微电网能量管理系统(2)

4 储能装置分类、特点、工作方式及接入设备功能

4.1 储能装置的分类与特点[5]

铅酸蓄电池尽管能量密度小，但功率密度高、放电时间长、由于技术成熟性价比高，因此成为当今使用最为广泛的蓄电池。当蓄电池作为调节电源时，每次调度之前应先检查蓄电池的剩余容量，若负荷低谷时蓄电池容量已经达到90%以上，则不给蓄电池充电;若剩余容量低于20%则暂时不用蓄电池，将它作为负载进行充电(负荷高峰时不充电)一直到容量达到80%以上为止，否则作为电源参加经济调度。

4.2 典型工作方式

蓄电池可工作在功率可调的运行方式或定功率的运行方式。

当工作在功率可调的方式时遵循P-f下垂特性和Q-V下垂特性。在此工作方式下，蓄电池组可作为具有自适应调节功能的调节电源，快速跟踪负荷有功功率和无功功率的变化。

当工作在定功率的方式时按照设定值输出有功功率和无功功率。

4.3 装置接入设备功能

蓄电池为直流电源，由于他们的电压等级低，需采用DC-DC中的Boost电路升压至合适的电压等级，然后通过逆变把直流电变换为标准的交流电，供给负荷或并入电网。即经过DC-DC-AC变换接入微电网。

蓄电池控制器具有对蓄电池电压、电流、储能的监控功能，还有充放电功能和启停限定功能。蓄电池充电时，能量管理系统主要监视蓄电池的充电状态、综合健康度和安全中断标准。主要监测的参数有：电压、电流和温度。当对蓄电池的所有状态检查完成后。蓄电池的充电定时器开始启动。如果检测到蓄电池超过临界安全值，则充电暂停，如果故障持续时间超过一定的值，则停止对蓄电池充电。并可根据系统稳定运行要求自动切换工作方式的功能。

5 系统运行目标与策略

5.1 联网模式下的运行目标与策略

在正常情况下，微电网并网运行，由大电网提供刚性的电压和频率支撑，内部微电源工作在电压源或电流源状态，在能量管理系统控制下，调整各自的功率输出。微电网和大电网共同承担内部负荷。

并网运行时，微电网能量管理的协调方案为：

(1) 光伏发电一直保持 MPPT模式;

(2) 检测储能装置的荷电状况以确定是否充电。当检测到蓄电池未充满时应充电，若充满就停止充电。能量控制器检测负荷和无功的变化。在联网模式时，蓄电池不参与供电。仅通过储能装置进行无功调节，并补偿无功，维持功率平衡，维持系统稳定的作用。

(3) 微型燃气轮机在联网模式时不参与供电。

(4) 微电网能量管理器将增加与各级微电源之间的通信协调工作。

并网运行发生故障时，由于微电源的分布式特性，可由微电源能量管理系统迅速定位故障点位置。当故障点在微电网内部时，由微电网能量管理控制器通过综合各微电源的信息给出相应调整;当故障点在微电网外部时，通过主网调度中心与各高级调度中心相互通信以确定故障严重程度。如超出自身调节能力，相应微电网可选择与主网断开，进入孤岛运行，这样可同时保证主网与微电网的安全稳定运行。

5.2 孤岛模式下的运行目标与策略[6] [7] [8]

当大电网出现电压骤升、骤降、不平衡和谐波等电能质量问题或有计划检修时，微电网转入孤岛运行模式，此时的电压和频率由内部各微电源负责调节。负荷和微电源地投切常用来维持功率平衡以此确保微电网的电压和相角的恒定。因此控制策略必须确保敏感负荷的正常供电。

微电网能量管理的协调方案为：⑴应切除可中断负荷确保微电网对敏感负荷的可靠供电，保证敏感负荷的正常工作;⑵光伏发电尽量一直保持MPPT模式(若需要可工作在电压限制模式);⑶根据储能装置的运行状况，管理微型燃气轮机的投切和发电容量。当储能装置吸收部分能量时，切除部分微型燃气轮机，当储能装置释放能量时，投入部分微型燃气轮机来供电;⑷能量控制器检测负荷和无功的变化，通过微型燃气轮机或储能装置进行P、Q调节，并无功补偿，维持功率平衡，保证供电质量。

在孤网模式下各微电源协调控制策略：

(1) 光伏电池应保持 MPPT模式，当光伏电池输出大于负荷消耗且蓄电池充满时，应工作在定电压模式。

(2) 蓄电池储能为0，光伏输出持续增加但小于负荷消耗时，蓄电池停止运行。光伏输出超过微电网负荷消耗，蓄电池未充满。蓄电池充电。

光伏输出小于负荷消耗时或光伏输出为零，蓄电池有储能，应工作在放电模式。

(3) 当光伏输出超过微电网负荷消耗，应工作在低输出运行模式。当负荷需求持续增加，光伏电池和蓄电池已不能满足负荷用电需求，微型燃气轮机则增加输出功率。光伏发电结束且储能装置储能为零，则完全由微型燃机轮机供电。

5.3 PCC接入监控设备的功能与要求

微电网PCC的各种状态信息包括系统电压、电流、有功、无功、频率、功率因数等参数以及各个微电源的状态信息能上传给能量管理系统，能量管理系统根据这些参数制定控制方案，发布命令。

6 微电网能量管理系统的功能与实现方法

微电网能量管理系统具有数据综合处理、方案制定、命令发布及与微电网并网功能，主要包括对微电源的控制、储能装置管理、负荷管理、来电自动并网、断电或故障自动进入孤岛运行的控制功能等[9]。

(1) 方案制定、命令发布

经过通信上传的PCC点，各微电源控制器，断路器，负荷节点的各种参数，经过综合数据处理，制定微电源的投切、工作方式切换、功率输出等调节，断路器的通断等控制策略。然后把这些设定值与控制命令发送各调节装置。维持微电网的正常运行。

(2) 对微电源的控制功能

根据能量管理系统的控制命令改变微电源的工作方式，并且按照发送的设定值调节微电源的功率输出。能量管理系统检测调节电源的输出特性。当负荷需求增大时，通知微电源增加输出功率。当负荷需求减少且蓄电池充满时，则通知微电源减少输出功率或关闭某些微电源。

(3) 储能装置的管理

蓄电池充放电与电压、功率管理可检测蓄电的充放电状态，并且根据系统需求对其进行充放电管理，并能控制储能装置的工作方式。以及输出有功、无功功率，参与有/无功率调节。

(4) 负荷管理

根据检测到的负荷大小分配微电源的出力，保持微电源与负荷之间的平衡，在微电网孤网运行时，切除一般负荷，确保敏感负荷的正常供电。

(5) 模式切换与通断控制

当检测大电网来电时，能自动的将微电网由孤网运行模式过渡到并网运行模式下。当并网后发生故障且故障点在微电网外部时，通过主网与各微电网相互通信以确定故障严重程度。如超出自身调节能力，相应微电网可选择与主网断开，进入孤岛运行。并可实现两种运行模式的无缝转换。并根据微电网的工作状态发布微电源与断路器逻辑控制控制命令。当满足投切条件时，能量管理系统通知微电源控制器和各断路器动作，完成预定的投切操作，以减少或增加输电线路的功率，确保微电网系统的功率平衡。

7 微电网能量管理系统的组成结构与实现方案

7.1 建立模型

建立了典型的微电网模型，包括微电网的电压等级、接线方式、运行方式、负荷模型、微电源类型、容量以及位置的确定并建立合适的微电源仿真模型。

1. 电压等级：380V/220V

2. 接线方式：微电网接线采用放射式接线。

运行方式： 并网运行、孤岛运行

3. 负荷模型：采用恒功率静态模型来表示馈线上各节点的负荷，同时假设负荷三相对称。

(1) 负荷类型：敏感负荷 非敏感负荷(可中断负荷)

(2) 负荷大小最大负荷：敏感负荷与一般负荷功率需求之和为最大负荷。

最小负荷：取最大负荷的30%为最小负荷。

4. 微电源类型: 微型燃气轮机、光伏电池、储能装置(铅酸蓄电池)。

5. 微电源发电容量确定：微电源的额定功率应该与敏感负荷峰值功率需求相匹配。

6. 微电源位置确定[10]：可选择在线路中间偏末端的位置。

7.2 微电网能量管理

(1) 微电源管理

根据微电网的拓扑结构制定相应的控制策略

在并网模式时，应预先确定微电源的功率输出值，能量管理系统合理分配设定值给各个微电源。并监控PCC点的电量参数，当出现无功不平衡时，并确定无功补偿量，分配这个值于储能装置，使储能装置发无功，维持系统功率平衡。并根据并网运行模式下微电源协调控制策略投切微电源。

在孤网模式运行时，根据负荷需求确定微电源的功率输出值，能量管理系统合理分配设定值与各微电源。根据预先设定的VQ特性阻止末端电压偏压;参与特定负荷线路的电压调整;根据负荷设定的功率因数补偿无功。通过能量管理系统把这个这分配给调节微电源。维持电压稳定。能量管理系统根据能量管理控制算法确定设定值，分配给各微电源参与系统的调节，以确保系统的稳定运行。

(2) 储能装置的充放电管理

能量管理系统主要监视蓄电池的充电状态、综合健康度和安全中断标准。按照能量管理系统的控制指令充放电。

(3) 负荷管理

提供负荷跟跟随功能，实时检测负荷大小，在并网模式下，负荷的供电主要由大电网提供。在孤网模式运行时，一般负荷被切除，根据检测到的负荷大小，分配微电源的出力，保持微电源与负荷之间的平衡。