風儲直流微電網智能監控系統設計

馬越超

包頭職業技術學院，內蒙古 包頭 014030

0 引言

隨著我國持續推進能源供給側結構性改革，風電、天然氣、光伏等已成為我國應對氣候變化、保障能源安全的重要內容[1-2]。但風力發電具有巨大的隨機性，發電量極不穩定。如果不設置合理的儲能裝置，會對電網造成巨大的沖擊。因此，逐步形成了以風能、太陽能和儲能系統為主的微電網。

微電網從結構上可以分為交流微電網和直流微電網兩種形式，均可以并網和孤島運行。目前，對微電網的研究主要集中在運行控制策略方面，但微電網內部能量流動關系復雜多變，因此研究如何對其進行實時監控，對微電網的運行管理具有重要的意義。

1 直流微電網能量管理系統設計

該系統主要采用風儲直流微電網結構。由于直流母線電壓是評判系統內部功率平衡與否的唯一要素，故該監控系統主要針對風機功率、負荷功率、蓄電池荷電狀態（SOC）及直流母線電壓進行監控。相應的能量管理系統也重點在于平衡負荷、風機和儲能單元三者之間的關系。

1.1 直流微電網能量流動關系及各變換器控制策略

該系統可以在并網和孤島兩種狀態下運行，當系統并網運行時，由大電網控制母線電壓，風機保持最大功率跟蹤，蓄電池恒流充電；當系統孤島運行時，設定蓄電池充當系統的松弛終端，同時為了提高新能源利用率，優先采用風機提供能量。當風力發電機組功率大于負荷所需功率時，為了保持內部功率平衡，將風力發電系統盈余功率存儲到蓄電池中；當風力發電機組功率小于負荷所需功率時，系統內部功率缺額，由蓄電池釋放能量使母線電壓維持穩定。當蓄電池SOC達到上限時，為了保護蓄電池，可以將風機由最大功率控制轉為限功率控制；當蓄電池SOC達到下限時，為了維持系統內部功率平衡，采用負荷減載控制策略，通過切除部分非關鍵性負載，維持母線電壓的穩定[3-5]。

1.2 風力發電系統控制策略

風力發電機前級控制框圖如圖1所示。風力發電系統采用轉速外環、電流內環的轉子磁場定向控制，可實現在MPPT和LPTC模式間進行自由切換。為了實現風能的最大利用，風機一般工作在MPPT模式，僅在孤島當蓄電池SOC達到上限時，采用LPTC模式。

圖1 風力發電機前級控制框圖

圖1 中，C2為直流側電容，ωref為轉速參考值，ωm為風力機轉速測量值。i*

sd為無功電流參考值，isd和isq為定子電流。

1.3 儲能系統控制策略

蓄電池孤島運行時，采用恒壓控制穩定直流母線電壓。并網運行時，當SOC在正常范圍內時，采用恒壓充電控制策略；當SOC達到上限時，處于浮充狀態。當SOC到達下限時，為了保護蓄電池，并/離網模式下均封鎖脈沖，停止工作。蓄電池并/離網控制策略框圖如圖2所示。

圖2 蓄電池并/離網控制策略

圖2 中，Ib為蓄電池輸入電流，Ubat為蓄電池實際端電壓，Ubref為蓄電池空載端電壓；Ufref為蓄電池浮充參考電壓。

2 風儲直流微電網智能監控系統設計

為了便于對直流微電網進行監控和維護，運用Unity 3D開發了上位機監控界面，整體設計框圖如圖3所示。

圖3 風儲直流微電網智能監控系統整體設計框圖

根據上述設計，進行仿真和上位機系統運行，實時傳送風儲直流微電網仿真運行中風速、風機功率、蓄電池功率、蓄電池SOC等信息，并在Unity 3D監控界面上進行顯示，運行結果如圖4所示。

圖4 風儲直流微電網上位機監控系統

3 結束語

文章主要設計了風儲直流微電網上位機監控系統及相應控制策略的仿真運行，實現了MATLAB/Simulink中主要仿真數據（風力發電系統、儲能系統等）在Unity 3D界面中的實時顯示，從而有效提高了系統監控的實時性。