杨来源
（身份证号码：37082719850304xxxx 常州博瑞电力自动化设备有限公司）
摘要：在可持续发展战略背景下，各行业均加强低碳化生产与管理，其中也包括电力行业。发展微电网这种可以对分布电源进行灵活控制的系统，不仅为可再生资源的发展提供了一种新路径，同时也推动了绿色电力的发展进程和节能减排指标的完成。孤岛运行系统是微电网运行的主要方式之一，随着我国对可再生能源的需求加大，发电装机容量要求也在增加，在孤岛运行状态下的微电网需要更加稳定安全的电能支持。对此，笔者结合多年工作经验，通过本文探析了微电网储能系统，并提出科学合理的控制措施，以使电能得到合理分配，确保微电网的稳定可靠运行。
关键词：孤岛系统；光储微电网；储能控制
引言
在经济社会高速发展的今天，能源因素与环境问题对经济社会发展的制约越来越明显，在这种情况下，电力系统必须向更高水平发展，才能满足经济社会发展的需求。微电网就是在分布式发电的基础上提出的一种新型发电系统，它将储能装置、分布式电源、负荷等系统进行衔接并搭建了小型电力系统。这一系统在独立运行的同时实现了并网发电，保障了系统运行的稳定性与灵活性，使供电的电能质量与可靠性都得到了有效提升，并进一步推动了我国资源节约型社会的建设。
一、光储微电网孤岛系统分析
（一）微电网拓扑结构
光储系统就是光伏与储能设备组成的发电系统，而微电网系统一般采用的电源为建筑并网光伏，这种电源的特征表现为随机性与间歇性，输出的功率会受天气及时间段的影响，如多云天气或不同时间段内，发电功率可能发生较大变化，需要储能电源的支持。当前比较常见的储能电源为蓄电池，但是蓄电池有使用次数限制、价格也比较高，无法满足长期使用需求，因此，新时期技术人员需将蓄电池与超级电容整合打造新型储能系统，这种储能系统可以为微电网的正常运行提供负荷功率需求与电能质量需求。
在光储微电网孤岛系统中，蓄电池及超级电容可经由自身的DC/DC变换器直接连接直流母线，并在DC/AC变换器作用下连接交流母线[1]；同时光伏发电系统在连接交流母线时也需要DC/AC变换器，连接完成后再将光伏发电系统与负荷连接，再辅以控制系统便组成微电网系统。光储微电网孤岛系统如图1所示。
图1 光储微电网孤岛系统
（二）混合储能系统
超级电容与蓄电池各有不同特点，超级电容储能装置隶属功率型，其输出功率速率相对较快，变动范畴也较广，充电循环频率高。蓄电池的储能装置属于能量型，与超级电容相比，其输出功率速率慢，变化范围小，充电循环频率低。这一环节，受控电压源与内阻串联便可组成蓄电池模型。同时蓄电池模型中，其充放电状态即状态变量，而蓄电池参数可通过放电特性曲线获取，这一做法也同样适合充电特性的获取。
二、光储微电网的自适应储能控制分析
（一）储能单元变换器控制分析
单级和双级模型作为光伏发电单元并网逆变器所属的两种模型，其功率以光伏阵列为主，功率控制与输出都由逆变控制实现。图2为其主电路结构。通过图2可知：前级模块使用的操控方法为PWM，其容许能量移动，而后级模块采用的控制方式为三相电压源型。在孤岛运行中，微电网系统的电压质量需实现负荷要求，并确保功率的动态均衡，各分布式电源也需要达到控制微电网系统电压以及电源和储能系统输出功率这两个目标。
图2 双级变流器储能控制中主电路结构图
（二）混合储能自适应控制分析
系统运行需要大电网支持，但是，一般情况下，大电网条件不能满足，这就需要利用微电网这种能够自己保证电能平衡的电网发挥作用。按照常用方式的不同可将微电网控制方式分为对等控制与主从控制。主从控制环节，电网中的众多电源都只以主控单元的形式存在，使用的控制方式为U/f方式，而其他电源按照从控单元方式存在，使用的控制方式为PQ方式控制[2]。主从控制方式需要对负荷状态进行实时采集，并计算系统的净负荷，以此决定系统的储能输出。在孤岛运行状态下，采集数据时可能会出现延迟的情况，系统的稳定性会受到不利影响，由此可知，主从控制方式对通信设备的依赖性较强，如果通信异常，就可能造成微电网控制失灵，如果情况比较严重，也可能造成系统崩溃。为了防止这种情况的发生，经过长期的实践，工作人员提出了孤岛运行下的微电网混合储能自适应控制方式，这种控制方式的运行模式如图3所示
图3 孤岛系统中微电网混合储能自适应控制图
在孤岛系统中，一旦系统对功率要求产生改变，超级电容器就需发挥自身的优先补偿作用，以补充空额功率，这样就可以实现自主平衡，不需要计算系统缺额。但是需要注意的是，由于超级电容自身的能量密度不高，如果功率输出过大，能量控制难度就会加大，无法实现长期能量控制。在自适应控制过程中，通常由超级电容补充负荷空额部分，并实现向蓄电池转换，使蓄电池保持平稳的功率运行，避免功率变化过快，对放电次数造成不利影响。在蓄电池无法完全补偿系统缺额的情况下，超级电容需补充结余的空额，从而满足系统对功率的需要[3]。如果混合储能也无法满足系统需求，就必须将不必要的负荷去除，以确保系统平稳运转。
三、PSCAD仿真验证
为了保证光储微电网系统在孤立状态下运行正常，需要对储能系统的自适应控制进行PSCAD仿真验证，首先需建立微电网孤岛运转仿真平台，该平台包含混合储能、光伏发电系统等，并在PSCAD/EMTDC环境中建立。其中发电系统的输出功率在5-15kW范围内波动。假如微电网实际运行中的光伏与负荷功率采集、数据处理与通信等环节所用的时间为0.1秒[4]，蓄电池储能系统的功率为20千瓦，当其容量值且输出功率均保持在最大值情况下，储蓄时长可达10小时以上，而容量为400A·h，电压为500伏；当超级电容储能系统的功率保持在20千瓦时，满容量最大功率输出持续时长在30秒以上，此时额定电压为400伏，电容值为10F。
为了比较常规微电网控制方式与自适应控制方式，需要通过不同算例，比较对负荷需求功率与光伏发电系统输出功率的变化情况进行分析，以验证自适应控制方式的有效性。
1.当光伏发电系统输出功率稳定时，0.2秒时系统负荷需求功率急速降低，净负荷值从12千瓦下降到4千瓦。常规控制方式下的蓄电池输出功率变化情况比较明显，对蓄电池产生了较大冲击；而自适应控制中蓄电池的输出功率变动相对缓慢，可以有效的保护蓄电池。孤岛运行状态下，负荷需求功率急速下降，自适应控制方式下，其直流侧母线电压变化范围明显低于常规操控方式，恢复速度也相对较快，对系统的稳定运行具有积极的保护作用。
2.在光伏发电系统输出功率稳定状态下，时间在0.2秒时，系统的负荷功率需求在短暂发生变化之后又恢复原来的数值，也就是净负荷从-4kW上升到6kW，又快速的恢复到-4kW[5]。在负荷功率快速上升又迅速回落的过程中，混合储能系统在自适应控制方式下，蓄电池输出功率基本保持不变，其对蓄电池无法产生较大的冲击；常规控制方式下，蓄电池2次穿越零点，这就表明蓄电池在发生1次瞬时放电与充电使，其会对电池产生较大冲击。在自适应控制方式下，当负荷需求功率在较短快速上升又飞速回归至初始值时，直流侧母线的电压值不会产生较大范围的变动，即使发生变化其恢复时间也非常快，这就确保了系统运行的稳定性。
3.保证系统的三相对称负荷功率固定不变，0.2秒与0.4秒的光伏电源出力受到光照强度影响产生变动。0.2秒时，净负荷从6千瓦下降到-3千瓦；0.4秒时，净负荷由-3千瓦上升到2千瓦。在净负荷的这种变化过程中，自适应控制方式下的混合储能系统会发生功率短缺，缺额由超级电容支撑，蓄电池输出的功率就可以平滑的从6kW向2kW过渡，无法完成充放电[6]。常规控制方式下的蓄电池则会进行1次充放电，这在冲击蓄电池的同时会引起蓄电池频频充放电，并使蓄电池的使用时间大幅缩短。同时，自适应控制模式下的直流侧母线电压的变动范畴小于常规控制模式，恢复速率也相对较快，系统运行不会受到较大不利影响。
通过以上几种仿真实验算例的比较可以看出，自适应储能控制方式可以有效满足负荷功率需求，不仅可以有效保证系统的稳定运行，也可以促进系统运行电能质量要求的改善，还可以进一步改善蓄电池工作流程，延长其使用时间。
四、结束语
在以光伏发电单元和混合储能为主所形成的微电网孤岛系统中，由蓄电池和超级电容构成储能系统，此类混合储能系统的适应能力比较强，在孤岛运行状态下，如果功率波动太大，储能系统可通过一级快速反应和二级常规反应满足微电网运行所需要的电能质量和最大负荷功率要求，并确保系统的稳定性和安全性。
参考文献：
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[3]杨涛，周俊，王文轩，etal. 储能在光储微电网中的应用研究[J]. 电力电子技术，2018（6）：72-77.
[4]付东. 光储微电网的最大功率跟踪与优化控制策略研究[D].
[5]温素芳，王生铁，田桂珍. 孤岛模式下光储交流微电网能量管理协调控制策略[J]. 可再生能源，2018（6）.
[6]陈浩敏，习伟，熊雄. 微电网孤岛运行下混合控制策略研究[J]. 电器与能效管理技术，2017（18）：42-47.
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进一步保证开闭所故障的及时发现与处理。在进行电源线故障处理时，走动合理技术可以实现其节点部位保护动作，使得断路器跳开。
图3 自动化终端设备结构示意图
3.自动化终端设备及配电全自动化的未来展望
现阶段，电力系统中已经开始应用智能配电同步测量终端，因此能够实现广域同步采样，快捷方便的实现对配电自动化区域内同一截面的潮流计算以及广域同期合环操作，在解决不同电压等级电源点造成的合环冲击电流的同时，实现了真正的不停电转供电。现阶段绝大多数的供电企业在配电供电思路上通过终端故障诊断时间躲过合环涌流隐患，现阶段，应用智能同步数据分析模块，能够根据配电网络的运行现状，给出是否可以直接合环操作、电压调整以及过度操作等辅助决策意见。未来的自动化终端设备还会支持大量分布式电源的介入，包括太阳能发电、风能发电、小型燃气轮机等，并且具有即插即用的功能。此外还将支持用户能源管理，不仅支持用户自备分布式发电，实现储能装置的并网，还能够支持智能读表以及用户侧的双向通信。如图3所示。
4.结语
综上所述，随着社会对电能质量以及可靠性要求的不断提升，我们必须通过加快电力配网自动化建设的方式，提高电力配网的可靠性与稳定性，在保证用户正常用电的同时，促进全社会的发展。此外，在电力配网的自动化建设过程中，我们还需要加强对配电自动化终端设备的运行维护，通过科学利用其故障检测、通信以及自动隔离等功能的方式，在保证配网平稳运行的同时，实现电力行业自动化水平的不断提高。
参考文献：
[1]朱睿.配电自动化终端设备在电力配网中的应用探讨[J].低碳世界，2017，10（2）：111-112.
[2]韦里根.配电自动化终端设备在电力配网中的应用剖析[J].科技创新与应用，2017，12（17）：96-97.
[3]马俊，齐增海.配电自动化终端设备在电力配网自动化的实践[J].科学技术创新，2018，10（35）：187-188.
论文作者:杨来源
论文发表刊物:《云南电业》2019年6期
论文发表时间:2019/11/28
标签：电网论文; 系统论文; 蓄电池论文; 储能论文; 功率论文; 孤岛论文; 负荷论文; 《云南电业》2019年6期论文;