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风光储能

风光储能微电网多电源协调控制

摘要

近年来，整合风力发电、光伏发电、燃料电池、微型燃气轮机等分布式电源以及各种类型储能装置的微电网技术备受瞩目。

微电网能够在一定程度上克服分布式电源出力随机性和间歇性的缺陷，更加合理有效的利用分布式发电，提高了能源利用率，解决了偏远地区的供电难题。

但是微电网作为可再生能源发电的一种新的解决方案，其自身也有众多技术难题有待于解决。

微电网多电源协调控制是解决微电网持续稳定运行、减小微电网对配电网的冲击、提高运行经济性，提高能源利用率的重要保障。

本文在研究了永磁直驱风力发电系统、光伏发电系统，蓄电池储能系统，以及在风光储微电网运行特性的基础上，提出了一种综合分层控制与能量管理思想的风光储微电网多电源协调控制策略。

关键词：

风电；光伏发电；储能系统；微电网；多电源

第1章绪论

1.1课题的背景与意义

近年来，伴随着我国经济的持续高速增长，电力需求也呈现爆炸式增长，电力供需矛盾越来越大，频繁的停电或者限电给工业生产和人民生活带来很大的损失和不便。

世界各国电网因过负荷、局部扰动或事故导致的大面积停电事故也时有发生，大面积停电可能迅速波及到整个电网，城市瞬间陷入瘫痪，其损失、后果和造成的影响均难以估量。

目前，我国电力系统的特点是“集中发电、远距离输电和大电网互联”，然而这样的电力系统有时显得“笨拙”和“脆弱”。

主要体现在：

⑴大型互联电力系统中，小的扰动或者故障有可能造成连锁故障，进而导致整个电网的大扰动甚至事故，严重时有可能引发大面积停电甚至是整个区域电网的崩溃，造成难以预料的后果和不可换回的损失。

⑵集中式大电网难以灵活跟踪负荷的变化，而为了满足短暂的峰荷建造电厂是不经济的，而且调峰调频电厂的运行成本也较高。

随着负荷峰谷差的增大，电网的负荷率将会下降，电网的利用率也会下降，进一步增加了系统的运行成本。

⑶大规模火力发电增加了节能减碳的压力，且随着煤、石油、天然气等一次能源的耗竭，发展替代可再生能源是大势所趋。

近年来，随着风电、光伏等可再生能源发电技术的不断成熟，大电网与分布式发电系统相结合的发展模式越来越受到重视。

这种模式能够延缓或避免更新输配电设施的投资，并可以为用户提供紧急或后备电源，从而可以在一定程度上提高整个系统的供电可靠性和稳定性。

可再生能源发电对传统发电方式的补充还可以减少对环境的污染，并减小能源供给的压力。

1.2分布式发电概述

从世纪年代末开始，欧美各国陆续投入大规模和资金和人员进行分布式发电DG的研究和开发。

随着分布式发电的装机容量和发电功率比重不断增加，各国电力工业逐渐由传统的集中供电模式转向集中和分散相结合的供电模式.DG通常指功率为数千瓦至小型分散式、靠近负荷的发电单元。

一般具有以下特点：

利用风能、太阳能、水能、地热等多种可再生能源发电，不需要消耗传统化石燃料，因而不会污染环境；就近供电代替远距离输电，减少了输变电线路和相应设施的建设和运维费用，以及线路、设备等产生的电磁和噪声污染。

第2章风光储微电网建模及运行特性分析

该风光储微电网中包含有两台永磁直驱风力发电机、三组单晶娃光伏电池组件，以及一套42kw*1h的锂离子蓄电池储能系统。

由于这三种电源有着截然不同运行特性，且微电网存在着并网和孤网两种运行模式，因此三种电源在微电网并网和孤网时需要采取不同的控制方法进行控制，微电网亦需要采用合适的控制策略才能保证在并网和孤网时均能持续稳定运行。

2.1微电源与微电网的控制

2.1.1微电源的控制方法

微电源的控制方法主要有恒功率控制、恒压恒频控制和下垂控制，以及在此基础上改进得到的倒下垂控制、改进下垂控制，虚拟发电机控制等控制方法。

恒功率控制又称为PQ控制，其控制目标是使微电源输出的有功、无功功率跟随其功率参考值。

在这种控制方式下，微电网内的负荷功率、电压和频率的波动都是由微电网所并入的配电网承担的，各微电源不用参与调节，直接采集配电网的电压和频率作为其参考值。

下垂控制又称之为Droop控制，其思想是采用类似传统电力系统的方式来控制微电源逆变器，利用有功无功功率和电压频率之间的关系来调节微电源输出的电压和频率。

2.1.2微电网的控制策略

主从控制就是在微电网的控制系统中将某个控制器当作主控制器，其他为从控制器，主从控制器之间一般需要有通信联系，且从控制器服从主控制器。

主控制器实时检测系统中的各种电气量，根据微电网的运行控制目标采取相应的调控手段，保持微电网的电压和频率稳定。

对等控制指微电网中的所有微电源在控制上具有相同的地位，各控制器之间不存在主从关系，每个微电源都依据接入点的电压和频率独立运行。

对于这种控制策略，微电网中所有的微电源都采用类似传统电网有功频率特性曲线和无功电压特性曲线的下垂控制方法。

2.2永磁直驱风力发电系统

直驱型风力发电系统由风轮机与永磁同步发电机直接相连，二者之间不需要增速齿轮箱。

该系统先将风能转化为频率和幅值均变化的交流电，经过整流器之后变为直流电，然后利用三相逆变器转换为正弦交流电并入电网，最常见的变流器类型为双PWM型变流器。

通过变流器，采用PQ控制对有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大限度利用风力发电。

2.3光伏发电系统

2.3.1光伏发电系统的数学模型

由于本文的研究仅需要分析光伏逆变器的控制，故建模中暂且忽略光伏电池的动态性能，采用静态电压源替代光伏电池，功率因数取为1，光伏系统在并网与孤网运行时均采用PQ控制方式。

光伏并网逆变器采用三相电压型全桥逆变器，将光伏阵列发出的直流电变换为高频三相斩波电压，并通过型滤波器滤波变成正弦波电压。

2.3.2光伏逆变器的控制策略

本文中，光伏逆变器的控制策略采用电压外环和电流内环的双闭环控制结构。

电压外环的作用是保持直流母线电压稳定，以减小直流电压的波动对交流侧电流的干扰。

电流内环的作用是利用两个PI调节器对逆变器输出电流的d轴和q轴分量按电压外环输出的参考电流进行解耦控制。

2.4蓄电池储能系统

锂离子蓄电池储能系统的并网方式与光伏系统相同，都是通过逆变器将直流电转换为与电网电压和频率相同的交流电。

蓄电池储能系统一般是由蓄电池经储能逆变器转换为交流电并入交流母线，其逆变器的拓扑结构与光伏逆变器的基本相同。

2.4.1蓄电池储能逆变器的控制策略

储能系统的控制一般釆用两种方式，在微电网并网运行时采用恒功率PQ控制方式，在微电网孤网运行时采用恒压恒频V/F控制方式。

由于储能逆变器的拓扑结构与光伏逆变器基本相同，因此储能逆变器的控制可采用与光伏系统相同的控制结构。

2.5风光储微电网运行特性分析

根据现有的研究结果，微电网的控制模式多采用主从型PQ-V/F控制或对等Droop型控制。

基于节的分析，该风光储微电网采用主从型PQ-V/F控制模式。

2.5.1并网运行特性分析

设定光伏逆变器、风机变流器和储能逆变器均以单位功率因数运行，即逆变器只输出有功功率不输出无功功率。

2s时太阳福射强度突降，光伏1功率从12kw减小至9kw,光伏2功率从11kw减小至8kw，光伏3功率从20kw减少为15kw；5s时太阳福射强度回升，光伏1、2、3功率分别回到12kw、11kw和20kw。

10s时风速突降，风机1功率从12kw减至7kw，风机2功率从18kw减至12kw；15s时风速增加，风机1、2功率分别回升至12kw和18kw。

第3章微电网多电源协调控制策略

3.1微电网协调控制概述

根据现有的研究，目前主要有三种微电网协调控制思想：

基于分层控制模式的协调控制，基于能量管理系统的协调控制，基于多代理系统的协调控制现有的微电网协调控制策略中，往往将分层控制模式和能量管理系统相结合，即为基于分层控制与能量管理的协调控制。

3.1.1基于分层控制与能量管理的协调控制

分层控制模式将微电网的控制结构分为2层或3层。

层控制模式中包含就地控制层和微电网集中控制层。

集中控制层由微电网中央控制器对各微电源的控制器发送指令，通过控制指令来协调整个微电网的运行，保持微电网内部的功率平衡，电压、频率等各种指标满足要求。

在该分层控制模式中，就地控制层与微电网集中控制层之间需要保持实时的通信联系，一旦通信失败，微电网将不能正常运行。

为使微电网接受所接入配电网的统一调度，在2层控制结构的基础上加入配电网调度层，该层主要负责按照市场和配电网调度中心的需求来管理和调度微电网与配电网之间联络线上传输的交换功率，或多个微电网之间的功率交换。

欧盟微电网项目“多微网结构与控制”采用了这种协调控制结构。

微电网能量管理系统主要的功能有：

采集并存储基于实时监控系统的电网信息、负荷信息等；实现主网、多种微电源、储能系统和负荷之间的最有功率匹配；实现整个微电网内能源的优化调度和经济运行等。

基于分层控制与能量管理的协调控制将分层控制思想和能量管理系统相结合，由就地控制层实现微电源与负荷的就地控制，微电网中央控制器采集实时运行数据并实现各微电源之间的协调控制，而由能量管理系统来实现微电源功率预测、负荷功率预测、经济调度等功能。

该协调控制策略技术较为成熟，不仅能够保证微电网的持续稳定运行，并且可以实现可再生能源的最大化利用、微电网的经济运行等控制目标，而且可以通过与配电网的信息交互充分参与到配电网的统一调度中，从而减小了对配电网的不利影响。

但该控制策略需要可靠的通信，且设备投资较大。

3.2基于分层控制与能量管理的多电源协调控制策略

3.2.1协调控制策略的架构

基于上节的分析，该微电网选择了基于分层控制与能量管理的协调控制，针对某地区电网风光储微电网提出了一种基于分层控制与能量管理的微电网协调控制策略。

该控制策略采用三层控制架构：

上层的配电网调度层，中间的微电网集中控制层，下层的微电源储能负荷就地控制层。

1配电网调度层

基于联络线控制的思想，可将微电网看作是配电网中的可控负荷，使得微电网可以接受配电网的调度。

配电网调度层的作用是通过与配电网的信息交互，将微电网内的各种电气量信息上送到配电网调度中心，并由配电网调度中心向微电网集中控制层下发调度指令，使微电网通过联络线与配电网进行功率交换，从而参与到所在配电网的统一调度中。

2微电网集中控制层

微电网集中控制层又分为上层的微电网能量管理主站和下层的微电网中央控制器两部分。

能量管理主站是微电网的大脑，也是微电网优化管理、提高能源利用效率的基础。

它由两大功能模块组成：

微电网运行监控子系统与微电网能量管理子系统。

微电网运行监控子系统按其功能分可为两个部分：

数据处理与分析和系统运行监控。

数据处理与分析的功能是实时接收由微电网中央控制器上送的各种微电源、储能和负荷的运行参数、工作状态及环境气象数据，对数据进行分类标识后存储在数据库中，依据这些数据实现分析统计、报表等功能；系统运行监控负责监视各种设备信息和相应支路计量信息，动态显示系统的电压、电流、功率等电气量信息，继电保护及相应开关的动作信息，并提供人机接口供操作人员监视与操作。

能量管理子系统的作用是根据微电网运行监控系统中存储的包括各种微电源出力、负荷功率、气象资料在内的各种历史数据以及未来一段时间的气象数据和负荷信息，进行风电、光伏出力预测和负荷预测，并根据预测结果和优化控制目标编制风机、光伏、负荷的投切计划、储能系统的充放电计划以及各种设备的检修计划，从而实现微电网实时功率分配和运行优化，并通过系统分析提高微电网运行的安全性、可靠性和经济性。

微电网中央控制器的作用分为五个方面：

一是采集微电网运行过程中的各种工况数据，包括各种遥测量、遥信量、继电保护信息和时间信息等；二是根据采集的运行工况数据以及来自能量管理主站的指令，按照微电源与储能的实时调度策略，向各种微电源储能负荷的就地控制器发送调度与投切指令，合理调配微电网内各种电源的输出功率，保持微电网内的实时功率平衡及联络线功率控制等目标，保证系统的稳定高效运行；三是利用WebService通过工控机实现系统的就地监控；四是通过嵌入其中的协议转换程序实现上下层不同通信协议之间的转换；五是将微电网能量管理主站下发的测控保护参数修改指令下发至下层的测控保护装置。

3微电源储能负荷就地控制层

微电源储能负荷就地控制层由各种微电源控制器、储能控制器、负荷控制器、并网点测控保护、线路测控保护、断路器、电能质量分析仪，计量表计等组成，其一方面将微电源、储能，负荷以及各种控制、保护、检测和计量设备的运行工况数据上传至微电网中央控制器，另一方面根据微电网中央控制器下发的实时调度指令以及参数修改指令，实现对各种底层设备的控制。

第4章微电网多电源协调控制策略的实现

4.1协调控制策略的实现架构

该微电网的多电源协调控制通过三层控制架构实现，其中微电网集中控制层是该协调控制策略的核心。

在微电网集中控制层中，微电网中央控制器实现实时调度、就地监控、数据采集、通信协议转换和指令转发等功能，保证了微电网最基本的持续稳定运行和联络线功率控制的要求。

而微电网能量管理主站则实现远程监控、数据处理与分析、数据存储、系统分析、能量管理与优化运行等目标。

微电网中央控制器将采集的数据上传至微电网能量管理主站，数据的存储采用Oracle商用数据库系统，实现两部分功能，一部分是历史数据库，用来存储历史运行数据；另一部分是参数数据库，用来保存实时数据库信息，如数据库模式描述，数据库备份，数据断面的保存与恢复等。

架构图

第5章结论与展望

在全球能源危机和环境污染日益严重，节能减碳压力与日俱增的今天，调整能源消费结构、大力发展可再生能源已经成为了必然趋势。

微电网技术在克服分布式发电并网不利影响，高效利用可再生能源，充分发挥可再生能源优势等方面具有明显的优势。

本文对国内某地区电网风光储微电网的多电源协调控制策略做了深入研究，提出了该风光储微电网的多电源协调控制策略，给出了该协调控制策略的架构。

参考文献

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