文凌鋒， 黨廣宇， 田 偉，劉振東， 鄭 毅， 黃志斌

( 1. 廣西電網(wǎng)有限責任公司貴港供電局，廣西 貴港 537000;2. 南京四方億能電力自動化有限公司，江蘇 南京 211111)

0 引言

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是在滿足網(wǎng)內(nèi)負荷需求及電能質(zhì)量的前提下，對微網(wǎng)內(nèi)部各分布式電源、儲能設(shè)備及不同類型負荷進行合理調(diào)度，保證微網(wǎng)經(jīng)濟、安全、穩(wěn)定地運行[1-6]。但由于風(fēng)能等新能源受天氣和氣候的影響，輸出功率具有不穩(wěn)定性和間歇性，對微電網(wǎng)產(chǎn)生明顯的沖擊，輕則電能質(zhì)量惡化，造成頻率和電壓不穩(wěn)定，重則會引發(fā)微電網(wǎng)停電的惡性事故。為解決這一難題，需研究儲能與風(fēng)力等間歇式能源的協(xié)同控制方法。

儲能裝置可以有效地抑制間歇式能源的波動，平滑其輸出功率，穩(wěn)定輸出電壓，提高電能質(zhì)量，是保證間歇式能源并網(wǎng)運行的關(guān)鍵[7]。但儲能系統(tǒng)配合間歇式能源的策略在實際應(yīng)用中存在如下問題：首先，儲能系統(tǒng)配合間歇式能源的計劃輸出要求的儲能系統(tǒng)具有較大的容量、較寬的輸出功率范圍，如果儲能系統(tǒng)的發(fā)電計劃制定的不合理，儲能系統(tǒng)將處于頻繁的充放電轉(zhuǎn)換之中，這將大大縮短電池儲能系統(tǒng)的使用壽命。其次，風(fēng)力發(fā)電的預(yù)測誤差也將影響儲能系統(tǒng)發(fā)電計劃的制定。如果風(fēng)力的輸出功率預(yù)測誤差較大，整個系統(tǒng)發(fā)電計劃的誤差和儲能系統(tǒng)實際輸出值都將增大，容易導(dǎo)致輸出功率達到儲能系統(tǒng)的輸出限值，影響最終的控制效果[8-10]。最后對于風(fēng)速變化引起的風(fēng)力出力快速波動引起微電網(wǎng)功率缺額，要求系統(tǒng)具備儲能快速平抑可再生能源瞬時功率波動的能力，否則系統(tǒng)可能由于功率和頻率異常引起微電網(wǎng)垮網(wǎng)。

因此，如何在考慮以上影響因素的前提下，合理地制定儲能系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電的協(xié)調(diào)控制是研究的一個重點。

本文基于新能源發(fā)電和負荷的短期功率預(yù)測技術(shù)，優(yōu)化微電網(wǎng)內(nèi)儲能設(shè)備的充放電曲線以及需求側(cè)管理負荷的運行狀態(tài)。在日前調(diào)度計劃的基礎(chǔ)上，綜合考慮風(fēng)儲微電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電曲線和儲能容量配置較小等實際情況下，提出一種多時間尺度的分層協(xié)調(diào)控制策略[11-16]。首先根據(jù)每時段風(fēng)速預(yù)測信息給出了聯(lián)絡(luò)線分時交換功率的計算方法，上層能量管理系統(tǒng)將該聯(lián)絡(luò)線交換功率參考值與上級主動配電網(wǎng)調(diào)度中心通信，接收調(diào)度中心制定的分時聯(lián)絡(luò)線交換功率。能量管理系統(tǒng)依據(jù)此分時功率需求實現(xiàn)底層分布式電源控制器的管理和微電網(wǎng)中央控制器對儲能系統(tǒng)的分時功率曲線下發(fā)。該能量管理系統(tǒng)層策略保證了風(fēng)儲微電網(wǎng)按照聯(lián)絡(luò)線交換功率需求輸出，即聯(lián)絡(luò)線功率分時恒定，時間相應(yīng)是分鐘級(≥5 min)。同時采用快速面向通用對象的變電站事件(generic object oriented substation event,GOOSE)通信機制的三層微電網(wǎng)體系架構(gòu)，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

1 自動化系統(tǒng)架構(gòu)

微電網(wǎng)以并網(wǎng)與孤網(wǎng)兩種方式運行，系統(tǒng)中含有大量不穩(wěn)定的分布式電源，同時系統(tǒng)缺乏大電網(wǎng)的支撐，系統(tǒng)的高效、可靠運行控制難度較高。與傳統(tǒng)的變電站監(jiān)控相比，微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)除了常規(guī)的監(jiān)視和控制外，其架構(gòu)需要考慮整個微電網(wǎng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性。

在控制方面，微電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)機等分布式電源出力具有隨機性和波動性，而且使用大量電力電子裝置的逆變電源不具有大電網(wǎng)的電源自同步性和慣性，微電網(wǎng)中負荷波動對系統(tǒng)電壓頻率影響更大、變化更快，而大電網(wǎng)中負荷波動相對沖擊小。因此整個微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)需要考慮到微電網(wǎng)的快速穩(wěn)定控制。

在監(jiān)視方面，系統(tǒng)信息量大。由于微電網(wǎng)中使用儲能，儲能管理單元(battery management systems, BMS)需大量上傳電池信息如單體電池電壓、端電壓、充放電電流、荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)、模塊箱溫度、蓄電池相關(guān)充放電控制參數(shù)、告警信息等必要信息至監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)目前項目實施結(jié)果來看，BMS通信信息量大，有龐大的信息點進入監(jiān)控數(shù)據(jù)庫處理。因此微電網(wǎng)自動化與保護系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計既需要處理大容量的信息接入，又要保證緊急情況控制和保護的快速性。傳統(tǒng)變電站就地層與站控層的兩層架構(gòu)模式顯然無法滿足上述要求。

本文采用監(jiān)視網(wǎng)和控制網(wǎng)分離的電網(wǎng)三層兩網(wǎng)的自動化系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。整個系統(tǒng)架構(gòu)基于IEC 61850的通信體系，三層是指：優(yōu)化控制與監(jiān)視層，協(xié)調(diào)控制與保護層和就地控制與保護層。兩網(wǎng)是指：監(jiān)視采用MMS網(wǎng)，中央控制采用GOOSE網(wǎng)。兩者分開組網(wǎng)，既保證控制信息的快速性又保證監(jiān)視信息的全面性。61850 MMS制造報文系統(tǒng)和GOOSE報文通信是基于61850數(shù)字化變電站的通信基礎(chǔ)。MMS是一種應(yīng)用層協(xié)議。實現(xiàn)了出自不同制造商的設(shè)備之間的互操作性,使系統(tǒng)集成變得簡單、方便。GOOSE是IEC 61850標準定義的一種通用的以對象為中心的變電站事件抽象模型，提供(如命令、告警等)快速傳輸?shù)臋C制，可用于跳閘和故障錄波啟動等。在智能電站中MMS用于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，GOOSE是一種實時應(yīng)用，用于傳送間隔閉鎖信號和實時跳閘信號。

圖1 微電網(wǎng)自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Micro-grid automation architecture

2 分鐘級的調(diào)度計劃曲線響應(yīng)策略

調(diào)度中心根據(jù)依據(jù)市場信息、風(fēng)功率預(yù)測功率以及儲能的運行約束等下發(fā)本微電網(wǎng)對電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的交換功率曲線，如圖2所示。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中存儲了包括各種風(fēng)力出力、負荷功率、氣象資料在內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)以及來自互聯(lián)網(wǎng)的氣象數(shù)據(jù)，進行風(fēng)電出力預(yù)測和負荷預(yù)測，以最小化偏離調(diào)度系統(tǒng)功率指令為目標，保證微網(wǎng)的可控性：

(1)

式中：Pdeviation為調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的有功功率與實際有功功率的偏差值；Piaverage為調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的時間尺度T的微電網(wǎng)與電網(wǎng)交換有功功率平均值；Pi為微電網(wǎng)實時交換的有功功率值。

為了使聯(lián)絡(luò)線功率能穩(wěn)定在設(shè)定值附近，該策略需要讀取聯(lián)絡(luò)線的實時功率和儲能的充放電功率，通過計算聯(lián)絡(luò)線實時功率與設(shè)定值的差值ΔPbat,得出儲能應(yīng)當修正的功率大小，計算方法如圖3所示。圖3中的Pline為聯(lián)絡(luò)線的實時功率；Pref為聯(lián)絡(luò)線功率的設(shè)定值；Pbat_now為儲能的實時充放電功率；Pbat_new為儲能的期望充放電功率；ΔPbat為儲能的當前功率與期望功率之差。

圖2 響應(yīng)調(diào)度計劃的聯(lián)絡(luò)線功率控制Fig.2 Power dispatching diagram

圖3 調(diào)度計劃曲線響應(yīng)策略控制邏輯Fig.3 Power dispatching logic

能量管理系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度計劃安排，結(jié)合風(fēng)電場的發(fā)電預(yù)測結(jié)果，制定合理的總輸出功率目標曲線，通過儲能系統(tǒng)的充、放電功率的實時調(diào)整以及充放電狀態(tài)的迅速切換，使“風(fēng)電系統(tǒng)+儲能系統(tǒng)”的總功率輸出符合計劃安排。控制效果如圖4所示。

圖4 風(fēng)儲配合的聯(lián)絡(luò)線輸出效果Fig.4 Wind bess tie-line output

3 毫秒級的間歇式能源平滑策略

由于風(fēng)力發(fā)電新能源具有隨機性、間歇性、出力變化快的特點，新能源并網(wǎng)運行會對微電網(wǎng)運行與控制帶來較大的影響，當新能源的總?cè)萘窟_到一定比例后甚至?xí)o微電網(wǎng)帶來穩(wěn)定問題。大容量的電池儲能系統(tǒng)的引入，可以有效平抑間歇式能源輸出功率的波動性，減少對電網(wǎng)的沖擊，并為新能源的高效利用帶來顯著的效益。

從控制效果上看，可認為是用時間窗口為ΔT的低通濾波器對風(fēng)力發(fā)電的輸出功率進行濾波，其某一時刻濾波輸出值應(yīng)等于ΔT時間段內(nèi)的輸出功率平均值，并以該平均值作為總輸出功率目標值。儲能系統(tǒng)“濾波”作用所具備的時間窗ΔT越長，濾波后的曲線越平滑，但是每次計算出的需要儲能放出或吸收的功率越大，所需的儲能容量也越大。

濾除功率波動中的高頻分量可以使用一階巴特沃茲低通濾波器，如式(2)所示：

(2)

式中：T為濾波時間常數(shù)。

圖5 平滑濾波控制邏輯Fig.5 Smoothed control logic

考慮到風(fēng)力發(fā)電和負荷都會造成聯(lián)絡(luò)線功率的突變，因此濾波對象應(yīng)是風(fēng)力發(fā)電和負荷功率的代數(shù)和，即凈負荷。

圖5中的輸入功率信號G(s)是凈負荷，通過式(4)描述的一階濾波器得到濾波后的目標信號O(s)，該目標信號是風(fēng)力、負荷和儲能三者功率之和(即聯(lián)絡(luò)線處的功率)，其中，儲能的作用是減小風(fēng)力或者負荷功率突變造成的聯(lián)絡(luò)線功率波動的大小，如圖6所示，ΔT為O(s)中的儲能功率分量。

圖6 儲能系統(tǒng)配合間歇式能源平滑輸出控制效果Fig.6 Smoothed power control

目標信號O(s)減去凈負荷G(s)得到儲能輸出功率的參考指令H(s)，若H(s)為正，則表示儲能要發(fā)出功率；若H(s)為負，則表示儲能要吸收功率。這幾個輸出量的關(guān)系如式(3)、式(4)：

(3)

(4)

儲能按照指令輸出功率為,與凈負荷之和即為聯(lián)絡(luò)線功率大小，用式(5)表示：

Ppcs+Pwind+Pload=Pline

(5)

由于儲能的濾波作用,聯(lián)絡(luò)線功率波動相比較凈負荷的波動來說，要平滑很多。

對于式(5)所示的方程，求解方法如下：

(6)

(2) 方程式右邊的y用其前一時刻的值y′來代替，并對其進行差分化即dy=y-y′，dt=Ts，Ts為迭代步長，即仿真中相鄰的時間間隔，因此可得到：

(7)

(3) 輸出信號O(s)為風(fēng)力、負荷和儲能的三者功率之和，即聯(lián)絡(luò)線功率，因此取y'為前一時間點的聯(lián)絡(luò)線功率，取x為當前的凈負荷大小，得出的y為聯(lián)絡(luò)線功率期望，減去凈負荷即為儲能功率期望。

平滑控制針對間歇式可再生能源輸出功率的短期波動，要求控制速度達到毫秒級要求(≤100 ms)。本文第1章提出的自動化系統(tǒng)架構(gòu)中協(xié)調(diào)控制層的微電網(wǎng)中央控制器直采聯(lián)絡(luò)線的功率, 通過GOOSE與儲能變流器做快速的功率控制交互，GOOSE指令的通信延時低于5 ms，滿足系統(tǒng)平滑的快速性要求。

4 實例分析

4.1 聯(lián)絡(luò)線計劃輸出試驗

為了驗證提出微電網(wǎng)自動化系統(tǒng)架構(gòu)以及控制策略的可行性，采用某實際微網(wǎng)系統(tǒng)，如圖7所示。1套50 kW的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，1套30 kW的儲能系統(tǒng)，1套50 kW的模擬負載系統(tǒng)，系統(tǒng)母線為400 V交流工頻電壓。

圖7 某微電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.7 Micro-grid project

能量管理系統(tǒng)以風(fēng)力發(fā)電預(yù)測為參考值，作為下一小時發(fā)電計劃或進行小時級調(diào)度的目標值。根據(jù)發(fā)電計劃或調(diào)度，對可再生能源的輸出功率波動、指定時段內(nèi)調(diào)度或發(fā)電計劃目標值改變時的變化率，結(jié)合儲能SOC、充放電功率、運行壽命限制以及PCS(power convert system，PCS)功率上下限限制，最后給出儲能系統(tǒng)最佳的充放電功率指令。風(fēng)儲協(xié)調(diào)控制聯(lián)絡(luò)線目標輸出功率,如圖8所示。

圖8 聯(lián)絡(luò)線計劃輸出目標曲線Fig.8 Tie-lie output curve

4.2 儲能快速平滑風(fēng)電輸出波動仿真試驗

1 MW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，500 kW儲能系統(tǒng)，采用PSCAD仿真。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。仿真系統(tǒng)由恒頻恒速風(fēng)電模塊、儲能系統(tǒng)模塊和大系統(tǒng)模塊組成。其中恒頻恒速風(fēng)電模塊又分為風(fēng)速計算模塊，槳距角控制模塊，風(fēng)力機模塊和感應(yīng)電機模塊組成；儲能系統(tǒng)模塊由電池模塊DC/DC變換器模塊，DC/AC變換器模塊和LCL濾波器模塊組成；大系統(tǒng)模塊由無窮大電源與系統(tǒng)等值電感組成。

圖9 儲能系統(tǒng)平滑功率控制仿真結(jié)構(gòu)Fig.9 Wind bess control simulated control diagram

仿真一：濾波時間常數(shù)為100時，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖10。

圖10 Tbat1=100時儲能平滑風(fēng)電輸出波動仿真Fig.10 Smooth control power curves when Tbat1=100

仿真二：濾波時間常數(shù)為20時，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖11。

圖11 Tbat2=20時，儲能平滑風(fēng)電輸出波動仿真Fig.11 Smooth control power curves when Tbat2=20

仿真過程:0 s時仿真開始,風(fēng)力發(fā)電機采用轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速初始值為發(fā)電機額定運行時的轉(zhuǎn)速值;0.01 s時，儲能系統(tǒng)直流母線預(yù)充電結(jié)束,直流母線電壓為750 V;1 s時,風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)矩控制;2 s時，儲能系統(tǒng)開始濾波控制;5 s時,風(fēng)力機投入槳距角控制。

由仿真可以看出，基于儲能平滑快速分布式電源波動策略時，選取的濾波時間常數(shù)越大，濾波后的輸出所含高頻分量越少，輸出越平滑，濾波效果越好；濾波時間常數(shù)越小，濾波效果越差。

5 結(jié)語

本文從自動化系統(tǒng)架構(gòu)、儲能系統(tǒng)配合間歇式能源協(xié)調(diào)控制策略的基礎(chǔ)上，提出了儲能系統(tǒng)的平滑輸出控制策略與計劃輸出控制策略，通過搭建了包含風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)的仿真算例，驗證了電池儲能系統(tǒng)的平滑輸出控制策略、儲能系統(tǒng)的計劃輸出控制策略。本文提出的微網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)與控制方案，為微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制提供了重要的研究和應(yīng)用參考，具有較高的應(yīng)用推廣意義。

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