徐小勇 謝光輝 肖偉超 李 剛

（中國電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司）

0 引言

在邊遠(yuǎn)地區(qū)、海島地區(qū)及欠發(fā)達(dá)地區(qū)，電網(wǎng)成本高，效益差［1］，電力建設(shè)不完善，導(dǎo)致電力供應(yīng)不足；當(dāng)?shù)鼐用裰饕揽坎裼桶l(fā)電機(jī)發(fā)電來滿足部分日常生活，柴油發(fā)電存在耗油高，發(fā)電成本高，經(jīng)濟(jì)效益差，污染嚴(yán)重，噪聲大且后期維護(hù)十分麻煩等問題，用電問題已嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活［2］。為了有效的解決這個(gè)問題，提出以風(fēng)、光、儲、柴聯(lián)合的離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)解決方案，它能有效解決當(dāng)?shù)厝彪姷膯栴}［3-4］。離網(wǎng)微電網(wǎng)項(xiàng)目已成為一項(xiàng)關(guān)系到電力發(fā)展落后國家／地區(qū)的福祉工程，受到越來越多的政府、多邊機(jī)構(gòu)、企業(yè)的高度關(guān)注［5］。

離網(wǎng)型微電網(wǎng)脫離大電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，存在供電不平衡、電能質(zhì)量差，不穩(wěn)定［6］，用電設(shè)備易損壞等問題，不同于傳統(tǒng)的通過切負(fù)荷來保證系統(tǒng)的供電平衡，本項(xiàng)目提出一套基于專家策略的控制策略，以可再生能源優(yōu)先發(fā)電為基準(zhǔn)原則［7-8］，儲能做為系統(tǒng)主調(diào)節(jié)電源，響應(yīng)速度快（ms級）、自動化程度高［9-10］，以分布式能源和柴油機(jī)作為輔助調(diào)節(jié)電源，通過對主輔電源的協(xié)同調(diào)節(jié)，合理協(xié)調(diào)各個(gè)時(shí)段各電源的出力來滿足各時(shí)段負(fù)荷的需求，保障微電網(wǎng)系統(tǒng)的供電平衡，保證離網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)供電的安全、穩(wěn)定、可靠。

1 控制策略

本文提出的離網(wǎng)型控制策略以可再生能源優(yōu)先發(fā)電為基準(zhǔn)原則，儲能系統(tǒng)做為主調(diào)節(jié)電源，可再生能源和柴油發(fā)電機(jī)作為輔助調(diào)節(jié)電源，通過主輔電源的協(xié)同調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)各個(gè)時(shí)段主輔電源的出力保證離網(wǎng)型微電網(wǎng)的供電平衡。

當(dāng)光伏、風(fēng)電輸出功率可滿足負(fù)荷需求時(shí)，啟動儲能吸收多余的光伏、風(fēng)電輸出功率，當(dāng)剩余功率超出儲能系統(tǒng)的充電功率限制或者儲能系統(tǒng)SOC達(dá)到上限時(shí)，切除部分光伏、風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電模塊或限功率運(yùn)行。

當(dāng)光伏、風(fēng)電輸出功率不能滿足負(fù)荷需求時(shí)，儲能作為主電源為系統(tǒng)提供電能，當(dāng)儲能SOC低于下限時(shí)，啟動柴油發(fā)電機(jī)供電，當(dāng)超出柴油發(fā)電機(jī)供電能力時(shí)，可切除部分非重要負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)供電平衡。離網(wǎng)型微電網(wǎng)功率平滑控制策略流程如圖1所示，并對圖中符號說明如下：Pfi為系統(tǒng)某負(fù)荷；Pfi-q為系統(tǒng)需切除負(fù)荷功率；Pgj為某光伏模塊的發(fā)電功率；Pwz為某風(fēng)機(jī)發(fā)電功率；Pnet為系統(tǒng)不平衡功率；Pdr-q為需切除光伏、風(fēng)電的功率；Pc為儲能功率，輸出為正、輸入為負(fù)；maxPc為儲能最大輸入、出功率；Pde為柴油發(fā)電機(jī)輸出功率，柴油發(fā)電機(jī)輸出功率區(qū)間值為為系統(tǒng)光伏發(fā)電總功率；為系統(tǒng)內(nèi)各負(fù)荷之和；為系統(tǒng)風(fēng)力 發(fā)電總功率；SOC為儲能荷電狀態(tài)。

圖1 控制流程圖

詳細(xì)步驟如下：

1）計(jì)算系統(tǒng)不平衡功率Pnet，表示系統(tǒng)內(nèi)所有負(fù)荷的功率-光伏輸出功率-風(fēng)電輸出功率的值。

2）判定Pnet≤0是否成立，表示判定光伏、風(fēng)電輸出功率能否滿足負(fù)荷需求，判定成立轉(zhuǎn)入步驟3，判定不成立轉(zhuǎn)入步驟8。

3）判定SOC＝1是否成立，表示判定儲能電池是否充滿，判定成立，轉(zhuǎn)入步驟4，判定不成立轉(zhuǎn)入步驟5。

4）電池處于充滿狀態(tài)，不平衡功率主要是由于光伏、風(fēng)電輸出功率較大，系統(tǒng)負(fù)荷無法消納造成，因此為保證系統(tǒng)的功率平衡，需對光伏、風(fēng)電限功率運(yùn)行，切除發(fā)電功率Pdr-q＝｜Pnet｜，使系統(tǒng)功率平衡，流程結(jié)束，進(jìn)入下一時(shí)刻的策略判定。

5）電池未充滿電，判定｜Pnet｜≤maxPc是否成立，表示不平衡功率的絕對值是否小于儲能電池最大輸入功率，判定成立轉(zhuǎn)入步驟6，判定不成立轉(zhuǎn)入步驟7）。

6）儲能電池吸收不平衡功率，Pc＝｜Pnet｜，流程結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)時(shí)刻的策略判定。

7）儲能電池按最大輸入功率maxPc吸收不平衡功率，Pc＝maxPc。多余的不平衡功率需進(jìn)行光伏、風(fēng)電限功率運(yùn)行或切除部分電源來平衡，按式（2）切除的發(fā)電功率Pdr-q，流程結(jié)束，進(jìn)入下一時(shí)刻的策略判定。

8）判定SOC＞minSOC是否成立，表示儲能電池的荷電狀態(tài)是否低于最低下限，目的為了判定儲能否做為主支撐電源，判定成立，轉(zhuǎn)入步驟9，否則轉(zhuǎn)入步驟16。

9）判定maxPc＝Pnet是否成立，表示儲能的最大輸出功率是否大于不平衡功率，判定成立，轉(zhuǎn)入步驟10，判定不成立，轉(zhuǎn)入步驟11。

10）Pc＝Pnet-minPde，儲能電池放電，做為主電源，支撐整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，流程結(jié)束，進(jìn)入下一時(shí)刻的策略判定。

11）柴油發(fā)電機(jī)啟動，判定Pnet-maxPc≤minPde是否成立，表示儲能電池做為主電源不足以支撐系統(tǒng)不平衡功率，需啟動柴油發(fā)電機(jī)來維持系統(tǒng)穩(wěn)定，并判定系統(tǒng)不平衡功率-儲能最大輸出功率是否小于柴油發(fā)電機(jī)最小運(yùn)行功率，判定成立，進(jìn)入步驟12，不成立進(jìn)入步驟13。

12）Pc＝Pnet-minPde，柴油發(fā)電機(jī)按最小功率運(yùn)行，儲能放電滿足匹配剩余的不平衡功率，流程結(jié)束，進(jìn)入下一時(shí)刻的策略判定。

13）Pnet-maxPc≥maxPde，表示系統(tǒng)的不平衡功率-儲能最大輸出功率是否大于柴油發(fā)電機(jī)的最大輸出功率，判定成立，進(jìn)入步驟14，不成立，進(jìn)入步驟15。

14）Pfi-q＝Pnet-maxPde-maxPc，儲能按最大輸出放電，Pc＝maxPc，柴油發(fā)電機(jī)按最大功率發(fā)電Pde＝maxPde，剩余不平衡功率執(zhí)行切負(fù)荷，優(yōu)先切除與之匹配的非重要負(fù)荷，按式（3）切除負(fù)荷，流程結(jié)束，進(jìn)入下一時(shí)刻的策略判定。

15）儲能按最大功率輸出，Pc＝maxPc，柴油發(fā)電機(jī)在運(yùn)行區(qū)間按式（4）進(jìn)行發(fā)電，達(dá)到功率平衡，流程結(jié)束，進(jìn)入下一時(shí)刻的策略判定。

16）電池處于SOC下限無法放電，此時(shí)應(yīng)啟動柴油發(fā)電機(jī)，同時(shí)判定Pnet≤minPde是否成立，表示不平衡功率是否小于柴油發(fā)電機(jī)的最小運(yùn)行功率，判定成立，進(jìn)入步驟17，不成立進(jìn)入步驟18。

17）Pc＝Pnet-minPde，柴油發(fā)電機(jī)按最小輸出功率minPde運(yùn)行，儲能電池按式（5）的功率吸收多余的電量，流程結(jié)束，進(jìn)入下一時(shí)刻的策略判定。

18）判定Pnet≥maxPde是否成立，表示系統(tǒng)不平衡功率是否大于柴油發(fā)電機(jī)最大輸出功率，判定成立，進(jìn)入步驟19，不成立，進(jìn)入步驟20。

19）Pfi-q＝Pnet-maxPde，Pc＝0，柴油發(fā)電機(jī)按最大功率輸出maxPde，儲能電池SOC低于下限，不工作，剩余不平衡功率執(zhí)行切機(jī)減載，優(yōu)先切除與之匹配的非重要負(fù)荷，按式（6）切除負(fù)荷，流程結(jié)束，進(jìn)入下一時(shí)刻的策略判定。

20）Pde＝Pnet，Pc＝0，柴油發(fā)電機(jī)在做為支撐電源，在區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，輸出功率按式（7）運(yùn)行，滿足系統(tǒng)功率需求，儲能電池SOC低于下限，不工作，流程結(jié)束，進(jìn)入下一時(shí)刻的策略判定。

2 應(yīng)用案例

以某區(qū)域離網(wǎng)型微電網(wǎng)項(xiàng)目為例，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2所示。項(xiàng)目區(qū)域1總負(fù)荷706.37kVA，總用電量為3403.19kWh（其白晝用電為1586.84kWh，夜間用電為1816.35kWh）。區(qū)域1光伏裝機(jī)量為1MW，儲能系統(tǒng)規(guī)模為1MW／3MWh，柴油發(fā)電機(jī)裝機(jī)規(guī)模為700kW。儲能系統(tǒng)在白天時(shí)存儲光伏發(fā)電量、并在夜間供用電負(fù)載使用，柴油發(fā)電機(jī)在光伏系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)無法滿足供電需求時(shí)，提供電能。離網(wǎng)型微電網(wǎng)項(xiàng)目區(qū)域1首年發(fā)電量230萬kWh，25年累計(jì)發(fā)電量5278.1萬kWh，運(yùn)營期年均發(fā)電量211.1萬kWh，年有效利用小時(shí)數(shù)為1523.3h。

圖2 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

場景1：該系統(tǒng)某時(shí)刻光伏發(fā)電功率為750kW（Pgj＝750kW），而 此 時(shí) 負(fù) 荷 為450kW（Pfi＝450kW），此時(shí)不平衡功率為-300kW（Pnet＝Pfi-Pgj＝-300kW＜0），檢測此時(shí)的儲能荷電狀態(tài)（SOC），若儲能已充滿（即SOC＝1），此時(shí)可切掉部分光伏發(fā)電模塊實(shí)現(xiàn)供電平衡；若儲能未充滿（即SOC＜1），且不平衡功率小于儲能系統(tǒng)最大充電功率（maxPc），儲能開始充電，充電功率為實(shí)現(xiàn)供電平衡。

場景2：該系統(tǒng)某時(shí)刻光伏發(fā)電功率為300kW（Pgj＝300kW），而此時(shí)負(fù)荷大小為500kW（Pfi＝500kW），此時(shí)不平衡功率為200kW（Pnet＝Pfi-Pgj＝200kW＞0），檢測此時(shí)的儲能荷電狀態(tài)（SOC），若儲能荷電狀態(tài)高于下限（即SOC＞minSOC），且不平衡功率200kW低于儲能系統(tǒng)的最大放電功率1MW，啟動儲能系統(tǒng)放電調(diào)節(jié)，放電功率為200kW（Pc＝Pnet＝200kW），實(shí)現(xiàn)供電平衡；但若此時(shí)儲能荷電狀態(tài)低于下限（即SOC＜minSOC），儲能系統(tǒng)無法放電調(diào)節(jié)，此時(shí)不啟動儲能系統(tǒng)，啟動柴油機(jī)，柴油機(jī)的發(fā)電功率為200kW（即Pde＝Pnet＝200kW），實(shí)現(xiàn)供電平衡。

通過上述對某項(xiàng)目的應(yīng)用分析，驗(yàn)證本文提出的控制策略可以解決離網(wǎng)型微電網(wǎng)各種場景的供電不平衡的問題，保證系統(tǒng)安全、可靠供電的建設(shè)目標(biāo)。

3 結(jié)束語

不同于傳統(tǒng)的通過切負(fù)荷來保證系統(tǒng)的供電平衡，本文提出的離網(wǎng)型控制策略以可再生能源優(yōu)先發(fā)電為基準(zhǔn)原則，儲能系統(tǒng)做為主調(diào)節(jié)電源，可再生能源和柴油發(fā)電機(jī)作為輔助調(diào)節(jié)電源，通過主輔電源的協(xié)同調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)各個(gè)時(shí)段主輔電源的出力保證離網(wǎng)型微電網(wǎng)的供電平衡，有效地解決了離網(wǎng)型微電網(wǎng)的供電不平衡的問題，保證了用電可靠性和安全性；可再生能源優(yōu)先發(fā)電為基準(zhǔn)原則，實(shí)現(xiàn)可再生能源最大利用率，實(shí)現(xiàn)低碳、綠色、經(jīng)濟(jì)供電。不僅有效解決了邊遠(yuǎn)地區(qū)及欠發(fā)達(dá)國家的用電難題，且實(shí)現(xiàn)了清潔、綠色、經(jīng)濟(jì)、可靠性供電，提高當(dāng)?shù)厝嗣竦纳钯|(zhì)量。本文提出地控制策略將有效推動可再生能源技術(shù)在邊遠(yuǎn)地區(qū)和欠發(fā)達(dá)地區(qū)的應(yīng)用，具有廣泛的發(fā)展前景。