徐從啟賈桂芝李祖賢祝振鵬林 方

（1.62026部隊(duì)，西安 710032；2.62402部隊(duì)，天津 300182；3.北京北變微電網(wǎng)技術(shù)有限公司，北京 100037）

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考慮多能量流的光柴儲獨(dú)立微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制

徐從啟1賈桂芝1李祖賢2祝振鵬3林 方3

（1.62026部隊(duì)，西安 710032；2.62402部隊(duì)，天津 300182；3.北京北變微電網(wǎng)技術(shù)有限公司，北京 100037）

為研究光柴儲獨(dú)立微電網(wǎng)，提出了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)形式，并對其運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)內(nèi)各元件的協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了詳細(xì)描述。該協(xié)調(diào)控制策略將光伏最大功率跟蹤控制、蓄電池充放電控制及柴油機(jī)控制相結(jié)合，在保證微電網(wǎng)電能質(zhì)量的前提下，最大化地利用光能、減少柴油消耗，提供供電穩(wěn)定性。仿真模型驗(yàn)證了上述控制策略的正確性，結(jié)果表明，該控制策略能協(xié)調(diào)光柴儲微電網(wǎng)各部分的能量流動，使之合理有序運(yùn)行。

微電網(wǎng)；協(xié)調(diào)控制；綜合策略；最大功率跟蹤；充放電控制

對遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，由光伏發(fā)電系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)和儲能電池組成的光柴儲獨(dú)立微電網(wǎng)是解決其供電的有效途徑。光伏發(fā)電系統(tǒng)為間歇性微源，加之負(fù)荷變化存在隨機(jī)性，若無有效可行的協(xié)調(diào)控制策略，會對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，引起電壓或頻率的波動。因此協(xié)調(diào)控制光伏發(fā)電系統(tǒng)、柴油機(jī)、儲能電池的動態(tài)響應(yīng)是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)[1-15]分別從不同角度研究了獨(dú)立微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[1-4]針對獨(dú)立微電網(wǎng)中的儲能系統(tǒng)進(jìn)行控制，文獻(xiàn)[1]針對光柴儲微網(wǎng)中負(fù)荷突變和光伏微源輸出功率隨機(jī)波動引起的系統(tǒng)頻率波動問題，給出一種基于頻率偏差的儲能動態(tài)能量調(diào)度策略。文獻(xiàn)[2]利用電池儲能的快速響應(yīng)特性，提出了柴油發(fā)電機(jī)和儲能電池的協(xié)調(diào)控制方法。文獻(xiàn)[3]主要通過負(fù)荷功率估計(jì)器得到負(fù)荷功率的估計(jì)值并將該值用于儲能的能量調(diào)度。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于比例微分（PD）的儲能動態(tài)調(diào)度策略。文獻(xiàn)[5]針對于微電網(wǎng)提出了一種基于不同時(shí)間尺度的獨(dú)立微電網(wǎng)分層協(xié)調(diào)控制方案，設(shè)計(jì)了基于電池儲能的一級控制器和基于柴油發(fā)電機(jī)的二級控制器來提高系統(tǒng)電壓、頻率在不同時(shí)間尺度上的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]文中提出一種孤島模式下非合作環(huán)境中基于多代理系統(tǒng)（MAS）的能量協(xié)調(diào)控制策略，在考慮各分布式電源的利益下，通過各代理的交互協(xié)調(diào)達(dá)到系統(tǒng)的整體目標(biāo)。文獻(xiàn)[7]提出風(fēng)光柴蓄分布式微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制策略，包括各個(gè)模塊的控制方式、微電網(wǎng)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能、雙向逆變器交流側(cè)的電壓控制以及風(fēng)光柴蓄分布式微電網(wǎng)的能量調(diào)度與管理。文獻(xiàn)[8]根據(jù)微電網(wǎng)及其接入低壓配電網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了一種協(xié)調(diào)控制策略。文獻(xiàn)[9]給出一種光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤自尋優(yōu)控制系統(tǒng)的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)中光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)的功率協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[10]在含光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤和儲能電池充放電特性的系統(tǒng)中，提出了一種改進(jìn)的V-f模式和P-Q模式控制算法，采用P-Q模式下的微燃機(jī)作為后備V-f模式調(diào)節(jié)單元，通過與光伏逆變器控制模式的切換解決了系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，同時(shí)在光伏陣列輸出功率過剩的情況下提高了可再生能源的利用率。文獻(xiàn)[11]以由太陽電池陣列、蓄電池組和可控負(fù)載等組成的低壓微型光伏直流微電網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，針對系統(tǒng)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式，采用了主從并聯(lián)和母線電壓下垂相結(jié)合的控制模式，實(shí)現(xiàn)了直流微電網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)控制。此外，文獻(xiàn)[12-13]從能量管理角度，文獻(xiàn)[14-15]從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)形式角度分別對獨(dú)立微電網(wǎng)進(jìn)行了詳細(xì)研究。

本文采用了一種綜合控制策略，將光伏最大功率跟蹤控制、蓄電池充放電控制及柴油機(jī)控制相結(jié)合，研究光伏發(fā)電功率和負(fù)荷變化時(shí)光柴儲發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所研究的光柴儲獨(dú)立微電網(wǎng)適用于不能由電網(wǎng)直接供電的偏遠(yuǎn)地區(qū)，或不能與電網(wǎng)連接的特殊情況。該系統(tǒng)將負(fù)荷、儲能、光伏、柴油機(jī)等有效地組織起來，利用自然中易獲取的可再生能源，并輔以傳統(tǒng)電源柴油機(jī)作為后備電源，可滿足軍隊(duì)野營等戶外活動的供電需求。該系統(tǒng)充分考慮了供電的可靠穩(wěn)定性和不間斷性，優(yōu)先使用可再生能源，節(jié)約補(bǔ)給能源，兼具供電安全性和環(huán)保。

交流型獨(dú)立微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，光伏系統(tǒng)和儲能電池通過逆變器連接到交流母線，柴油機(jī)及交流負(fù)荷直接與交流母線連接，為照明、充電等負(fù)荷提供穩(wěn)定的電能輸出。根據(jù)柴油機(jī)的起停情況，系統(tǒng)可在兩種組網(wǎng)模式間切換。其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 光柴儲獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 協(xié)調(diào)控制策略

本文采用了一種綜合控制策略，將光伏最大功率跟蹤控制、蓄電池充放電控制及柴油機(jī)控制相結(jié)合，研究光伏發(fā)電功率和負(fù)荷變化時(shí)光柴儲發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略。光伏發(fā)電系統(tǒng)采用MPPT控制，跟蹤最大功率，與儲能電池SOC及負(fù)荷共同控制柴油機(jī)斷路器的開斷。柴油機(jī)功率和電壓由其勵磁系統(tǒng)及轉(zhuǎn)速系統(tǒng)控制。

本文的協(xié)調(diào)控制策略目標(biāo)首先為提供符合電能質(zhì)量的的電能，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上盡可能利用多地利用光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，減少柴油機(jī)出力。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)出力隨機(jī)性強(qiáng)，因此僅靠光伏發(fā)電系統(tǒng)為負(fù)荷供電，難以保證供電可靠性與電能質(zhì)量，因此不采用光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)為負(fù)荷供電。據(jù)此，本文提出以下協(xié)調(diào)控制策略：

在蓄電池SOC處于安全運(yùn)行范圍內(nèi)時(shí)，蓄電池儲能系統(tǒng)控制交流母線電壓，光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在MPPT模式，柴油機(jī)作為緊急備用處于停止?fàn)顟B(tài)。監(jiān)測蓄電池SOC，當(dāng)蓄電池SOC小于40%時(shí)[12]，蓄電池儲能系統(tǒng)將會停止工作，光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在MPPT模式，啟動緊急備用柴油機(jī)投入系統(tǒng)工作控制交流母線電壓。當(dāng)檢測到光伏輸出功率與負(fù)載功率之差大于零時(shí)，使得蓄電池系統(tǒng)重新投入，并且工作在Vf控制處于充電模式，此時(shí)柴油機(jī)處于停止模式。

當(dāng)蓄電池SOC大于80%時(shí)，將會停止充電，若此時(shí)負(fù)載功率小于光伏發(fā)電單元輸出功率，為了保證系統(tǒng)電壓及頻率穩(wěn)定，需要停止光伏發(fā)電系統(tǒng)，由電池單獨(dú)為負(fù)荷供電。若光伏輸出功率小于負(fù)載功率時(shí)，由光伏發(fā)電系統(tǒng)及蓄電池共同為負(fù)荷供電。

圖2 協(xié)調(diào)控制流程圖

3 結(jié)果及分析

在Matlab/Simulink中建立系統(tǒng)各元件模型并進(jìn)行仿真。仿真系統(tǒng)中，光伏系統(tǒng)為40kW，柴油機(jī)最大功率100kW，儲能電池最大充放電功率40kW，SOC可從0.4～0.8變化。當(dāng)蓄電池SOC小于40%的仿真結(jié)果如下圖所示。

初始條件下，蓄電池SOC=0.403，大于0.4。系統(tǒng)通過蓄電池放電建立交流電壓，光伏發(fā)電系統(tǒng)未投入工作，負(fù)荷為65kW。

系統(tǒng)電壓穩(wěn)定后，在1s時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)投入工作，并運(yùn)行在MPPT模式，其光照強(qiáng)度為700W/m2，此時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)功率小于負(fù)荷，蓄電池儲能系統(tǒng)仍然放電。

在1.2s附近蓄電池SOC降至40%，按照協(xié)調(diào)控制策略，此時(shí)蓄電池停止工作，柴油機(jī)投入，用以控制交流電壓。

在2s時(shí)，光照強(qiáng)度變?yōu)?000W/m2，光伏發(fā)電系統(tǒng)仍采用MPPT模式，出力增大，由于負(fù)荷未發(fā)生變化，按照控制策略，減少柴油機(jī)出力。

在3s時(shí)，負(fù)載功率發(fā)生突變，由65kW變?yōu)?0kW，此時(shí)元輸出功率大于負(fù)載功率，按照協(xié)調(diào)控制策略，此時(shí)停止柴油機(jī)工作，投入蓄電池儲能系系統(tǒng)檢測到光伏發(fā)電單統(tǒng)充電，并采用下垂控制策略控制交流母線電壓。

在4s和5s時(shí)負(fù)載分別變?yōu)?0kW和10kW，此時(shí)光伏發(fā)電單元輸出功率始終大于負(fù)載功率，因此蓄電池始終進(jìn)行充電，直至SOC達(dá)到80%。

圖3 蓄電池SOC小于40%時(shí)的仿真結(jié)果

在蓄電池充電過程中，若光照條件不滿足，光伏發(fā)電系統(tǒng)停止工作，蓄電池由充電狀態(tài)轉(zhuǎn)為放電狀態(tài)，單獨(dú)為負(fù)荷供電。模擬初始條件下無光照的情景，結(jié)果如圖4所示。

圖4 蓄電池SOC大于80%時(shí)的仿真結(jié)果

初始條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電為零，蓄電池電量充足，通過蓄電池建立系統(tǒng)交流電壓，蓄電池放電單獨(dú)為負(fù)載提供電能，負(fù)載為20kW。

在1s時(shí)，光照強(qiáng)度增加至1000W/m2，光伏發(fā)電系統(tǒng)投入工作，并運(yùn)行在MPPT模式，此時(shí)檢測到光伏發(fā)電單元輸出功率大于負(fù)載功率且蓄電池SOC小于80%，因此，蓄電池轉(zhuǎn)為充電狀態(tài)，由光伏發(fā)電系統(tǒng)為負(fù)載供電；

在3s附近蓄電池SOC達(dá)到80%，光伏發(fā)電系統(tǒng)停止為蓄電池充電，此時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率仍大于負(fù)荷。由于光伏出力波動性較大，難以保證系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定，為避免光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)為系統(tǒng)供電，由蓄電池為負(fù)載供電，以保證為負(fù)荷提供的電能質(zhì)量。

在3.5s附近，光伏發(fā)電單元重新接入，輸出功率大于負(fù)載功率，為負(fù)載供電的同時(shí)為蓄電池充電；在4s時(shí)，負(fù)載功率增加到65kW，此時(shí)光伏發(fā)電單元輸出功率小于負(fù)載功率，蓄電池儲能系統(tǒng)進(jìn)入放電狀態(tài)。

4 結(jié)論

由上述的分析可知，隨著光照強(qiáng)度和負(fù)載的不斷變化，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種運(yùn)行狀態(tài)的及時(shí)有效切換。在保證供電質(zhì)量的前提下，最大化的利用光能，減少柴油機(jī)出力，使蓄電池工作在合理的狀態(tài)。本文提出的協(xié)調(diào)控制策略能夠協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部件的有序運(yùn)行。仿真有力地驗(yàn)證了本文所提出的協(xié)調(diào)控制策略的合理性和可行性。

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Coordination Control of Isolated Microgrid Composed of Diesel,Photovoltaic and Battaryconsidering Multiple Power Flow

Xu Congqi1Jia Guizhi1Li Zuxian2Zhu Zhenpeng3Lin Fang3
(1.Unit 62026,Xi’an 710032；2.Unit 62402,Tianjin 300182；3.Beijing Beibian MicroGrid Technology Co.,Ltd,Beijing 100037)

Abstract:To study isolated microgrid composed of diesel,photovoltaic and energy storage battary,structure and network form are proposed and the coordination control strategy for the system aredescribed in detail.A control strategy,in which the maximum power point tracking control is combined withengine control,storage battery charging and discharging control,is putforward to maximize use of solar energy,reduce the diesel consumption and improve power supply stability.Simulation results show that the proposed control strategy can coordinate power flow of each part of the microgrid,make a reasonable and orderly operation.

microgrid; coordinate control; multi-strategy; maximum power point tracking; charging and discharging control

徐從啟（1981-），男，山東省莒縣人，博士，62026部隊(duì)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)橹悄芪㈦娋W(wǎng)、新能源利用及野營供配電。