学术简报｜基于模式转换的独立微电网实时运行控制
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新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的研究人员许伟、肖湘宁，在2019年《电工技术学报》增刊1上撰文，针对风柴储生物质独立微电网系统在不同运行模式下的供电可靠性问题，基于不同电源设备的系统功能定位，分别制定风电机组限功率控制、柴油发电机动态区间控制、电池储能系统改进充放电控制、生物质发电系统辅助调频控制以及独立微电网两级旋转备用策略，并进一步提出一种基于模式转换的独立微电网实时运行控制方法，使其在所有既定运行模式的正常工况与紧急工况下都能实现平稳转换并保持稳定运行，从而有效地发挥各分布式电源的技术特点，提高独立微电网的综合发电效率。典型工况下的案例分析验证了上述方法的有效性。
在当前全球能源日益紧缺的背景下，作为大电网的有益补充和分布式能源的有效利用形式，微电网已经引起世界各国的广泛关注并在不同地区纷纷得以示范应用。尤其是在大电网难以覆盖的偏远山区、独立海岛、边防哨所等特殊场所，通过整合基于可再生能源的分布式电源（Distributed Generations, DGs）、储能单元及本地负荷构成能够自治运行的独立微电网（Stand-Alone Microgrid, SAMG），在保障区域内供电可靠性和电能质量的基础上，实现多能互补、节能减排与经济运行，有助于提高能源的综合利用效率，进一步推进清洁能源的产业化发展。
现有研究与实践表明，长期处于孤岛运行状态的SAMG通常配置有以风力发电机组（Wind Turbine Generator, WTG）、光伏发电（Photovoltaic, PV）为代表的DGs，同时考虑到间歇性可再生能源与负荷波动的不确定性以及大电网电压频率支撑的缺失，SAMG通常还配置有一定数量的柴油发电机组（Diesel Engine, DE）和电池储能系统（Battery Energy Storage System, BESS）以保障整个系统的供电可靠性和运行稳定性。
有学者在风柴储独立供电系统多种运行模式及控制策略的基础上建立了系统最优配置模型，结果显示，配置一定的柴油发电机组可以弥补风储系统的不足，保证系统的供电充裕性和可靠性，但文中没有充分考虑风电和负荷的波动性，并且其运行控制过于理想化。
有学者提出一种含风柴储设备的小型孤立电力系统的发电容量充裕度评估方法，研究显示，储能容量对系统可靠性有积极影响，但文中没有考虑储能设备控制策略的影响。
有学者探讨了独立风光柴储微网系统中各电源在给定调度策略下的最优容量配置，提出通过储能系统和DE的配合来提升系统可靠性，但研究偏重于经济性，没有考虑系统调度策略的具体实施。
有学者在考虑设备运行约束条件的基础上提出了一种风光柴储孤立微电网系统协调运行控制策略以保证系统的长期可靠运行并有效延长电池寿命，同时提高系统全寿命周期经济性。
上述文献主要侧重基于长期能量管理的经济运行优化，较少关注基于短期功率平衡的实时运行控制，然而后者研究对于SAMG的安全稳定与供电可靠更具实际指导意义。
有学者提出了双层协调调度方法，在计划调度层的基础上对微电网中不可控微电源的功率预测偏差进行实时调度，从而保障微电网的经济、安全与稳定运行。
有学者提出基于超短期风速预测的风柴储海水淡化独立微电网实时能量管理调度策略，在保证系统稳定运行的基础上，实现可再生能源发电出力与负荷的实时平衡，从而达到减少柴油发电机运行时间、充分利用风力发电的目的。
有学者在缩减作为压频控制单元的可控型微电源的基点运行范围的基础上，针对作为压频控制单元的储能装置进行能量状态区间划分，同时引入负荷竞价策略，制定实时优化调度策略以实现独立微电网的可靠与经济运行。
有学者提出一种包含正常运行时的经济运行调度和大扰动时的紧急功率控制的双模式优化控制方案，并分别从准稳态经济性和暂态稳定性两方面实现独立微电网系统的优化控制。
总体来说，WTG、PV、DE以及BESS在SAMG中的应用相对成熟，并得到了较为广泛的认可，但生物质发电（Biomass Power Generation, BPG）在SAMG中的应用研究较为缺乏，其主要原因在于传统的BPG基本上都按全功率方式作为一个稳定电源点并入大电网，而SAMG的总体容量相对较小，难以直接消纳。
同时，现有的研究工作更多集中于SAMG的规划设计和经济运行，较少关注正常工况和紧急工况下的运行模式转换及其供电可靠性，没有充分考虑不同调频能力的DGs和储能设备之间的实时联合调频控制，从而导致多种DGs之间的协调运行方式过于理想化，不利于工程实现。
对于风柴储生物质独立微电网系统来说，如果不加以区分，从所有设备全部投入到全部退出共有15种可能的运行模式，但并非所有的组合状态都能长期稳定运行。
为此，本文以不同DGs和储能设备在SAMG中的功能定位为基础，从风力发电系统、柴油发电系统、生物质发电系统、电池储能系统以及系统旋转备用共5个层面分别提出有针对性的控制策略，同时为了有效发挥各分布式电源的技术特点，提高SAMG的综合发电效率，进一步提出一种基于模式转换的微电网实时运行控制方法，使其在所有既定运行模式的正常运行工况与紧急运行工况下都能实现平稳转换并保持稳定运行，并通过典型工况下的案例分析验证了上述方法的有效性。
图1 风柴储生物质独立微电网系统结构
图3 风/柴/储/生物质独立微电网系统运行模式转换
本文针对风柴储生物质SAMG系统在不同运行模式下的供电可靠性问题，提出了基于模式转换的实时运行控制方法。典型案例下的仿真结果表明：
1）根据不同电源设备的出力特性提出了明确的系统功能定位，通过WTG限功率控制实现了风电波动影响的最小化；通过DE动态区间控制实现了不同模式下系统旋转备用的自适应调整；通过BESS改进充放电控制实现了其充放电的精细化管理；通过BPG辅助调频控制实现了其对系统的有效功率支撑；通过两级旋转备用策略协同在线电源设备保障了SAMG系统的运行稳定性。
2）本文首次提出的协调控制方法实现了SAMG系统在正常工况和紧急工况下都能在既定的不同运行模式间进行平滑转换并保持持续稳定运行，可以有效提升系统的整体供电可靠性；同时实现了优先利用WTG出力，其次利用BESS放电，再次提升BPG出力，最后才增加DE出力，可有效提升可再生能源的利用效率。