基于分層主從協調結構的微電網智能管理系統

林慧婕，張宇峰，孫季澤

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；2.國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

氣候變化的持續威脅要求全球快速轉向可持續能源系統。增加可再生能源對于我國的減碳戰略至關重要，同時需要更高效地利用電網，以提高可變可再生電力的滲透率。值得一提的是，電池儲能系統（Battery Energy Storage Systems, BESS）在提供輔助服務（Ancillary Service）方面發揮著關鍵作用。而支持電網、實現微電網運行和參與恢復非計劃孤島（Unintentional Islanding）是BESS 未來應用的新方向。

目前，主要設備制造商已經得到電網的支持和安全開發更加有效的BESS 解決方案[1]。之前的許多文獻研究了BESS 在電力系統中的集成，包括技術和市場[2-4]，而得出的一般觀點是有效地集成和利用BESS 取決于儲能系統的高效控制能力。因此，許多工作致力于開發智能控制系統，通過分布式BESS[5]為電網提供輔助服務，或者在微電網配置中控制包括BESS[6]在內的并網混合電力系統[7]。

本文提出了一種新的控制邏輯，通過分層智能轉換器架構實現微電網中發電機、負荷和混合儲能系統（Hybrid Energy Storage System, HESS）的協調管理，旨在使得微電網儲能系統為電網提供更優的輔助服務。具體來說，本文的控制邏輯集成了一種新算法，用于評估BESS，提供電網輔助服務的能力，并協調管理BESS-雙電層電容（Supercapacitor）的充放電，以確保BESS 能夠保持所需的電力。本文的工作分為：

1）使用PiCon-RET 工具[8]配置和開發主從智能轉換器架構。PiCon-RET 是基于SPEA-Ⅱ算法和電熱設計程序相結合的多目標優化工具，可幫助設計人員配置不同能源場景的智能轉換器。

2）通過軟件開發了一種可用于微電網資源協調管理和BESS-雙電層電容的耦合智能控制算法。

3）以一個并網住宅微電網的案例為例，對所提出的控制方法的有效性進行測試。

1 本文方法

1.1 主從架構設計

本文的主從架構致力于微電網系統和設備的協調控制。所考慮的能源環境如圖1 所示，微電網中的所有資源包括BESS、雙電層電容、交流負荷（AC Load）和直流負荷（DC Load），以及分布式發電機組，都由主轉換器（Master Converter, MC）控制，MC 管理分布在資源中的智能轉換器從器（Smart Converter Slaves, SCS）集群。HESS 算法通過軟件編程，集成到更通用的MC 控制流程中，使得BESS 和雙電層電容協同工作。

圖1 微電網主從方案

具體來說，MC 持續從SCS1、SCS2 和SCS3 接收可再生能源(Renewable Energy Sources, RES)數據，并從SCS6、SCS7、SCS8、SCS9 和SCS10 接收負荷數據。此外，它驗證BESS 的荷電狀態(State of Charge, SoC)的瞬時值（SCS4）和雙電層電容的狀態（SCS5）。

基于這些信息，MC 能夠在能量流之間進行連續的匹配，并應用所提出的控制邏輯。為了最大限度地利用可再生能源，減少從電網中提取的電量，并應用BESS-雙電層電容的協調控制以提高提供輔助服務的能力，MC 按照表1 中總結的步驟進行操作。

1.2 BESS-雙電層電容的協調管理

在當前的能源場景中，儲能系統越來越多地用于支持電網的可靠運行。在過去的10年中，電池管理系統（Battery Management System, BMS）中已經嵌入了算法來驗證SoC 的瞬時值是否在可接受的范圍內，即放電的最小值（minSoC）和充電的最大值（maxSoC）之間的范圍，以確保電池的安全。之前的許多研究還提出了BESS 控制算法，以改進BESS 在微電網運行期間參與輔助服務的能力[5-7]。為此，當BESS 的能量儲備不足時，控制算法會從電網獲取所需能量。本文中，將在更高的層次上集成一個額外的控制邏輯到之前的邏輯中，將文獻[9]中的邏輯擴展到HESS，提出了一種新的控制算法來協調BESS 和雙電層電容的運行，允許更快地從雙電層電容中恢復BESS 的能量儲備，從而更有效地向電網提供輔助服務，如圖2 所示。

圖2 BESS SoC 虛擬帶

該算法允許將BESS 的SoC 保持在能量恢復帶內（即圖2 中灰色區域，mnrSoC 和mxrSoC 之間），該SoC 區間可以確保BESS 能夠參與頻率恢復過程，即確保在微電網運行期間為下一個頻率偏差提供所需的能量恢復儲備。

2 實驗結果與分析

在本節中，通過提出的MC 對微電網進行管理，并以一個案例進行了測試，用于表明MC 控制應用于所提出的智能轉換器主從架構(包括BESS-雙電層電容的組合管理)的有效性。在文獻[9]中已經證明了引入控制算法后可以提高BESS 平衡電網的能力，因此本文并不對其進行驗證。本節對開發并嵌入在微電網主從轉換器體系結構中的控制邏輯進行了仿真，并將其應用于覆蓋一幢由8 套公寓組成的建筑的并網住宅微電網中，其中太陽能發電系統（Photo Voltaic, PV）、BESS 和雙電層電容用于滿足AC 和DC 住宅負荷的能量需求。

微電網中的BESS 是一個多層鋰離子電池，設計用于儲存在5 月份的北京市順義區（緯度坐標40.136 57°，經度坐標116.607 73°）太陽能系統產生能量的25%，其中每個層均用于覆蓋一個公寓的AC 吸收。BESS 通過雙向DC/AC 轉換器與電網連接，用于供應AC 負荷，但不能供應DC 負荷，因為DC 負荷同時連接到雙電層電容和電網。具體來講，雙電層電容通過雙向DC/AC 與電網連接，用于滿足DC 負荷，并對BESS 的充放電進行調節，將BESS 的SoC 帶回能量恢復帶，如第1.2 節所示。

MC 根據圖1 中提供的操作模式和表1 中描述的邏輯步驟，管理分布在微電網資源中的SC 集群，包括BESS、雙電層電容、DC 負荷、AC 負荷以及PV 系統。

主要資源和微電網參數說明如表2 所示。

表2 仿真參數

每個公寓的負荷曲線是根據典型的北京四口之家的客戶消費行為的平均需求趨勢進行構建[10]，包括家用AC 電器（包括1 臺冰箱、1 臺洗衣機、4 臺空調和1 臺電飯煲）和家用DC 電器（4 部智能手機、1 臺平板式計算機和1 臺便攜式計算機）的平均功耗。

為了驗證提出模型的有效性，進行了兩次仿真實驗。第一次仿真評估了正常運行條件下的微電網運行；第二次仿真在某個時間點模擬了6 套公寓同時斷開（模擬負荷過程），以驗證當發生不平衡現象時，BESS 參與恢復過程的能力，以及BESS 能否回到能量恢復帶。能量恢復帶設置在40%（mnrSoC）～60%（mxrSoC）之間，而BESS 的安全SoC 范圍為20%（minSoC）～90%（maxSoC）。

2.1 第一次仿真

本次仿真從午夜開始，此時BESS 的SoC 為50%，持續24 h，實驗結果如圖3 所示。

圖3 BESS SoC 虛擬帶的仿真結果

由于夜間電力需求較低，BESS便可滿足。在6：00—19：00 之間，雙電層電容開始確保DC 負荷的充電，以滿足居民的需求。然后BESS 滿足AC 電力需求。白天時PV 首先給電池充電，直到達到最大SoC，然后對雙電層電容充電。此操作避免了額外的AC/DC 轉換，有助于減少微電網的損耗。一旦家庭成員在18：00 返回家中，因為需要對移動設備和便攜設備進行充電，此時電力需求增加，并在20：00—22：00 之間達到峰值消耗。如圖3 所示，在19：00—20：00 期間，MC 控制雙電層電容開始運作。然后BESS 滿足能量吸收到21：00，之后需要電網干預到午夜。

2.2 第二次仿真

第二次仿真假設在00：57 發生了微電網的不平衡現象，如圖4 所示。為了模擬不平衡現象，對其施加了突然的負荷減少（負荷削減：-75%）。在電網恢復平衡過程中，當BESS SoC 等于61%時，本次仿真評估了所提出的控制策略將BESS SoC 帶入能量恢復帶的能力，以確保其參與其他電網平衡過程的潛力。

圖4 正常運行狀態下的BESS SoC 圖

此外，為了驗證應用所提出的控制方法和雙電層電容進行快速BESS 充電的有效性，進行了另外的3 次仿真，如圖5 所示。

圖5 平衡恢復過程后的BESS SoC 圖

在第一種情況下，控制器關閉，雙電層電容僅用于滿足DC 負荷（雙電層電容與BESS 斷開連接）；在第二種情況下，控制器打開，雙電層電容僅用于滿足DC 負荷（雙電層電容與BESS 斷開連接）；在最后一種情況下，控制器打開，雙電層電容與BESS 連接在一起。

如圖5 所示，在第一種情況下，BESS 在參與平衡恢復后，遠離mxrSoC（負荷斷開且控制器關閉）；在第二種情況下，MC 采取行動將BESS SoC 帶回能量恢復帶。BESS 向電網提供多余的能量，BESS SoC 在2～5 min 內恢復到能量恢復帶。在最后一種情況下，MC 再次采取行動將BESS SoC 帶回能量恢復帶，但是BESS 多余的能量被雙電層電容獲取。此時BESS SoC 不到1 min 恢復到能量恢復帶，因此，這個過程比第二種情況快得多。可以表明，嵌入在MC 和HESS 中的所提控制算法的聯合使用有助于確保BESS 向電網提供輔助服務。

3 結 論

本文提出一種新的控制邏輯，通過分層智能轉換器架構實現微電網中發電機、負荷和混合儲能設備的協調管理。提出方法被嵌入到一個主轉換器中，并允許與分布在微電網資源之間的從轉換器協作在線管理電力通量。對微電網發電、吸收和電池-雙電層電容儲能系統進行的智能協調，可以使得存儲設備為電網提供更好的輔助服務。最后，將智能變換器主從架構，包括BESS-雙電層電容聯合管理算法，應用于居民區的并網微電網中，驗證了本文方法的有效性。