李燕青，楊惠嵐，宋　樂，王　川，鄭偉爍

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定　071000)

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基于母線頻率信號的獨立微網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制策略

李燕青，楊惠嵐，宋樂，王川，鄭偉爍

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定071000)

0引言

微電網(wǎng)即可與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可獨立運行。微電網(wǎng)獨立運行時，沒有大電網(wǎng)的支撐，并且可再生能源因自身固有的間歇性、波動性等特點，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行及可靠供電帶來一定的負面影響。因此，如何通過微電網(wǎng)內(nèi)部多種微電源之間的協(xié)調(diào)配合來維持電網(wǎng)的功率平衡和電壓、頻率的穩(wěn)定是微電網(wǎng)孤島運行的關(guān)鍵和技術(shù)難點[1]。

微電網(wǎng)中微電源的協(xié)調(diào)控制主要有主從控制、對等控制和分層控制3種方法[2]。但是主從控制對主控單元和通信有很強的依賴性，一旦主控單元或通信系統(tǒng)故障，則整個系統(tǒng)奔潰。對等控制利用微電源接入系統(tǒng)點電壓和頻率的局部信息進行獨立控制，實現(xiàn)電壓和頻率的自動調(diào)節(jié)，不需要響應的通信環(huán)節(jié)，可以靈活方便的構(gòu)建微電網(wǎng)，但也犧牲了微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定性，并且很難在第一時間做出統(tǒng)籌全局的響應。

針對獨立微電網(wǎng)系統(tǒng)中多微電源的協(xié)調(diào)控制和能量管理技術(shù)，國內(nèi)外學者已開展了大量的研究。文獻[3]利用儲能系統(tǒng)的快速響應特性，提出了柴油發(fā)電機和儲能系統(tǒng)輪流作為主電源時，在切換過程中出現(xiàn)的短時停電問題，提出了雙主電源的無縫切換控制策略。文獻[4]根據(jù)孤立微電網(wǎng)中各微電源機組的不同特性，提出了按優(yōu)先級設(shè)計的雙層能量管理協(xié)調(diào)策略，提升了多元系統(tǒng)的整體性能。文獻[5]在考慮儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)(SOC)的基礎(chǔ)上，提出了獨立微網(wǎng)中多微電源的協(xié)調(diào)控制策略，維持了獨立微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。文獻[6]提出的風光柴儲孤立微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行控制策略中，考慮了孤立微電網(wǎng)中主要設(shè)備的運行約束條件，文中所提策略保證了孤立系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，并且提高了系統(tǒng)全壽命周期的經(jīng)濟性。上述多微源的協(xié)調(diào)控制的研究中主要采用分層控制，通過微電網(wǎng)中央控制器(MGCC)與各微源通信，并向各微源下達控制指令，實現(xiàn)微源的協(xié)調(diào)控制，對中央控制器及通信網(wǎng)絡(luò)依賴性較強。

本文針對于一般結(jié)構(gòu)簡單且投資少的小型獨立微電網(wǎng)中，較少配備中央控制器(MGCC)和通信網(wǎng)絡(luò)的特點，提出了將交流母線頻率作為協(xié)調(diào)控制信號的儲能系統(tǒng)與微型燃氣輪機的協(xié)調(diào)控制策略。該協(xié)調(diào)控制策略在考慮儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)(SOC)的基礎(chǔ)上，設(shè)定頻率閾值，儲能系統(tǒng)(ESS)和微型燃氣輪機根據(jù)ESS的荷電狀態(tài)(SOC)達到上下限時，交流母線頻率發(fā)生變化，當其達到閾值時切換控制模式，從而維持獨立微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。最后，通過仿真平臺對本文所提協(xié)調(diào)控制策略進行了驗證。

1獨立交流微電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文的小型獨立交流微電網(wǎng)系統(tǒng)由光伏發(fā)電單元(PV)、儲能系統(tǒng)(ESS)、微型燃氣輪機等微電源，可控負荷及傳輸電纜組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。圖中微電源的光伏、儲能系統(tǒng)及微型燃氣輪機等微電源經(jīng)過各自的逆變器接入到獨立交流微電網(wǎng)中。

圖1　獨立交流微電網(wǎng)系統(tǒng)圖

2獨立微電網(wǎng)的自我決策模型

① 微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，PCC閉合，儲能系統(tǒng)采用PQ控制模式，微電網(wǎng)的電壓和頻率由大電網(wǎng)支撐。

③ 并網(wǎng)運行時，微型燃氣輪機處于冷備用狀態(tài)，微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行，微型燃氣輪機作為備用電源必須盡快啟動。本文采用由儲能系統(tǒng)給出穩(wěn)定的啟動電壓參考值作為啟動信號。微型燃氣輪機穩(wěn)定出力后，與儲能系統(tǒng)按照Droop控制原則協(xié)同出力，共同維持獨立微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

④ 考慮到規(guī)模性儲能經(jīng)濟代價大，當微型燃氣輪機穩(wěn)定出力并且儲能系統(tǒng)放電達到下限時，儲能系統(tǒng)退出運行?？紤]到儲能系統(tǒng)一次性退出會產(chǎn)生功率振蕩問題，儲能系統(tǒng)應通過改變功率參考值逐級退出，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)與微型燃氣輪機之間的功率轉(zhuǎn)移。

3獨立交流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略

圖2　獨立交流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)

圖2為基于母線頻率信號的協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)。本文所提出的協(xié)調(diào)控制策略中，光伏、儲能系統(tǒng)及微型燃氣輪機之間沒有通信，而是根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)(SOC)的變化，頻率發(fā)生改變，儲能系統(tǒng)將改變的頻率作為信號，微型燃氣輪機通過交流母線接收信號從而改變其輸出。

3.1儲能系統(tǒng)頻率母線信號控制

儲能系統(tǒng)(ESS)的頻率信號算法如圖3。f0為系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的頻率。f1和f2為系統(tǒng)頻率變化后最終穩(wěn)定運行頻率。當儲能系統(tǒng)(ESS)的荷電狀態(tài)(SOC)在合理范圍內(nèi)時，儲能系統(tǒng)的輸出頻率穩(wěn)定為f0。荷電狀態(tài)(SOC)越出閾值(SOClow或SOChigh)時，儲能系統(tǒng)的輸出頻率分別以斜率n減小、以斜率m增加，協(xié)調(diào)其他微電源維持荷電狀態(tài)(SOC)在合理范圍內(nèi)。儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)(SOC)和輸出頻率(f)的關(guān)系：

其中m和n定義為

圖3　儲能系統(tǒng)(ESS)的頻率信號

3.2協(xié)調(diào)控制策略

本文中系統(tǒng)有兩種運行狀態(tài)：① 獨立微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)在線運行(ON)；② ESS零輸出，此時負荷由RES和微型燃氣輪機承擔。

該協(xié)調(diào)控制中微電源的逆變器有4種控制模式：零輸出(OFF);恒功率控制(PQ);下垂控制(Droop);恒頻/恒壓控制(UF)。

協(xié)調(diào)控制策略：

① 獨立微電網(wǎng)在頻率為f0點穩(wěn)定運行，并且儲能系統(tǒng)(ESS)的荷電狀態(tài)(SOC)在合理范圍內(nèi)(即SOClow

② ESS持續(xù)放電，當儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)SOC處于偏低值SOClow(但大于SOCmin)時，儲能系統(tǒng)的控制模式由UF切換至OFF控制模式，此時，儲能系統(tǒng)ESS的輸出為0，并且按照f-SOC曲線，儲能系統(tǒng)逆變器輸出頻率f以n的傾斜率降低，并協(xié)調(diào)其它微電源控制其SOC，最終孤網(wǎng)穩(wěn)定運行在f1點，此時，微型燃氣輪機以f1作為控制信號，控制模式由UF切換到Droop模式，作為孤網(wǎng)主電源，為獨立微網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，并給儲能系統(tǒng)充電，使其荷電狀態(tài)盡快恢復到合理范圍內(nèi)。

③ 當儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)SOC接近其上限SOChigh時，依據(jù)f-SOC曲線，頻率f升高，當其升高到門檻值f2時，儲能系統(tǒng)將頻率f2作為閾值，控制模式由OFF控制切換到Droop控制模式，微型燃氣輪機仍以Droop控制模式運行，并且儲能系統(tǒng)與微型燃氣輪機按照Droop控制原則協(xié)同出力，共同維持獨立微網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

④ 為了最大限度地利用可再生能源，光伏發(fā)電單元始終按照MPPT輸出。

⑤ 為了盡可能減少儲能系統(tǒng)的充放電次數(shù)，延長儲能系統(tǒng)的使用壽命，本文中，一旦儲能系統(tǒng)進入充電狀態(tài)，就需要微型燃氣輪機一直保持充電狀態(tài)直到達到設(shè)定的荷電狀態(tài)SOC的上限；而一旦儲能系統(tǒng)進入放電狀態(tài)，就需保持持續(xù)放電狀態(tài)，直到達到儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)SOC的下限[4]。

3.3儲能系統(tǒng)控制模式切換

為實現(xiàn)上述所提協(xié)調(diào)控制策略，電池儲能系統(tǒng)逆變器必須具備根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)自主選擇相應控制模式的控制功能。針對儲能系統(tǒng)須具備的控制功能，本文設(shè)計了如圖4所示的儲能系統(tǒng)控制原理圖。

圖4　儲能系統(tǒng)控制原理

該控制模型由4個模塊構(gòu)成，分別為外環(huán)控制模塊、功率計算模塊、功率控制模塊、電流控制模塊。其中，外環(huán)控制模塊為UF、Droop選擇模塊，通過開關(guān)的閉合選擇相應的控制模式。功率計算模塊通過采集逆變器經(jīng)濾波后的輸出電流和負載電壓，輸出逆變電源的平均有功和無功。功率控制器模塊通過輸入有功和無功功率的參考值產(chǎn)生內(nèi)環(huán)電流參考值。電流控制模塊通過PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生逆變器所需的正弦調(diào)制信號。

該控制模型集中了3種控制模式，通過開關(guān)的閉合實現(xiàn)控制模式的切換，由于不存在通信，開關(guān)閉合的控制指令由協(xié)調(diào)控制策略給出。

獨立微電網(wǎng)穩(wěn)定運行于頻率f0點時，開關(guān)K1的邏輯值為1，開關(guān)閉合于K1點，儲能系統(tǒng)為UF控制，當儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)SOC達到下限SOClow時，K2的邏輯邏輯值為1，開關(guān)閉合于K2點，儲能系統(tǒng)控制模式由UF切換至OFF控制模式(PQ控制，Pref=Qref=0)，其中儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)SOC參考文獻[7]中的計算方法，如下：

其中：Q為電池儲能系統(tǒng)容量, kW·h ;Q0為電池儲能系統(tǒng)的最大容量, A·h;UBN為電池端口額定電壓,V。

當系統(tǒng)頻率f達到其控制模式切換閾值f2時，開關(guān)K1、K2的邏輯值均為0，儲能系統(tǒng)控制模式切換為Droop控制。儲能系統(tǒng)控制模式的切換采用文獻[3]中補償控制算法的平滑切換，當控制模式發(fā)生切換時，在電流控制方程中加入相關(guān)控制補償項，并且記憶切換前同步旋轉(zhuǎn)坐標系中d軸相角。

微網(wǎng)運行狀態(tài)及各微電源的控制模式如表1。

表1　微電源的控制模式

4仿真與分析

為驗證本文所提協(xié)調(diào)控制策略的可行性，利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建了如圖1所示的獨立微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。仿真中有關(guān)參數(shù)取值：1臺微型燃汽輪機的額定功率為10kW，電池儲能系統(tǒng)的額定容量為10kV·A，光伏的額定功率為40kW，總負荷為25kW。系統(tǒng)穩(wěn)定運行時頻率f0為50Hz，頻率的上、下閾值分別為50.5Hz、49.7Hz,其它參數(shù)取值參考文獻[8]中的數(shù)值。

本文中的儲能系統(tǒng)選取電池儲能，為了控制電池儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)(SOC)在0.2～0.9之間，本文設(shè)置電池過放、過充的閾值為0.3、0.8[7]，仿真結(jié)果如圖5，可知：

① 由圖5(a)～(d)可知，在0～6s時，孤網(wǎng)運行穩(wěn)定運行于f0點，電池儲能系統(tǒng)和微型燃氣輪機的控制模式均為UF控制，維持系統(tǒng)頻率為50Hz。電池儲能系統(tǒng)的有功輸出為10kW，微型燃汽輪機的有功輸出為5kW。

② 儲能系統(tǒng)持續(xù)放電，其荷電狀態(tài)值SOC逐漸減少，6s時刻達到下限值0.3，儲能系統(tǒng)的控制模式由UF切換至OFF，輸出為0，并且頻率f開始減小，微型燃汽輪機的有功輸出增大到15kW，維持系統(tǒng)有功平衡。由圖5(d)可以看出，當儲能系統(tǒng)的控制模式切換時，由于系統(tǒng)中有功輸出突然缺失，系統(tǒng)頻率瞬間減小，由于UF型逆變器的調(diào)頻作用，電網(wǎng)頻率下降。

③ 6s時，系統(tǒng)頻率f達到其閾值49.7Hz時，微型燃氣輪機的控制模式切換至Droop，此時微型燃氣輪機作為系統(tǒng)主電源，為系統(tǒng)提供頻率支撐。

④ 6～15s時，儲能系統(tǒng)充電，微型燃氣輪機的有功出力增大到25kW，與光伏發(fā)電單元共同維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

⑤ 15s時，儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)達到其上限0.8，并且頻率開始增加，16s時，頻率增加到閾值50.5Hz，儲能系統(tǒng)的控制模式切換至Droop。由圖5(b)和圖5(c)可以看出，儲能系統(tǒng)和微型燃氣輪機按Droop協(xié)同出力，并按各自的下垂系數(shù)分配負荷。系統(tǒng)最終穩(wěn)定在50.2Hz運行。由圖5(d)可以看出，儲能系統(tǒng)和微型燃氣輪機的協(xié)調(diào)控制為頻率的有差調(diào)節(jié),但可維持孤網(wǎng)在頻率允許偏差內(nèi)運行。

圖5　仿真結(jié)果

⑥ 由圖5(e)可知，6s時刻控制模式切換，在運行模式切換過程中微電網(wǎng)交流母線電壓幅值和相位沒有出現(xiàn)突變，并且切換前后電壓逐漸恢復。

5結(jié)論

本文提出了基于母線頻率信號的獨立微網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制策略，該控制策略包括微電網(wǎng)基于本地信息的自決策模型、微網(wǎng)進入孤島模式后儲能系統(tǒng)和微型燃氣輪機的協(xié)調(diào)控制策略及儲能系統(tǒng)的控制模型。母線頻率信號的提出實現(xiàn)了孤網(wǎng)中微源不依賴通信的協(xié)調(diào)控制，并且通過微型燃氣輪機與儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)了儲能系統(tǒng)的充放電控制，使其荷電狀態(tài)控制在合理范圍內(nèi)。

本文提出的協(xié)調(diào)控制策略為頻率的有差調(diào)節(jié)，如何實現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)還需在以后的工作中進一步研究。

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李燕青(1974-)，男，教授，碩士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)運行分析與控制、電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷， E-mail:hdlyq@163.com;

楊惠嵐(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為新能源發(fā)電、微電網(wǎng)運行控制，E-mail:870585755@qq.com。

(責任編輯：楊秋霞)

A Multi-source Cooperative Control Strategy for Standalone Microgrids Based on Bus Frequency Signaling LI Yanqing，YANG Huilan，SONG Le，WANG Chuan，ZHEN Weishuo

(School of Electronic Engineering，North China Electric Power Univercity，Baoding 071000)

摘要：為了實現(xiàn)獨立微電網(wǎng)的長期穩(wěn)定運行，本文針對小型的獨立微電網(wǎng)，提出了基于母線頻率信號的多源協(xié)調(diào)控制策略和獨立微電網(wǎng)的自我決策模型，本文提出的協(xié)調(diào)控制策略中，依據(jù)母線頻率信號算法，在考慮儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)的基礎(chǔ)上，設(shè)定頻率閾值，微型燃氣輪機將其作為控制模式切換信號，根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)配合協(xié)助儲能系統(tǒng)運行，保證儲能系統(tǒng)能量充足，實現(xiàn)了快速響應的儲能系統(tǒng)與后備電源微型燃氣輪機之間不依賴通信的多源協(xié)調(diào)控制。通過MATLAB/SIMULINK仿真平臺的驗證，所述協(xié)調(diào)控制策略具有較大優(yōu)勢，可維持獨立微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：獨立微電網(wǎng)；儲能系統(tǒng)；微型燃氣輪機；母線頻率信號；荷電狀態(tài)；協(xié)調(diào)控制

Abstract：To achieve long-term and stable operation of standalone microgrid, the multi-source coordinated control strategy based on bus frequency signal and self-decision model of the standalone microgrid are put forward in this paper. As to the proposed coordinated control strategy, according to the bus frequency signal algorithm, the frequency threshold is set up by considering the state of charge of the energy storage system, which is used as the switch signal of control mode in the micro-turbine. The energy storage system operate according to the state of charge of the energy storage system, which can guarantee sufficient energy for energy storage system, and realizes cooperative control between the active storage system and the back-up micro-turbine independent of communication. Through the verification on MATLAB/SIMULINK simulation platform, it can be seen that coordinated control strategy has good effects, and can maintain the stable operation of the standalone microgrid.

Keywords：standalone microgrid; energy storage system; microturbine; bus frequency signal; state of charge; cooperative control

作者簡介：

收稿日期：2015-06-03

中圖分類號：TM76

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2322(2016)02-0022-05