肖朝霞 賈 雙 朱建國 樊世軍

(天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387)

風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率控制策略

肖朝霞 賈 雙 朱建國 樊世軍

(天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387)

主動(dòng)配電網(wǎng)環(huán)境下，將發(fā)電具有間歇性和隨機(jī)性特點(diǎn)的小風(fēng)電、光伏發(fā)電與蓄電池組成微電網(wǎng)，協(xié)調(diào)控制其內(nèi)的多個(gè)可再生發(fā)電單元使其成為發(fā)電功率分時(shí)恒定的發(fā)電單元或者負(fù)荷，既方便配電網(wǎng)對微電網(wǎng)群的調(diào)度和管理，又能促進(jìn)分布式可再生能源的安全消納。在綜合考慮風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)風(fēng)速曲線和光照條件瞬時(shí)變化且儲(chǔ)能容量配置較小等實(shí)際情況下，提出一種分層協(xié)調(diào)控制策略。首先根據(jù)每時(shí)段風(fēng)速及光照強(qiáng)度預(yù)測信息給出了聯(lián)絡(luò)線分時(shí)交換功率的計(jì)算方法，上層中心控制器將該聯(lián)絡(luò)線交換功率參考值與上級主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心通信，制定分時(shí)聯(lián)絡(luò)線交換功率。上層中心控制器并依據(jù)此分時(shí)功率需求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行模式的選擇及切換以及底層控制器的選擇和管理。該分層控制策略實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)的無縫轉(zhuǎn)換，保證了風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)按照聯(lián)絡(luò)線交換功率需求輸出，即聯(lián)絡(luò)線功率分時(shí)恒定。當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電和光伏輸出的瞬時(shí)功率之和與聯(lián)絡(luò)線交換功率需求相差較大時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)部分棄風(fēng)棄光。該文建立了風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提策略的正確性與有效性。

風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng) 聯(lián)絡(luò)線功率分時(shí)恒定 分層協(xié)調(diào)控制 中心控制器 底層控制器

0 引言

分布式發(fā)電是可再生能源發(fā)展的主要途徑之一，而微電網(wǎng)是集成分布式可再生能源發(fā)電的重要形式[1-5]。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)和主動(dòng)配電網(wǎng)的發(fā)展，未來主動(dòng)配電網(wǎng)中分布式發(fā)電和微電網(wǎng)必將規(guī)模化應(yīng)用[6，7]?；谶@種控制方案，如何對微電網(wǎng)或微電網(wǎng)群進(jìn)行有效的管理、調(diào)度和控制，使其對大電網(wǎng)來說成為一個(gè)“好公民”，即成為一個(gè)發(fā)電功率分時(shí)恒定的發(fā)電單元或者負(fù)荷，方便配電網(wǎng)在未來的電力市場環(huán)境下對其進(jìn)行調(diào)度且輔助電網(wǎng)運(yùn)行，成為微電網(wǎng)領(lǐng)域一個(gè)有意義的研究課題。常規(guī)分布式可再生電源，如光伏、風(fēng)電等，其出力具有間歇性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，存在輸出功率波動(dòng)大、穩(wěn)定性差、可靠性差等缺點(diǎn)。將發(fā)電具有間歇性和隨機(jī)性特點(diǎn)小風(fēng)電、光伏發(fā)電與蓄電池組成風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)，通過制定合理的控制策略對風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制和能量管理，使其與大電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線輸出功率分時(shí)恒定，可充分發(fā)揮分布式可再生能源發(fā)電的潛力，促進(jìn)分布式可再生能源安全消納，利于未來主動(dòng)配電網(wǎng)對微電網(wǎng)和微電網(wǎng)群的調(diào)度管理。

國內(nèi)外對風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[8-12]提出了微電網(wǎng)分層控制的思想，但主要基于下垂控制的獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)。文獻(xiàn)[13]提出了采用熱泵負(fù)荷的啟停來平抑微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)的方法。文獻(xiàn)[11]提出了利用復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)分別平抑風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率在不同時(shí)間段的波動(dòng)。文獻(xiàn)[14]分析了風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)以及數(shù)學(xué)模型，提出了一種儲(chǔ)能充放電優(yōu)化控制來平滑系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)。文獻(xiàn)[15]針對間歇性能源并網(wǎng)出力波動(dòng)較大，提出一種有效抑制功率波動(dòng)且改善低電壓穿越能力的風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型及其控制策略。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了聯(lián)合控制模式和場站控制模式，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)、光、儲(chǔ)獨(dú)立控制和互補(bǔ)控制的無縫切換，并提出考慮了儲(chǔ)能荷電狀態(tài)反饋的改進(jìn)平滑控制策略和“風(fēng)光捆綁、儲(chǔ)能解耦”的協(xié)調(diào)跟蹤策略。文獻(xiàn)[17] 為改善風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)功率輸出波動(dòng)特性和降低儲(chǔ)能功率補(bǔ)償壓力，提出了一種在線滾動(dòng)優(yōu)化和有功實(shí)時(shí)控制相結(jié)合的功率協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法。文獻(xiàn)[18] 提出一種蓄電池和采用電熱泵可控負(fù)荷作為虛擬儲(chǔ)能來平抑微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略。通過為虛擬儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)置兩種不同時(shí)間常數(shù)的巴特沃茲濾波器，實(shí)現(xiàn)其分別平抑微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)中的高頻和低頻成分。文獻(xiàn)[19，20]為了抑制高可再生能源滲透率并網(wǎng)微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)對電網(wǎng)的不利影響，根據(jù)出力波動(dòng)的頻譜分析結(jié)果平滑出力波動(dòng)，并提出了用于控制微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率輸出的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化確定方法。

本文首先提出了一種聯(lián)絡(luò)線功率分時(shí)恒定的計(jì)算方法。其次，設(shè)計(jì)了風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中采用了蓄電池通過DC-DC變換器直接連接在光伏側(cè)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)方便利用光伏功率-電壓輸出特性與儲(chǔ)能的配合，因此增加了光儲(chǔ)微電網(wǎng)對內(nèi)部電源的可調(diào)度維度。該結(jié)構(gòu)所采用的一次設(shè)備較少，并充分發(fā)揮了光伏單元的功率調(diào)節(jié)作用減小了儲(chǔ)能的配置，并與其內(nèi)風(fēng)電單元的配合實(shí)現(xiàn)了聯(lián)絡(luò)線交換功率的分時(shí)恒定輸出。提出的分層協(xié)調(diào)控制策略充分考慮了風(fēng)速曲線和光照條件瞬時(shí)變化且儲(chǔ)能容量配置較小等實(shí)際情況下系統(tǒng)的各種實(shí)際運(yùn)行工況，并模擬各類實(shí)際工況的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了不同運(yùn)行狀態(tài)間的無縫轉(zhuǎn)換。然后介紹了風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，給出了聯(lián)絡(luò)線交換功率分時(shí)恒定的參考功率計(jì)算方法和風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)各種可能運(yùn)行狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，同時(shí)介紹了風(fēng)電單元的最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制和變槳距控制、光伏側(cè)逆變器的恒功率控制器和蓄電池各種充放電控制。最后給出了系統(tǒng)參數(shù)和仿真結(jié)果及分析。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一次回路和控制系統(tǒng)。一次回路主要包括雙饋風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元以及由蓄電池組成的儲(chǔ)能單元。雙饋風(fēng)力發(fā)電單元包括風(fēng)力機(jī)、變速齒輪箱、雙饋發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)子側(cè)的背靠背變頻器，雙饋發(fā)電機(jī)直接連接至風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)交流母線。光伏電池經(jīng)防反二極管與蓄電池組通過雙向DC-DC連接到直流母線，逆變后的交流輸出經(jīng)L型濾波器接至交流母線。風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)通過升壓變壓器接入配電網(wǎng)。

圖1 風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of a hybrid wind-photovoltaic-energy storage system

控制系統(tǒng)包括上層中心控制器和底層控制器。上層中心控制器是微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)制定風(fēng)光發(fā)電預(yù)測、負(fù)荷預(yù)測、聯(lián)絡(luò)線分時(shí)交換功率的計(jì)算、系統(tǒng)運(yùn)行模式的選擇及切換、風(fēng)電和光伏單元底層控制器選擇和控制器參考值計(jì)算、蓄電池充放電控制器的選擇和管理等。通過協(xié)調(diào)控制微電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電、光伏和蓄電池單元，滿足主動(dòng)配電網(wǎng)的調(diào)度需求，實(shí)現(xiàn)與主動(dòng)配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線交換功率的分時(shí)恒定。底層控制器包括風(fēng)電單元最大功率跟蹤控制器、變槳距控制器、光伏單元側(cè)逆變器恒功率控制器和蓄電池充放電控制器。其中蓄電池充放電控制包括光伏最大功率跟蹤的充放電控制和恒流恒壓充電控制。

2 上層中心控制器

2.1 聯(lián)絡(luò)線分時(shí)恒定功率值的計(jì)算

采用電量平衡法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)線分時(shí)恒定功率值的計(jì)算。忽略系統(tǒng)自身損耗，設(shè)風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)任意時(shí)刻輸出的總有功功率為

Pgl=Pw+Pv+Pb

(1)

式中，Pgl為風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)向電網(wǎng)輸送的有功功率；Pw、Pv、Pb分別為風(fēng)力發(fā)電單元、光伏單元和蓄電池輸出的有功功率。當(dāng)蓄電池放電時(shí)Pb為正，充電時(shí)Pb為負(fù)。

假定已知在調(diào)度時(shí)段T內(nèi)的預(yù)測風(fēng)速曲線和光照曲線，可計(jì)算調(diào)度時(shí)段T內(nèi)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電所發(fā)出的電量分別為Ww、Wv。

(2)

則調(diào)度時(shí)段T內(nèi)，微電網(wǎng)可發(fā)電的平均功率為

(3)

儲(chǔ)能容量的選擇要確保微電網(wǎng)輸出功率平滑，一般采用電量平衡法和電力平衡法。電量平衡一般通過計(jì)算某時(shí)段內(nèi)微電網(wǎng)所有發(fā)電電源的發(fā)電電量或關(guān)鍵負(fù)荷在該時(shí)段所需電量，蓄電池容量等于該發(fā)電量或該所需電量。電力平衡法一般通過分析該時(shí)段所有發(fā)電電源瞬時(shí)發(fā)電功率之和與平均功率最大的峰谷差，以最大峰差決定蓄電池充電電流大?。灰运邪l(fā)電電源發(fā)電的平均功率確定蓄電池的最大放電電流。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及切換

風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的典型運(yùn)行狀態(tài)和功率流動(dòng)如圖2所示。

圖2 風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)Fig.2 Operation states of wind-photovoltaic-energy storage system

運(yùn)行狀態(tài)I：微電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電、光伏和蓄電池同時(shí)向電網(wǎng)送電，保證與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率在時(shí)間段T內(nèi)恒定，即Pw+Pv+Pb=PT。此時(shí)蓄電池處于放電狀態(tài)，光伏和風(fēng)電均為MPPT運(yùn)行，變流器DC-DC實(shí)現(xiàn)光伏MPPT的同時(shí)使蓄電池放電，變流器DC-AC處于逆變狀態(tài)且恒功率運(yùn)行，其參考功率為Pref=PT-Pw。

運(yùn)行狀戊II：微電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電切出，光伏和蓄電池同時(shí)向電網(wǎng)送電保證與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率在時(shí)間段T內(nèi)恒定，即Pv+Pb=PT。此時(shí)蓄電池處于放電狀態(tài)，光伏MPPT運(yùn)行，變流器DC-DC實(shí)現(xiàn)光伏MPPT的同時(shí)使蓄電池放電，變流器DC-AC處于逆變狀態(tài)且恒功率運(yùn)行，其參考功率為Pref=PT。

運(yùn)行模式III：微電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電向電網(wǎng)送電，保證與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率在時(shí)間段T內(nèi)恒定，同時(shí)與光伏同時(shí)給蓄電池充電，即Pw-PT+Pv=Pb。此時(shí)蓄電池處于充電狀態(tài)，光伏和風(fēng)電均為MPPT運(yùn)行，變流器DC-DC實(shí)現(xiàn)光伏MPPT的同時(shí)使蓄電池充電，變流器DC-AC處于整流狀態(tài)且恒功率運(yùn)行，其參考功率為Pref=Pw-PT。

運(yùn)行狀態(tài)IV：當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電和光伏的輸出功率較大，在保證與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率在時(shí)間段T內(nèi)恒定的同時(shí)給蓄電池充電并超過了蓄電池的最大充電電流，即Pw-PT+Pv=Pbmax，Pbmax為蓄電池的最大充電功率，一般為蓄電池容量的20%。此時(shí)蓄電池處于充電狀態(tài)，風(fēng)電為MPPT運(yùn)行，通過升高光伏側(cè)直流母線電壓限制光伏輸出，光伏部分棄光，變流器DC-DC實(shí)現(xiàn)限制光伏功率輸出的同時(shí)使蓄電池充電，變流器DC-AC處于整流狀態(tài)且恒功率運(yùn)行，其參考功率為Pref=PT-Pw。

運(yùn)行狀態(tài)V：當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電和光伏的輸出功率非常大以致光伏必須完全棄光且風(fēng)電限制其部分輸出，風(fēng)電向電網(wǎng)送電保證與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率在時(shí)間段T內(nèi)恒定，同時(shí)給蓄電池以最大電流充電，即Pw-PT=Pbmax。此時(shí)蓄電池處于充電狀態(tài)，風(fēng)電為變槳距運(yùn)行，變流器DC-DC實(shí)現(xiàn)光伏軟關(guān)閉同時(shí)使蓄電池充電，變流器DC-AC處于整流狀態(tài)且恒功率運(yùn)行，其參考功率為Pref=Pw-PT。

運(yùn)行狀態(tài)VI：微電網(wǎng)內(nèi)光伏切出，風(fēng)電和蓄電池同時(shí)向電網(wǎng)送電保證與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率在時(shí)間段T內(nèi)恒定，即Pw+Pb=PT。此時(shí)蓄電池處于放電狀態(tài)，風(fēng)電MPPT運(yùn)行，變流器DC-DC保證蓄電池放電且維持直流母線電壓恒定，實(shí)現(xiàn)光伏軟關(guān)閉，變流器DC-AC處于逆變狀態(tài)且恒功率運(yùn)行，其參考功率為Pref=PT-Pw。

運(yùn)行狀態(tài)VII：微電網(wǎng)內(nèi)光伏切出，風(fēng)電向電網(wǎng)送電保證與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率在時(shí)間段T內(nèi)恒定且給蓄電池充電，即Pw-Pb=PT。此時(shí)蓄電池處于充電狀態(tài)，風(fēng)電MPPT運(yùn)行，變流器DC-DC保證蓄電池充電且維持直流母線電壓恒定，實(shí)現(xiàn)光伏軟關(guān)閉，變流器DC-AC處于整流狀態(tài)且恒功率運(yùn)行，其參考功率為Pref=PT-Pw。

運(yùn)行狀態(tài)VIII：微電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電和光伏同時(shí)向電網(wǎng)送電保證與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率在時(shí)間段T內(nèi)恒定，光伏給蓄電池充電，即Pw+Pv-Pb=PT。此時(shí)蓄電池處于充電狀態(tài)，風(fēng)電和光伏均為MPPT運(yùn)行，變流器DC-DC實(shí)現(xiàn)光伏MPPT的同時(shí)使蓄電池充電，變流器DC-AC處于逆變狀態(tài)且恒功率運(yùn)行，其參考功率為Pref=PT-Pw。

運(yùn)行狀態(tài)IX：蓄電池放電保證聯(lián)絡(luò)線功率恒定，即Pb=PT。此時(shí)變流器DC-DC保證蓄電池放電且維持直流母線電壓恒定，實(shí)現(xiàn)光伏軟關(guān)閉，變流器DC-AC處于逆變狀態(tài)且恒功率運(yùn)行，其參考功率為Pref=PT。

在狀態(tài)IV和狀態(tài)V，蓄電池達(dá)到了最大充電電流，其充電模式有兩種：當(dāng)蓄電池端電壓小于蓄電池最大電壓的95%時(shí)，以恒定電流充電即恒流充電模式；當(dāng)蓄電池端電壓大于蓄電池最大電壓的95%時(shí)，以恒定電壓充電即恒壓充電模式。

根據(jù)風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)的上述典型運(yùn)行狀態(tài)，分析所有運(yùn)行狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換條件，給出了典型運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，見表1。其中Pmpp為光伏輸出的最大功率。其中光伏運(yùn)行限制以10 kW為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)光伏出力小于10 kW或微電網(wǎng)需要完全限制其輸出時(shí)，光伏單元關(guān)閉。風(fēng)電應(yīng)運(yùn)行在允許風(fēng)速范圍，當(dāng)風(fēng)速小于最小切入風(fēng)速vmin時(shí)，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。

表1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略Tab.1 System operating state conversion strategy

3 底層控制器

3.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電控制

雙饋風(fēng)力發(fā)電的控制系統(tǒng)采用變槳距變速恒頻風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。底層控制器包括最大風(fēng)能追蹤控制和變槳距控制[21]。

圖3 雙饋風(fēng)電單元底層控制器Fig.3 Local controller of wind generation unit

3.2 光伏側(cè)逆變器控制

光伏側(cè)逆變器控制主要采用恒功率控制，如圖4所示，由功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成，可實(shí)現(xiàn)逆變器輸出有功功率和無功功率的解耦控制[22]。

圖4 光伏側(cè)逆變器的恒功率控制Fig.4 Constant active and reactive power controller of PV-inverter

3.3 蓄電池充放電控制

蓄電池控制系統(tǒng)由雙向DC-DC變換器組成，包含降壓斬波Buck充電電路和升壓斬波Boost放電電路。蓄電池充電控制器如圖5所示，Ubat、Ibat為蓄電池充放電電壓與電流，UDClink為光伏側(cè)直流母線電壓，Ddutycycle為升降壓模塊開關(guān)占空比。恒流充電控制如圖5a，恒壓充電控制如圖5b，實(shí)現(xiàn)光伏最大功率跟蹤或者軟關(guān)閉的充電控制器如圖5c。

圖5 蓄電池充電控制Fig.5 Battery charge control

蓄電池放電時(shí)，通過Boost升壓電路及其控制電路將UDClink穩(wěn)定在光伏最大功率跟蹤點(diǎn)電壓或者光伏關(guān)閉電壓。當(dāng)光照強(qiáng)度很弱或需要限制光伏輸出時(shí)使其直流母線電壓穩(wěn)定在650 V實(shí)現(xiàn)光伏軟關(guān)閉。其控制器如圖6所示。

圖6 蓄電池放電控制Fig.6 Battery discharge control

4 風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真算例

4.1 系統(tǒng)仿真參數(shù)及條件

利用Matlab/Simulink工具箱搭建了風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)。上層中心控制器使用Simulink中的Stateflow實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主要參數(shù)見表2。光伏最小允許出力為10 kW。

表2 風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.2 The parameters of wind/photovoltaic/energy storage microgrid

考慮光照強(qiáng)度的隨機(jī)變化，選取光照強(qiáng)度曲線如圖7所示，其中考慮了光照的漸變和突變?？紤]風(fēng)速的變化，選取風(fēng)速曲線如圖8所示。切入風(fēng)速為6 m/s，額定風(fēng)速為10.5m/s。

圖7 光照強(qiáng)度曲線圖Fig.7 Illumination intensity curve figure

圖8 風(fēng)速曲線圖Fig.8 Wind speed curve figure

根據(jù)上文所述，參照光照和風(fēng)速曲線進(jìn)行分時(shí)聯(lián)絡(luò)線功率計(jì)算，可得PT=170 kW。其中蓄電池的容量為800 A·h，額定電壓為384 V，蓄電池的最大充電電流為160 A，最小放電電壓為額定電壓的20%。

4.2 仿真結(jié)果分析

仿真時(shí)間設(shè)定為9 s，仿真過程通過設(shè)計(jì)的分層協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)工況完成所有運(yùn)行狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換。仿真中控制目標(biāo)為在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)(例如一個(gè)調(diào)度時(shí)間)保持風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線輸出有功功率和無功功率為期望值。9 s內(nèi)風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電單元、光伏單元、蓄電池、光伏側(cè)逆變器參考功率、聯(lián)絡(luò)線交換功率及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)見表3。

風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)不同運(yùn)行模式下的仿真結(jié)果如圖9所示。

在風(fēng)速變化和光照條件變化時(shí)，由表3和圖9a～圖9c可知，風(fēng)力發(fā)電單元、光伏和蓄電池側(cè)逆變器均能按照要求的參考功率輸出，確保聯(lián)絡(luò)線交換功率分時(shí)恒定。圖9d和圖9e可知，蓄電池的充放電狀態(tài)一旦達(dá)到其最大充電電流時(shí)，就會(huì)被鉗制在最大充電電流。圖9f說明光伏在3s之前關(guān)閉，3～8.2s光伏最大功率跟蹤，之后光伏限制部分輸出。由圖9 g、圖9h和圖9i可知，風(fēng)電單元、光伏側(cè)逆變器及聯(lián)絡(luò)線輸出的無功功率均為0(實(shí)際上，聯(lián)絡(luò)線無功功率亦可按照配電網(wǎng)要求輸出)。同時(shí)，由圖9仿真結(jié)果可知，狀態(tài)轉(zhuǎn)換的瞬間存在瞬時(shí)功率波動(dòng)，該功率波動(dòng)主要由風(fēng)機(jī)的突然起停與蓄電池?zé)o法立即補(bǔ)充和吸收該突變功率造成的，波動(dòng)值在允許范圍內(nèi)。

表3 風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)Tab.3 The operation state of wind/photovoltaic/energy storage micro-grid

圖9 聯(lián)絡(luò)線功率分時(shí)恒定仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of constant tie-line interchange active and reactive power with time

具體分析如下：

0.12～1 s：光照較弱，光伏未達(dá)到輸出條件，風(fēng)速滿足輸出要求，聯(lián)絡(luò)線功率由風(fēng)力發(fā)電機(jī)與蓄電池共同提供，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅵ。

1～1.8 s：光照較弱，光伏未達(dá)到輸出條件，風(fēng)速低于最小切入風(fēng)速，聯(lián)絡(luò)線功率僅由蓄電池提供，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅸ。

1.8～2.5 s：光照較弱，光伏未達(dá)到輸出條件，風(fēng)速滿足輸出要求，聯(lián)絡(luò)線功率由風(fēng)力發(fā)電機(jī)與蓄電池共同提供，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅵ。

2.5～3 s：光照較弱，光伏未達(dá)到輸出條件，風(fēng)速較高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)多余輸出功率沖至蓄電池，聯(lián)絡(luò)線功率僅由風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅶ。

3～3.6 s：光伏達(dá)到輸出條件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率略高于PT，風(fēng)力發(fā)電機(jī)多余輸出功率沖至蓄電池，光伏輸出功率也全部沖至蓄電池，由于光照不強(qiáng)，未達(dá)到充電電流限制，未發(fā)生棄光。聯(lián)絡(luò)線功率僅由風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅲ。

3.6～3.8 s：光伏達(dá)到輸出條件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率略低于PT，光伏將輸出功率部分沖至蓄電池，聯(lián)絡(luò)線功率由風(fēng)力發(fā)電機(jī)，光伏共同提供，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅷ。

3.8～3.9 s：風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率略高于PT，風(fēng)力發(fā)電機(jī)多余輸出功率沖至蓄電池，光伏輸出功率也全部沖至蓄電池，由于光照不強(qiáng)，未達(dá)到充電電流限制，未發(fā)生棄光。聯(lián)絡(luò)線功率僅由風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅲ。

3.9～4.1 s：光伏達(dá)到輸出條件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率低于PT且緩慢下降，光伏將輸出功率部分沖至蓄電池且充電功率逐漸減小，聯(lián)絡(luò)線功率由風(fēng)力發(fā)電機(jī)，光伏共同提供，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅷ。

4.1～5.2 s：聯(lián)絡(luò)線功率由風(fēng)、光、儲(chǔ)共同提供，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅰ。

5.2～6 s：風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率低于PT聯(lián)絡(luò)線功率由風(fēng)光提供，光伏將多余功率沖至蓄電池，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅷ。

6～7 s：絡(luò)線功率由風(fēng)、光、儲(chǔ)共同提供，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅰ。

7～7.9 s：風(fēng)速小于最小切入風(fēng)速，聯(lián)絡(luò)線功率由光儲(chǔ)提供，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅱ。

7.9～8.2 s：聯(lián)絡(luò)線功率由風(fēng)、光、儲(chǔ)共同提供，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅰ。

8.2～8.6 s：風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率高于聯(lián)絡(luò)線功率參考值，光伏將功率充至蓄電池，發(fā)生棄光，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅳ。

8.6～9 s：風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到最大限制，光伏被限制關(guān)閉，聯(lián)絡(luò)線功率僅有風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供，系統(tǒng)運(yùn)行在狀態(tài)Ⅴ。

5 結(jié)論

本文研究了一種分層協(xié)調(diào)控制策略，協(xié)調(diào)控制風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電具有間歇性和隨機(jī)性特點(diǎn)的小風(fēng)電和光伏發(fā)電的輸出功率與蓄電池充放電的配合，實(shí)現(xiàn)了含高滲透率可再生分布式電源的微電網(wǎng)與配電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線交換功率的分時(shí)恒定。在風(fēng)速曲線和光照條件瞬時(shí)變化且儲(chǔ)能容量配置較小等實(shí)際情況下，該分層協(xié)調(diào)控制策略保證了系統(tǒng)多個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的可靠運(yùn)行及無縫轉(zhuǎn)換。同時(shí)聯(lián)絡(luò)線功率參考值的計(jì)算方法和蓄電池的配置方法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)最小程度的棄風(fēng)棄光。該分層協(xié)調(diào)控制方法使未來主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度和管理其內(nèi)的多個(gè)微電網(wǎng)成為一種可能。

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(編輯 赫蕾)

Tie-Line Power Flow Control Strategy for a Grid-Connected Microgrid Containing Wind，Photovoltaic and Battery

XiaoZhaoxiaJiaShuangZhuJianguoFanShijun

(Key Laboratory of New Technology For Electric Power Tianjin Polytechnic University Tianjin 300387 China)

In an active distribution network environment, the intermittent and random renewable generation units, such as small wind generation, photovoltaic(PV), and energy storage unit, e.g. battery, can be combined to form a microgrid (MG). The microgrid can be controlled as a generator or a load with a timed constant power flow by coordinating the power output of its multiple renewable generation units. This way is helpful for the active distribution network to dispatch and manage the microgrid group and to promote the penetration of distributed renewable energy sources. A hierarchical coordination control strategy is employed by considering the change of wind speed and solar radiation intensity as well as the limited storage capacity. A method to calculate the expected interchange power plow of the microgrid tie-lineaccording to predicted wind speed and solar radiation intensity in each time period is presented. A central controller is designed to formulate the plan of microgrid tie-line interchange power plow with the dispatch center of the active distribution network by communicating with upper active distribution grid center. The central controller can also select the correct operation modes and achieve the smooth switch between different operation modes, to select and manage the local controllers. The hierarchical control strategy realizes the seamless transformation of the running state, and ensures the output power flow of the microgrid to follow the demand of the tie-line interchange power. When the difference between the sum of output instantaneous power of wind generation, PV in the microgrid and tie-line interchange power plow is big, the microgrid may partly abandon the generation active power of wind and PV power generation. A simulation model of wind/PV/battery microgrid is established and the simulation results confirm the effectiveness of the proposed control strategy.

Wind/PV/battery microgrid，timed constant power flow of microgrid tie-line，hierarchical coordination control，center controller，local controller

國家自然科學(xué)基金(51577124)、天津市重點(diǎn)基金(15JCZDJC32100)和天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(15JCZDJC32100)資助。

2016-07-21 改稿日期2016-09-02

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.161151

TM615

肖朝霞 女，1981年生，博士，副教授，研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電技術(shù)與微電網(wǎng)。

E-mail：xiaozhaoxia@tjpu.edu.cn(通信作者)

賈 雙 男，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電控制。

E-mail：15900299909@163.com