改进的光储独立微电网协调控制方法

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摘要

中国科学院广州能源研究所可再生能源重点实验室、中国科学院大学的研究人员张继元、舒杰、宁佳、王浩，在2018年《电工技术学报》增刊2上撰文（论文标题为“考虑SOC自均衡的光储独立微电网协调控制”），针对多分布式电源组成的混合微电网，考虑孤岛模式下光伏与储能系统协调运行，对其能量管理控制策略展开研究。

首先，考虑储能系统荷电状态SOC平衡，提出了一种改进的动态下垂控制策略，以提高不同储能系统间输出功率的均衡度，延长储能单元使用寿命。其次，针对光伏输出功率波动以及SOC状态变化，设计了分布式电源的多模式切换控制算法，根据场景运行在不同的控制模式，实现分布式微电网能量管理目标。

通过搭建Matlab/Simulink仿真模型，储能系统能够根据SOC状态快速分配功率，同时协调光伏系统维持微电网稳定运行，验证了所提控制策略的可行性和有效性。

随着分布式发电技术的快速发展，光伏、风机等可再生能源（Renewable Energy Sources, RES）越来越多地接入到大电网中，使分布式电源装机容量不断提高。为协调多种类的分布式能源高效利用，通常将其整合成区域配电网络——微电网的形式。考虑到RES功率输出的波动性、间歇性等特性，为满足系统稳定运行，通常需配置相关容量的储能系统（Energy Storage Systems, ESS）。

微电网可运行在并网模式，参与大电网的频率/电压调节、功率分配以及削峰填谷等。在电网出现故障孤岛运行时，接收监控调度系统的指令，实现各发电单元与负载、储能单元之间能量的优化调度和微电网经济运行，此时的微电网独立提供电压支撑以及维持频率的稳定。

针对孤岛微电网，其控制目标是实现分布式电源（Distributed Generations, DGs）之间的能量平衡以及频率电压稳定，同时需考虑RES功率波动和储能荷电状态（State of Charge, SOC）的变化。文献[10,11]研究了在光/储孤岛微电网中，采用频率信号实现功率控制，文献[12]采用模糊算法，并结合SOC水平研究并网控制策略，上述方法均仅适用于单个储能系统。

文献[13]采用改进的下垂方法，实现光伏（Photovoltaic, PV）和储能的自适应协调控制。进一步，研究了由光/储并联组成的混合系统的能量管理策略。然而，这些方法并未讨论多组储能系统时的SOC均衡问题。

因此，为了实现微电网即插即用、易于扩容的性能，需综合考虑分布式电源的功率条件和ESS的存储容量。文献[15]提出最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）和储能结合的V-f与P-Q协调控制策略，考虑了光伏最大功率和SOC荷电状态，该控制算法适用于ESS汇入光伏系统的直流输出端，同时需要额外的控制方案来协调在交流母线上与其他分布式电源的能量交互。

交流孤岛微电网中多采用基于P-f下垂控制的SOC平衡方案，文献[21]根据不同的运行条件，设计了多模式运行控制方法，无通信线情况下协调RES和ESS实现自主平滑过渡，但在切换过程中会导致频率的较大偏差。对此，文献[22]通过引入SOC平衡因子，使得不同容量ESS在充放电过程中实现平衡，同时维持交流母线频率的稳定。文献[23]在所提出的控制策略中，结合考虑了需求侧响应和储能系统的灵活参与，并通过两级迭代消除对弹性需求的约束，但该算法控制复杂、运算量大，同时需附加通信链路。

本文研究微电网中RES/ESS多电源并联时的协调控制策略。首先设计一种考虑SOC均衡的改进下垂控制，调节储能系统间SOC平衡；然后结合光伏输出功率及蓄电池荷电状态变化，提出多模式切换控制方法。这些控制能够实现DGs间的功率主动分配以及灵活的模式转换，同时根据分布式电源运行状态，提出能量管理控制策略流程，自主实现分布式微电网稳定运行的目标。最后，通过Matlab/ Simulink搭建了含光伏、储能和负荷的混合微电网模型，验证所提算法的控制效果并进行特性分析。

图9  仿真系统原理

结论

本文提出一种考虑SOC自均衡的混合微电网协调控制策略，为此设计了分布式电源多模式切换控制及能量管理流程。在光伏、储能系统放电阶段，考虑避免ESS单元不均衡放电，提出分布式储能系统动态下垂控制方法，提高不同蓄电池组间输出功率的均衡度。

仿真实验表明，在采用所述控制策略后，具有不同SOC初始值的储能系统能自适应调整输出功率，进而促进SOC趋于一致。同时，考虑光伏输出功率波动、储能系统SOC荷电状态以及负载侧功率需求的变化，设计多模式自主切换算法控制流程，并在Matlab/Simulink模型中模拟仿真了多种运行场景。

结果表明，所提出的控制策略能够实现分布式微电网的能量管理、功率的合理分配及系统稳定运行，从而验证了所提控制策略的可行性和有效性。

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