張孝山

（深圳市匯托新邦科技有限公司 廣東省深圳市 518057）

1 引言

現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源日漸枯竭，為滿足人類對能源的需求，發(fā)展綠色清潔的可再生能源將成為世界各國能源發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)方向。新能源分布式接入電網(wǎng)，有利于就地分散利用以提高用戶供電可靠性。在用戶側(cè)積極發(fā)展和規(guī)模化接入分布式光伏/儲能電源的趨勢下，構(gòu)建運(yùn)行模式靈活、響應(yīng)用戶側(cè)用電需求管理和用能質(zhì)量提高的微電網(wǎng)，是實(shí)現(xiàn)新能源就地消納利用、發(fā)揮分布式光伏/儲能發(fā)電系統(tǒng)效能的有效方式。

由于分散式新能源發(fā)電的接入，使原有的電力調(diào)度變得模糊，區(qū)域的微網(wǎng)控制使得潮流不再單向由“電源流向用戶側(cè)”，從而增大了配電系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性。新能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)，客觀上改變了電力系統(tǒng)瞬時(shí)平衡的電力供應(yīng)模式，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了一定的影響。

另外，由于用戶側(cè)的微電網(wǎng)建設(shè)是一個(gè)階段推進(jìn)的過程，沒有統(tǒng)一規(guī)范的行業(yè)技術(shù)規(guī)范，對于分散式新能源發(fā)電的投退和調(diào)整，多數(shù)是人工調(diào)整的方式，造成了用戶側(cè)微電網(wǎng)功率供需的復(fù)雜性以及經(jīng)濟(jì)成本的提高。

2 能量路由器實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)功率供需平衡的實(shí)時(shí)跟蹤

在用戶側(cè)的微電網(wǎng)系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)時(shí)的經(jīng)濟(jì)調(diào)優(yōu)控制，需要對進(jìn)線、負(fù)載、充電樁、燃機(jī)、光儲的功率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。因此，要求微網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端應(yīng)具備多種物理接口設(shè)備的兼容性接入能力，同時(shí)還需要采用開放式設(shè)計(jì)，具備快速完成設(shè)備協(xié)議的接入能力。

基于以上要求，本應(yīng)用將采用嵌入式通訊管理終端作為微電網(wǎng)能量路由器，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)各負(fù)載及發(fā)電設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和控制。該終端為PowerPC 雙核架構(gòu)、低功耗無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，具備多種物理接口（如RS485/RS232/CAN/以太網(wǎng)），可支持設(shè)備數(shù)據(jù)的快速采集及運(yùn)算，豐富的物理接口可滿足絕大多數(shù)智能設(shè)備的直接接入。該終端采用“主程序+so”通訊設(shè)計(jì)架構(gòu)，可內(nèi)嵌多種標(biāo)準(zhǔn)或擴(kuò)展協(xié)議，能輕松實(shí)現(xiàn)各種非標(biāo)協(xié)議的快速開發(fā)及數(shù)據(jù)接入。另外，該路由器的應(yīng)用程序支持端口冗余、設(shè)備冗余、協(xié)議冗余，可實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集、高效可靠控制。一個(gè)能量路由器可實(shí)現(xiàn)5MW 左右的功率控制。通過“中心+區(qū)域+單元采集”組網(wǎng)模式，結(jié)合分散式邊緣計(jì)算的功率分配策略，還可滿足GW 級別的功率控制需要。

3 多能互補(bǔ)的控制策略應(yīng)用研究

在微電網(wǎng)供電中，結(jié)合用電峰谷差價(jià)，通過自適應(yīng)優(yōu)化調(diào)控能量的供需平衡，可以實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)的經(jīng)濟(jì)調(diào)優(yōu)之目的。

3.1 儲能設(shè)備功率分配策略

由于儲能電池有充/放次數(shù)限制，在微網(wǎng)系統(tǒng)的功率控制中，對儲能變流器（PCS）的功率分配將采用均衡分配策略。在功率分配算法中，應(yīng)計(jì)入儲能電池的設(shè)計(jì)容量、額定功率，當(dāng)前可用容量、可充/放功率等，以確保每個(gè)儲能單元都能被合理的使用。

圖1：典型微電網(wǎng)能流圖

圖2：EMS 微網(wǎng)監(jiān)控首頁

能量路由器的微網(wǎng)控制協(xié)議將綜合監(jiān)測PCS/DCDC 儲能單元及BMS 的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)完成功率分配及調(diào)整。當(dāng)總功率需求為正時(shí)，各儲能變流器單元的功率命令值Pi 為：

當(dāng)Pi>Pimax時(shí)，累加Sum+=Pi-Pimax，將Sum 重新分配（剔除已經(jīng)滿額的PCS）。

當(dāng)儲能電站總功率需求為負(fù)值時(shí)，各儲能變流器單元的功率命令值Pi 為：

當(dāng)Pi>Pimax時(shí)，累加Sum+=Pi-Pimax，將Sum 重新分配（剔除已經(jīng)滿額的PCS）。

3.2 逆功率防護(hù)與需量控制

能量控制器內(nèi)嵌的功率分配控制策略程序?qū)?shí)時(shí)跟蹤EMS 設(shè)置的功率計(jì)劃曲線，并預(yù)演功率計(jì)劃調(diào)節(jié)，推演可能導(dǎo)致“進(jìn)線功率P1”超出逆功率上限（超需量）或下限（發(fā)電功率倒送）的可能。如果預(yù)期的調(diào)節(jié)會(huì)超出逆功率上/下限門檻值，則相應(yīng)調(diào)整燃機(jī)、1#DC/DC、2#DC/DC、光伏逆變器的功率。典型的微網(wǎng)能流圖示如圖1所示。

當(dāng)功率計(jì)劃偏差產(chǎn)生時(shí)，首先進(jìn)行功率計(jì)劃值設(shè)置的推演。推算公式如下：

3.2.1 推算出當(dāng)前實(shí)時(shí)負(fù)載

P0(負(fù)載)=P1(并網(wǎng))+P（發(fā)電）

3.2.2 通過計(jì)劃的充放電操作來推算進(jìn)線功率的預(yù)期控制值

由于負(fù)載是波動(dòng)的，光伏功率受天氣影響會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定，在人工調(diào)節(jié)燃機(jī)、光伏或儲能功率時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致進(jìn)線功率超需量或功率倒送的情況。所以，在功率計(jì)劃跟蹤出現(xiàn)偏差時(shí)，應(yīng)適時(shí)調(diào)整計(jì)劃的充/放電功率計(jì)劃值，嘗試把進(jìn)線功率控制在“逆功率防護(hù)”的上/下限范圍內(nèi)。推算時(shí)，應(yīng)根據(jù)計(jì)劃功率的充放狀態(tài)，分別推算：

放電時(shí)，控制并網(wǎng)點(diǎn)功率（進(jìn)線功率P1）在逆流下限值附近

P1(并網(wǎng))預(yù)期控制 = P(并網(wǎng))逆功率下限+P 逆功率可調(diào)偏差

推算過程如下：

（1）推算用戶側(cè)實(shí)時(shí)發(fā)電功率

P 實(shí)際（發(fā)電功率）=P 儲能+P 燃機(jī)+P 光伏

（2）推算出用戶側(cè)實(shí)時(shí)負(fù)載值

P 負(fù)載=P 并網(wǎng)+P 實(shí)際（發(fā)電功率）

（3）推算出用戶側(cè)非儲能設(shè)備的發(fā)電功率

P 非儲能發(fā)電功率=P 燃機(jī)+P 光伏

（4）推算出預(yù)期控制的并網(wǎng)點(diǎn)功率

P 并網(wǎng)預(yù)期=P 下限+P 偏差

（5）根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)預(yù)期的功率控制值，推算出需要用戶側(cè)控制的總發(fā)電功率（包括燃機(jī)、光伏和儲能）

P 發(fā)電=P 負(fù)載-P 并網(wǎng)預(yù)期

（6）推算出儲能單元需要分配的計(jì)劃功率設(shè)置值

P 儲能設(shè)置=P 發(fā)電-P 非儲能發(fā)電功率

如果推算出的儲能設(shè)置功率“P 儲能設(shè)置”比設(shè)置的“P 計(jì)劃”大，則就按“P 計(jì)劃”執(zhí)行儲能的功率充放分配，否則按推算的“P儲能設(shè)置”調(diào)整儲能的功率分配。

充電時(shí)，控制并網(wǎng)點(diǎn)功率（進(jìn)線功率P1）在逆流上限值附近

P1(并網(wǎng))預(yù)期控制 = P(并網(wǎng))逆功率上限+P 逆功率可調(diào)偏差

推算過程如下：

（1）推算用戶側(cè)實(shí)時(shí)發(fā)電功率

P 實(shí)際（發(fā)電功率）=P 儲能+P 燃機(jī)+P 光伏

（2）推算出用戶側(cè)實(shí)時(shí)負(fù)載值

P 負(fù)載=P 并網(wǎng)+P 實(shí)際（發(fā)電功率）

（3）推算出用戶側(cè)非儲能設(shè)備的發(fā)電功率

P 非儲能發(fā)電功率=P 燃機(jī)+P 光伏

（4）推算出預(yù)期控制的并網(wǎng)點(diǎn)功率

P 并網(wǎng)預(yù)期=P 上限-P 偏差

（5）根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)預(yù)期的功率控制值，推算出需要用戶側(cè)控制的總發(fā)電功率（包括燃機(jī)、光伏和儲能）

P 發(fā)電=P 負(fù)載-P 并網(wǎng)預(yù)期

（6）推算出儲能單元需要分配的計(jì)劃功率設(shè)置值

P 儲能設(shè)置=P 發(fā)電-P 非儲能發(fā)電功率

如果推算的充電功率“P 儲能設(shè)置”比用戶計(jì)劃設(shè)置的“P 計(jì)劃”大，且屬于用電低谷，則以最大可能的充電功率執(zhí)行，否則，按計(jì)劃執(zhí)行。

通過以上兩步的逆功率推演，就可以確保計(jì)劃的功率調(diào)整不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)線功率超出需量或功率倒送的情況。

3.3 多能互補(bǔ)控制策略

（1）能量控制協(xié)議將實(shí)時(shí)跟蹤進(jìn)線功率P1，當(dāng)檢測出該功率超出微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)置的逆功率下限或上限值，則表示微網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電功率過高或偏低。進(jìn)線的功率P1 小于逆功率下限，表示此時(shí)的負(fù)載偏低，而發(fā)電功率過多；相反，表示負(fù)載功率增加（用電需量超限），此時(shí)可結(jié)合峰谷電價(jià)情況適當(dāng)提高發(fā)電功率以滿足功率調(diào)峰需求。

（2）逆功率超出上限，此時(shí)發(fā)電出力不足，需要增加發(fā)電功率：優(yōu)先使用光伏功率，不足部分由儲能補(bǔ)充。功率控制流程為：優(yōu)先開啟光伏，然后開啟儲能，不足部分再由燃機(jī)補(bǔ)充。功率需量超上限時(shí)，可根據(jù)燃機(jī)的發(fā)電成本、儲能的使用壽命來確定是否開啟功率補(bǔ)充。

（3）逆功率超出下限，此時(shí)發(fā)電過多，需要降低發(fā)電功率。優(yōu)先降低儲能，盡量使用光伏功率。功率控制流程為：優(yōu)先降低儲能的發(fā)電能力；然后降低燃機(jī)出力；最后降低光伏出力。

（4）處于電價(jià)高峰時(shí)優(yōu)先電池放電，電量不足時(shí)市電通過PCS 補(bǔ)充供電。如電池放電過程中充電樁功率降低導(dǎo)致放電功率大于用電功率，則電池能量通過PCS 送入交流側(cè)為交流負(fù)載供電，電價(jià)低谷時(shí)PCS 向直流充電樁供電的同時(shí)通過雙向DC/DC 為電池充電。限制控制DC/DC 充電功率，避免PCS 過載。

4 EMS微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

如圖2所示，EMS 微電網(wǎng)能量管控系統(tǒng)，作為光伏、風(fēng)力、充電樁、儲能、柴發(fā)等多種能源的一體化管控系統(tǒng)，主要用以實(shí)現(xiàn)對微網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析。該平臺將實(shí)時(shí)把微網(wǎng)計(jì)劃功率值更新到能量路由器，由能量路由器完成微網(wǎng)功率平衡的調(diào)節(jié)控制，以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的功率平滑（避免出力大幅波動(dòng)）、消峰填谷（用電低谷儲能，用電高峰發(fā)電）、能量搬移（新能源過剩時(shí)優(yōu)先儲能，避免棄光風(fēng)；發(fā)電出力不足則用于發(fā)電）等功能，達(dá)到合理利用能源的目的。

5 結(jié)論

微電網(wǎng)多能互補(bǔ)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略的應(yīng)用研究，可廣泛應(yīng)用于企業(yè)、公共基礎(chǔ)設(shè)施、多能充電站等需要新能源多能互補(bǔ)的節(jié)能應(yīng)用項(xiàng)目。通過本控制方法，可實(shí)現(xiàn)光伏、儲能、充電、柴發(fā)高效協(xié)同、能量互補(bǔ)，提升清潔能源和配電設(shè)備利用率水平，能可靠實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)微網(wǎng)功率供需平衡的自適應(yīng)最優(yōu)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)低碳、經(jīng)濟(jì)用能，能明顯降低用電開銷，為用戶提供最大可能的收益回報(bào)。