萬玉建 蔣成杰 陸華軍

（南京磐能電力科技股份有限公司，南京 210061）

微電網(wǎng)是指在一定區(qū)域內(nèi)利用可控的分布式電源，根據(jù)用戶需求提供電能的小型系統(tǒng)[1]。它是利用可再生能源實(shí)現(xiàn)大規(guī)模接入分布式電源的有效途徑之一[2-3]。在微電網(wǎng)模式切換等暫態(tài)情況下，為了滿足微電網(wǎng)電壓和頻率等電氣參數(shù)穩(wěn)定和系統(tǒng)運(yùn)行模式平滑過渡，必須迅速調(diào)節(jié)分布式電源和儲(chǔ)能裝置的輸出功率[4]。目前很多學(xué)者對微電網(wǎng)功率平衡控制策略進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[2]以直流母線作為功率平衡控制的核心，在直流母線上通過儲(chǔ)能裝置輸出或吸收功率以補(bǔ)償功率缺額，在交流母線上調(diào)整逆變控制策略以滿足電壓和頻率的穩(wěn)定性要求；文獻(xiàn)[5]根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行模式、微電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)各自特點(diǎn)，提出了基于混合儲(chǔ)能的微電網(wǎng)功率控制策略；文獻(xiàn)[6]研究了在交流母線上多電源聯(lián)合運(yùn)行的功率平衡控制策略，通過調(diào)節(jié)有功、無功實(shí)現(xiàn)對電壓和頻率的下垂控制；文獻(xiàn)[7]提出一種通用的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合控制策略。

這些微電網(wǎng)功率平衡控制策略主要是針對改進(jìn)微電網(wǎng)拓?fù)浼捌淇刂撇呗?，或者改進(jìn)分布電源系統(tǒng)控制裝置而設(shè)計(jì)。本文主要針對微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中對微網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)電網(wǎng)負(fù)荷與微電源輸出功率之間的平衡問題，提出一種微電網(wǎng)并轉(zhuǎn)孤模式切換時(shí)功率平衡計(jì)算方法，主要解決微網(wǎng)切換時(shí)電網(wǎng)負(fù)荷與微電源輸出功率間適平衡最優(yōu)化的計(jì)算與評(píng)估，該方法提出一種通用的計(jì)算模型能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出所有可能的投切方案，并從中篩選出最佳方案。

1 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)如圖1所示，分為上層管理管理模塊及低層控制模塊兩部分。

上層管理管理模塊包括模式管理、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、儲(chǔ)能管理、負(fù)荷預(yù)測、風(fēng)光發(fā)電預(yù)測系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞炔糠?；低層控制模塊分為模式識(shí)別與控制、穩(wěn)定控制、電源控制、負(fù)荷控制，在 PCC點(diǎn)增加孤島檢測保護(hù)模塊。

圖1 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模塊通過對微電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、負(fù)荷預(yù)測和風(fēng)光發(fā)電預(yù)測結(jié)果的分析計(jì)算，生成微電網(wǎng)能量管理經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案。儲(chǔ)能管理模塊根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前儲(chǔ)能情況以及預(yù)設(shè)的 SOC限值生成儲(chǔ)能管理方案。模式管理模塊接收模式識(shí)別與控制模塊發(fā)送的識(shí)別結(jié)果，同時(shí)接收經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和儲(chǔ)能管理方案并進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，生成相應(yīng)的微電網(wǎng)能量管理方案（包含模式切換預(yù)案、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和儲(chǔ)能管理控制方案），然后將微電網(wǎng)能量管理方案下發(fā)給模式識(shí)別與控制模塊執(zhí)行。模式識(shí)別與控制接收孤島檢測的動(dòng)作信號(hào)，執(zhí)行模式管理下發(fā)的微電網(wǎng)能量管理方案，同時(shí)為穩(wěn)定控制提供模式識(shí)別結(jié)果。穩(wěn)定控制根據(jù)模式識(shí)別結(jié)果，生成穩(wěn)定控制方案，通過電源控制和負(fù)荷控制模塊執(zhí)行。電源控制和負(fù)荷控制模塊接收模式識(shí)別與控制模塊和穩(wěn)定控制模塊下發(fā)的控制信號(hào)，對電源和負(fù)荷進(jìn)行相應(yīng)的控制。

2 功率平衡算法

功率平衡算法作為關(guān)鍵算法在微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中被應(yīng)用，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中模式管理和穩(wěn)定控制是兩個(gè)核心模塊，模式管理是用來針對當(dāng)前微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，給出當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行發(fā)生故障需要模式切換時(shí)能夠個(gè)保證微電網(wǎng)模式平穩(wěn)切換的預(yù)案。其中最重要的模式切換預(yù)案就是并轉(zhuǎn)孤模式切換預(yù)案，此時(shí)需要調(diào)用本算法得到最佳孤網(wǎng)電源和負(fù)荷投切方案。另一個(gè)核心模塊穩(wěn)定控制，是指在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)保證各孤網(wǎng)電源與負(fù)荷能夠在安全、穩(wěn)定運(yùn)行，本算法可以保證微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)各電源和負(fù)荷之間的功率平衡，因此穩(wěn)定控制模塊也充分利用本算法的通用性和最優(yōu)性，通過調(diào)用本算法計(jì)算得到需要投切的電源和負(fù)荷，從而保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，如果大電網(wǎng)故障導(dǎo)致并網(wǎng)開關(guān)保護(hù)動(dòng)作或者人工拉開并網(wǎng)開關(guān)，微電網(wǎng)需要切換到孤網(wǎng)運(yùn)行模式。此時(shí)：①需要選定某個(gè)儲(chǔ)能電源為主電源；②根據(jù)微電網(wǎng)中各供電設(shè)備供電范圍以及實(shí)時(shí)負(fù)荷情況，計(jì)算得出各供電設(shè)備的投切情況，供電設(shè)備中線性電源的輸出功率，負(fù)荷的投切情況；③根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果調(diào)整電源和負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)運(yùn)行。

針對上述微電網(wǎng)并轉(zhuǎn)孤模式切時(shí)的第二步算法實(shí)現(xiàn)，以往算法就是根據(jù)實(shí)際具體項(xiàng)目情況，依據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)編寫控制邏輯方案，根據(jù)方案編寫程序代碼，得到轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)后各電源和負(fù)荷投切情況。這種算法因?yàn)槭且罁?jù)經(jīng)驗(yàn)編寫控制方案特別是微電網(wǎng)中電源比較多情況靠這種簡單粗獷的邏輯推理方法很難得出最優(yōu)方案，另外，這種算法的通用性差，只能針對具體某一個(gè)微電網(wǎng)，不能針對所有微電網(wǎng)通用。本文介紹一種通用的計(jì)算模型能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出所有可能的投切方案，并從中篩選出最佳方案。

2.1 功率平衡數(shù)學(xué)模型

假設(shè)整個(gè)微電網(wǎng)運(yùn)行的電源中有n個(gè)非線性電源（因?yàn)殡娫刺匦圆荒芸焖僬{(diào)節(jié)輸出功率，只能切除或者保留，如風(fēng)機(jī)等），m個(gè)線性電源（可以通過電源控制裝置直接調(diào)節(jié)輸出功率，不包括主電源，如柴發(fā)、光伏、儲(chǔ)能電池等），組建如下方程（1）、（2）功率平衡方程組。由于線性電源給出的可調(diào)范圍是視在功率S，所以線性電源的約束條件如下式（3）S與 P、Q之間電力系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)關(guān)系。

約束條件

式中，Pfh、Qfh為實(shí)時(shí)微電網(wǎng)負(fù)荷的有功功率、無功功率；Pqfh、Qqfh為需要切除負(fù)荷的有功功率、無功功率；Pz、Qz為主電源的有功功率、無功功率，范圍SZL～SZH，SZL≥0；Pfxxi、Qfxxi為第 i個(gè)非線性電源的有功功率、無功功率；Kfxxi為第 i個(gè)非線性電源是否投運(yùn)，即轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)時(shí)，0表示退出，1表示繼續(xù)運(yùn)行；Pxxi、Qxxi第i個(gè)線性電源負(fù)荷的的有功功率、無功功率，范圍 SxxLi～SxxHi，SxxLi≥0；Kxxi第 i個(gè)線性電源是否投運(yùn)，即轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)時(shí)，0表示退出，1表示繼續(xù)運(yùn)行。

解上面功率平衡方程組，求n個(gè)Kfxxi、m個(gè)Kxxi以及投運(yùn)的線性電源的輸出功率，其中清潔能源電源優(yōu)先選擇，要求各線性電源的輸出功率在可調(diào)范圍之內(nèi)，清潔能源電源供電最大，盡量保證不切除負(fù)荷，切除負(fù)荷時(shí)按負(fù)荷優(yōu)先級(jí)切除。

2.2 功率平衡算法實(shí)現(xiàn)

根據(jù)微電網(wǎng)中各供電設(shè)備供電范圍以及實(shí)時(shí)負(fù)荷情況，計(jì)算得出各供電設(shè)備的投切情況，供電設(shè)備中線性電源的輸出功率，負(fù)荷的投切情況。

1）不切除負(fù)荷求解

首先嘗試不切除負(fù)荷，即Pqfh=0，Qqfh=0，解上面功率平衡方程組，如果有解再選擇最優(yōu)解，返回結(jié)果。

2）嘗試切除的負(fù)荷求解

如果上步無解，則嘗試切除負(fù)荷，在所有可切負(fù)荷中投運(yùn)的負(fù)荷按優(yōu)先級(jí)順序，逐次切除負(fù)荷，每次嘗試切除負(fù)荷得到新的Pqfh和Qqfh，帶入上述方程組，解功率平衡方程組，如果有解，則選擇最優(yōu)解，并返回結(jié)果，如果無解，則繼續(xù)嘗試切除下一個(gè)負(fù)荷，直到切除所有可切負(fù)荷，還無解的話，則整個(gè)算法無解。

3）解功率平衡方程組

如何解功率平衡方程組是本計(jì)算方法的核心問題，解方程組思路如下：

共有n個(gè)Kfxxi、m個(gè)Kxxi以及投運(yùn)的線性電源的輸出功率是未知量，首先，從n+m個(gè)開關(guān)量入手，因?yàn)槊總€(gè)K值只有0和1的選擇，即一共有2(n+m)組解，窮舉所有2(n+m)組解，每一組解根據(jù)線性電源的可調(diào)范圍，計(jì)算式（1）、式（2）等號(hào)左邊的最大值和最小值，如果等號(hào)右邊的負(fù)荷值在相應(yīng)的最大值和最小值之間，則認(rèn)為該組解可以有效，否則無效，對于有效的解要找出合適的線性電源輸出功率，此時(shí)方程組變成了最大為m元一次方程組，先根據(jù)各未知量的范圍由式（1）得到有功解，再根據(jù)有功解和約束條件式（3）得到各未知無功的范圍，由式（2）得到無功解；最后，在這些有效的解中優(yōu)先擇清潔能源電源投入最多的一組解。

3 算例分析

本算法應(yīng)用于某島嶼微電網(wǎng)中，其電源參數(shù)如下表所示。其中主電源的優(yōu)先級(jí)以序號(hào)確定，序號(hào)靠前主電源的優(yōu)先級(jí)越大。

表1 電源參數(shù)表

表1中2個(gè)儲(chǔ)能電源容量為500kVA，支持可輸出功率是和吸收功率調(diào)節(jié)，光伏和柴發(fā)都只是正向可調(diào)。線性電源可調(diào)范圍根據(jù)實(shí)際情況確定，儲(chǔ)能要根據(jù)其SOC值確調(diào)其可運(yùn)行范圍，實(shí)際運(yùn)算時(shí)讀取電池實(shí)時(shí)參數(shù)值確定可調(diào)范圍，這里只以上表為可調(diào)范圍為準(zhǔn)。

微電網(wǎng)中負(fù)荷分為可切部分和不可切部分，可切負(fù)荷共計(jì)10路，已按切除優(yōu)先級(jí)排好，從負(fù)荷1到負(fù)荷10，負(fù)荷1的切除優(yōu)先級(jí)最高。

微電網(wǎng)并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)某一瞬間各電源負(fù)荷運(yùn)行情況見表2、表3。

表2 電源實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)表

表3 可切負(fù)荷實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)表

（續(xù)）

此時(shí)島嶼上的總負(fù)荷Pfh=1680kW，Qfh=20kVar，即時(shí)微電網(wǎng)向大電網(wǎng)供電707kW，島嶼上不可切負(fù)荷1354.5kW。

上述并網(wǎng)穩(wěn)定參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，如果并網(wǎng)開關(guān)跳閘系統(tǒng)需要切到孤網(wǎng)運(yùn)行模式，運(yùn)用本算法進(jìn)行計(jì)算，得到孤網(wǎng)運(yùn)行各電源投切情況見表4，不需切除負(fù)荷。

表4 孤網(wǎng)運(yùn)行各電源投切情況表

從表4算法結(jié)果可以看出，孤網(wǎng)運(yùn)行選擇優(yōu)先級(jí)最高的鋰電做主電源，有功和無功總和與島嶼上當(dāng)前時(shí)間的負(fù)荷大小相匹配，同時(shí)風(fēng)機(jī)和光伏清潔能源最大運(yùn)行，柴油機(jī)和儲(chǔ)能最小運(yùn)行，這樣分配電源功率是最優(yōu)配置，既保證系統(tǒng)由并網(wǎng)穩(wěn)定切換到孤網(wǎng)運(yùn)行，又保證清潔能源電源最大輸出，同時(shí)盡量保證不切除風(fēng)機(jī)、柴油機(jī)等不易啟停的電源裝置。

4 應(yīng)用情況

2014年3月，我公司微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)在廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院可再生能源及微電網(wǎng)試驗(yàn)室進(jìn)行動(dòng)模實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)依照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)部頒標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求和工程實(shí)際情況，在廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院可再生能源及微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室搭建 800V電壓等級(jí)的微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)模型，本次動(dòng)模試驗(yàn)結(jié)合目前電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制、繼電保護(hù)的新技術(shù)要求，測試微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)在各種系統(tǒng)運(yùn)行工況下的功能正確性、可靠性和有效性，模擬微網(wǎng)各種運(yùn)行模式的切換過程后，系統(tǒng)能使微網(wǎng)平滑過渡并穩(wěn)定運(yùn)行。

在實(shí)際應(yīng)用中本算法也發(fā)現(xiàn)一些考慮不到的問題，如儲(chǔ)能電源因?yàn)槠涔β士梢运膫€(gè)象限中切換，因此儲(chǔ)能電源可以不必退出，所有選擇儲(chǔ)能電源退出的方案就可以不用計(jì)算，這樣可以大大減少總可行方案的數(shù)目，提高算法效率；還有一些特殊的電源如柴發(fā)等，不僅有視在功率的范圍，還需考慮有功范圍、無功范圍以及功率因素范圍，這些因素我們在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)做了相應(yīng)優(yōu)化和完善。

5 結(jié)論

本計(jì)算方法克服了傳統(tǒng)的微電并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)運(yùn)行切換時(shí)固定策略通用性差，很難得到最優(yōu)方案等缺點(diǎn)，運(yùn)用一種通用的計(jì)算模型準(zhǔn)確的計(jì)算出所有可能的投切方案，并從中篩選出最佳方案。本計(jì)算方法在微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中得到大力推廣和應(yīng)用，為微電網(wǎng)運(yùn)行提高安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性做出了自己的貢獻(xiàn)。

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