何小良，章雷其，譚海云，汪　震，辛煥海

（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027；2.杭州市供電局，杭州310007）

?

微網(wǎng)中分布式電源和多儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制策略

何小良1，章雷其1，譚海云2，汪震1，辛煥海1

（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027；2.杭州市供電局，杭州310007）

摘要：通過(guò)分布式電源和儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制，微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可參與電網(wǎng)調(diào)度，且在并網(wǎng)和孤網(wǎng)狀態(tài)下都能夠多模式運(yùn)行。正常運(yùn)行模式下負(fù)荷優(yōu)先分配給分布式電源，當(dāng)分布式電源最大輸出功率小于負(fù)荷、系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額時(shí)，才由儲(chǔ)能補(bǔ)償缺額部分，減小儲(chǔ)能損耗，提高微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)多運(yùn)行模式的配合，使儲(chǔ)能荷電狀態(tài)維持在合理范圍內(nèi)，儲(chǔ)能處于可充放狀態(tài)，提高微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度的靈活性和孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。針對(duì)微網(wǎng)中含有多個(gè)儲(chǔ)能的情況，提出多儲(chǔ)能協(xié)同控制算法，在滿足分布式電源和儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制要求的前提下，能夠根據(jù)儲(chǔ)能荷電狀態(tài)偏差的變化，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)各儲(chǔ)能充放電功率，使其快速平滑地達(dá)到荷電量平衡。

關(guān)鍵詞：微網(wǎng)；協(xié)調(diào)控制；荷電狀態(tài)；荷電量平衡

Project Supported by National High Technology Research and Development Program（863 program）of China（2015AA050202）；National Nature Science Foundation of China（51177146）；Young Scholar Foundation of College of Electrical Engineering，Zhejiang University（Self-optimizing Islanded Microgrid Simulation Platform）

引言

微網(wǎng)作為解決分布式發(fā)電和多元化新能源利用的有效途徑之一，豐富了傳統(tǒng)電網(wǎng)的運(yùn)行方式，提高了供電的靈活性，成為大電網(wǎng)的有益補(bǔ)充［1-3］。微網(wǎng)中通常利用儲(chǔ)能ESS（energy storage system）來(lái)抑制可再生的分布式電源DG（distributed generation）出力的波動(dòng)性［4-6］。但目前儲(chǔ)能價(jià)格較高，在微網(wǎng)中配置大量?jī)?chǔ)能并不經(jīng)濟(jì)，且在儲(chǔ)能的運(yùn)行中需要考慮其荷電狀態(tài)SOC（state of charge），SOC過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)影響儲(chǔ)能作用的發(fā)揮。如何協(xié)調(diào)控制分布式電源和多儲(chǔ)能，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，克服缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制目標(biāo)，成為當(dāng)前微網(wǎng)研究的熱點(diǎn)。

微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，通常分布式電源以最大功率追蹤MPPT（maximum power point tracking）模式運(yùn)行，儲(chǔ)能參與削峰填谷。分布式電源出力波動(dòng)由大電網(wǎng)承擔(dān)，隨著新能源發(fā)電滲透率的提高，會(huì)對(duì)大電網(wǎng)的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。因此微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，有必要協(xié)調(diào)控制分布式電源和儲(chǔ)能出力，使微網(wǎng)像傳統(tǒng)發(fā)電廠一樣參與電網(wǎng)調(diào)度［7，8］。文獻(xiàn)［9］中，微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，分布式電源以MPPT模式運(yùn)行，儲(chǔ)能在負(fù)荷峰谷期參與削峰填谷；微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)將儲(chǔ)能作為后備微源，當(dāng)分布式電源最大出力小于負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能補(bǔ)償功率缺額，儲(chǔ)能放電至SOC下限后退出運(yùn)行。文獻(xiàn)［10］中，微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)分布式電源以MPPT模式運(yùn)行，儲(chǔ)能在負(fù)荷高峰期參與削峰，非高峰期則以恒定功率充電；孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，若分布式電源最大出力大于負(fù)荷，將儲(chǔ)能充電至SOC上限，反之，則由儲(chǔ)能補(bǔ)償功率缺額，由于新能源的波動(dòng)性和間隙性，可能導(dǎo)致儲(chǔ)能頻繁充放電。

當(dāng)微網(wǎng)中存在多個(gè)儲(chǔ)能時(shí)，需要多儲(chǔ)能協(xié)同控制，以維持各儲(chǔ)能荷電量平衡，否則可能會(huì)導(dǎo)致某些儲(chǔ)能深度充電或放電，加快儲(chǔ)能損耗并影響微網(wǎng)整體控制效果［11］。文獻(xiàn)［12］通過(guò)在功率分配系數(shù)上加減一個(gè)常量（儲(chǔ)能放電時(shí)，SOC高的分配系數(shù)上加一個(gè)常量，SOC低的分配系數(shù)上減去此常量；充電時(shí)，反之。），使儲(chǔ)能達(dá)到荷電量平衡；當(dāng)2個(gè)儲(chǔ)能SOC達(dá)到相等時(shí)，消去這個(gè)常量，儲(chǔ)能出力有較大的階躍，過(guò)渡不平滑，且該方法只適用于2個(gè)儲(chǔ)能的情況。文獻(xiàn)［13］利用模糊算法，根據(jù)SOC動(dòng)態(tài)的分配各儲(chǔ)能出力，使其快速達(dá)到荷電量平衡，但是算法比較復(fù)雜且隨著儲(chǔ)能個(gè)數(shù)的增加，模糊化將更加復(fù)雜；文獻(xiàn)［14］利用SOC的冪函數(shù)，根據(jù)SOC動(dòng)態(tài)的分配各儲(chǔ)能出力，使其較平滑地達(dá)到荷電量平衡，但其控制效果受SOC高低的影響，同樣只能處理2個(gè)儲(chǔ)能的情況。

本文通過(guò)分布式電源和儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制，微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可參與電網(wǎng)調(diào)度且在并網(wǎng)和孤網(wǎng)狀態(tài)下都能夠多模式運(yùn)行。正常運(yùn)行模式下，負(fù)荷優(yōu)先由分布式電源分?jǐn)?，?dāng)分布式電源最大出力小于負(fù)荷，導(dǎo)致主微網(wǎng)交互功率或系統(tǒng)頻率偏離給定值時(shí)，才由儲(chǔ)能補(bǔ)償功率缺額，減小儲(chǔ)能損耗，延長(zhǎng)其使用壽命，提高微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)多運(yùn)行模式的配合，使儲(chǔ)能荷電量維持在合理范圍內(nèi)，處于可充放電狀態(tài)，提高微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度的靈活性及孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。當(dāng)微網(wǎng)中存在多個(gè)儲(chǔ)能時(shí)，采用儲(chǔ)能協(xié)同控制算法，能夠在滿足微網(wǎng)功率平衡要求的前提下，根據(jù)儲(chǔ)能SOC偏差的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各儲(chǔ)能充放電功率，使其快速平滑地達(dá)到荷電量平衡。該方法不受儲(chǔ)能SOC高低的影響，且能夠解決多個(gè)儲(chǔ)能的協(xié)同控制問(wèn)題。

1　微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

目前，微網(wǎng)普遍采用分層控制，并且一般設(shè)有中央控制器MGCC（microgrid central controller）及通訊系統(tǒng)［15］，如圖1所示。

圖1　微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Microgrid configuration

本文研究的微網(wǎng)由光伏、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能及相應(yīng)的負(fù)荷組成，采用二層控制結(jié)構(gòu)：分布式電源控制器負(fù)責(zé)一次控制；MGCC負(fù)責(zé)二次控制，主要包括：微網(wǎng)的運(yùn)行模式切換、功率分配、主微網(wǎng)交互功率控制、系統(tǒng)頻率及電壓的無(wú)差調(diào)節(jié)等。

2　分布式電源與儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制

SOC是衡量?jī)?chǔ)能剩余荷電量的一個(gè)重要指標(biāo)，作為儲(chǔ)能充放電的依據(jù)比較合理。SOC的計(jì)算方法有很多，其中一種［16］為

式中：SOC（0）為SOC的初始值；Ibat為儲(chǔ)能的輸出電流；Cbat為儲(chǔ)能容量。本文綜合考慮微網(wǎng)控制目標(biāo)、分布式電源出力波動(dòng)性、儲(chǔ)能荷電量等因素，提出分布式電源和儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制策略，如圖2所示。

圖2　微網(wǎng)控制策略Fig.2 Microgrid control strategy

2.1微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行協(xié)調(diào)控制策略

微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，采用圖2并網(wǎng)運(yùn)行部分所示的控制策略，使微網(wǎng)能夠參與電網(wǎng)調(diào)度。微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)有3種運(yùn)行模式。模式1：分布式電源運(yùn)行于MPPT模式，儲(chǔ)能運(yùn)行于自動(dòng)發(fā)電控制/自動(dòng)電壓控制AGC/AVC（automatic generation control /automatic voltage control）模式；模式2：分布式電源運(yùn)行于AGC/AVC模式，儲(chǔ)能處于熱備用狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額，導(dǎo)致主微網(wǎng)交互功率偏離調(diào)度指令時(shí)，補(bǔ)償缺額功率；模式3：分布式電源和儲(chǔ)能都運(yùn)行于AGC/AVC模式。

AGC/AVC模式：MGCC計(jì)算出系統(tǒng)負(fù)荷，然后按最大可輸出功率等比例原則將負(fù)荷分配給各機(jī)組，各機(jī)組輸出相應(yīng)的功率。控制過(guò)程如下。

（1）起始時(shí)微網(wǎng)運(yùn)行于模式2（并網(wǎng)正常運(yùn)行模式），負(fù)荷優(yōu)先分配給分布式電源，分布式電源按最大可輸出功率等比例分?jǐn)傌?fù)荷，當(dāng)其最大出力小于負(fù)荷，系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額，導(dǎo)致主微網(wǎng)交互功率偏離調(diào)度指令時(shí)，由儲(chǔ)能來(lái)補(bǔ)償功率缺額。儲(chǔ)能處于熱備用狀態(tài)，類似于電網(wǎng)中熱備用機(jī)組。設(shè)分布式電源最大出力為PDGmax，最小出力為PDGmin，儲(chǔ)能最大放電功率為Pbatmax，最大充電功率為-Pbatmax，則調(diào)度指令Plinecmd正常情況下應(yīng)滿足的條件為

短時(shí)間（如削峰填谷時(shí)間段）應(yīng)滿足的條件為

式中，Pload為微網(wǎng)負(fù)荷。

（2）當(dāng)SOC下降到SOC≤SOClow1時(shí)，微網(wǎng)切換到運(yùn)行模式1，給儲(chǔ)能充電。分布式電源以MPPT模式運(yùn)行，儲(chǔ)能運(yùn)行于AGC/AVC模式，主微網(wǎng)交互功率由儲(chǔ)能控制。設(shè)主微網(wǎng)交互功率為Pline，則儲(chǔ)能充電功率Pbat為

隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，當(dāng)儲(chǔ)能SOC上升到SOC≥SOCnorm1時(shí)，微網(wǎng)運(yùn)行模式切換到模式2。

（3）當(dāng)SOC上升到SOC≥SOChigh1時(shí)，微網(wǎng)切換到運(yùn)行模式3，使儲(chǔ)能放電。分布式電源與儲(chǔ)能都運(yùn)行于AGC/AVC模式，參與主微網(wǎng)交互功率的控制。

隨著放電過(guò)程的進(jìn)行，當(dāng)儲(chǔ)能SOC下降到SOC≤SOCnorm1時(shí)，微網(wǎng)運(yùn)行模式切換到模式2。

由上述分析可知，通過(guò)分布式電源和儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制，微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能夠參與電網(wǎng)調(diào)度。通過(guò)三種運(yùn)行模式的配合，使儲(chǔ)能SOC能夠維持在合理范圍內(nèi)，儲(chǔ)能保持可充放狀態(tài)，提高了調(diào)度的靈活性且能夠向電網(wǎng)提供削峰填谷服務(wù)。正常運(yùn)行模式（模式2）下，負(fù)荷優(yōu)先分配給分布式電源，當(dāng)分布式電源最大出力小于負(fù)荷，系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額，導(dǎo)致主微網(wǎng)交互功率偏離給定值時(shí)，才由儲(chǔ)能補(bǔ)償功率缺額，減小儲(chǔ)能損耗，提高微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2.2微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行協(xié)調(diào)控制策略

微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，采用圖2孤網(wǎng)部分所示的控制策略。微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)具有3種運(yùn)行模式。模式4：分布式電源運(yùn)行于MPPT模式，儲(chǔ)能運(yùn)行于AGC/ AVC模式；模式5：分布式電源運(yùn)行于AGC/AVC模式；儲(chǔ)能處于熱備用狀態(tài)，系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率偏離50 Hz時(shí)，補(bǔ)償缺額功率；模式6：分布式電源和儲(chǔ)能都運(yùn)行于AGC/AVC模式?？刂七^(guò)程如下。

（1）起始時(shí)微網(wǎng)運(yùn)行于模式5，該模式是微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的正常運(yùn)行模式，負(fù)荷優(yōu)先分配給分布式電源，當(dāng)分布式電源最大出力小于負(fù)荷，系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額，導(dǎo)致頻率偏離50 Hz時(shí)，由儲(chǔ)能來(lái)補(bǔ)償缺額部分。

（2）當(dāng)SOC下降到SOC≤SOClow2時(shí)，微網(wǎng)運(yùn)行模式切換到模式4，給儲(chǔ)能充電。分布式電源運(yùn)行于MPPT模式，儲(chǔ)能運(yùn)行于AGC/AVC模式，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)。儲(chǔ)能的充電功率Pbat為

隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，當(dāng)儲(chǔ)能SOC上升到SOC≥SOCnorm2時(shí)，微網(wǎng)運(yùn)行模式切換到模式5。

（3）當(dāng)SOC上升到SOC≥SOChigh2時(shí)，微網(wǎng)切換到運(yùn)行模式6，使儲(chǔ)能放電。分布式電源和儲(chǔ)能都運(yùn)行于AGC/AVC模式，參與系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)。

隨著放電過(guò)程的進(jìn)行，當(dāng)儲(chǔ)能SOC下降到SOC ≤SOCnorm2時(shí)，微網(wǎng)運(yùn)行模式切換到模式5。

由上述分析可知，微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)分布式電源和儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制，使儲(chǔ)能SOC能夠維持在合理范圍內(nèi)，儲(chǔ)能保持可充放狀態(tài)，提高微網(wǎng)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力和運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)避免儲(chǔ)能深度充放電情況發(fā)生。正常運(yùn)行模式（模式5）下，負(fù)荷優(yōu)先分配給分布式電源，當(dāng)分布式電源最大出力小于負(fù)荷，系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額，導(dǎo)致頻率偏離50 Hz時(shí)，才由儲(chǔ)能補(bǔ)償功率缺額，減小儲(chǔ)能損耗。

2.3多個(gè)儲(chǔ)能時(shí)上述控制策略的修正

當(dāng)微網(wǎng)中含有多個(gè)儲(chǔ)能時(shí)，上述模式切換判斷條件中的SOC可表示為

式中，Cbati為儲(chǔ)能i（i=1，2，…，N）的容量。

根據(jù)式（6）所有儲(chǔ)能SOC的平均值來(lái)判斷是否切換微網(wǎng)運(yùn)行模式，可以避免根據(jù)所有儲(chǔ)能SOC中最高和最低者去判斷，導(dǎo)致模式判斷混亂及不必要的模式切換情況的發(fā)生。其他部分與1個(gè)儲(chǔ)能的情況類似，不再贅述。

3　多儲(chǔ)能協(xié)同控制算法

多儲(chǔ)能協(xié)同控制算法目的是滿足微網(wǎng)整體控制要求的情況下，維持儲(chǔ)能荷電量平衡，避免某些儲(chǔ)能深度放電而另外一些深度充電，既能減小儲(chǔ)能損耗又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性［17］。本文提出的儲(chǔ)能協(xié)同控制算法在滿足上述分布式電源和儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制策略的要求的前提下，能夠根據(jù)儲(chǔ)能SOC偏差的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各儲(chǔ)能的充放電功率，使其快速平滑地達(dá)到荷電量平衡。

假設(shè)微網(wǎng)中有N個(gè)儲(chǔ)能，儲(chǔ)能i出力為Pbati，荷電狀態(tài)為SOCi。則儲(chǔ)能充放電功率應(yīng)滿足的條件為

式中：ki為功率分配系數(shù)；P為N個(gè)儲(chǔ)能放電功率之和，由分布式電源和儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制策略確定；Pbatimax和-Pbatimax分別為儲(chǔ)能i的最大放電功率和最大充電功率。從式（7）可以看出，要使各儲(chǔ)能維持荷電量平衡，系數(shù)ki的取值是關(guān)鍵。

本文放電過(guò)程中，ki的取值表示為

式中，λ為一個(gè)常系數(shù)，影響各儲(chǔ)能趨于荷電量平衡的速率。由式（8）可知，可以滿足式（7）的要求。當(dāng)儲(chǔ)能SOCi相等時(shí)，系數(shù)，即各儲(chǔ)能按容量等比例進(jìn)行功率分配。當(dāng)各儲(chǔ)能SOCi不相等時(shí)，若儲(chǔ)能m的SOCm最低，則且為i（i=1，2，…，N）中最小的，即SOCm下降的最慢；若儲(chǔ)能m的SOCm最高，則其SOC下降的最快。當(dāng)各儲(chǔ)能的SOCi偏差逐漸減小時(shí)，的偏差逐漸減小，并趨向于1，從而使各儲(chǔ)能平滑地趨于荷電量平衡。

充電過(guò)程中，ki的取值為

式（9）的各系數(shù)ki之和，滿足式（7）的要求。

式（9）的控制效果與式（8）類似，當(dāng)各儲(chǔ)能SOCi不相等時(shí)，能夠使各儲(chǔ)能平滑地趨于荷電量平衡。

4　仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述控制策略的有效性。利用Matlab/ Simulink對(duì)圖1所示的微網(wǎng)（光伏、2臺(tái)風(fēng)機(jī)、3個(gè)儲(chǔ)能）進(jìn)行建模仿真測(cè)試。主微網(wǎng)交互功率以流出微網(wǎng)為正，儲(chǔ)能功率以輸出為正，模式切換判定條件SOC的值可根據(jù)微網(wǎng)的實(shí)際情況確定。系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1　系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of system

4.1微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行仿真測(cè)試

4.1.1模式2切換到模式1

系統(tǒng)負(fù)荷為1 MW，儲(chǔ)能1、2、3初始SOC分別為70%、60%、50%。仿真結(jié)果如圖3所示，其中儲(chǔ)能SOC如圖3（a）所示，主微網(wǎng)交互功率如圖3（b）所示，各機(jī)組的MPPT曲線如圖3（c）所示，各機(jī)組有功出力如圖3（d）所示。

起始時(shí)，微網(wǎng)運(yùn)行于模式2，t＜20 s時(shí)，負(fù)荷小于分布式電源最大出力，由分布式電源按最大可輸出功率等比例分配，儲(chǔ)能出力為0，SOC保持不變；

t=20 s時(shí)，調(diào)度指令由1 MW上升為2 MW，從圖（b）可以看出，主微網(wǎng)交互功率快速跟蹤調(diào)度指令，上升到2 MW。從圖（a）和（d）可以看出，此時(shí)分布式電源最大出力小于負(fù)荷，功率缺額由儲(chǔ)能補(bǔ)償。由于儲(chǔ)能1、2、3的SOC依次減小，所以儲(chǔ)能1、2、3的放電功率也依次減小。隨著儲(chǔ)能SOC偏差減小，儲(chǔ)能1的出力逐漸下降，而儲(chǔ)能2，3的出力逐漸上升；t=40 s時(shí)三者SOC達(dá)到相等，放電功率也達(dá)到相等。從圖（b）可見，儲(chǔ)能趨于荷電量平衡的過(guò)程是平滑的，沒有引起主微網(wǎng)交互功率的波動(dòng)。t=45 s時(shí)，儲(chǔ)能SOC均值下降到40%，微網(wǎng)運(yùn)行模式由模式2切換為模式1，給儲(chǔ)能充電。切換過(guò)程主微網(wǎng)交互功率沒有波動(dòng)，模式切換平滑。模式切換后，儲(chǔ)能繼續(xù)放電，直到t=55 s時(shí)，調(diào)度指令回到1 MW，儲(chǔ)能由放電轉(zhuǎn)為充電，SOC開始上升。

圖3　模式2切換到模式1仿真測(cè)試結(jié)果Fig.3 Simulation results when microgrid operation mode transfer from mode 2 to mode 1

從以上分析可以看出，微網(wǎng)運(yùn)行于模式1、2，都具備參與電網(wǎng)調(diào)度的能力，且能夠從模式2平滑的切換到模式1。模式2（并網(wǎng)正常運(yùn)行模式）下，負(fù)荷優(yōu)先由光伏和風(fēng)機(jī)分?jǐn)?，?dāng)負(fù)荷大于風(fēng)機(jī)和光伏最大出力時(shí)，才由儲(chǔ)能補(bǔ)償功率缺額，減小儲(chǔ)能損耗。儲(chǔ)能協(xié)同控制算法在滿足微網(wǎng)整體控制要求的前提下，能夠根據(jù)儲(chǔ)能SOC偏差的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各儲(chǔ)能放電功率，使之快速平滑地達(dá)到荷電量平衡。

4.1.2模式2切換到模式3仿真測(cè)試

圖4　模式2切換到模式3仿真測(cè)試結(jié)果Fig.4 Simulation results when microgrid operation mode transfers from mode 2 to mode 3

系統(tǒng)負(fù)荷為0.5 MW，儲(chǔ)能1、2、3初始SOC分別為65%、75%，85%。仿真結(jié)果如圖4所示，儲(chǔ)能SOC如圖4（a）所示，主微網(wǎng)交互功率如圖4（b）所示，各機(jī)組的MPPT曲線如圖4（c）所示，各機(jī)組有功出力如圖4（d）所示。起始時(shí)微網(wǎng)運(yùn)行于模式2，儲(chǔ)能3初始SOC已達(dá)到85%，但由式（6）可知，此時(shí)儲(chǔ)能SOC均值為75%，故微網(wǎng)仍運(yùn)行于模式2。電網(wǎng)初始調(diào)度指令為-0.75 MW，從圖4（a）和（d）可以看出，風(fēng)機(jī)、光伏出力為零，功率缺額由儲(chǔ)能補(bǔ)償。由于儲(chǔ)能1、2、3的SOC依次升高，所以儲(chǔ)能1、2、3的充電功率也依次減小。t=41 s時(shí)，儲(chǔ)能SOC均值上升到80%，微網(wǎng)切換到運(yùn)行模式3，主微網(wǎng)交互功率沒有波動(dòng)，切換過(guò)程平滑。模式切換后，儲(chǔ)能繼續(xù)吸收功率，直到t=60 s時(shí)，調(diào)度指令上升為0.25 MW，分布式電源和儲(chǔ)能按最大出力等比例分配負(fù)荷，儲(chǔ)能開始放電。由于儲(chǔ)能3 SOC最高，所以其放電功率最大。隨著儲(chǔ)能SOC偏差減小，儲(chǔ)能3放電功率逐漸下降，而儲(chǔ)能1、2放電功率逐漸上升。t=80 s時(shí)三者SOC達(dá)到相等，放電功率也達(dá)到相等。

從上述分析可以看出，微網(wǎng)運(yùn)行于模式2、3，都具備參與電網(wǎng)調(diào)度的能力，且能夠從模式2平滑的切換到模式3。儲(chǔ)能協(xié)同控制算法在滿足微網(wǎng)整體控制要求的前提下，能夠根據(jù)儲(chǔ)能SOC偏差的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各儲(chǔ)能充放電功率，使之快速平滑地達(dá)到荷電量平衡。

4.2微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行仿真測(cè)試

系統(tǒng)負(fù)荷為1.4 MW，儲(chǔ)能1、2、3初始SOC分別為40%、50%、40%。仿真結(jié)果如圖5所示。儲(chǔ)能SOC如圖5（a）所示，主微網(wǎng)交互功率如圖5（b）所示，各機(jī)組的MPPT曲線如圖5（c）所示，各機(jī)組有功出力如圖5（d）所示。

起始時(shí)，微網(wǎng)運(yùn)行于模式4，給儲(chǔ)能充電。儲(chǔ)能1、3充電功率比較大，儲(chǔ)能2充電功率幾乎為0，隨著儲(chǔ)能SOC偏差逐漸減小，其充電功率趨于相等。t=24 s時(shí)，儲(chǔ)能SOC達(dá)到相等，其充電功率也達(dá)到相等。期間，頻率一直維持在50 Hz，儲(chǔ)能平滑的達(dá)到荷電量平衡。t=41 s時(shí)，儲(chǔ)能SOC達(dá)到60%，微網(wǎng)切換到運(yùn)行模式5。從圖5（b）可以看出，系統(tǒng)頻率在模式切換過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一個(gè)很小的沖擊后很快恢復(fù)到50 Hz附近。切換到模式5后，從圖5（d）可以看出，負(fù)荷優(yōu)先分配給分布式電源，當(dāng)分布式電源最大出力小于負(fù)荷時(shí)，才由儲(chǔ)能補(bǔ)償功率缺額。

從上述分析可以看出，微網(wǎng)能夠從模式4平滑地切換到模式5。模式5（孤網(wǎng)正常運(yùn)行模式）下，負(fù)荷優(yōu)先由光伏和風(fēng)機(jī)分?jǐn)偅?dāng)負(fù)荷大于風(fēng)機(jī)和光伏最大出力時(shí)，才由儲(chǔ)能補(bǔ)償功率缺額，減小儲(chǔ)能損耗。儲(chǔ)能協(xié)同控制算法在滿足微網(wǎng)整體控制要求的前提下，能夠根據(jù)儲(chǔ)能SOC偏差的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各儲(chǔ)能充電功率，使之快速平滑地達(dá)到荷電量平衡。

圖5　微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行仿真測(cè)試結(jié)果Fig.5 Simulation results when microgrid operates in island mode

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分布式電源和儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制，使儲(chǔ)能荷電量維持在合理范圍內(nèi)，儲(chǔ)能處于可充放狀態(tài)，提高了微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的調(diào)度靈活性，孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。正常運(yùn)行模式下，負(fù)荷優(yōu)先由光伏和風(fēng)機(jī)分?jǐn)?，?dāng)負(fù)荷大于風(fēng)機(jī)和光伏最大出力時(shí)，才由儲(chǔ)能補(bǔ)償功率缺額，減小儲(chǔ)能損耗，提高微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)微網(wǎng)中含有多個(gè)儲(chǔ)能時(shí)，所提儲(chǔ)能協(xié)同控制算法在滿足微網(wǎng)整體控制策略要求的情況下，能夠根據(jù)儲(chǔ)能SOC偏差的變化，動(dòng)態(tài)分配各儲(chǔ)能充放電功率，使其快速平滑地達(dá)到荷電量平衡。本文提出分布式電源和儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制策略，克服了新能源的波動(dòng)性和間歇性，使微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能夠參與電網(wǎng)調(diào)度，在微網(wǎng)群的管理中具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］孟良，段曉波，孟令明，等.微電網(wǎng)中電能質(zhì)量問(wèn)題及解決策略［J］.電源學(xué)報(bào)，2015，13（5）：62-68.

Meng Liang，Duan Xiaobo，Meng Lingming，et al. Power quality problems and solution strategy of micro-grid［J］. Journal of Power Supply，2015，13（5）：62-68（in Chinese）.

［2］陳杰，陳新，馮志陽(yáng)，等.微網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)/孤島運(yùn)行模式無(wú)縫切換控制策略［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（19）：3089-3097.

Chen Jie，Chen Xin，F(xiàn)eng Zhigang，et al. A control strategy of seamless transfer between grid-connected and islanding operation for microgrid［J］. Proceedings of the CSEE，2014，34（19）：3089-3097（in Chinese）.

［3］張明銳，陳潔，杜志超，等.考慮交互功率控制的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（7）：1013-1023.

Zhang Mingrui，Chen Jie，Du Zhichao，et al. Economic operation of micro-grid considering regulation of interactive power［J］. Proceedings of the CSEE，2014，34（7）：1013-1023 （in Chinese）.

［4］陳益哲，張步涵，王江虹，等.基于短期負(fù)荷預(yù)測(cè)的微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)主動(dòng)控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（8）：35-40.

Chen Yizhe，Zhang Buhan，Wang Jianghong，et al. Active control strategy for microgrid energy storage system based on short-term load forecasting［J］. Power System Technology，2011，35（8）：35-40（in Chinese）.

［5］唐西勝，鄧衛(wèi)，齊智平.基于儲(chǔ)能的微網(wǎng)并網(wǎng)/離網(wǎng)無(wú)縫切換技術(shù)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（S1）：279-284.

Tang Xisheng，Deng Wei，Qi Zhiping. Research on gridconnected/islanded seamless transition of microgrid based on energy storage［J］. Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26（S1）：279-284（in Chinese）.

［6］趙冬梅，張楠，劉燕華，等.基于儲(chǔ)能的微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式平滑切換綜合控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013，37 （2）：301-306.

Zhao Dongmei，Zhang Nan，Liu Yanhua，et al. Synthetical control strategy for smooth switching between grid-connected and islanded operation modes of microgrid based on energy storage system［J］. Power System Technology，2013，37（2）：301-306（in Chinese）.

［7］Kwasinski A. Technology planning for electric power supply in critical events considering a bulk grid，backup power plants，and micro-grids［J］. Systems Journal，IEEE，2010，4（2）：167-178.

［8］艾欣，許佳佳.基于互動(dòng)調(diào)度的微網(wǎng)與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行模式研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（1）：143-149.

Ai Xin，Xu Jiajia. Study on the microgrid and distribution network co-operation model based on interactive scheduling［J］. Power System Protection and Control，2013，41（1）：143-149（in Chinese）.

［9］Tan K T，Peng X Y，So P L，et al. Centralized control for parallel operation of distributed generation inverters in microgrids［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3（4）：1977-1987.

［10］Tan K T，So P L，Chu Y C，et al. Coordinated control and energy management of distributed generation inverters in a microgrid［J］. Power Delivery，IEEE Transactions on，2013，28（2）：704-713.

［11］Dragicevic T，Guerrero J M，Vasquez J C，et al. Supervisory control of an adaptive-droop regulated DC microgrid with battery management capability［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29（2）：695-706.

［12］Zhang Ye，Jia Hongjie，Guo Li. Energy management strategy of islanded microgrid based on power flow control［C］.in Innovative Smart Grid Technologies（ISGT），2012 IEEE PES，2012：1-8.

［13］Diaz N L，Dragicevic T，Vasquez J C，et al. Intelligent distributed generation and storage units for DC microgridsa new concept on cooperative control without communications beyond droop control［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2014，5（5）：2476- 2485.

［14］Lu Xiaonan，Sun Kai，Guerrero J M，et al. SoC-based droop method for distributed energy storage in DC microgrid applications［C］. in Industrial Electronics（ISIE），2012 IEEE International Symposium on，2012：1640-1645.

［15］Xin H，Zhang L，Wang Z，et al. Control of island AC microgrids using a fully distributed approach［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2015，6（2）：943-945.

［16］IEEE Standards Coordinating Committee 21. IEEE Guide for Optimizing the Performance and Life of Lead-Acid Batteries in Remote Hybrid Power Systems：IEEE Std 1561-2007［S］. New York：The Institute of Electrical and Electronics Engineers，2008：C1-C25.

［17］Guan Y，Guerrero J M，Vasquez J C. Coordinated secondary control for balanced discharge rate of energy storage system in islanded microgrids［C］.in Power Electronics and ECCE Asia（ICPE-ECCE Asia），2015 9th International Conference on，2015：475-481.

何小良

Cooperative Control Strategy for Distributed Generations and Energy Storage Units in Microgrid

HE Xiaoliang1，ZHANG Leiqi1，TAN Haiyun2，WANG Zhen1，XIN Huanhai1
（1.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.Power Supply Bureau，Hangzhou 310007，China）

Abstract：Through cooperative control for distributed generations and energy storage units，microgrid is dispatchable in grid-connected situation and can operate among three different modes in both grid-connected and islanded situation. To reducing losses of energy storage units and extending its lifetime in normal operation mode，loads prioritize shared by distributed generations. When distributed generations maximum output power is less than loads，energy storage units compensate for the system power shortage. Energy storage units state of charge can maintain in a reasonable range through transferring between different modes to improv the dispatching flexibility in grid-connected mode and the stability in islanded mode. When a number of energy storage units exist in a microgrid，a cooperative control algorithm is proposed，which can adjust the charging/discharging power of each unit，according to the state of charge to reach energy balance among energy storage units.

Keywords:microgrid；cooperative control；state of charge；energy balance

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．2．103中圖分類號(hào)：TM 732

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-11-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2015AA050202）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51577168）；浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目（自趨優(yōu)海島微電網(wǎng)半實(shí)物仿真示范平臺(tái)）

作者簡(jiǎn)介：

何小良（1992-），男，碩士研究生，研究方向：主動(dòng)配電網(wǎng)/微網(wǎng)控制，E-mail：hxlian gmail@163.com。

章雷其（1989-），男，博士研究生，研究方向：主動(dòng)配電網(wǎng)/微網(wǎng)控制，E-mail：zhang leiqi@zju.edu.cn。

譚海云（1980-），男，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制，E-mail：Tanhaiyung161 @163.com。

汪震（1976-），男，副教授，研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制，計(jì)算智能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和新能源發(fā)電，E-mail：z.wang@zju. edu.cn。

辛煥海（1981-），男，通信作者，教授，研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定和控制，主動(dòng)配電網(wǎng)/微網(wǎng)控制，E-mail：xinhh@zju.edu.cn。