微电网中分布式电源能量优化管理研究

微电网中分布式电源能量优化管理研究

杨静静王红涛杨红

（国网博尔塔拉供电公司新疆833400）

摘要：分布式电源通过微电网的形式接入电网逐步成为了一种有效的特殊手段，并且在电力研究领域分支中引起了广泛关注，鉴于分布式电源在并网过程中的复杂性，微电网的规划设计和运行模式已经成为智能电网技术的重要组成部分。分布式电源在接入母线的过程中会对配电网产生严重的线损现象，在储能蓄电池对并网后的电能进行集中时，其损耗主要表现为电压损耗和功率损耗，过多的损耗使得微电网的电源能量大量的浪费。本研究针对微电网中的分布式电源并网能量最优化问题，通过光伏发电系统、风力发电系统、微型燃气轮机和储能蓄电池组组合成为微电网研究对象，建立最优化问题目标函数度量求出的目标函数电压损耗最小和功率损耗最小的表达式，并以光伏发电系统为例进行目标函数的推导。在对实验算例推到求解过程中使用拉格朗日函数给出了电源最优条件下的驻点处的函数值，精确地计算出了不同机组的各分支线路的损耗对最终电源能量优化的影响。

关键词：微电；分布式电源能量；优化管理

1控制策略

1.1并网运行

并网运行时，由主网和分布式电源共同为负载供电，因而此时分布式电源会有两种工作模式分别为电源模式和负载模式。（1）电源模式。DG输出功率未达最大值时，其控制方式采用以维持微网母线电压和频率稳定的运行模式，即为电源模式。由DG来吸收负载变化时所产生的功率缺口，采用如图1所示的控制方式。此时，DG输出点的有功和无功会根据微网电压和频率与额定值的差值进行调节，最终会维持微网母线电压和频率在额定的范围内。（2）负载模式。DG输出功率达到最大时，便不能继续作为电源来运行，因而需转换为以负载工作的模式运行，此时逆变器采用恒功率输出的模式运行。采用恒功率模式时，微网中负载变化时的功率缺口由电网来吸收，DG只负责按恒定的功率进行输出。微网在运行时，各个DG根据实际的运行状况可动态调整其额定最大输出功率的大小，进而确定在电源模式和负载模式之间转化的分界点。在最大输出功率变化的同时，下垂控制环节中的下垂系数也随之进行调整。

1.2孤岛运行

在孤岛运行时，由于没有大电网的支撑，微网中负载所需的能量都是从分布式电源或储能装置获得，当微网中的负载大于分布式电源的输出能力时，此时不能将逆变电源采用负载运行模式（恒功率运行模式）。因为孤岛运行时，逆变电源要维持微网母线电压在一额定的范围内，又要能够调节供电和负载达到平衡，若采用恒功率输出，分布式电源便不能调节并维持微网母线电压。因而在孤岛运行时，逆变电源控制采用下垂控制，当负载大于分布式电源的最大额定输出值时，微网电压会出现明显降低，然后按负载的优先级由低到高依次切除负载，直到微网电压得到恢复。而在孤岛期间采用的运行模式如下。（1）下垂控制模式。当微网由并网模式转为孤岛运行模式后，逆变DG运行状态转为下垂控制。当输出功率增大时，微网中的电压下降，当电压低于规定的值时，便对微网中的负载实施切出的操作，因为此时微网中的供电能力已经不足以维持全部负载正常运行，只能保证优先级较高的负载正常运行。负载切除后，微网母线电压得到恢复，即可正常运行。（2）同步调相模式。当微网由孤岛运行转为重新并网时，必须要将微网相位调整到与主网相位差值在一定的范围内。首先设定PCC点开关具有检测其连接两端相位差的功能，且只有在PCC点开关检测到两端相位差在规定范围内时才能执行闭合操作。由于采用无互联线的分散控制，微网相位调整时，无法知道主网相位的信息，因而只能在原有基础上将微网相位改变一个周期，然后PCC电开关自动检测其连接的微网与主网的相位差，当相位差在一定范围内时，执行闭合操作。实现方法是在同步调相模式中，令微网频率有一固定的偏移，设偏移量为，偏移量的大小与PCC点开关的动作时间有关，也与微网中负载能够允许的频率偏移量有关。

2过程仿真验证

仿真实现办法：并网运行时，在电源模式中，逆变器采用改进的反下垂控制。输出功率达到额定最大之后，逆变器由反下垂控制改为恒功率控制，输出最大功率。当输出功率降低后，小于额定值时，再转为改进的反下垂控制。孤岛运行时采用反下垂控制，根据电压跌落的程度决定是否切负载。仿真过程如下。（1）微网中有两台逆变电源，每台额定的有功输出为15kW，无功为0。有功输出最大值为19kW。最初微网中的负载为36kW。在0.5s时，又有6kW的负载切入，在0.8s时有9kW的负载切入。在1.2s时有2kW的负载切入，1.6s时有2kW的负载切出，2.0s时有9kW的负载切出。微网中的负载回到最初36kW。由上到下波形依次为微网中两台逆变电源输出的有功，电网向微网传输的有功，微网母线电压的波形。从波形可看出，在0.5s，微网中6kW的负载切入，新加入的负载主要由分布式电源和电网共同来吸收，因而在0.5s时，分布式电源输出功率增大，电网向微网传输的能量也增大。在0.8s时，微网中又有9kW的负载切入，分布式电源输出的功率在达到其最大值约19kW后就不再增加，多余的负载由电网来吸收。在1.2s时，2kW的负载切入，新切入的负载完全由电网来承担，因而电网向微网传输的功率增加，而分布式电源输出的功率不变。在1.6s时，2kW的负载切出，电网向微网传输的能量降低。在2s时，又有9kW的负载切出，微网中的分布式电源由负载模式转变为电源模式，逆变器输出的功率降低，最后在2.5s时，6kW的负载切出，分布式电源与电网共同参与调节。其中微网母线电压波形中电压数值为标幺值，基准值为380V。在电源运行模式下，由于逆变器的输出电压采样点为逆变器本身，因而其只能维持逆变器输出点的电压保持恒定，并不能完全保证电网电压保持恒定，因而在0.5s时，微网母线电压出现少许降低，此时电网来弥补逆变器输出功率的缺口，因而电网输出的功率也有所增大。（2）同步调相时的仿真波形。当PCC点开关两侧相位差线性减小，当差值在-0.02～0.02rad范围内时，PCC点开关即执行闭合操作，微网由孤岛运行转为并网运行，之后微网与主网的相位差将维持在一稳定的值上。

3实验算例

为计算简便，本例微电网结构包括2个20KW光伏电池（photovoltaic，PV）、2个30KW风力发电机（windturbine，WT）和2个60KW微型燃气轮机（microturbine，MT），蓄电池组最大储存容量为10KW。优化目标是在约束条件限制下，各分布式电源有功和无功的值分别为多少时，可分别使得电压损耗和功率损耗达到最小。假定系统满足以下假设条件：1）由于线路中电压降允许降落10%，为保证母线上电压为0.4KW，故令光伏发电机、风力发电机、柴油发电机出口电压均为UN=0.44KV；2）DG为蓄电池，忽略此条线路上的电压损耗和功率损耗。为便于计算，将微电网结构图进行简化。通过构造拉格朗日约束函数，求得储能蓄电池电压损耗最小值为minF1（PQ）=minåi=13（dUi）2=174.8各机组发出的复功率使得储能蓄电池电压损耗的平方达到最小值，即13.2V。同样使用构造拉格朗日约束函数，求得储能蓄电池功率损耗最小值为minF2（PQ）=minåi=13||DSi2=3.1´10-7此时，各机组发出的复功率使得储能蓄电池功率损耗的平方达到最小值，即5571VA。

4结论

该文介绍了微网在并网时的电源和负载两种不同的工作模式及其之间的转换条件。又介绍了在孤岛运行期间的通过反下垂控制与检测电压水平进行切负载的工作模式以及由孤岛模式转为并网模式所必须的同步调相工作模式，并通过仿真验证了并网时负载模式与电源模式及其之间的切换以及调相时工作情况，初步验证了所提出方法的有效性。

参考文献：

[1]路峤.计划孤岛条件下的微电网能量管理策略[D].西安理工大学，2017.

[2]张智凯.微电网混合储能系统容量优化[D].太原理工大学，2017.

[3]张海涛.微电网并网运行优化调度策略及应用[D].太原理工大学，2017.

[4]夏栋.基于多微源的直流微电网协调控制策略研究[D].上海电力学院，2017.