高靜蘭

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 伊犁 835000）

在電力發(fā)展過程中，如何保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進而提高供電過程的整體水平，已經成為當前研究的熱點問題。我國建設微電網促進電力系統(tǒng)的廣范圍供電，微電網的拓撲結構可以將再生能源引入供電體系中，形成多個獨立的經濟實用型供電系統(tǒng)，滿足未來微電網技術的多元化發(fā)展。

文獻[1]中在華東微電網上加入了調度系統(tǒng)，利用數字化技術切換電源與供電網之間的供應關系，分別對微電網的靜態(tài)運行、動態(tài)運行實現全程數字化監(jiān)控，方便工作人員的狀態(tài)切換，切換體系中設計預警系統(tǒng)，為供電系統(tǒng)運行與系統(tǒng)開發(fā)工作提供安全參數。文獻[2]中應用的狀態(tài)切換方法建立在第一代電網的電源組之上，利用第一代電網電源組的經濟性滿足多能源供電的可持續(xù)發(fā)展，主要依靠蓄電池功率平衡的方式調整微電網工作狀態(tài)，設計大容量電容器延長微電網供電時間與運行狀態(tài)，提升微電網電源的利用密度與使用壽命。

1 基于復合儲能的微電網分析

1.1 復合儲能理論

復合儲能主要由蓄電池與超級電容器組成，利用蓄電池中等效電阻與等效電壓等概念完善復合儲能整體裝置對電網的持續(xù)供應能力，超級電容器具有容量大、充放電周期長等特點，可視為一套理想電壓源與無電阻電路，能夠實現在輸電網中任意控制輸電方向與輸電模式，根據輸電網結構可以改變復合儲能設備中的等效電阻大小，進而控制等效電路中的電路傳輸功率[3-4]。復合儲能裝置等效原理圖如圖1所示。

圖1 復合儲能裝置等效原理圖

圖中A1、A2、Z1、Z2分別代表等效電壓與等效電阻的功率控制開關管，C代表等效裝置的串聯(lián)電路電容，U1、R2分別代表等效電壓與等效電阻，按照圖中的復合儲能裝置電路連接方式能夠增加超級電容在電網傳輸過程中的管控范圍，使超級電容的容量在普通電容的基礎上擴大200～300倍，隨著微電網工作結構變化也可以對超級電容所在電路位置進行調換，盡量滿足多能源在復合儲能裝置的儲存量和儲存時間[5-6]。

1.2 微電網結構

微電網的正常運行電壓一般控制在380V左右，微電網結構中包含復合儲能裝置相關電路。微電網結構示意圖如圖2所示。

圖2 微電網結構示意圖

根據圖2可知，結構中的負荷作用是對不同能源轉換成果的檢驗，采用分布式結構對不同能源進行微電網內部能源消耗，保障微電網對外傳輸的穩(wěn)定性，微電網中所有的電路結構都被微電網電路監(jiān)控管理體系關聯(lián)，微電網管理人員能夠隨時提取出各個電路中的能量轉換信息或能量傳輸信息，微電網運行狀態(tài)也受到電路管理體系的監(jiān)控，通過光纖通信手段接受與傳達狀態(tài)變換命令，反饋給微電網狀態(tài)切換模塊[7-8]。

2 微電網運行模式研究

2.1 微電網并網運行模式

在微電網電力傳輸過程中，并網運行模式是主要運行模式，這種狀態(tài)下的微電網能夠實現自身安全檢查功能，減少復合能源在不同電網結構中的不同頻率而產生影響微電網正常運行的問題[9-10]。并網運行模式中的電位差、相位差等因素會重新規(guī)劃參數，對外部其他電網中能量達到影響參數免疫效果，電網電壓向量狀態(tài)分析圖如圖3所示。

由于復合能源種類較多，且每種能源轉化為電能的效率不盡相同，微電網并網運行模式可以將微電網結構中能源進行分化，設定能源轉化閾值，首先滿足微電網本地的電網能源供應，再通過對其他負荷的通信，設定微電網對外電網供電水平閾值，當兩種閾值均滿足條件時可以采用并網供電操作。

圖3 電網電壓向量狀態(tài)分析圖

2.2 微電網孤島運行模式

在微電網運行模式中，孤島運行模式為備用運行模式，通常微電網的并網運行模式出現故障，電網會自動轉換成并網運行模式，孤島運行模式主要依靠自身內部電壓完成各個部分的持續(xù)供電，同時切斷對外部其他電網的持續(xù)性輸電，但是微電網結構內部的各個負荷之間還存在著電源協(xié)調與交互功能，滿足多種能源轉換與復合能源多重利用，微電網供電系統(tǒng)內部電壓與頻率將間接性向微電網部分結構傳輸交互信息，滿足微電網的通信模塊正常，孤島運行模式下的電網模型不需要應用電信號控制供電程序，且供電原理與常規(guī)性電壓供電相差無幾，大多由兩個微電源提供等效電壓，每個等效電壓對應負荷中的等效電阻[15-16]。孤島運行模式下的負荷輸電模擬圖如圖4所示。

式(5)中：N為定值；R為T的2階小項，可忽略不計。由式(2)可知，交點軸線在各自由度方向上的偏量值單位必須一致。但式(5)中，L、M和P、Q的單位不一致，為此，利用式(6)將L和M分別轉換成Lv和Mv，使得Lv和Mv與P和Q單位一致，

圖4 孤島運行模式下的負荷輸電模擬圖

微電網處于孤島模式中也會進行復合儲能，但是這種模式主要依靠基本電能維持負荷正常運行。

3 微電網平滑切換控制

3.1 微電網的主從控制

微電網的主從控制是微電網狀態(tài)切換的通用控制手段，微電網中一般設置有多個主控單元，每個主控單元能夠控制相應的能源供應狀態(tài)。當微電網處于并網運行模式下，電網內部的微電源會以主要線路的控制方式確保電壓穩(wěn)定，這種方式被稱為PQ控制；當微電網處于孤島運行模式下，微電源主要控制輸電功率的狀態(tài)平衡，確保等效電壓與等效電阻穩(wěn)定不變，微電源對外的輸電形式會根據微電源單元條件改變控制手段，復合能源下的微電網可以從微電網多部分獲取供電參數，依舊采用PQ方式實現狀態(tài)控制[20-22]。

設定微電源的復合能源包含光能源儲存裝置、風能源儲存裝置、水能源儲存裝置等，每個儲存裝置中都裝置有單獨的二級微電源作為主控單元，隨著狀態(tài)控制策略的不斷改進，微電源對應的負荷可以向模式的控制端口主動發(fā)送協(xié)調命令，保障復合能源在輸電功率穩(wěn)定的情況下完成較大程度的能源轉換[23-25]。微電源在確認負荷沒有達到需求量情況下從3個微電源中輸出功率，若負荷達到需求量，需要立即切斷3個二級微電源對微電網的功率輸出電路，微電網控制策略運行結構圖如圖5所示。

圖5 微電網控制策略運行結構圖

3.2 微電網的對等控制

在進行微電網對等控制時，微電網內部結構中的微電源完全能夠滿足自身負荷供電與對外電網的持續(xù)功率輸出，不承擔外部電網壓力且能夠保證自身功率的穩(wěn)定輸出，微電源會在控制策略的影響下改變原始的供應對象，根據有功功率與無功功率的穩(wěn)定性調控每個微電源在微電網中的供應位置與供應狀態(tài)，對等控制會產生微電網中的有功頻率，隨著微電源的供應時間延長，微電網會做出切換狀態(tài)的命令，但整體過程會維持對等控制。

3.3 平滑切換綜合控制

3.3.1 并網轉非計劃孤島切換控制

并網模式向孤島模式切換須依靠復合能源在微電網中的持續(xù)性供應，復合能源供應是孤島運行模式的主要供應能源，但是在并網運行模式中基本電力能源是主要供應能源，須在完成狀態(tài)切換后孤島模式采用V/F形式控制微電網對復合能源的轉換效率與轉換質量，保證復合能源能夠在微電網正常運行的前提下保障等效電阻與等效電壓的正常轉換，同時還要保證微電網電壓與輸送電頻率正常，復合儲能中超級電容器與蓄電池可以控制微電網模式轉換的數據端口，參照超級電容器中的端口電壓設定外部電網對微電網的電能供應輸送端口參數，穩(wěn)定蓄電池工作電壓與電力輸送電壓，根據超級電容器的閾值條件制定并網向孤島模式的平滑切換控制方式。

判斷微電網自身的運行模式，當判斷微電網為孤島運行模式會立即向信道中發(fā)送超級電容器啟動命令，切換超級電容器工作狀態(tài)到停止放電狀態(tài)，同時命令復合儲能裝置切換至放電狀態(tài)，考慮到復合儲能裝置切換過程中會出現電壓沖擊問題與輸電頻率不穩(wěn)定問題，將會在最短時間內隔離外部供電網與復合儲能裝置的公共并聯(lián)電路，減少雜質因素對微電網供電穩(wěn)定性的干擾。

微電網在供電穩(wěn)定狀態(tài)下功率雙向輸出，超級電容器控制微電網的電壓缺口，排除供電網端口電壓缺失造成的功率失穩(wěn)，但超級電容器控制時間具有一定局限性，超出預定值向孤島模式平滑切換時便需要降低自身電壓，依次排除負荷對主電源的依賴。并網轉非計劃孤島切換控制流程圖如圖6所示。

3.3.2 孤島轉并網切換控制

當信道檢測供電網能夠平穩(wěn)供電時，微電網恢復正常供電水平，即可將孤島運行模式轉換為并網運行模式，重新融入配電網中。

參照超級電容器的參考閾值設定微電源等效電壓與等效電阻，控制并網主電源的初始頻率與初始電壓，控制步驟示意圖如圖7所示。

圖6 并網轉非計劃孤島切換控制流程圖

圖7 并網控制步驟示意圖

經過頻率與電壓的調控，可通過信道向微電網發(fā)送并網連接命令，設定并網額定電壓幅值、相位角等參數。

并網連接完成，啟動超級電容器到輸送電模式，首先向蓄電池充電，再對負荷進行持續(xù)供電，完成孤島轉并網平滑切換控制。

4 實驗研究

設計實驗實現本文平滑切換方法。仿真實驗不同階段的動作參數如表1所示。

表1 動作參數表

根據表1，平衡兩種狀態(tài)下的等效電壓與等效電阻，應用本文方法下兩種狀態(tài)切換過程中產生的有功功率幅值仿真結果與傳統(tǒng)方法下的幅值變化對比結果如圖8所示。

圖8 有功功率幅值變化對比結果

根據圖中對比結果可知本文方法下的有功功率變化幅值較為穩(wěn)定，基本控制在2×105W內，而文獻[1]中方法下的仿真幅值在3×105W左右，文獻中[2]方法下的仿真幅值在5×105W左右。微電網與外部配電網隔離供電情況下需要操控并網開關，同時還需要控制配電網端口的隔離開關，實驗中對狀態(tài)切換過程中的并網開關沖擊電流進行檢測與效果對比，結果如圖9所示。

圖9 并網開關沖擊電流對比圖

根據圖中對比結果可知本文方法下的并網開關受到電壓沖擊時間最短，較其他兩種方法縮短0.5s～0.9s，證明了本文方法平滑切換過程的穩(wěn)定性，實現平滑切換過程中對復合儲能裝置不斷進行狀態(tài)調整，控制二級微電源在電壓輸送端口處優(yōu)先確認負荷狀態(tài)，進而減少電壓對并網開關中等效電阻的沖擊。

5 結束語

基于復合儲能特點，設計超級電容器與蓄電池之間的切換模式，再拓展到并網運行模式與孤島運行模式之間的平滑切換，復合儲能環(huán)境下的平滑模式切換更加具有靈活性與穩(wěn)定性，能夠實現更精準的功率平衡以及電壓控制，在微電網檢測范圍內極大減少了外部因素對模式切換的沖擊。