基于下垂控制的微电网并网转孤网的研究

刘丹妮 马猛飞

基于下垂控制的微电网并网转孤网的研究

刘丹妮1马猛飞2

（1. 山东协和学院工学院，济南 250107；2. 国网智能科技股份有限公司，济南 250101）

针对微电网系统中分布式电源发电的随机性和间歇性，为了平抑分布式电源的功率波动，本文提出一种微电网能量管理系统，研究基于下垂控制的微电网并网转孤网的控制策略。该系统可以检测微电网系统内功率缺额，将锂电池储能变流器设置为下垂模式并智能跟随负荷变化，从而建立微电网过渡临时主电源。锂电池作为过渡临时主电源控制混合储能系统带动微电网内所有负荷，断开公共耦合点开关，起动柴油发电机，柴油发电机自动跟随锂电池储能变流器电压、频率后转为VF模式，由柴油发电机作为主电源带动微网内所有负荷。微电网能量管理系统切锂电池储能变流器为PQ运行模式，稳定实现微电网计划并转孤控制。

微电网；计划并转孤；下垂控制；VF模式

0 引言

随着社会生产的快速发展以及生活节奏的不断提高，以煤炭、石油和天然气为能源的传统发电方式严重制约着社会的可持续发展[1-4]；世界范围的能源压力剧增以及超大规模电力系统带来的问题也日渐严重[5]。为了加快社会进步，寻求电力领域的可持续发展道路势在必行。作为可再生能源与分布式发电的有效利用形式，由风机、太阳能发电等分布式电源组成的微电网[6-8]因其使用清洁能源、无污染、减少输配电建设以及高可靠性、可持续性等优势得到了越来越多的关注[9-10]，成为众多科研学者研究的热点。微电网（micro-grid）是由可再生能源组成的分布式电源、储能装置（蓄电池等）、能量转换装置、电力系统的负荷、监控和保护装置组成的可控小型发配电单元[11-12]。

目前的风电机组、光伏机组等分布式电源电能输出随机性和波动性大，而且网络潮流复杂、继电保护困难，单机接入成本高、控制比较困难，对大电网产生冲击大[13]。为了平抑分布式电源的功率波动，保障微电网系统能满足负荷的电能质量要求，提升微电网对可再生能源的利用率，获得最理想的发电经济效益，本文提出一种微电网能量管理系统，研究基于下垂控制的微电网并网转孤网的控制策略，实现对微电网运行状态的监测、控制和优化，稳定实现微电网计划并转孤控制，从而减少分布式电源和负载波动的影响，推动微电网技术的发展。

1 微电网分布式电源特性与建模

1.1 风力发电机组

在每台风电机组出口处安装一台AC/DC/AC电压变换器再接入到电网，类似于对机组进行全功率变换，可实现风电的低电压穿越、无功补偿、功率因数控制和异步风机出力调节等功能，电压变换器的容量须大于单台机组的容量。同时考虑在变换器直流侧加入储能装置，参与功率平滑控制。

风机从自然风中所能获得能量有限，根据贝茨理论

式中，风能利用系数p最大值为0.593，实际p＜0.593，p是风力机叶尖速比和节距角的函数。

机组额定容量750kW，考虑到机组1.1倍的过载能力，另外考虑到机组的无功励磁电流、电压变换器的抗扰动性及稳定裕量，取其系数一般为1.5，因此电压变换器的设计容量范围为

=750×1.1×1.5kW=1237kW

因此电压变换器的设计容量可以考虑为1.2MW。

三台风机每台750kW，则

wind=750kW

wind_low=690V

wind_high=35000V

三台风机汇流出线电流

wind_total=3wind_high=37.115A

接入方式如图1所示，图中实线框内，即为整改增加的电压变换器。

图1 串接电压变换器示意图

1.2 光伏发电系统

1）光伏组件布局

因岛内缺少相对平坦、开阔的地带，不具备布置大容量光伏电站的条件，因此需要考虑将光伏电站分散建设，分散接入电网。根据现有条件，有效利用机组周围的空地，可将光伏电站分布建设在海岛陆上风电场的每台机组的周围，分散接入电网。

2）容量选择

岛内共有16台风电机组，每台机组周围有不低于200m2、相对平坦的空地。根据光伏电站建设约500kW容量的要求，考虑到岛上平坦的地面较少，在每台机组周围布置30～50kW的光伏电站，可以满足岛上光伏电站建设的要求。

3）电网接入

风电机组的低压侧为690V，并配置有690V开关柜，光伏发电单元可接入风电机组变压器的690V开关柜的近网端口，通过升压变送至35kV侧。光伏发电接入开关柜的近网端口，因此，当风电机组故障引起690V开关跳闸后，将不影响光伏发电的正常发电并网。

光伏发电分散接入并网示意图如图2所示，接入690V系统的逆变器为非标准逆变器，需要定制。

1.3 柴油发电机组

工程设计时须考虑柴油发电机可用，改造内容包括：①柴油发电机组自起动功能；②柴油发电机组励磁控制；③柴油发电机组功率控制；④柴油发电机组电网接入设计。

图2 光伏发电分散接入并网示意图

小柴发系统参数计算如下：

小柴发功率rated=236kW。

小柴发工作电压diesel=400V。

大柴发系统参数计算如下：

大柴发功率bigdiesel=1050kW。

额定电压bigdiesel_low=400V。

1.4 微电网储能系统设计方案

海岛电网可以考虑的储能方式包括抽水蓄能、飞轮储能、超级电容器、电池类（铅酸电池、锂电池和钠硫电池）等类型的储能[14]。在国内外一些示范工程中，电池类储能系统得到广泛应用[15]。铅酸蓄电池（AGM蓄电池、胶体蓄电池）技术成熟，可制成大容量存储系统，单位能量成本和系统成本低，安全可靠、再利用性好，全钒液流电池和锂电池技术较为成熟，已在张北风光储示范系统和玉树储能项目中得到应用[16]。

在本微电网系统中，取锂电池、铅酸电池和超级电容，并加上配套的储能变流器（power conversion system, PCS），如图3所示。

图3 蓄电池动态储能系统

本项目对微电网内部储能系统和负荷进行预测，锂电系统作为主电源建立微电网并提供微网系统内的电压和频率支撑，铅酸系统根据微网能量管理系统确定的无功补偿量，输出相应的无功功率，从而维持微网系统功率平衡，超级电容系统根据其快速充放电性能，设计为平抑微网峰谷波动，实现稳定控制，从而抑制可再生能源的间歇性和波动性，提高供电系统的稳定性。

2 系统软件架构

软件体系结构由操作系统、支撑平台和应用功能共3个层次组成，层次结构图如图4所示。

图4 系统软件层次结构图

其中：

1）操作系统选用Linux/UNIX操作系统。

2）支撑平台为各种应用功能的实现提供通用的支撑服务，主要包括网络数据传输软总线、实时数据库、商用数据库、报表、权限管理、告警服务、通用服务、人机界面和图形等。

3）应用功能主要包含分布式电源监控、储能子系统运行监控、负荷监控、分布式发电预测、风光储协调控制功能、联络线功率优化控制、电能统计分析功能、经济性分析功能和协调控制功能。

3 微电网能量管理系统工程运行结果分析

微电网能量管理系统根据负荷等级以及风机发电功率计算相应功率缺额；监测并确认锂电储能双向变流器（PCS）并网运行状态，切换磷酸铁锂电池双向变流器PCS为下垂模式，磷酸铁锂电池双向变流器PCS智能跟随负荷变化；锂电作为过渡主电源控制混合储能系统带微电网内所有负荷，断公共耦合点开关，起动柴油发电机，柴油发电机自动跟随磷酸铁锂电池双向变流器PCS电压、频率后转为VF模式，由柴油发电机作为主电源带微电网内所有负荷；能量管理系统切磷酸铁锂电池双向变流器PCS为PQ运行模式，并确认系统稳定运行，从而稳定实现微电网计划并转孤控制。图5为微电网计划并转孤稳定控制流程图。

锂电PCS接收能量管理系统下发的指令，能量管理系统根据锂电池的稳定特性，设置其在整个微电网混合储能系统中作为主电源，在微电网系统中建立稳定的电压和频率，在微电网并网运行转孤网运行时，微电网能量管理系统控制锂电系统双向变流器（PCS）为下垂模式，锂电系统智能跟随负荷变化，当系统运行稳定后能量管理系统控制锂电PCS为VF模式，在微电网系统中建立稳定的电压和频率；由预案执行结果（如图6所示）和录波曲线（如图7所示）可以看出，微电网能量管理系统在计划并转孤程序运行过程中，各设备单元动作周期都在ms级并能正确顺序动作，预案执行成功。

4 结论

本文通过介绍微电网研究的现状，围绕微电网能量管理系统的设计与实现展开相关研究，研究了微电网的结构、微电源的特性，以及能量管理系统的控制策略，综合分析系统各节点的电气量，通过设定的能量管理策略来发布命令控制各微网的运行模式、微电源和负荷的通断，以此来控制整个微电网的高效稳定运行，并且实现绿色能源的最大化利用。研究内容涉及能量管理系统的框架理论、微电网能量管理系统的软件实现。从理论和实践两个层面证明了微电网能量管理系统的可行性和有效性。

图5 微电网计划并转孤稳定控制流程图

图6 计划并转孤有效预案执行记录

图7 计划并转孤系统录波曲线

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Study on planed grid-connected to isolated grid based on droop control

LIU Danni1MA Mengfei2

(1. Shandong Xiehe University, Ji’nan 250107；2. State Grid Intelligent Technology Co., Ltd, Ji’nan 250101)

Aiming at the randomness and intermittentness of distributed power in the micro-grid system and power fluctuations of distributed power, this paper presents a microgrid energy management system and study on planed grid-connected to isolated grid based on droop control. The system detects power vacancy in micro-grid system and adjusts the lithium battery PCS in the hybrid energy storage system to droop mode and intelligently follows the load change. So the transitional main power of micro-grid is established. The lithium battery as the transitional main power controls the hybrid energy storage system and drives all loads in the micro-grid. Then disconnect the common couplings witch and start the diesel generator. The diesel generator automatically follows the voltage and frequency of the lithium battery PCS and switches to VF mode. The diesel generator as the main power source drives all loads in the micro-grid. The micro-grid energy management system switches the lithium battery PCS to the PQ operation mode, and stably realizes planed grid-connected to isolated grid of the micro-grid.

micro-grid; planed grid-connected to isolated grid; droop control; VF mode

2020-06-18

2020-07-13

刘丹妮（1988—），女，陕西省商洛市人，硕士，助教，主要研究方向为微电网智能控制技术。