一种独立微电网及控制策略研究

一种独立微电网及控制策略研究 电工电气 (2015 No.4)

一种独立微电网及控制策略研究

方正，郑晓庆，徐涛

(许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)

摘 要：提出了一种基于智能控制器的独立微电网系统的组网方式及控制策略。系统采用微网子系统相互连接的方式，进行就地能源管理，通过基于优先级的能量平衡控制策略实现发电、储能与负荷的最优配合。据此构建的微电网系统响应速度快、扩展方便，在提升微电网系统控制性能的同时有效减少了电能在不同微网子系统之间传输过程中的能量损失。

关键词：智能控制器；独立微电网；优先级；控制策略中图分类号：TM734 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2015)04-0019-04

Research on a Kind of Independent Micro-Grid System and its Control Strategy

FANG Zheng, ZHENG Xiao-qing, XU Tao

（XJ Electric Co., Ltd, Xuchang 461000, China）

Abstract: This paper proposed an independent micro-grid system with intelligent controller and its control strategy. The system executed in-place energy management using an interconnected way of micro-grid subsystem. Via energy balance control strategy based on priority, the system realized the optimal coordination of generation, stored energy and loads. The built micro-grid system has fast system response speed and extends conveniently. When the control performance of the micro-grid system is promoted, the energy consumption is effectively reduced in the process of transmission between different micro-grid subsystems.

Key words: intelligent controller; independent micro-grid; priority; control strategy

0 引言

海岛及偏远地区远离大电网，通常电力十分紧缺，但是一般此类地区可再生能源比较丰富，因此充分利用可再生能源，建立含风、光等可再生能源的发电系统是解决此类地区用电问题的一种行之有效的措施[1-2]。微电网系统作为可再生分布式发电源的有效组织形式，近年来尤其是在解决海岛及偏远地区用电问题上发挥着重要作用[3-4]。传统独立微电网系统对于远距离分散式布置的发电源和负荷，在能量传输过程中损耗较大；系统能量平衡及发电、储电、用电单元协调均需要依赖集控单元，不可靠因素多、可扩展性差；而且一般不存在有效的设备控制策略和能量平衡控制策略来保证微电网的稳态和高效运行[5-6]，对于负荷、发电的波动调节效果较差，同时缺少对储能的充放电管理[7]。

文中首先介绍了一种适用于独立供电环境的智

能控制器，并提出了一种由此控制器搭建的独立直流微电网系统及其能量控制策略[8-9]。该系统不依赖传统的集控单元，实现分布式布局就地管控，响应速度快；控制策略对于发电和负荷的波动有平抑作用，管理了蓄电池的充放电，有利于延长蓄电池的使用寿命；有效解决了传统微电网系统可靠性低、扩展性有限、能量远距离传输损耗大的问题。

1 一种独立微电网系统

文中提出的独立微电网系统采用直流母线，分布式布局方式将空间距离较远的发电源、储能、负荷接入智能控制器中协调控制，并通过智能控制器互联构成环网结构，系统中关键部件为智能控制器。1.1 智能控制器结构

智能控制器的结构见图1，它为多端口设备。智能控制器采集各端口电能数据，控制负荷、发电源的实时功率，调配蓄电池提供或吸收的功率，并协调控

作者简介：方正(1987- )，男，助理工程师，硕士，从事新能源电力电子领域前瞻性技术的研究工作。

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制智能控制器间的能量交换，达到系统功率平衡。

智能控制器1分布式发电源

变流器

--蓄电池

-----软开关软开关软开关软开关

智能控制器2智能控制器3负载1负载2

电源与负荷就地安装，减少传输中带来的能量损失。

2 独立直流微电网控制策略

独立直流微电网采用基于优先级的能量平衡控图1 智能控制器结构图

图1所示的智能控制器有4类端口，分别为发电源接入端口、储能(以蓄电池为例) 接入端口、负荷接入端口及互联端口。各个端口接入对应的设备，智能控制器集成能量管控单元，形成一个就地小微网系统，根据策略完成系统内能量的平衡。

分布式发电源通过变流器接入直流母线，蓄电池通过DC/DC模块接入直流母线；直流母线通过逆变器与负荷连接，还通过DC/DC模块与其他微电网子系统中智能控制器的互联端口连接。智能控制器、负荷和其他微电网子系统的智能控制器之间的连接及切除采用软开关控制。1.2 微电网子系统组网

如图2所示，由子系统1、子系统2、子系统3组成一个微电网系统。子系统由智能控制器、分布式发电源(光伏电站、风力发电机)、储能(蓄电池) 及负荷组成，子系统间通过外部电缆(L1、L2、L3)、智能控制器的互联端口互联。

智能控制器2

微网子系统2

发电

端口

储能端口互联端口

微网子系统1智能控制器1发电端口储能端口

互联端口负载端口

L 1L 3L 2

微网子系统3智能控制器3互联端口负载端口

发电端口储能端口

负载端口

图3 基于智能控制器的微电网能量平衡控制流程

多个独立直流微电网子系统可通过智能控制器互联组成环网结构，智能控制器不仅协调每个微网子系统内部发电、用电、储能能量平衡，对蓄电池进行充放电管理，而且控制不同微网子系统之间的能量流动，因此独立微网的控制策略依赖智能控制器的能量控制策略，由智能控制器实现。

1) 子系统内部能量平衡

系统内部有4种电量调节方式，分别为发电调节、储能调节、相邻子系统间电量调节及负荷调节。按照能量最优利用的原则，其优先级递减。

图2 基于智能控制器的微电网组网方式

分布式发电源往往有安装的地势要求，如风机在海岛环境中一般存在于岛的边缘区域，光伏组件往往安装在开阔地带如山顶。基于智能控制器的独立直流微电网系统将空间距离较远的分布式发电源和负荷作为不同的子系统，通过智能控制器互联端口互联建立直流网络，形成分布式布局；分布式发

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发电量小于负荷需求时，其能量调节的优先级为：发电调节＞相邻子系统电量调节＞储能调节＞切除负荷操作。

发电量大于负荷需求时，其能量调节的优先级为：投入负荷操作＞相邻子系统电量调节＞储能调节＞发电调节。

当子系统的发电源功率等于负荷需求时，储能模块处于浮充状态，该子系统与其他子系统之间不进行外充或补电调整。

当子系统的发电源功率大于负荷需求时，优先投入负荷，然后向其他子系统输送电能，再次视蓄电池SOC 状态(电池剩余电量, 设阈值上限为SOCH，下限为SOCL) 对该子系统内部的储能充电，最后控制该子系统的发电源减少出力或切除操作。

当子系统的发电源功率小于负荷需求时，视发电源是否处于MPPT(最大功率点跟踪) 状态优先控制发电源增加出力，若发电源已处于MPPT 状态，则从其他子系统中获取能量，再次视蓄电池SOC 状态控制该子系统内部的储能放电，最后才是逐级切除负荷。只有当发电源、储能模块及其他微电网子系统均不能为当前子系统负荷提供更多的电能时，才按负荷重要等级逐级切除负荷。负荷的切除时刻参考预先设置的蓄电池剩余容量，负荷切除采用内

部软开关完成，减少了机械开关的动作次数，延长系统的使用寿命。

2) 子系统之间能量平衡

子系统互联由智能控制器端口实现，智能控制器协调子系统之间的能量平衡。子系统内若发电源发电量大于负荷耗电量，则本系统可提供额外电量，此时若相邻的子系统内部需要额外的电量，则由本子系统通过互联端口对相邻的子系统提供电量。反之，若发电源发电量小于负荷耗电量，则本子系统需要外部电量，此时若相邻子系统可提供电量，则通过互联端口输入电量。该系统中微电网子系统通过对应智能控制器的互联端口与其他微电网子系统进行电能传输。依靠就地电力电子技术，完成负荷按重要等级管理、蓄电池充电管理、发电源间能量传输平衡，可大幅度提高系统的可靠性和可用性，可再生能源利用率高；系统根据负荷情况进行综合调节并采用较高的直流电压进行输电，可实现发电、储能、负荷的最优配合。

3 独立直流微电网系统实现

3.1 系统组成

独立直流微电网系统结构图如图4所示。

图4 独立直流微电网系统结构图

根据具体环境中分布式能源的位置就地组成子系统，最终由子系统1、子系统2、子系统3互联组成大微电网系统，此系统的组成方式便于进行分布式布局，便于扩展。其中子系统1包含1个10kW 的光伏电站、1个额定功率为10kW 的柴油发电机、1个容量为150kW ・h 的储能，2个负荷端口分别接

入5kW 负荷；子系统2包含1个5kW 的风机、1个容量为150kW ・h 的储能；子系统3包含1个10kW 的光伏电站、1个容量为100kW ・h 的储能，2个负荷端口分别接入5kW 负荷。3.2 系统功能设计

如图5所示，独立直流微电网系统的主控系统

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结合系统数据库和外界条件控制微电网系统整体发电管理、负荷管理、储能管理、能量的系统间调度与经济调度。而每个子系统的能量平衡控制由各个微网子系统中的智能控制器完成。

子系统1和子系统3储能按照储能控制策略为负载供电，储能SOC 到达下限时，按负荷等级逐级切除负荷，必要时可启动柴油发电机供电。

在某一子系统出现发电故障时，智能控制器控制切除发电部分，系统内负荷由其他未故障子系统供能或根据控制策略直接切除负荷。

4 结语

介绍了一种由智能控制器为主体设备的独立直流微电网系统及能量控制策略。系统中可再生能源与负荷就地安装，采用微网子系统相互连接的方式将空间距离较远的发电源和负荷联络形成环网结构；智能控制器按照优先级控制策略协调不同微网子系统内部及相互之间的能量平衡；系统不依赖传统的集控单元，实现分布式布局就地管控，响应速度快，负荷、发电波动时系统可就地进行快速调节；系统扩展方便，不需更改现有系统的蓄电池及其他配置，不需重新调节集控单元。有效解决了传统微电网系统响应速度慢、扩展性有限、能量远距离传输损耗大等问题，为独立微电网领域提供了一种技术思路。

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收稿日期：2014-12-03

图5 系统功能结构

子系统智能控制器内部模块包括采样模块、负荷控制模块、蓄电池管理模块、发电管理模块、能量互传管理模块、主控模块。

在不同的天气情况下，智能控制器协调各模块按不同的控制策略工作。光伏电站1、光伏电站2和风力发电机根据系统能量缺口进行调整；负荷管理模块根据系统能量情况和负荷优先级调配负荷1、负荷2、负荷3、负荷4；能量互传管理模块负责子系统间能量的合理流动利用；蓄电池管理模块根据预置的SOC 值实现对蓄电池充放电管理。

子系统1(子系统3) 中分别设置切除负荷1(负荷3) 的蓄电池的剩余容量为30%，切除负荷2(负荷4) 的蓄电池为20%，蓄电池剩余容量降低到10%时进行充电设置。当系统发电波动或负荷波动时，根据子系统内和子系统间的控制策略，控制蓄电池平抑差额电量。

阳光或风力充足时，10kW 光伏电站1、10kW 光伏电站2可按照MPPT 状态发电，比较子系统1和子系统3中负荷用电需求和光伏发电量，若相等不予调节，5kW 风力发电机首先为子系统2储能充电，接着通过互联电缆为子系统1、子系统3储能充电，待各部分储能SOC 达到定值时，停止充电，按控制策略切除光伏组件或停止风力发电。若子系统1或者子系统3中负荷用电需求大于光伏发电量，则其他发电有余的子系统电量流入有电量需求的子系统。

极端阴雨天气或夜晚时，子系统1和子系统3光伏发电受限或没有，根据能量控制策略，若子系统2风力发电充足，子系统2发电首先流入子系统1和子系统3供给负载使用；若风力发电不充足，