浅谈复合储能的微电网运行的切换控制策略及安科瑞储能能量管理系统
安科瑞电气股份有限公司
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摘要：微电网是实现主动式配电网的一种有效形式，微电网技术能够促进分布式发电的大规模接入。针对微电网中并网模式和孤岛模式之间的切换，提出一种含复合储能装置的微电网优化控制策略。这种复合储能的微电网优化控制将超级电容器和蓄电池的优点结合到一起，用于由分布式电源作为主控式电源的微电网，以实现微电网平滑切换的目标。
微电网是一种将分布式电源、储能装置、负荷、变流器以及监控保护装置等有机整合在一起的小型发配电系统。它可以充分发挥分布式发电在经济、节能及环保中的优势，协调与大电网的矛盾，具有较高的灵活性与可调度性。微电网中主要电源的输出功率具有较大的波动性和随机性，利用储能技术可以解决这些问题。微电网对储能既有速度方面的要求，又有容量方面的要求，一种储能元件很难同时满足这些要求，因此，复合储能技术需要深入研究。，蓄电池与超级电容器组成的复合储能系统，具有容量密度高、功率密度大、使用寿命长等特点,对于平抑由分布式能源组成的微电网的功率平衡及**稳定运行具有积极的意义。
近年来，许多专家学者利用混合储能平抑间隙式电源功率波动方面进行了有效研究。将锂电池与超级电容器的组合形式应用在独立光伏电站，快速平衡系统瞬时功率，维持系统的可靠性；将锂电池与超级电容器组成的复合储能装置应用于并网光伏电站，优化了光伏电站的输出功率、降低储能系统运行成本。利用超级电容器与蓄电池的组合，提高储能系统的技术经济性。基于上述研究可知，由超级电容器和蓄电池组成的复合储能系统，在应对由分布式新能源组成的微电网频繁快速功率变化、无缝切换控制等方面具有良好的应用前景，但目前在关于这方面研究应用的文献还不多。
本文在详细分析了由风电机组、光伏阵列组成的微电网**稳定运行对储能需求的基础上，建立了风电机组、光伏阵列及超级电容器和蓄电池组成的复合储能系统及控制模型。提出了适应于微电网的复合储能结构及优化控制策略
1光伏电池的模型
光伏电池阵列由一定数量的单体电池经串并联构成。它的输出功率与光照强度、环境温度等因素有关。
2复合储能装置模型
由蓄电池和超级电容器组成的复合储能系统装置等效电路。
超级电容器由于其容量大，充放电周期长，可用一个理想电压源和一个等效内阻串联来等效。超级电容器和蓄电池由储能控制器控制经双向变换器(DC/DC)后接入直流母线。这种连接方式的优点是可以使蓄电池、超级电容器工作在不同的电压范围，是两者的容量配置与组合形式灵活可变。
在复合储能的容量配置方面，蓄电池的容量应能保证微电网中重要负荷的正常供电；超级电容器主要应对切换瞬间的功率平衡，所配容量应满足微电网中所有负荷的功率要求。
3系统控制
并网运行控制策略
当并网运行时，微电网内的功率缺额由配电网来平衡，频率调整和电压控制都由配电网来负责，网内分布式发电(DistributedGeneration,DG)逆变器均采用P/Q控制方式。
孤岛运行控制策略
当孤岛运行时，复合储能系统采用U/F控制方式，为微电网提供频率和电压支持，并跟踪负荷的变化，其余DG采用P/Q控制方式。控制流程如图5所示。
4复合储能控制策略
复合储能系统的双向DC/DG变换器采用Buck/Boost功率变换器形式，这种结构体积小、工作效率高。当S₁动作，S₂驱动闭锁时，变换器处于Buck模式；当S,驱动闭锁，S₂动作时，变换器处于Boost模式。这种策略可以灵活多层次地设定蓄电池的充放电电流及其相互之间的转换过程。
5无缝切换控制策略
当微电网处于并网模式、孤岛模式或者在并网/孤岛无缝切换模式的情况下，微电网主要的任务就是保证微电网系统内的所有敏感负荷可靠正常的运行；另一方面，在并网模式和孤岛模式之间进行无缝切换的过程中，微电网内负荷端的电压幅值和相位不能发生较大的变化；同时在并网过程中不能产生很大的电流冲击，导致系统的崩溃。只要上述条件能够得到保证，微电网就可以在并网模式和孤岛模式之间成功地进行无缝切换。
当微电网在并网模式和孤岛模式之间进行无缝切换时，不仅需要保证控制策略的成功转换，而且需要PCC点静态开关的准确配合。如果PCC点静态开关配合不当，很可能就会导致无缝切换的失败。此外还需要依靠大电网状态快速准确的检测，并网时电压的同步检测等诸多方面，只要有一方面配合不当，很可能就会导致无缝切换的失败。如果切换失败，将导致很严重的后果。例如，当微电网系统从并网模式向孤岛模式转换时，如果PCC点的静态开关没有正常关断，就可能导致大电网的**影响进入微电网，如果没有敏感负荷实时的保护，微电网系统内的敏感负荷就会全部损坏。
在并网运行情况下，当配电网故障或电能质量不能满足要求时，检测公共耦合点(PCC)电压、频率，超出允许的范围时，微电网需要与配电网快速断开，转入孤岛运行方式，储能系统的控制方式由P/Q控制转变为U/F控制方式，其余DG仍采用P/Q控制方式。此时，若网内功率不能保持平衡，就要考虑切负荷或者切机；在主网恢复正常运行后，需要将微电网与配电网重新连接。此时，为了避免互联过程中对配电网造成较大的暂态冲击，对微电网进行同期，为此，检测公共耦合点微网侧及配电网侧的电压、频率及相角，当对应量相差在允许的范围之内时，完成同期并列。之后，复合储能系统由U/F控制方式转变为P/Q控制方式，并恢复负荷或DG。
3.仿真结果及分析
光伏发电容量为15kW，风力发电为20kW；蓄电池容量为100A·h，额定电压为240V，额定放电率为0．3C，超级电容器为10F，额定电压360V；负荷功率为40+j10kVA。微电网并网运行，所有DG均采用P／Q控制，在1s时，配网发生故障，检测到电压或频率越限，保护动作，微电网与主配网断开，由并网转人孤网运行，储能装置控制方式由P／Q转为U／F方式；在2s时，配网故障消除，经检测，微电网与配电网侧电压、频率、相角差符合同期要求，保护动作，微电网重新与配电网并列运行，电气量恢复到孤网运行前的状态。
Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是安科瑞研发的新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统，满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入，全天候进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况，集监控系统、能量管理为一体。该系统在**稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供**、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。
4.1系统功能
微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。
可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。
微电网能量管理系统的监控系统界面包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。
包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。
光伏系统界面展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
储能系统界面展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。
储能系统PCS参数设置界面
储能系统BMS参数设置界面展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。
储能系统PCS电网侧数据界面、储能系统PCS交流侧数据界面、储能系统PCS直流侧数据界面、
储能系统PCS状态界面展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。
储能电池状态界面展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。
储能电池簇运行数据界面展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的*大、*小电压、温度值及所对应的位置。
风电系统界面展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
光伏发电预测可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。
光伏发电策略配置可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。
运行报表，查询各子系统、回路或设备指定时间的运行参数
具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。
电能质量监测，可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。
1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；
2）谐波分析功能：A/B/C三相电压总谐波畸变率、电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；
3）电压波动与闪变：A/B/C三相电压波动值、电压短闪变值、电压长闪变值；三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；
4）功率与电能计量：A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；
5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警并查看相应暂态事件发生前后的波形。
6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*大值、*小值、95%概率值、方均根值。
7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。
8）故障录波
5.结束语
基于蓄电池与超级电容器的特性，建立微电网的复合储能系统，提出微电网并网与孤岛运行方式平稳切换的控制策略，通过仿真实验得出如下结论：
1)复合储能兼具能量型储能及功率型储能的优点，且控制方式灵活、方便。对于实现微电网能量的瞬时平衡，维持微电网的稳定运行具有重要作用；
2)多层次的控制模式，在运行方式切换前后，使微电网的频率、电压都能保持在允许的范围之内，实现平滑切换；
3)在线检测频率、电压，切换时对电网的冲击很小，保证电网电能质量。
在下一步的研究中，将考虑超级电容器与蓄电池的容量优化配置及微电网系统经济性的改善。