分散自律架构下微电网功率管理研究

摘要：详细介绍了微电网拓扑结构及变流器在光储系统中的模型构建，分析了基于分散自律架构下的微电网功率管理策略，并对其进行了仿真计算，仿真结果验证了上述管理策略的可行性，对今后基于分散自律架构下的微电网功率管理工作提供了良好的建议。关键词：分散自律；微电网；功率管理0引言我国光伏发电分布范围比较广泛，总量已经突破了7万MW，其中接入了较多的分散式、间歇式的分布式发电装置（DistributedGeneration，DG），无形中加大了微电网结构的复杂程度，增加了管理人员的控制难度，无法保障电力系统的运行安全和经济效益。而在电网中接入微电网，可以稳定电网运行功率，控制电网运行动态性能，为电网后期发展奠定良好的基础。1微电网拓扑结构及变流器在光储系统中的模型构建1.1微电网系统拓扑结构微电网（Micro-Grid）也被称为微网，是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网拓扑结构以光储系统为主，由光伏源头的两端输送电流和电压，传送到直流设备中，经电容器和变压设备的改装，优化了微电网的输出功率。此外微电网中还有许多电子配件，如传感器、储能设备、光储联合单元设备、下垂单元设备等，这些设备由每个分支的开关控制。光伏源头需要选择类型匹配的变压器，实现稳定电压、升降电压的功能，再利用AC变压器与PCC公共连接点的母线连接，完成交流指令。储能系统则由较多串联单体电池组成，叠加后的功率、容量和电压都有了较大的拓展，再通过变压器与PCC相连，储能设备需要以联合单元设备的运行状态为基准，切换PQ和VF控制方式，即微电网在并网状态时应用PQ控制方式，微电网在孤岛状态时应用VF控制方式。微电网还需要根据DG的运行特点，对不同类型的单元进行混合调控，除了光伏控制需要应用最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT），储能控制需要PQ和VF方式外，还需要引入DG的下垂控制方式。此外，微电网的运行状态还受开关闭合影响，开关未闭合，处于孤岛运行状态；开关闭合，处于并网运行状态。1.2逆变器拓扑结构目前针对逆变器的输出控制方式主要有两种，分别是电流控制和电压控制。这两种控制方式能够对逆变器的输出电流和输出电压进行控制，而在控制逆变器输出电流时还需要锁相回路或锁相环（PhaseLockedLoop，PLL）进行配合，以提高功率稳定性。从输出端角度来看，这两种控制方式可以简化为电压源头控制和电流源控制。1.3光伏转换器结构及修正存储放电限制的策略DC/DC光伏转换器的拓扑结构比较复杂，在分析时常常将最大放电功率设为最大充电功率，该系统中包含了较多的电容设备，如光伏电容、并网电容等。若光伏转换器的最大放电功率大于储能设备的放电功率，输出功率值为0，光伏设备按最大功率实现系统运行。若光伏转换器的最大放电功率小于储能设备的放电功率，输出功率值为负数，这个数据可以修正光伏设备偏离功率的最大运行点，继而降低功率输出值，满足储能最大功率需求。此外，储能设备的最大充电功率由自身负荷状态决定。2基于分散自律架构下的微电网系统功率管理具体策略2.1基于并网环境下的功率管理手段当开关进行闭合操作时，微电网需要在并网环境下运行，这种模式下的下垂单元没有功率输出，只需要内部光储设备和外网配合对系统的供电状态、储能状态应用PQ方式进行控制，其中外网主要为系统提供稳定性较高的电压和频率，具有良好的支撑效果。另外，在并网工作环境下，DG在协调控制手段的配合下PCC（策略控制和计费）的交互功率处于恒定值，为微电网的融合创造良好环境。因此，储能设备需要参考电网内部负荷值和光伏设备运行变化值，及时做出反馈，在功率变化的第一时间开展控制工作。2.2由并网环境转向孤岛环境的功率管理手段当电网外部运行发生故障时，PCC端电线内的电压超过了配电电压的最低值或最高值，开关就会触发断开指令，这时处于并网状态的微电网开始转变成孤岛状态，触碰下垂单元设备的运行开关，储能控制方式由PQ转向VF，帮助微电网在复杂的模式切换工作中实现稳定运行。2.3基于孤岛环境下的功率管理手段当开关处于断开状态时，微电网处于孤岛运行状态，光储系统的变化趋势可以分成3个阶段：（1）功率小于最大输出功率阶段，即负荷值小于光伏系统的最大功率，储能充电效果最佳；当储能充电功率的最大值小于充电功率时，改变光伏设备的输入电压即可脱离功率的最大运行点，实现减少功率输出的终极目标，维持电网内部环境的平衡状态。（2）功率处于最大功率和最小功率范围内阶段，储能设备处于浮动充电状态。（3）功率大于最大输出功率阶段，储能设备处于放电状态。当储能设备的系统芯片处于正常工作状态时，系统的PF曲线变化如下：随着负荷量的不断增加，下垂单元和储能设备开始向系统输入电压。若光伏设备间歇的输出功率明显增加或减少时，对应曲线需要整体向左平移。若储能设备的系统芯片运行状态较差，就需要对储能设备进行充电处理，同时在负荷不断增加的情况下，下垂单元和储能设备开始输出功率。另外当储能设备的功率值较小时，需要对其进行充电，在这个过程中要控制光伏设备的输出频率，保障功率的合理输出。3仿真计算及实验结果基于上述3种管理措施，建立了微电网运营的仿真模型，并给出了变流器相应的参考数据，设定了几种环境来验证上文理论。（1）微电网在并网运行状态下，为了保障PCC端口功率处于恒定交换值，需要储能设备进行充电和放电处理。（2）微电网在并网转孤岛的运行状态下，对内网中的DG进行控制协调，维持电网内部稳定的运行状态。（3）微电网处于孤岛运行状态时，负荷值发生了较大变化。（4）微电网处于孤岛运行状态下，光伏设备的功率发生了较大变化。（5）微电网处于孤岛原型状态下，光伏设备校验值对功率的控制等。由于篇幅有限，本文只选择了这些运行场景中的两个进行实验分析。当微电网处于孤岛运行状态的第一场景时，SOC值处于最小值和最大值中间，光伏设备输出功率不变，模拟负荷发生了突变现象；当微电网处于孤岛运行状态的第二场景时，负荷值没有变化，光伏设备的输出值变化较大。将这两个实验结果以图形方式进行展现，可以看出第一环境微电网的负荷值先上升后下降，在分散自律式框架的支撑下，每个单元需要根据负荷功率的变化而变化，即系统频率的变化趋向先降低后增加。第二环境微电网下光伏设备的功率变化比较明显，若需要对其进行控制，就必须有其他单元配件的配合，将工作频率控制在合理范围内。这两种环境的实验结果与仿真预期重叠较大，充分说明了