滿足未來微電網(wǎng)技術(shù)的多元化發(fā)展。

文獻[1]中在華東微電網(wǎng)上加入了調(diào)度系統(tǒng)，利用數(shù)字化技術(shù)切換電源與供電網(wǎng)之間的供應(yīng)關(guān)系，分別對微電網(wǎng)的靜態(tài)運行、動態(tài)運行實現(xiàn)全程數(shù)字化監(jiān)控，方便工作人員的狀態(tài)切換，切換體系中設(shè)計預(yù)警系統(tǒng)，為供電系統(tǒng)運行與系統(tǒng)開發(fā)工作提供安全參數(shù)。文獻[2]中應(yīng)用的狀態(tài)切換方法建立在第一代電網(wǎng)的電源組之上，利用第一代電網(wǎng)電源組的經(jīng)濟性滿足多能源供電的可持續(xù)發(fā)展，主要依靠蓄電池功率平衡的方式調(diào)整微電網(wǎng)工作狀態(tài)，設(shè)計大容量電容器延長微電網(wǎng)供電時間與運行狀態(tài)，提升微電網(wǎng)電源的利用密度與使用壽命。

1 基于復(fù)合儲能的微電網(wǎng)分析

1.1 復(fù)合儲能理論

復(fù)合儲能主要由蓄電池與超級電容器組成，利用蓄電池中等效電阻與等效電壓等概念完善復(fù)合儲能整體裝置對電網(wǎng)的持續(xù)供應(yīng)能力，超級電容器具有容量大、充放電周期長等特點，可視為一套理想電壓源與無電阻電路，能夠?qū)崿F(xiàn)在輸電網(wǎng)中任意控制輸電方向與輸電模式，根據(jù)輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以改變復(fù)合儲能設(shè)備中的等效電阻大小，進而控制等效電路中的電路傳輸功率[3-4]。復(fù)合儲能裝置等效原理圖如圖1所示。

圖1 復(fù)合儲能裝置等效原理圖

圖中A1、A2、Z1、Z2分別代表等效電壓與等效電阻的功率控制開關(guān)管，C代表等效裝置的串聯(lián)電路電容，U1、R2分別代表等效電壓與等效電阻，按照圖中的復(fù)合儲能裝置電路連接方式能夠增加超級電容在電網(wǎng)傳輸過程中的管控范圍，使超級電容的容量在普通電容的基礎(chǔ)上擴大200～300倍，隨著微電網(wǎng)工作結(jié)構(gòu)變化也可以對超級電容所在電路位置進行調(diào)換，盡量滿足多能源在復(fù)合儲能裝置的儲存量和儲存時間[5-6]。

1.2 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)的正常運行電壓一般控制在380V左右，微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中包含復(fù)合儲能裝置相關(guān)電路。微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖2可知，結(jié)構(gòu)中的負荷作用是對不同能源轉(zhuǎn)換成果的檢驗，采用分布式結(jié)構(gòu)對不同能源進行微電網(wǎng)內(nèi)部能源消耗，保障微電網(wǎng)對外傳輸?shù)姆€(wěn)定性，微電網(wǎng)中所有的電路結(jié)構(gòu)都被微電網(wǎng)電路監(jiān)控管理體系關(guān)聯(lián)，微電網(wǎng)管理人員能夠隨時提取出各個電路中的能量轉(zhuǎn)換信息或能量傳輸信息，微電網(wǎng)運行狀態(tài)也受到電路管理體系的監(jiān)控，通過光纖通信手段接受與傳達狀態(tài)變換命令，反饋給微電網(wǎng)狀態(tài)切換模塊[7-8]。

2 微電網(wǎng)運行模式研究

2.1 微電網(wǎng)并網(wǎng)運行模式

在微電網(wǎng)電力傳輸過程中，并網(wǎng)運行模式是主要運行模式，這種狀態(tài)下的微電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)自身安全檢查功能，減少復(fù)合能源在不同電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的不同頻率而產(chǎn)生影響微電網(wǎng)正常運行的問題[9-10]。并網(wǎng)運行模式中的電位差、相位差等因素會重新規(guī)劃參數(shù)，對外部其他電網(wǎng)中能量達到影響參數(shù)免疫效果，電網(wǎng)電壓向量狀態(tài)分析圖如圖3所示。

由于復(fù)合能源種類較多，且每種能源轉(zhuǎn)化為電能的效率不盡相同，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行模式可以將微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中能源進行分化，設(shè)定能源轉(zhuǎn)化閾值，首先滿足微電網(wǎng)本地的電網(wǎng)能源供應(yīng)，再通過對其他負荷的通信，設(shè)定微電網(wǎng)對外電網(wǎng)供電水平閾值，當(dāng)兩種閾值均滿足條件時可以采用并網(wǎng)供電操作。

圖3 電網(wǎng)電壓向量狀態(tài)分析圖

2.2 微電網(wǎng)孤島運行模式

在微電網(wǎng)運行模式中，孤島運行模式為備用運行模式，通常微電網(wǎng)的并網(wǎng)運行模式出現(xiàn)故障，電網(wǎng)會自動轉(zhuǎn)換成并網(wǎng)運行模式，孤島運行模式主要依靠自身內(nèi)部電壓完成各個部分的持續(xù)供電，同時切斷對外部其他電網(wǎng)的持續(xù)性輸電，但是微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各個負荷之間還存在著電源協(xié)調(diào)與交互功能，滿足多種能源轉(zhuǎn)換與復(fù)合能源多重利用，微電網(wǎng)供電系統(tǒng)內(nèi)部電壓與頻率將間接性向微電網(wǎng)部分結(jié)構(gòu)傳輸交互信息，滿足微電網(wǎng)的通信模塊正常，孤島運行模式下的電網(wǎng)模型不需要應(yīng)用電信號控制供電程序，且供電原理與常規(guī)性電壓供電相差無幾，大多由兩個微電源提供等效電壓，每個等效電壓對應(yīng)負荷中的等效電阻[15-16]。孤島運行模式下的負荷輸電模擬圖如圖4所示。

式(5)中：N為定值；R為T的2階小項，可忽略不計。由式(2)可知，交點軸線在各自由度方向上的偏量值單位必須一致。但式(5)中，L、M和P、Q的單位不一致，為此，利用式(6)將L和M分別轉(zhuǎn)換成Lv和Mv，使得Lv和Mv與P和Q單位一致，

圖4 孤島運行模式下的負荷輸電模擬圖

微電網(wǎng)處于孤島模式中也會進行復(fù)合儲能，但是這種模式主要依靠基本電能維持負荷正常運行。

3 微電網(wǎng)平滑切換控制

3.1 微電網(wǎng)的主從控制

微電網(wǎng)的主從控制是微電網(wǎng)狀態(tài)切換的通用控制手段，微電網(wǎng)中一般設(shè)置有多個主控單元，每個主控單元能夠控制相應(yīng)的能源供應(yīng)狀態(tài)。當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行模式下，電網(wǎng)內(nèi)部的微電源會以主要線路的控制方式確保電壓穩(wěn)定，這種方式被稱為PQ控制；當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島運行模式下，微電源主要控制輸電功率的狀態(tài)平衡，確保等效電壓與等效電阻穩(wěn)定不變，微電源對外的輸電形式會根據(jù)微電源單元條件改變控制手段，復(fù)合能源下的微電網(wǎng)可以從微電網(wǎng)多部分獲取供電參數(shù)，依舊采用PQ方式實現(xiàn)狀態(tài)控制[20-22]。

設(shè)定微電源的復(fù)合能源包含光能源儲存裝置、風(fēng)能源儲存裝置、水能源儲存裝置等，每個儲存裝置中都裝置有單獨的二級微電源作為主控單元，隨著狀態(tài)控制策略的不斷改進，微電源對應(yīng)的負荷可以向模式的控制端口主動發(fā)送協(xié)調(diào)命令，保障復(fù)合能源在輸電功率穩(wěn)定的情況下完成較大程度的能源轉(zhuǎn)換[23-25]。微電源在確認負荷沒有達到需求量情況下從3個微電源中輸出功率，若負荷達到需求量，需要立即切斷3個二級微電源對微電網(wǎng)的功率輸出電路，微電網(wǎng)控制策略運行結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 微電網(wǎng)控制策略運行結(jié)構(gòu)圖

3.2 微電網(wǎng)的對等控制

在進行微電網(wǎng)對等控制時，微電網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的微電源完全能夠滿足自身負荷供電與對外電網(wǎng)的持續(xù)功率輸出，不承擔(dān)外部電網(wǎng)壓力且能夠保證自身功率的穩(wěn)定輸出，微電源會在控制策略的影響下改變原始的供應(yīng)對象，根據(jù)有功功率與無功功率的穩(wěn)定性調(diào)控每個微電源在微電網(wǎng)中的供應(yīng)位置與供應(yīng)狀態(tài)，對等控制會產(chǎn)生微電網(wǎng)中的有功頻率，隨著微電源的供應(yīng)時間延長，微電網(wǎng)會做出切換狀態(tài)的命令，但整體過程會維持對等控制。

3.3 平滑切換綜合控制

3.3.1 并網(wǎng)轉(zhuǎn)非計劃孤島切換控制

并網(wǎng)模式向孤島模式切換須依靠復(fù)合能源在微電網(wǎng)中的持續(xù)性供應(yīng)，復(fù)合能源供應(yīng)是孤島運行模式的主要供應(yīng)能源，但是在并網(wǎng)運行模式中基本電力能源是主要供應(yīng)能源，須在完成狀態(tài)切換后孤島模式采用V/F形式控制微電網(wǎng)對復(fù)合能源的轉(zhuǎn)換效率與轉(zhuǎn)換質(zhì)量，保證復(fù)合能源能夠在微電網(wǎng)正常運行的前提下保障等效電阻與等效電壓的正常轉(zhuǎn)換，同時還要保證微電網(wǎng)電壓與輸送電頻率正常，復(fù)合儲能中超級電容器與蓄電池可以控制微電網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)端口，參照超級電容器中的端口電壓設(shè)定外部電網(wǎng)對微電網(wǎng)的電能供應(yīng)輸送端口參數(shù)，穩(wěn)定蓄電池工作電壓與電力輸送電壓，根據(jù)超級電容器的閾值條件制定并網(wǎng)向孤島模式的平滑切換控制方式。

判斷微電網(wǎng)自身的運行模式，當(dāng)判斷微電網(wǎng)為孤島運行模式會立即向信道中發(fā)送超級電容器啟動命令，切換超級電容器工作狀態(tài)到停止放電狀態(tài)，同時命令復(fù)合儲能裝置切換至放電狀態(tài)，考慮到復(fù)合儲能裝置切換過程中會出現(xiàn)電壓沖擊問題與輸電頻率不穩(wěn)定問題，將會在最短時間內(nèi)隔離外部供電網(wǎng)與復(fù)合儲能裝置的公共并聯(lián)電路，減少雜質(zhì)因素對微電網(wǎng)供電穩(wěn)定性的干擾。

微電網(wǎng)在供電穩(wěn)定狀態(tài)下功率雙向輸出，超級電容器控制微電網(wǎng)的電壓缺口，排除供電網(wǎng)端口電壓缺失造成的功率失穩(wěn)，但超級電容器控制時間具有一定局限性，超出預(yù)定值向孤島模式平滑切換時便需要降低自身電壓，依次排除負荷對主電源的依賴。并網(wǎng)轉(zhuǎn)非計劃孤島切換控制流程圖如圖6所示。

3.3.2 孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)切換控制

當(dāng)信道檢測供電網(wǎng)能夠平穩(wěn)供電時，微電網(wǎng)恢復(fù)正常供電水平，即可將孤島運行模式轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)運行模式，重新融入配電網(wǎng)中。

參照超級電容器的參考閾值設(shè)定微電源等效電壓與等效電阻，控制并網(wǎng)主電源的初始頻率與初始電壓，控制步驟示意圖如圖7所示。

圖6 并網(wǎng)轉(zhuǎn)非計劃孤島切換控制流程圖

圖7 并網(wǎng)控制步驟示意圖

經(jīng)過頻率與電壓的調(diào)控，可通過信道向微電網(wǎng)發(fā)送并網(wǎng)連接命令，設(shè)定并網(wǎng)額定電壓幅值、相位角等參數(shù)。

并網(wǎng)連接完成，啟動超級電容器到輸送電模式，首先向蓄電池充電，再對負荷進行持續(xù)供電，完成孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)平滑切換控制。

4 實驗研究

設(shè)計實驗實現(xiàn)本文平滑切換方法。仿真實驗不同階段的動作參數(shù)如表1所示。

表1 動作參數(shù)表

根據(jù)表1，平衡兩種狀態(tài)下的等效電壓與等效電阻，應(yīng)用本文方法下兩種狀態(tài)切換過程中產(chǎn)生的有功功率幅值仿真結(jié)果與傳統(tǒng)方法下的幅值變化對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 有功功率幅值變化對比結(jié)果

根據(jù)圖中對比結(jié)果可知本文方法下的有功功率變化幅值較為穩(wěn)定，基本控制在2×105W內(nèi)，而文獻[1]中方法下的仿真幅值在3×105W左右，文獻中[2]方法下的仿真幅值在5×105W左右。微電網(wǎng)與外部配電網(wǎng)隔離供電情況下需要操控并網(wǎng)開關(guān)，同時還需要控制配電網(wǎng)端口的隔離開關(guān)，實驗中對狀態(tài)切換過程中的并網(wǎng)開關(guān)沖擊電流進行檢測與效果對比，結(jié)果如圖9所示。

圖9 并網(wǎng)開關(guān)沖擊電流對比圖

根據(jù)圖中對比結(jié)果可知本文方法下的并網(wǎng)開關(guān)受到電壓沖擊時間最短，較其他兩種方法縮短0.5s～0.9s，證明了本文方法平滑切換過程的穩(wěn)定性，實現(xiàn)平滑切換過程中對復(fù)合儲能裝置不斷進行狀態(tài)調(diào)整，控制二級微電源在電壓輸送端口處優(yōu)先確認負荷狀態(tài)，進而減少電壓對并網(wǎng)開關(guān)中等效電阻的沖擊。

5 結(jié)束語

基于復(fù)合儲能特點，設(shè)計超級電容器與蓄電池之間的切換模式，再拓展到并網(wǎng)運行模式與孤島運行模式之間的平滑切換，復(fù)合儲能環(huán)境下的平滑模式切換更加具有靈活性與穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的功率平衡以及電壓控制，在微電網(wǎng)檢測范圍內(nèi)極大減少了外部因素對模式切換的沖擊。