考慮多源互補特性的微電網系統自動優化策略研究

黃 慧，鄧文揚，劉志勇

（1.廣東電網有限責任公司韶關供電局，韶關 512026；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣州 510530）

0 引言

為應對氣候變化，我國提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”等戰略目標，并提出“構建以新能源為主體的新型電力系統”作為能源電力發展的方向。風能和太陽能發電顯示出更為廣闊的前景。但是風力發電和光伏發電很容易受到氣象因素影響，對電網的安全可靠性的影響很大，因此儲能和微電網技術成為支撐新能源消納的熱門方向[1]。

新能源發電系統的輸出功率波動會影響整個電網運行安全，因此要設置儲能系統，以實現可控微源與光伏電網互相補充，確保微電網運行的穩定性。與此同時還需制定有效的優化策略，對系統功率進行靈活分配，使電網系統能夠更好的適應不同用電場景的需求。

新能源發電系統的輸出功率如果產生波動，整個微電網都難以安全穩定的運行，因此微電網系統在運行過程中，要設置儲能系統，同時確保可控微源與光伏電源能夠更好地實現補電，從而保證電網能夠穩定可靠地運行，除此之外還要提出有效的優化策略，確保系統功率分配效果，使系統能夠更加靈活穩定[2]。

本文針對基于復合儲能電網對多源互補微電網的協調控制策略展開研究，建立復合儲能控制模型，實現自動優化，并通過實驗驗證了優化策略的可行性。

1 考慮多源互補特性的微電網復合儲能控制模型

微電網分為并網和孤網兩種形式，本文僅針對直流孤網型微電網進行優化控制和多源互補協調控制策略研究。微電網主要包括光伏、水電、蓄電池、超級電容等多種發電系統[3]。微電網拓撲結構如圖1所示。

圖1 微電網拓撲結構

在確定微電網拓撲結構后，根據設計要求，構建三層控制結構，如圖2所示。

圖2 微電網控制框架

根據圖2可知，第一層為局部控制，以局部發電分配、負荷控制、混合儲能模式為主；第二層是協調控制，作為整個微網系統的協調控制核心，通過對收集的數據進行分析與處理，獲得控制指令，并下發到本地控制器，該控制層既能協調局部各設備控制，又能接受上層能量管理的調度，實時修正實際運行和調度目標的誤差，從而實現微網的多源互補協調控制；第三層的主要作用是優化控制，對功率分配進行了一系列的優化，實現對儲能調度和功率分配的綜合調整，從而使微電網運行更加經濟、安全與穩定。

為了充分利用超級電容的響應速度優勢和蓄電池的能量密度優勢，采用復合儲能，以更有效地發揮功率控制作用[4]。超級電容器結構如圖3所示。

圖3 超級電容器結構

根據圖3可知，超電容器采取的結構為雙電層機構，當結構內部輸入直流電，則電極的電解質正、負離子會很好地聚到一起，形成一個有效的雙電層，超級電容器利用雙效層實現電荷儲存。

超級電容器的等效電路RC模型由一個阻容單元，理想電容C，等效電阻Rs、Rp構成，如圖4(a)所示。實際應用中電容器通常要經過功率轉換器對功率進行調整后與電源相連，整個過程會出現頻繁的充電放電的循環往復，假設忽略Rp的影響，可將電容器模型進行簡化，如圖4(b)所示。

圖4 超級電容器的等效電路RC模型

由圖4可知，本文研究的超級電容器的等效電路RC模型將復雜的結構簡單化，通過反復地充電過程和發電過程來展示電氣內部的特征，在展示過程中，連接方式不會影響展示結果，整個展示過程的容量配置可以提供很好地理論基礎。其等效串聯內阻計算公式為：

其中，Rarray為等效串聯電阻；Ns為電力器件數量；Np為并聯電路的支路數量。

等效電容計算公式為：

其中，Carray為等效電容。

由于超級電容器單個結構內部電壓較低，實際應用中會同時使用多個電容器，多個電容器的電容量為：

其中，C為多個電容器組成的總電容值；Umax表示允許的最大工作電壓。

從上面的公式可以看出，超級電容器的電容值會受端電壓的影響，在使用過程中，伴隨充電放電的循環往復，端電壓也會隨之發生變化。

蓄電池內阻極低，充電速度快，容量大，可作為電源供電，性能優良。蓄電池的容量通常定義為：

蓄電池放電過程中工作電壓為：

其中，EO為開路電壓；Ib為輸出電流；R為蓄電池外接電阻；RO為電池內阻[5]。

蓄電池恒流充電模式，充電過程中電壓升高，電流不變，通過對電池進行充電操作，保證蓄電池內部電量能夠很好地被消耗，保證電源內部電量平衡。恒流充電的控制框圖如圖5所示。

圖5 恒流充電控制線路圖

蓄電池恒壓充電模式，電壓保持不變，隨著充電過程的進行，電流就會隨之減少，最終達到最小值。

恒壓充電控制框圖如圖6所示。

圖6 恒壓充電控制框圖

2 考慮多源互補特性的微電網系統自動優化策略

2.1 協調控制結構

本文設計的協調控制結構內部由多個系統組成，主要的系統包括光伏發電系統、小水電發電系統和超級電容系統，系統的結構框圖如圖7所示。

由圖7可知，一旦光伏系統和水力發電系統運行過程，當輸出功率不能及時就地消耗或不足時，通過能量管理系統調節復合儲能和微型燃氣輪機輸出功率，對電壓進行調節，使電壓穩定在額定范圍內。超級電容容量儲能系統和蓄電池能量儲能系統基于直流母線電壓進行控制，使其處于正常工作狀態，避免過度放電對電能儲能系統造成損害[6]。

圖7 多源互補微電網協調控制整體結構框圖

2.2 協調控制策略

通過電壓等級劃分，對直流母線內部產生的電壓波動進行點解，設定直流母線電壓的內部限值，本文共設定了6個限值，劃分的電壓等級區域如圖8所示。

圖8 電壓等級劃分區域圖

在分析直流母線電壓波動幅度后，對波動幅度進行分析，設定的等級共有4個，分別是可允許波動、小范圍波動、大范圍波動和極限波動。控制策略流程圖如圖9所示。

根據圖9可知，電壓波動|Udc-UN|表示，根據我國民用電標準，當波動值小于0.05UN時，被視為可允許正常波動。設定復合儲能系統，對復合儲能系統進行電壓補償，將工作狀態切換成模式一，這樣可以很好地防止來回切換這一問題發生，確保系統使用壽命。

圖9 控制策略流程圖

當電壓波動|Udc-UN|大于0.05UN且小于0.1UN時，視為小范圍電壓波動。對于這種小范圍波動，可以采用儲能對波動進行平抑。當母線電壓大于額定電壓時，首先調節超級電容器變換器，以減少蓄電池頻繁充放電。超級電容器荷電量SOCSC小于85%時，超級電容器系統進行充電，這種工作狀態定義為模式二；當SOCSC大于85%時，超級電容器內幾乎充滿電荷，飽和狀態下的電容器無法繼續充電，此時要檢測蓄電池內電荷量SOCb，SOCb小于80%，蓄電池內電荷量為不飽和狀態，能夠進行正常充電，此時蓄電池工作狀態定義為模式三。如果超級電容器的電量達到飽和，則不能進行繼續充電，這時系統需要檢測蓄電池的節電量；當SOCb大于80%時，說明復合儲能系統已經達到最大電荷負載，無法調節降低母線電壓，此時電網工作狀態定義為模式四。當母線電壓不足，超級電容器荷電量 SOCSC大于15%，超級電容器進行放電狀態，這種工作狀態定義為模式五；若SOCSC小于15%，此時超級電容器荷電量較低，不能完成放電動作，需對蓄電池荷電量SOCb進行檢測，若SOCb大于20%，則表明蓄電池荷電量在正常范圍內，可以實現正常放電，則這種工作狀態被定義為模式六；如果蓄電池內部的SOCb低于20%，則蓄電池需要采用放電方式，設定這種模式為模式七。

當0.1UN≤|Udc-UN|<0.15UN時，視為大范圍波動。對于大范圍波動，單一儲能系統的平抑波動效果不佳，需要引入復合儲能加強平抑效果，如果系統采用的儲能方式為單一波動方式，則平抑波動能力較差，因此本文設置了復合儲能，從而提高平抑能力。同時需要移除部分次要負載，以保證系統對波動的調節效果。復合儲能系統具有響應快、調節能力強的優勢。當母線電壓高于額定電壓時，如果SOCb不能超過荷電狀態要求的最大值，系統設定的模式為充電模式，設定這種工作狀態為模式八；SOCb小于荷電狀態的極限值，系統仍有空余荷載能力，可以進行正常充電，定義為模式八；SOCb超出荷電狀態的最大值，說明系統無法完成充電，需要限值發電系統電力輸出，調節母線電壓，定義為模式九，否則限制發電設備出力，對母線電壓進行調制，設定的系統荷電量處于飽和狀態，可以正常放電，定義為模式十。若SOCSC和SOCb皆小于荷電狀態的最小值，則需移除次要部分負載，降低母線電壓，定義為模式十一。否則切除部分不重要負荷，這種工作狀態定義為模式十一。

當電壓波動大于0.15UN時，為極限波動，超出了復合儲能系統調節電壓波動的能力。如果母線電壓的數值超過額定電壓，則系統需要啟動新的模式，本文設定的啟動模式為限功率模式。若超級電容器和蓄電池滿足上述的充電條件，系統啟動充電模式，設定這樣的工作模式為模式十二；如果母線的電壓不能達到額定電壓，需要切除不重要負荷，這種工作狀態定義為模式十三。

3 實驗研究

為了驗證本文提出的考慮多源互補特性的微電網系統自動優化策略研究的有效性，與未優化前的微電網系統進行實驗對比，設定實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

采用下垂控制時，直流母線電壓會隨負荷變化而改變，微電網各微電源出力曲線如圖10所示。

圖10 微電網微電源出力曲線

根據圖10可知，開始時，負荷未投入允許，系統處于平衡狀態，在0.6s時，投入10kW負荷，由于負荷比較小，直流母線在允許范圍內波動，負荷由小水電單獨供應；在1.1s左右，再投入10kW負荷，同時光伏發電系統開始允許，由于負荷的增加，直流電壓繼續下降，但由于還處于允許范圍內，復合儲能不動作；在1.6s時再有7kW負荷投入，此時直流電壓處于0.1UN≤|Udc-UN|<0.15UN范圍，由于負荷差額較小，單獨由超級電容進行調節，2.1s時又投入20kW負荷，此時功率缺額已超過超級電容調節范圍，將啟動儲能進行調節；在整個調節過程中，直流母線電壓都可調節到允許范圍內，實現了直流電壓的穩定控制。

加入復合儲能進行能量平衡前后電壓如圖11所示。

圖11 加入復合儲能進行能量平衡前后電壓曲線

根據圖11電壓波動情況可知，在未加入復合儲能進行能量平衡調節前，直流母線電壓會隨著負載的增加而降低；加入復合儲能進行能量平衡調節后，直流母線電壓的跌落明顯降低，母線電壓能夠短時間內實現調節，完成內部的功率平衡[7]。

本文提出的優化策略能夠很好地穩定直流母線電壓，在電壓跌入警告區域后，使用本文的優化策略可以使系統在短時間內回到合格區域，保證了電壓的穩定。

綜上所述，通過對光伏發電系統、小水電、復合儲能系統組成的多源微電網系統進行分析，充分利用了超級電容、蓄電池調節能力，實現了多源互補微電網系統的自動優化控制。

4 結語

本文對多源互補微電網控制結構進行深入分析，探討了復合儲能特性及其功率分配策略，并設計復合儲能系統模型實現優化系統的設計，最后基于直流母線電壓分區方法提出了微電網系統自動優化策略，實驗結果表明，該策略具有優越性，各種工況下直流母線電壓都可調節到允許范圍內，實現了直流電壓的穩定控制。