張 運，姜 望，張 超，黃曉巍，陳 曦，趙上林

基于儲能荷電狀態(tài)的主從控制微電網(wǎng)離網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略

張 運1，姜 望1，張 超1，黃曉巍1，陳 曦1，趙上林2

(1.國網(wǎng)鹽城市大豐區(qū)供電公司，江蘇 鹽城 224100；2.南京工程學院電力工程學院，江蘇 南京 211167)

雙碳和新型電力系統(tǒng)建設(shè)目標下集成優(yōu)化資源的微電網(wǎng)將是電網(wǎng)公司實現(xiàn)該目標的重要載體。微電網(wǎng)支持并網(wǎng)或離網(wǎng)運行，其離網(wǎng)運行可以提高供電可靠性，這是微電網(wǎng)的重要特性。離網(wǎng)運行的微電網(wǎng)需要合適的穩(wěn)態(tài)控制策略，以保證微電網(wǎng)的長期穩(wěn)定運行。目前一些依賴預測信息和采用模糊智能算法的能量管理方法在微電網(wǎng)的長期實際運行中會產(chǎn)生較大的穩(wěn)態(tài)控制誤差。為了更好地解決微電網(wǎng)離網(wǎng)運行時電力電量平衡定量的計算問題，提高微電網(wǎng)離網(wǎng)穩(wěn)態(tài)控制精度，研究了基于儲能電池荷電狀態(tài)的主從控制微電網(wǎng)離網(wǎng)實時穩(wěn)態(tài)協(xié)調(diào)控制策略，提出了微電網(wǎng)離網(wǎng)有功協(xié)調(diào)控制間歇電源調(diào)整、負荷調(diào)整、微電網(wǎng)停運等關(guān)鍵操作中儲能荷電狀態(tài)控制節(jié)點值的精確工程計算方法。針對實際微電網(wǎng)應用工程開展了協(xié)調(diào)控制策略的具體應用，仿真和實際運行證明了所提控制策略和計算方法的有效性。

微電網(wǎng)；協(xié)調(diào)控制策略；主從控制；荷電狀態(tài)；離網(wǎng)

0 引言

中國“碳達峰、碳中和”目標的世界宣告和“要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”目標的提出，預示著未來電力領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生深刻變革。有效集成分布式電源、儲能和負荷等資源的微電網(wǎng)將成為電網(wǎng)公司雙碳行動的一個重要載體。微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時能起到集成優(yōu)化的效果，在電網(wǎng)發(fā)生故障或檢修時，微電網(wǎng)可切換成離網(wǎng)運行繼續(xù)保持對負荷的供電，從而提高電網(wǎng)的供電可靠性。同時在一些高海拔、海島、邊防、無電地區(qū)，由于地理位置偏遠，負荷較少且較為分散，電網(wǎng)覆蓋的成本很高，離網(wǎng)型微電網(wǎng)則是一個很好的供電解決方案。

離網(wǎng)運行的微電網(wǎng)內(nèi)電源基本為風力發(fā)電和光伏發(fā)電，為了平抑間歇性能源發(fā)電的波動性，微電網(wǎng)內(nèi)需配置儲能設(shè)備[1-5]，除有特殊運行工況外，微電網(wǎng)內(nèi)基本不再配置燃料電源(如柴油發(fā)電機)。微電網(wǎng)的控制技術(shù)目前以主從控制和對等控制為主，主從控制相對簡單且運行更為可靠穩(wěn)定[6-10]。主從控制模式微電網(wǎng)內(nèi)的間歇性電源、儲能和負荷之間一般都沒有通信聯(lián)系，微電網(wǎng)還需配置上級協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以保證微電網(wǎng)長時間穩(wěn)定運行。

目前微電網(wǎng)的離網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行控制策略有多時間尺度的優(yōu)化調(diào)度策略，基于魯棒優(yōu)化、概率優(yōu)化等不確定性方法的調(diào)度策略等[11-21]，這些方法存在依賴預測信息和大量歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)的問題，增加了能量管理策略的實現(xiàn)復雜度，降低了微電網(wǎng)實際運行中的控制精確性。文獻[22-25]研究了基于儲能電池荷電狀態(tài)(State Of Charge, SOC)值的微電網(wǎng)離網(wǎng)控制策略，但還存在缺乏控制策略定量計算方法的問題。本文針對典型的主從控制模式微電網(wǎng)，研究了微電網(wǎng)的工程實用離網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略定量計算方法，并應用于實際微電網(wǎng)工程，可為主從控制微電網(wǎng)工程建設(shè)應用提供參考。

1 主從控制模式微電網(wǎng)

主從控制模式微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。微電網(wǎng)中的電源含有風力發(fā)電和光伏發(fā)電，負荷劃分為重要負荷和非重要負荷兩類，整個微電網(wǎng)配置一套儲能。

圖1 主從控制模式微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)

正常運行時，儲能單元采取恒壓恒頻控制(V/f控制)，用于穩(wěn)定微電網(wǎng)母線電壓，向微電網(wǎng)中的風力發(fā)電和光伏發(fā)電提供電壓和頻率參考，其在微電網(wǎng)控制中起主控作用[9]，風力發(fā)電和光伏發(fā)電則采用功率控制(PQ控制)，其在微電網(wǎng)控制中起從控作用。微電網(wǎng)內(nèi)功率的動態(tài)波動由儲能來吸收，當電源的功率大于負荷的功率時，儲能表現(xiàn)為充電，當電源的功率小于負荷的功率時，儲能表現(xiàn)為放電。微電網(wǎng)內(nèi)的儲能控制器、風力發(fā)電控制器和光伏發(fā)電控制器都根據(jù)各自變換器輸出端口所測量得到的電壓和電流信息進行控制，控制器相互之間沒有通信交互。

儲能作為微電網(wǎng)內(nèi)的主控設(shè)備，其利用儲能變流器的充放電控制實時跟蹤微電網(wǎng)內(nèi)的功率波動。由于儲能電池的容量有限，當微電網(wǎng)內(nèi)的電源功率長期高于負荷功率時，儲能電池長期充電將導致電池SOC值逐漸逼近最大極限值，當微電網(wǎng)內(nèi)的電源功率長期低于負荷功率時，儲能電池長期放電將導致電池SOC值逐漸逼近最小極限值。儲能電池SOC值達到最大最小極限值時會觸發(fā)電池管理系統(tǒng)(Battery Management System, BMS)的保護，停止對電池的使用，從而導致微電網(wǎng)失去其主控設(shè)備，只能停止運行。因此微電網(wǎng)內(nèi)還需配置一個上級協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)[10]，其采集微電網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備信息，進行綜合分析判斷，對微電網(wǎng)內(nèi)的電源和負荷及時進行調(diào)整，以保證微電網(wǎng)的長期穩(wěn)定運行。

如圖1所示，微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)與風電控制器、光伏控制器、儲能控制器、各個支路上的測量儀表等通信獲取到支路功率、支路開關(guān)狀態(tài)、電池SOC值、電池直流總電壓值等信息，運行于系統(tǒng)上的協(xié)調(diào)控制程序根據(jù)這些信息生成控制結(jié)果，由通信下發(fā)給相應開關(guān)和控制器執(zhí)行。

2 離網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略

微電網(wǎng)離網(wǎng)協(xié)調(diào)控制分為有功協(xié)調(diào)控制和無功協(xié)調(diào)控制，由于微電網(wǎng)內(nèi)的無功負荷相對較小，微電網(wǎng)內(nèi)的無功波動可完全由儲能變流器承受，而不需協(xié)調(diào)部分無功給風電逆變器和光伏逆變器，因此微電網(wǎng)無功協(xié)調(diào)控制不需設(shè)計，風電和光伏逆變器以整功率因數(shù)輸出運行。

離網(wǎng)有功協(xié)調(diào)控制策略的核心思想是根據(jù)儲能電池的剩余電量決定電源和負荷功率的調(diào)節(jié)方法。協(xié)調(diào)控制策略中儲能電池SOC值的節(jié)點設(shè)置如圖2所示，協(xié)調(diào)控制的核心內(nèi)容是確定各個SOC節(jié)點值的計算方法和不同SOC節(jié)點區(qū)間內(nèi)的操作控制過程。

圖2 有功協(xié)調(diào)控制節(jié)點設(shè)置示意圖

2.1 間歇電源調(diào)整

儲能的SOC值不斷增大最終會導致電池保護動作引發(fā)微電網(wǎng)停運，因此協(xié)調(diào)控制需考慮儲能的過充保護，在SOC達到一定限值時調(diào)整間歇電源，使得SOC值不會達到電池保護動作值。間歇電源的調(diào)整涉及到兩個定值，即間歇電源功率置零定值low_pw和間歇電源最大功率運行定值up_pw。當SOC小于up_pw時，微電網(wǎng)內(nèi)的間歇電源都設(shè)定為最大功率運行。當SOC大于up_pw時，開啟間歇電源的功率調(diào)節(jié)，減緩電池的充電速度。當SOC大于low_pw時，強制將所有間歇電源的輸出功率調(diào)節(jié)至零，使儲能電池轉(zhuǎn)換為放電。兩個定值的具體計算方法見式(1)和式(2)。

式中：max為儲能電池最大SOC值；pw_max為間歇電源最大發(fā)電功率總和；self為微電網(wǎng)站內(nèi)二次設(shè)備的自耗電功率；inv為協(xié)調(diào)控制程序循環(huán)執(zhí)行時間間隔；N為儲能電池額定容量；c為過充保護系數(shù)，為儲能電池額定容量的百分比。

式(3)是按照單個間歇電源的當前發(fā)電功率在間歇電源總發(fā)電功率中的權(quán)重來分配調(diào)整值。由于各個間歇電源和儲能功率實測值不能保證同步采樣，式(3)的計算精度不高。由于該功率調(diào)節(jié)是一種趨勢控制，對控制精度并沒有嚴格要求，因此式(3)的計算可以接受。

根據(jù)上述內(nèi)容，間歇電源調(diào)整的全部行為可描述如下。

2.2 微電網(wǎng)停運

由于微電網(wǎng)離網(wǎng)運行時沒有電網(wǎng)連接，在沒有備用電源(如柴油發(fā)電機)時，若儲能SOC值逐漸逼近電池最小SOC值，需考慮將微電網(wǎng)停運，保留部分電池電量，為今后的微電網(wǎng)正常開機保留可能。當儲能SOC值小于微電網(wǎng)停運stop定值時，協(xié)調(diào)控制程序停運微電網(wǎng)。定值的計算方法見式(4)。

式中：min為儲能電池最小SOC值；t為停運保電系數(shù)，為儲能電池額定容量的百分比。

2.3 負荷調(diào)整

式中，im為以功率im_max放電使得SOC從op_uim降低至cl_im的時間，該值為工程指定，其值的大小決定了重要負荷投切滯環(huán)與非重要負荷投切滯環(huán)的距離。

式(5)的形成與式(1)相似，只是增加了一項，需考慮微電網(wǎng)在間歇電源發(fā)電功率為零時儲能SOC值跌落至stop定值之前可維持微電網(wǎng)內(nèi)二次設(shè)備自耗電負荷的時間。

綜上所述，主從控制微電網(wǎng)離網(wǎng)有功協(xié)調(diào)控制策略如表1所示。

表1 有功協(xié)調(diào)控制策略

3 微電網(wǎng)工程應用

用于本文控制策略驗證的實際微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用單母線380 V三相網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，含有兩路風電支路(各10 kW)，兩路光伏支路(各15 kW)，一路儲能支路(864 kWh, 100 kW)，一路重要負荷支路(為鄉(xiāng)政府、衛(wèi)生院、學校等供電)，一路非重要負荷支路(為居民供電)。重要負荷最大功率估算為10 kW，非重要負荷最大功率估算為70 kW。

該微電網(wǎng)配置一套微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、通信管理、設(shè)備控制、故障告警、協(xié)調(diào)控制等功能，協(xié)調(diào)控制作為一個獨立的模塊嵌入監(jiān)控系統(tǒng)中。

圖3 實際工程微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

結(jié)合上述協(xié)調(diào)控制定值的設(shè)置，對該微電網(wǎng)進行PSCAD/EMTDC仿真，以驗證協(xié)調(diào)控制策略的有效性。由于微電網(wǎng)規(guī)模較小，線路參數(shù)可忽略不計，重要負荷和非重要負荷用電阻模擬，50 kW的間歇電源用一路25 kW功率可控電源和一路25 kW功率不可控電源模擬，為了模擬對可控電源的功率調(diào)節(jié)，設(shè)定重要負荷為7.3 kW，非重要負荷為29 kW。電源和儲能的直流端均用直流電源模擬，以簡化仿真模型，其并不影響協(xié)調(diào)控制策略的驗證。由于儲能電池SOC的變化很緩慢，仿真中直接給定SOC的變化曲線，仿真時長5 s，步長20ms。

仿真波形如圖4所示，SOC為給定的電池SOC曲線，ss為儲能變流器有功，dg1為可控電源的有功，dg2為不可控電源的有功，il為重要負荷的有功，nil為非重要負荷的有功，a為微電網(wǎng)母線A相電壓的幅值，為微電網(wǎng)的頻率。1 s之前屬于微電網(wǎng)啟動階段：0.3 s之前為儲能啟動，電源和負荷都未投入，0.3 s時投入重要負荷，0.4 s時投入非重要負荷，0.5 s時投入可控電源，0.7 s時投入不可控電源。1 s之后進入?yún)f(xié)調(diào)控制階段：1.5 s時SOC為0.81，調(diào)節(jié)可控電源；2 s時SOC為0.86，切除不可控電源；2.5 s時SOC為0.79，可控電源和不可控電源都恢復最大功率運行；3 s時SOC為0.63，切除非重要負荷；3.5 s時SOC為0.44，切除重要負荷；4 s時SOC為0.51，投入重要負荷；4.5 s時SOC為0.73，投入非重要負荷。從a和的波形來看，每個控制發(fā)生后，都會產(chǎn)生一個持續(xù)時間很短的小擾動。

圖4 協(xié)調(diào)控制仿真波形

該微電網(wǎng)實際工程已正式投入運行(如圖5所示)。前期微電網(wǎng)中的光伏和風力發(fā)電都為不可控電源，非重要負荷的供電線路尚未鋪設(shè)完畢，只為重要負荷供電。由于光伏尚未滿功率安裝，而風力發(fā)電量較少，發(fā)生過幾次重要負荷的投切操作，如圖6所示。后期光伏滿功率安裝后，發(fā)電量充足，發(fā)生過幾次電源的投切操作，如圖7所示，圖中只示出了光伏1和風機1，光伏2和風機2與其類似。

圖5 微電網(wǎng)現(xiàn)場

圖6 微電網(wǎng)中的重要負荷投切

圖7 微電網(wǎng)中的電源投切

實際微電網(wǎng)工程投入運行以來的現(xiàn)場運行表明，微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略是有效的、實用的。

4 結(jié)論

本文分析了主從控制微電網(wǎng)建設(shè)的典型結(jié)構(gòu)，針對典型結(jié)構(gòu)研究了離網(wǎng)運行時的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，可以保障微電網(wǎng)長時間穩(wěn)定運行。在實際的主從控制離網(wǎng)運行微電網(wǎng)工程中，本文的協(xié)調(diào)控制策略得到了應用，實施效果證明了控制策略的有效性，可以為主從控制離網(wǎng)運行微電網(wǎng)的工程建設(shè)提供技術(shù)借鑒。

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Off-grid coordinated control strategy of a master/slave control microgrid based on the state of charge of energy storage

ZHANG Yun1, JIANG Wang1, ZHANG Chao1, HUANG Xiaowei1, CHEN Xi1, ZHAO Shanglin2

(1.State Grid Yancheng Dafeng District Electric Power Company, Yancheng 224100, China; 2.School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)

A microgrid which integrates and optimizes resources within the goal of dual-carbon and new power system construction will be an important carrier for grid companies.The microgrid supports grid-connected or off-grid operation, and its off-grid operation can improve the reliability of power supply.This is an important feature of the microgrid.The off-grid microgrid requires a suitable steady-state control strategy to ensure long-term stable operation.At present, some energy management methods that rely on predictive information and use fuzzy intelligent algorithms will produce greater state control error in the actual long-term operation of the microgrid.In order to better solve the problem of quantitative calculation of power and electricity balance during off-grid operation of the microgrid, and to improve the accuracy of off-grid steady-state control, the real-time steady-state coordination of an off-grid microgrid based on master-slave control of the energy storage battery state of charge is studied.The control strategy puts forward an accurate engineering calculation method for the control node value of the energy storage state of charge in key operations such as intermittent power supply adjustment, load adjustment, and microgrid outage in the off-grid active power coordinated control of the microgrid.The specific application of coordinated control strategy is carried out for an actual microgrid application project.Simulation and actual operation prove the effectiveness of the control strategy and calculation method.This work is supported by the Science and Technology Project of the Headquarters of State Grid Corporation of China (No.SGJS0000DKJS1901020).

microgrid; coordinated control strategy; master-slave control; state of charge; off-grid

10.19783/j.cnki.pspc.210710

2021-06-16；

2021-08-13

張 運(1978—)，男，學士，高工，主要研究方向為微電網(wǎng)運行控制技術(shù)；E-mail: jbdlgs@163.com

張 超(1984—)，男，學士，高工，主要研究方向為配電網(wǎng)規(guī)劃；

陳 曦(1984—)，男，碩士，高工，主要研究方向為電力調(diào)度技術(shù)。

國家電網(wǎng)公司總部科技項目“源網(wǎng)荷儲互動的綜合能源調(diào)控技術(shù)研究及應用”(SGJS0000DKJS1901020)

(編輯 張愛琴)