一种微电网并转孤模式切换时功率平衡计算方法

2015-11-18万玉建蒋成杰陆华军

电气技术 2015年11期

万玉建蒋成杰陆华军

（南京磐能电力科技股份有限公司，南京 210061）

微电网是指在一定区域内利用可控的分布式电源，根据用户需求提供电能的小型系统[1]。它是利用可再生能源实现大规模接入分布式电源的有效途径之一[2-3]。在微电网模式切换等暂态情况下，为了满足微电网电压和频率等电气参数稳定和系统运行模式平滑过渡，必须迅速调节分布式电源和储能装置的输出功率[4]。目前很多学者对微电网功率平衡控制策略进行了研究，文献[2]以直流母线作为功率平衡控制的核心，在直流母线上通过储能装置输出或吸收功率以补偿功率缺额，在交流母线上调整逆变控制策略以满足电压和频率的稳定性要求；文献[5]根据微电网运行模式、微电源和储能系统各自特点，提出了基于混合储能的微电网功率控制策略；文献[6]研究了在交流母线上多电源联合运行的功率平衡控制策略，通过调节有功、无功实现对电压和频率的下垂控制；文献[7]提出一种通用的电池储能系统综合控制策略。

这些微电网功率平衡控制策略主要是针对改进微电网拓扑及其控制策略，或者改进分布电源系统控制装置而设计。本文主要针对微电网能量管理系统中对微网运行模式切换时电网负荷与微电源输出功率之间的平衡问题，提出一种微电网并转孤模式切换时功率平衡计算方法，主要解决微网切换时电网负荷与微电源输出功率间适平衡最优化的计算与评估，该方法提出一种通用的计算模型能够准确的计算出所有可能的投切方案，并从中筛选出最佳方案。

1 微电网能量管理系统

微电网能量管理系统如图1所示，分为上层管理管理模块及低层控制模块两部分。

上层管理管理模块包括模式管理、经济运行、储能管理、负荷预测、风光发电预测系统、网络拓扑等部分；低层控制模块分为模式识别与控制、稳定控制、电源控制、负荷控制，在 PCC点增加孤岛检测保护模块。

图1 微电网能量管理系统结构图

经济运行模块通过对微电网实时数据、负荷预测和风光发电预测结果的分析计算，生成微电网能量管理经济运行方案。储能管理模块根据系统运行状态、当前储能情况以及预设的 SOC限值生成储能管理方案。模式管理模块接收模式识别与控制模块发送的识别结果，同时接收经济运行和储能管理方案并进行计算验证，生成相应的微电网能量管理方案（包含模式切换预案、经济运行和储能管理控制方案），然后将微电网能量管理方案下发给模式识别与控制模块执行。模式识别与控制接收孤岛检测的动作信号，执行模式管理下发的微电网能量管理方案，同时为稳定控制提供模式识别结果。稳定控制根据模式识别结果，生成稳定控制方案，通过电源控制和负荷控制模块执行。电源控制和负荷控制模块接收模式识别与控制模块和稳定控制模块下发的控制信号，对电源和负荷进行相应的控制。

2 功率平衡算法

功率平衡算法作为关键算法在微电网能量管理系统中被应用，微电网能量管理系统中模式管理和稳定控制是两个核心模块，模式管理是用来针对当前微电网运行状态，给出当微电网运行发生故障需要模式切换时能够个保证微电网模式平稳切换的预案。其中最重要的模式切换预案就是并转孤模式切换预案，此时需要调用本算法得到最佳孤网电源和负荷投切方案。另一个核心模块稳定控制，是指在孤网运行时保证各孤网电源与负荷能够在安全、稳定运行，本算法可以保证微电网孤网运行时各电源和负荷之间的功率平衡，因此稳定控制模块也充分利用本算法的通用性和最优性，通过调用本算法计算得到需要投切的电源和负荷，从而保证微电网的稳定运行。

当微电网处于并网运行时，如果大电网故障导致并网开关保护动作或者人工拉开并网开关，微电网需要切换到孤网运行模式。此时：①需要选定某个储能电源为主电源；②根据微电网中各供电设备供电范围以及实时负荷情况，计算得出各供电设备的投切情况，供电设备中线性电源的输出功率，负荷的投切情况；③根据上面的计算结果调整电源和负荷，从而实现并网转孤网运行。

针对上述微电网并转孤模式切时的第二步算法实现，以往算法就是根据实际具体项目情况，依据微电网运行经验编写控制逻辑方案，根据方案编写程序代码，得到转为孤网后各电源和负荷投切情况。这种算法因为是依据经验编写控制方案特别是微电网中电源比较多情况靠这种简单粗犷的逻辑推理方法很难得出最优方案，另外，这种算法的通用性差，只能针对具体某一个微电网，不能针对所有微电网通用。本文介绍一种通用的计算模型能够准确的计算出所有可能的投切方案，并从中筛选出最佳方案。

2.1 功率平衡数学模型

假设整个微电网运行的电源中有n个非线性电源（因为电源特性不能快速调节输出功率，只能切除或者保留，如风机等），m个线性电源（可以通过电源控制装置直接调节输出功率，不包括主电源，如柴发、光伏、储能电池等），组建如下方程（1）、（2）功率平衡方程组。由于线性电源给出的可调范围是视在功率S，所以线性电源的约束条件如下式（3）S与 P、Q之间电力系统中的数学关系。

约束条件

式中，Pfh、Qfh为实时微电网负荷的有功功率、无功功率；Pqfh、Qqfh为需要切除负荷的有功功率、无功功率；Pz、Qz为主电源的有功功率、无功功率，范围SZL～SZH，SZL≥0；Pfxxi、Qfxxi为第 i个非线性电源的有功功率、无功功率；Kfxxi为第 i个非线性电源是否投运，即转为孤网时，0表示退出，1表示继续运行；Pxxi、Qxxi第i个线性电源负荷的的有功功率、无功功率，范围 SxxLi～SxxHi，SxxLi≥0；Kxxi第 i个线性电源是否投运，即转为孤网时，0表示退出，1表示继续运行。

解上面功率平衡方程组，求n个Kfxxi、m个Kxxi以及投运的线性电源的输出功率，其中清洁能源电源优先选择，要求各线性电源的输出功率在可调范围之内，清洁能源电源供电最大，尽量保证不切除负荷，切除负荷时按负荷优先级切除。

2.2 功率平衡算法实现

根据微电网中各供电设备供电范围以及实时负荷情况，计算得出各供电设备的投切情况，供电设备中线性电源的输出功率，负荷的投切情况。

1）不切除负荷求解

首先尝试不切除负荷，即Pqfh=0，Qqfh=0，解上面功率平衡方程组，如果有解再选择最优解，返回结果。

2）尝试切除的负荷求解

如果上步无解，则尝试切除负荷，在所有可切负荷中投运的负荷按优先级顺序，逐次切除负荷，每次尝试切除负荷得到新的Pqfh和Qqfh，带入上述方程组，解功率平衡方程组，如果有解，则选择最优解，并返回结果，如果无解，则继续尝试切除下一个负荷，直到切除所有可切负荷，还无解的话，则整个算法无解。

3）解功率平衡方程组

如何解功率平衡方程组是本计算方法的核心问题，解方程组思路如下：

共有n个Kfxxi、m个Kxxi以及投运的线性电源的输出功率是未知量，首先，从n+m个开关量入手，因为每个K值只有0和1的选择，即一共有2(n+m)组解，穷举所有2(n+m)组解，每一组解根据线性电源的可调范围，计算式（1）、式（2）等号左边的最大值和最小值，如果等号右边的负荷值在相应的最大值和最小值之间，则认为该组解可以有效，否则无效，对于有效的解要找出合适的线性电源输出功率，此时方程组变成了最大为m元一次方程组，先根据各未知量的范围由式（1）得到有功解，再根据有功解和约束条件式（3）得到各未知无功的范围，由式（2）得到无功解；最后，在这些有效的解中优先择清洁能源电源投入最多的一组解。

3 算例分析

本算法应用于某岛屿微电网中，其电源参数如下表所示。其中主电源的优先级以序号确定，序号靠前主电源的优先级越大。

表1 电源参数表

表1中2个储能电源容量为500kVA，支持可输出功率是和吸收功率调节，光伏和柴发都只是正向可调。线性电源可调范围根据实际情况确定，储能要根据其SOC值确调其可运行范围，实际运算时读取电池实时参数值确定可调范围，这里只以上表为可调范围为准。

微电网中负荷分为可切部分和不可切部分，可切负荷共计10路，已按切除优先级排好，从负荷1到负荷10，负荷1的切除优先级最高。

微电网并网稳定运行时某一瞬间各电源负荷运行情况见表2、表3。

表2 电源实时运行状态表

表3 可切负荷实时运行状态表

（续）

此时岛屿上的总负荷Pfh=1680kW，Qfh=20kVar，即时微电网向大电网供电707kW，岛屿上不可切负荷1354.5kW。

上述并网稳定参数和运行状态，如果并网开关跳闸系统需要切到孤网运行模式，运用本算法进行计算，得到孤网运行各电源投切情况见表4，不需切除负荷。

表4 孤网运行各电源投切情况表

从表4算法结果可以看出，孤网运行选择优先级最高的锂电做主电源，有功和无功总和与岛屿上当前时间的负荷大小相匹配，同时风机和光伏清洁能源最大运行，柴油机和储能最小运行，这样分配电源功率是最优配置，既保证系统由并网稳定切换到孤网运行，又保证清洁能源电源最大输出，同时尽量保证不切除风机、柴油机等不易启停的电源装置。

4 应用情况

2014年3月，我公司微电网能量管理系统在广东电网公司电力科学研究院可再生能源及微电网试验室进行动模实验研究。试验依照中华人民共和国国家标准及相关部颁标准的技术要求和工程实际情况，在广东电网公司电力科学研究院可再生能源及微电网实验室搭建 800V电压等级的微电网动态模拟试验系统模型，本次动模试验结合目前电力系统稳定控制、继电保护的新技术要求，测试微网能量管理系统在各种系统运行工况下的功能正确性、可靠性和有效性，模拟微网各种运行模式的切换过程后，系统能使微网平滑过渡并稳定运行。

在实际应用中本算法也发现一些考虑不到的问题，如储能电源因为其功率可以四个象限中切换，因此储能电源可以不必退出，所有选择储能电源退出的方案就可以不用计算，这样可以大大减少总可行方案的数目，提高算法效率；还有一些特殊的电源如柴发等，不仅有视在功率的范围，还需考虑有功范围、无功范围以及功率因素范围，这些因素我们在实际应用中已经做了相应优化和完善。