楊占剛 ，徐玉磊 ，王成山 ，武 震

（1.中國(guó)民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300；2.天津大學(xué) 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

0 引言

分布式發(fā)電DG（Distributed Generation）已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中一個(gè)新的研究熱點(diǎn)［1-2］，將分布式發(fā)電供能系統(tǒng)以微電網(wǎng)的形式接入大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，與大電網(wǎng)互為支撐，是發(fā)揮分布式發(fā)電供能系統(tǒng)效能的最有效方式［3］。分布式發(fā)電供能微電網(wǎng)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱微電網(wǎng)，是指由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量變換裝置、相關(guān)負(fù)荷和監(jiān)控、保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行［4］。微電網(wǎng)（尤其是孤網(wǎng)運(yùn)行方式下的微電網(wǎng)）能否可靠運(yùn)行關(guān)注的重要問(wèn)題之一是能否保持電壓和頻率穩(wěn)定性，并且微電網(wǎng)中不同類型分布式電源的控制特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度不同［5-6］：文獻(xiàn)［7］對(duì)光伏、燃料電池的混合發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究，但忽略了對(duì)蓄電池的充放電過(guò)程的控制和管理；文獻(xiàn)［8］提出了一種超級(jí)電容與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率自適應(yīng)控制策略，使超級(jí)電容和蓄電池輸出功率得到合理分配，可滿足微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的電能質(zhì)量要求和負(fù)荷的功率需求，但均是對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng)展開(kāi)研究；文獻(xiàn)［9-10］則重點(diǎn)研究光伏-儲(chǔ)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理及控制策略，可實(shí)現(xiàn)該類型微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和對(duì)電網(wǎng)的友好接入；文獻(xiàn)［11］進(jìn)行了含多種分布式電源的微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真，獲得了分布式電源的功率、微電網(wǎng)電壓和頻率的變化規(guī)律，但其在仿真過(guò)程中忽略了電池充放電的動(dòng)態(tài)過(guò)程；文獻(xiàn)［12］對(duì)逆變型分布式電源進(jìn)行了微電網(wǎng)小信號(hào)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)建模分析，但對(duì)于微電網(wǎng)在大擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)行為沒(méi)有進(jìn)行深入研究。基于此，本文針對(duì)光伏、儲(chǔ)能電池組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)、完整的動(dòng)態(tài)建模與實(shí)驗(yàn)分析，研究光儲(chǔ)微電網(wǎng)在聯(lián)網(wǎng)、孤島運(yùn)行及二者之間相互切換條件下的動(dòng)態(tài)行為，重點(diǎn)研究?jī)?chǔ)能電池在微電網(wǎng)運(yùn)行控制中的作用。

1 光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)

光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)以一間家用住宅為依托，在平屋頂、坡屋頂、女兒墻及立面處分別鋪設(shè)光伏電池，其系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示，為單相230 V、50 Hz系統(tǒng)，由蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)及相關(guān)控制系統(tǒng)構(gòu)成。以無(wú)太陽(yáng)輻射、微電網(wǎng)孤島運(yùn)行條件下，蓄電池可以支撐負(fù)荷運(yùn)行一天計(jì)算，選擇蓄電池容量48 V、420 A·h，并通過(guò)雙向逆變器并入交流母線。

系統(tǒng)設(shè)有上層控制器，通過(guò)485總線與光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行通信，采集系統(tǒng)的功率、電壓、頻率、工作狀態(tài)等系統(tǒng)信息，并設(shè)置光伏并網(wǎng)逆變器的工作模式、孤島運(yùn)行時(shí)的電壓和頻率等穩(wěn)態(tài)參數(shù)［13］，本文設(shè)置光伏并網(wǎng)逆變器工作在反孤島運(yùn)行模式，不考慮其低電壓穿越能力。

2 微電網(wǎng)控制策略

目前，微電網(wǎng)的控制策略主要有主從控制（masterslave）［14］和對(duì)等控制（peer to peer）［15］2 種。 本文微電網(wǎng)系統(tǒng)采用主從控制方式，在微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行模式時(shí)，蓄電池雙向逆變器采取定電壓和定頻率控制（簡(jiǎn)稱U/f控制），用于向微電網(wǎng)中的其他分布式電源提供電壓和頻率參考，其他分布式電源采用定功率控制（簡(jiǎn)稱PQ控制）。聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，蓄電池和其他分布式電源均采用定功率控制。

圖1 光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of photovoltaic microgrid system

孤島運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能裝置要維持微電網(wǎng)的電壓和頻率，跟蹤光伏輸出功率和負(fù)荷波動(dòng)。由于儲(chǔ)能電池的能量存儲(chǔ)有限，若系統(tǒng)中光伏或負(fù)荷波動(dòng)較大，將會(huì)影響儲(chǔ)能裝置的充放電狀態(tài)，進(jìn)而影響微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)行為。另外，由于進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)和孤島模式切換時(shí)，雙向逆變器將切換控制策略，并通過(guò)運(yùn)行控制來(lái)調(diào)整蓄電池輸出，以穩(wěn)定光伏，盡量延長(zhǎng)光伏極限切除時(shí)間并避免其被切除。關(guān)于雙向逆變器的控制策略，詳見(jiàn)文獻(xiàn)［16］。

3 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試分析

針對(duì)本文設(shè)計(jì)的光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)，在聯(lián)網(wǎng)、孤島以及二者之間模式切換狀態(tài)下，利用電能質(zhì)量分析儀對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中微電網(wǎng)交流母線處電壓、頻率以及光伏、蓄電池的輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣分析。

3.1 孤島運(yùn)行模式

孤島運(yùn)行模式下，微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與蓄電池荷電狀態(tài)SOC（State Of Charge）、光伏系統(tǒng)發(fā)電功率、負(fù)荷功率密切相關(guān)。

3.1.1 SOC處于正常狀態(tài)

圖2為SOC=50時(shí)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下不同運(yùn)行條件的實(shí)測(cè)曲線。

在0～15s，光伏發(fā)電系統(tǒng)和雙向逆變器共同給負(fù)荷供電，雙向逆變器采用無(wú)差的U/f控制，微電網(wǎng)電壓和頻率維持恒定，分別為231 V、50 Hz；光伏發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率跟蹤控制。

15 s時(shí)，負(fù)荷從600 W階躍到1750 W，微電網(wǎng)的暫態(tài)功率平衡被破壞，交流母線電壓和頻率將發(fā)生小幅度波動(dòng)。因光伏輸出不可調(diào)度，雙向逆變器將增大輸出功率以維持暫態(tài)功率平衡，經(jīng)短暫調(diào)整后可恢復(fù)穩(wěn)態(tài)孤島運(yùn)行。

圖2 微電網(wǎng)孤島運(yùn)行（SOC=50）Fig.2 Microgrid operating in islanding mode（SOC=50）

52 s與90 s時(shí)，光伏發(fā)電總功率發(fā)生2次波動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致微電網(wǎng)電壓和頻率的小幅波動(dòng)。

考慮負(fù)荷大擾動(dòng)情況，其實(shí)測(cè)曲線如圖3所示。當(dāng)負(fù)荷在400～3250 W之間波動(dòng)時(shí)，電壓和頻率將會(huì)跟隨負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)，見(jiàn)圖 3（b）、（c），但電壓波動(dòng)范圍小于1 V，頻率波動(dòng)范圍不超過(guò)0.1 Hz，均在允許的范圍之內(nèi)。

圖3 負(fù)荷波動(dòng)對(duì)孤島運(yùn)行影響Fig.3 Influence of load fluctuation on operation in islanding mode

綜上，在孤島運(yùn)行模式下，當(dāng)蓄電池SOC處于正常狀態(tài)時(shí)，由于蓄電池儲(chǔ)能裝置的存在，無(wú)論是光伏發(fā)電系統(tǒng)波動(dòng)還是負(fù)荷波動(dòng)，微電網(wǎng)中的功率平衡總能較快地得到滿足。微電網(wǎng)交流母線電壓和頻率雖小幅度波動(dòng)，但均在可接受范圍內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)仍可穩(wěn)定運(yùn)行而不被切除。

3.1.2 SOC很高

圖4為微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式且蓄電池SOC=90時(shí)，不同運(yùn)行條件的實(shí)測(cè)曲線。

圖4（a）為光伏發(fā)電總功率及負(fù)荷耗電功率曲線，當(dāng)光伏發(fā)電總功率大于負(fù)荷耗電功率，由于蓄電池充電能力的限制，多余的功率不能被蓄電池完全吸收，微電網(wǎng)中暫態(tài)功率平衡得不到滿足。為保障微電網(wǎng)中暫態(tài)功率平衡及避免對(duì)蓄電池的過(guò)充電，本文采取提高雙向逆變器頻率的方法，見(jiàn)圖4（c），當(dāng)頻率上升到50.8 Hz時(shí)，將分步切除各光伏并網(wǎng)逆變器，直到微電網(wǎng)內(nèi)功率平衡得到滿足，如圖4（a）所示。

可見(jiàn)，當(dāng)蓄電池SOC較高時(shí)，光伏發(fā)電總功率大于負(fù)荷功率會(huì)造成微電網(wǎng)頻率上升，進(jìn)而導(dǎo)致光伏并網(wǎng)逆變器退出運(yùn)行，以保證微電網(wǎng)的功率平衡。

圖4 微電網(wǎng)孤島運(yùn)行（SOC=90）Fig.4 Microgrid operating in islanding mode（SOC=90）

3.2 聯(lián)網(wǎng)模式

圖5為聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式下的測(cè)試曲線?？梢钥闯?，聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式下，由于光伏并網(wǎng)逆變器和蓄電池雙向逆變器均采用定功率控制，光伏發(fā)電總功率的波動(dòng)及負(fù)荷的波動(dòng)均由外電網(wǎng)來(lái)平衡，不會(huì)對(duì)微電網(wǎng)電壓和頻率造成影響。蓄電池雙向逆變器的輸出功率與外界的功率變化無(wú)關(guān)，僅由蓄電池本身的狀態(tài)決定。微電網(wǎng)的電壓和頻率以外電網(wǎng)電壓和頻率為參考，并隨外電網(wǎng)波動(dòng)而波動(dòng)。

3.3 孤島轉(zhuǎn)聯(lián)網(wǎng)模式

微電網(wǎng)由孤島切換到聯(lián)網(wǎng)模式，雙向逆變器由U/f切換到PQ控制。此時(shí)，外電網(wǎng)除了給負(fù)荷供電以外，還要通過(guò)雙向逆變器給蓄電池充電。若蓄電池SOC較低，聯(lián)網(wǎng)時(shí)外電網(wǎng)對(duì)蓄電池的充電功率較大，當(dāng)由孤島向聯(lián)網(wǎng)模式切換時(shí)，蓄電池雙向逆變器的功率變化也相對(duì)較大，對(duì)微電網(wǎng)電壓和頻率的影響相應(yīng)也就越大。因此，以蓄電池SOC較低（SOC=30）時(shí)孤島向聯(lián)網(wǎng)切換來(lái)衡量微電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性。如圖6所示，在運(yùn)行時(shí)間為70s時(shí)，微電網(wǎng)由孤島切換到聯(lián)網(wǎng)模式，由于外電網(wǎng)可以看作無(wú)窮大電源，因此切換后負(fù)荷功率及蓄電池充電功率可由外電網(wǎng)迅速補(bǔ)充，保證孤島到聯(lián)網(wǎng)模式的平穩(wěn)過(guò)渡。切換瞬間微電網(wǎng)頻率下降0.07 Hz至49.93 Hz，能保證光伏并網(wǎng)逆變器繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行而不被切除。

3.4 聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島模式

外電網(wǎng)停電情況下，微電網(wǎng)將由聯(lián)網(wǎng)切換到孤島運(yùn)行模式，此時(shí)由于失去外電網(wǎng)的電壓和頻率參考，雙向逆變器切換到U/f控制。圖7—9分別為SOC取值30、50、90時(shí)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)從聯(lián)網(wǎng)切換到孤島時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。

SOC=30時(shí)，切換瞬間光伏功率與負(fù)荷功率分別為3.5 kW和0.6 kW，此時(shí)由于蓄電池對(duì)電壓與頻率的調(diào)整能力很弱，電壓和頻率會(huì)出現(xiàn)較大幅度波動(dòng)，導(dǎo)致光伏并網(wǎng)逆變器被切除。

SOC=50時(shí)，切換瞬間光伏功率與負(fù)荷功率分別為0.4 kW和0.3 kW，雖然功率不平衡很小，但切換時(shí)蓄電池的電壓與頻率調(diào)整能力較弱，會(huì)導(dǎo)致部分光伏并網(wǎng)逆變器被切除。

圖5 微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行Fig.5 Microgrid operating in grid-connecting mode

圖6 微電網(wǎng)孤島轉(zhuǎn)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行Fig.6 Switchover from islanding mode to grid-connecting mode

SOC=90時(shí)，切換瞬間光伏功率與負(fù)荷功率分別為3 kW和0.5 kW，此時(shí)功率不平衡與SOC=30時(shí)基本相同，但由于蓄電池對(duì)電壓與頻率的調(diào)整能力較強(qiáng)，電壓和頻率仍能較好維持，保障光伏并網(wǎng)逆變器不被切除。

需要指出的是，圖9中微電網(wǎng)由聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行后，由于光伏發(fā)電總功率遠(yuǎn)大于負(fù)荷功率，且蓄電池已處于深度充電狀態(tài)（SOC=90），為了避免對(duì)蓄電池造成過(guò)充電，雙向逆變器將提高微電網(wǎng)內(nèi)的設(shè)定頻率，當(dāng)頻率上升到一定限值（本文為50.8 Hz）時(shí)，光伏并網(wǎng)逆變器由于反孤島保護(hù)動(dòng)作而退出運(yùn)行，避免對(duì)蓄電池的過(guò)充電。

由此可見(jiàn)，保障微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)向孤島系統(tǒng)的平穩(wěn)過(guò)渡，可從兩方面著手：一方面，調(diào)節(jié)光伏與負(fù)荷大小保障較好的功率平衡，或者在切換時(shí)盡量維持較高的蓄電池SOC，減小電壓和頻率的跌落；另一方面，采用具有良好穿越能力的光伏并網(wǎng)逆變器，在較低的電壓和頻率下仍能維持一定時(shí)間的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)到孤島的順利切換。但總體而言，蓄電池的快速動(dòng)態(tài)功率補(bǔ)償能力仍相對(duì)較弱，若實(shí)現(xiàn)切換瞬間快速的動(dòng)態(tài)功率補(bǔ)償以保證各分布式電源不被切除，復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)不失為一種合理化的選擇。

圖7 微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行（SOC=30）Fig.7 Switchover from grid-connecting mode to islanding mode（SOC=30）

圖8 微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行（SOC=50）Fig.8 Switchover from grid-connecting mode to islanding mode（SOC=50）

圖9 微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行（SOC=90）Fig.9 Switchover from grid-connecting mode to islanding mode（SOC=90）

4 結(jié)論

在建立的以蓄電池為核心的光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)其進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)、孤島以及二者之間相互切換的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)影響其穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能的各因素都進(jìn)行了詳細(xì)分析，可得結(jié)論如下。

a.蓄電池SOC對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行意義重大，準(zhǔn)確及時(shí)地掌握蓄電池的SOC狀態(tài)信息，對(duì)主從控制微電網(wǎng)系統(tǒng)形成準(zhǔn)確的調(diào)度指令意義重大。

b．蓄電池SOC處于較高或較低狀態(tài)時(shí)，對(duì)微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行有重要影響：SOC較低時(shí)，為避免蓄電池的過(guò)放電，需根據(jù)SOC制定相應(yīng)的負(fù)荷切除方案；SOC較高時(shí)，需根據(jù)SOC制定相應(yīng)的分布式電源切除方案。

c.蓄電池儲(chǔ)能裝置在快速動(dòng)態(tài)跟蹤方面仍存在一些欠缺：當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)存在分布式電源波動(dòng)、負(fù)荷波動(dòng)或發(fā)生運(yùn)行模式切換時(shí)，由于蓄電池放電能力的限制，微電網(wǎng)內(nèi)的電壓和頻率均會(huì)有小幅度波動(dòng)。因此，對(duì)于一些敏感負(fù)荷，需配備一定容量的具有快動(dòng)態(tài)特性的儲(chǔ)能裝置（超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能等）。