于 越，宋保業(yè)，侯凱祥，朱 然

(山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引言

隨著分布式清潔能源的開發(fā)，智能家庭微電網(wǎng)得到了迅速發(fā)展[1-4]。由于光伏、風(fēng)電等分布式電源的隨機(jī)性、波動(dòng)性，相比傳統(tǒng)配電網(wǎng)，微電網(wǎng)易在諧波、電壓波動(dòng)和頻率偏移等方面造成電能質(zhì)量問題[5-12]，影響微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行且造成難以忽視的經(jīng)濟(jì)損失。隨著智能家居的發(fā)展，家庭負(fù)荷種類越來越多，它們對(duì)電能質(zhì)量也有更高的要求。因此，如何合理設(shè)計(jì)家庭微電網(wǎng)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，既能充分應(yīng)用分布式能源發(fā)電又能滿足家庭負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的要求，減小分布式電源產(chǎn)生的諧波、電壓波動(dòng)等對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，提高供電系統(tǒng)的靈活性和可靠性，是亟需解決的問題。

國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)家庭微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。家庭微電網(wǎng)供電模式一般有交流供電模式、直流供電模式和交/直流混合供電模式3類[13-18]。目前在家庭微電網(wǎng)中，將分布式能源產(chǎn)生的電能與市電電能并接在一起，然后共同通過一根火線向家庭負(fù)荷供電[13，16-19]。此種供電方式，由于分布式能源電能和市電電能之間相互不獨(dú)立，無法滿足家庭不同負(fù)荷對(duì)多樣性電源的要求；另外，由于家庭負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的要求不同，上述供電方式無法解決不同家庭負(fù)荷對(duì)于電能接入類型的選擇問題；此外，由于分布式能源電能與市電電能是并接在一起的，因而分布式能源中的諧波、電壓波動(dòng)等容易造成配電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降，從而影響分布式能源在家庭電網(wǎng)中的推廣。為彌補(bǔ)現(xiàn)有的供電方式的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一種由雙電源、雙火線和多負(fù)載組成的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)供電電源與家庭負(fù)荷的雙向選擇以及供電線路的互為備用，提高供電系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決當(dāng)前家庭微電網(wǎng)中分布式能源電能與市電電能不能很好兼顧的問題，提出圖1所示雙電源、雙火線和多負(fù)載組成的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of micro-grid

圖1所示的家庭微電網(wǎng)由配套使用的電源控制器、負(fù)荷控制器、火線1(L1)、火線2(L2)、零線(N)及地線(E)組成。常規(guī)市電電源與新能源電源分別接入電源控制器的控制開關(guān)單元，電能由火線1(L1)、火線2(L2)輸出，通過負(fù)荷控制器選擇接通1根火線實(shí)現(xiàn)向家庭負(fù)荷的靈活供電。

該設(shè)計(jì)中選擇2根火線的目的是在家庭微電網(wǎng)供電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)新能源電能和市電電能的相互獨(dú)立和靈活切換。由于不同的家庭負(fù)荷對(duì)于電能質(zhì)量的要求不同，假如接入的電能是新能源電能，如果只有1條火線，則整條火線上走的全部是新能源電能，這時(shí)家庭中的電腦及打印機(jī)等電能要求質(zhì)量高的負(fù)荷只能選擇新能源供電，而新能源電網(wǎng)中的諧波、電壓波動(dòng)等勢(shì)必會(huì)對(duì)電腦及打印機(jī)等的正常工作產(chǎn)生影響。反過來，假如接入的電能是市電電能，如果只有1根火線，則對(duì)于一些對(duì)于電能要求質(zhì)量不高的負(fù)荷則無法很好地利用到新能源電能。由此可見，1條火線明顯無法實(shí)現(xiàn)新能源電能和市電電能的靈活供電要求?；诖?，本設(shè)計(jì)選用2條火線以便實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的靈活供電是非常必要的。

由于家庭中的負(fù)荷類型較多且自身特性各有差異，根據(jù)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)對(duì)電源的要求，本控制系統(tǒng)將家庭負(fù)荷分為A類、B類、C類和D類4類：A類負(fù)荷為對(duì)電源的供電質(zhì)量要求高以及不經(jīng)常使用的家庭負(fù)荷，如電腦、打印機(jī)等；B類負(fù)荷為需要長時(shí)間運(yùn)行的家庭負(fù)荷，如冰箱、照明燈等；C類負(fù)荷為電熱水器類的家庭負(fù)荷；D類負(fù)荷為待機(jī)時(shí)負(fù)荷較小但運(yùn)行時(shí)負(fù)荷較大的家庭負(fù)荷，如洗衣機(jī)等。

2 微電網(wǎng)控制器設(shè)計(jì)

在該微電網(wǎng)中有電源控制器和負(fù)荷控制器兩種控制器，其結(jié)構(gòu)分別如圖2、3所示。電源控制器和負(fù)荷控制器均包括數(shù)據(jù)處理單元、電流信號(hào)采集單元、電壓信號(hào)采集單元、控制開關(guān)單元、載波通信單元、WiFi單元、鍵盤以及顯示電路單元。當(dāng)控制器工作時(shí)，數(shù)據(jù)處理單元通過電流信號(hào)采集單元、電壓信號(hào)采集單元采集常規(guī)市電電源及新能源電源供電時(shí)的負(fù)荷數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)信息經(jīng)過處理后，一方面用于電源的切換控制及監(jiān)測保護(hù)，另一方面可通過載波通信單元將數(shù)據(jù)信息傳遞給其他控制器或通過WiFi單元上傳到無線局域網(wǎng)。鍵盤及顯示電路單元可用于用戶向控制器輸入運(yùn)行指令或查詢信息。

圖2 電源控制器組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of power supply controller

圖3 負(fù)荷控制器組成結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of load controller

電源控制器的作用在于選擇電能的接入類型。在圖2 中電源控制器的控制開關(guān)單元由4個(gè)開關(guān)組成：1號(hào)開關(guān)，被配置為用于將新能源電能接入到1號(hào)火線L1上；2號(hào)開關(guān)，被配置為用于將新能源電能接入到2號(hào)火線L2上；3號(hào)開關(guān)，被配置為用于將市電電能接入到1號(hào)火線L1上；4號(hào)開關(guān)，被配置為用于將市電電能接入到2號(hào)火線L2上。通過4個(gè)開關(guān)可實(shí)現(xiàn)新能源電能和市電電能的選擇接入；通過控制開關(guān)單元與兩條火線配合，接入的電能經(jīng)過1號(hào)火線還是2號(hào)火線進(jìn)行輸送也可以進(jìn)行選擇，以保證新能源電能不正?；驔]有市電接入的情況下，家庭供電網(wǎng)絡(luò)不會(huì)或基本不會(huì)受到影響，提高了供電靈活性。在數(shù)據(jù)處理單元上還設(shè)計(jì)有無線通信單元，采用WiFi或Zigbee方式實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)信息經(jīng)過處理后通過無線的方式發(fā)送給各負(fù)荷控制器。

負(fù)荷控制器作用是根據(jù)用戶設(shè)置，按采集到的電流、電壓數(shù)據(jù)信息或通信指令等方式自動(dòng)地選擇接通火線1(L1)或火線2(L2)，實(shí)現(xiàn)向家庭負(fù)載提供常規(guī)市電電源或新能源電源。在圖3中，負(fù)荷控制器的控制開關(guān)單元由1號(hào)開關(guān)和2號(hào)開關(guān)組成。其中1號(hào)開關(guān)，被配置為用于將1號(hào)火線L1上的電能接入，并為相應(yīng)負(fù)荷供電；2號(hào)開關(guān)，被配置為用于將2號(hào)火線L2上的電能接入，并為相應(yīng)負(fù)荷供電。負(fù)荷控制的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過處理后通過無線(采用WiFi或Zigbee方式實(shí)現(xiàn))的方式發(fā)送給電源控制器和其他各負(fù)荷控制器，利于實(shí)現(xiàn)電源控制器與各負(fù)荷控制器之間不同形式的組網(wǎng)，方便數(shù)據(jù)信息的傳遞。

上述組網(wǎng)方式，方便不同類型的負(fù)荷根據(jù)對(duì)電能質(zhì)量要求和時(shí)段要求的不同，在新能源電能和市電電能之間靈活進(jìn)行選擇，提高了家庭供電系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

3 家庭負(fù)荷的接入控制策略

為實(shí)現(xiàn)向家庭負(fù)載提供常規(guī)市電電源或分布式能源電源，負(fù)荷控制器就應(yīng)按一定的控制策略自動(dòng)地選擇接通火線1(L1)或火線2(L2)。為表述方便，用PA表示A類負(fù)荷功率，PB表示B類負(fù)荷功率，PC表示C類負(fù)荷功率，PD表示D類負(fù)荷功率。家庭負(fù)荷的接入控制步驟如下：

1) 根據(jù)各負(fù)荷控制器中電信號(hào)采集單元采集的負(fù)荷數(shù)據(jù)信息，計(jì)算出當(dāng)前新能源電能的輸出功率，將該當(dāng)前新能源電能的輸出功率記為Pnew，并定義新能源電能的最大允許輸出功率為Pnewmax。

2) 當(dāng)A類負(fù)荷要投入運(yùn)行時(shí)，A類負(fù)荷控制器首先判斷是否有市電電能接入。如果有市電電能接入，則優(yōu)先接入市電電能；如果沒有市電電能接入，則比較判斷Pnew+PA與Pnewmax的大小。若Pnew+PA

圖4 A類負(fù)荷投入控制框圖Fig.4 Control block diagram of class A load input

3) 當(dāng)B類負(fù)荷要投入運(yùn)行時(shí)，B類負(fù)荷控制器首先判斷新能源電能是否正常。如果新能源電能不正常，則B類負(fù)荷控制器將B類負(fù)荷接入市電電能；如果新能源電能正常，則判斷Pnew+PB與Pnewmax的大小。若Pnew+PB

4) 當(dāng)C類負(fù)荷要投入運(yùn)行時(shí)，C類負(fù)荷控制器首先與D類負(fù)荷控制器聯(lián)動(dòng)，并判斷是否有D類負(fù)荷接入到新能源電能中。若有D類負(fù)荷且滿足Pnew-PD+PC≤Pnewmax，則在D類負(fù)荷處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)將C類負(fù)荷接入到新能源電能并投入運(yùn)行，當(dāng)D類負(fù)荷處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)將C類負(fù)荷從新能源電能斷開；若新能源電能中沒有D類負(fù)荷，則判斷Pnew+PC

5) 若D類負(fù)荷要投入運(yùn)行，D類負(fù)荷控制器先判斷Pnew+PD

4 結(jié)論

針對(duì)目前國內(nèi)外所研究的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)存在的弊端，本文設(shè)計(jì)了一種由雙電源、雙火線和多負(fù)載組成的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并給出了電源控制器和負(fù)荷控制器組成結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的控制策略。

采用雙火線多負(fù)載控制器結(jié)構(gòu)的家庭供電系統(tǒng)，新能源與市電是分開的，因而新能源電網(wǎng)中的諧波、電壓波動(dòng)等不會(huì)造成配電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降，促進(jìn)了新能源在家庭電網(wǎng)中的推廣應(yīng)用；方便不同類型負(fù)荷根據(jù)對(duì)電能質(zhì)量和時(shí)段要求的不同，在新能源電能和市電電能之間靈活進(jìn)行選擇，提高了家庭供電系統(tǒng)的靈活性和可靠性。