微电网协调控制器的设计与开发

中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013微电网协调控制器的设计与开发全雯琳1，井天军1※，杨仁刚1(中国农业大学信息与电气工程学院，北京100083)Email:[e-mail]摘要：如何维持微电网在不同运行模式下的稳定运行，是微电网协调控制的研究难点之一。本文采用微电网分层控制结构，提出了基于多模式自适应的协调控制策略，开发了微电网协调控制器，可根据微电网运行状态，协调控制各微电源、储能设备和负荷，实现微电网在多种状态下的平滑切换。最后编写了微电网元件模拟软件对协调控制进行了测试，验证了系统在不同运行状态下均能稳定可靠运行。关键词：分层控制状态转换协调控制器基金项目：国家高技术研究发展计划“863计划”资助项目（2012AA050217）；Designofcoordinatedcontrollerformicro-gridQuanWenlin1,JingTianjun1※,YangRengang1ChinaAgriculturalUniversity,CollegeofInformationandElectricalEngineering,Beijing,100083Abstract:Howtomaintainthestabilityofamicro-gridunderdifferentoperationalmodesisoneofthedifficultiesinmicro-gridcoordinatedcontrolmethod.Inthepaper,acoordinatedcontrolstrategybasedonmulti-modeself-adjustmentisproposedforhierarchicalcontrolschemeofmicro-grid，basingonthat，acoordinatedcontrollerformicro-gridisdeveloped.Accordingtotheoperationstatesofmicro-grid,theDGs,energystorageandloadscanbecoordinatedtoachievesmoothswitchingunderdifferentoperationstates.Finally,amicro-gridsimulationsoftwareispresentedtotestthecontrolstrategy.Theresultsshowthatthesystemcanoperatesteadilyunderdifferentoperationconditions.Keywords:hierarchicalcontrolscheme,statetransition,coordinatedcontroller1、引言近几年，由微电源、储能设备和负荷等组成的微电网，成为国内外的研究热点。微电网相对于配电网表现为单一的受控单元，既可以并网运行，作为配电网的有益补充；也可以独立运行，增强局部供电可靠性。如何维持两种运行模式及其切换过程中微电网稳定运行，是微电网协调控制的一个研究难点。目前，微电网控制领域有不少研究。文献[1]介绍了国内外9个典型的微电网实验室研究现状和示范性工程实例，但未对微电网控制技术进行详细介绍。文献[2]提出基于电力系统二次调频原理的微电源频率控制策略，可实现无差调频的功率分配，但需要选择合适的控制参数才能较好地实现无差调频的效果。文献[3]基于复合储能制定了微电网离并网切换控制策略，确保微电网在切换模式下平稳过渡，提高了供电可靠性，但对通信的准确性和可靠性要求较高。文献[4-5]提出基于Multi-agent的微电网控制模型，将微电网及其内部单元作为agent节点构建了微电网的分层控制体系，但没有考虑系统状态转移的控制。文献[6,7]研究了微电网中心控制器的工作原理，并对控制器的系统结构进行了设计，但目前尚未将其产品化。文献[8]提出一种基于多级结构原理构建的独立微电网控制系统，并分析了相应的控制策略，但只考虑微电网孤岛运行的情况，没有考虑微电网接入对主网的影响。针对上述情况，本文采取微电网分层控制结构，基于多模式自适应的协调控制策略开发了微电网协调控制器，并编写了模拟软件对协调控制进行测试，验证了系统在不同运行状态下均能稳定可靠运行。2、微电网分层控制结构随着微电网中微电源数目和类型的逐渐增加，微电网原有的单一化的控制模式将不再实用。本文在传统电力系统分层控制的基础上，采用微电网分层控制结构如图1，包括微电网能量管理层、微电网协调控制层和设备级控制层。微电网能量管理层将微电网作为一个整体，通过下发调度命令到协调控制层，以实现控制微电网的离并网运行，同时控制与配电网之间的交换功率。协调控制层既可以根据从微电网内采集到的信息对D-443中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013微电网做出决策，也可接受能量管理层的调度指令对微电网进行优化控制。设备控制层主要包括各类微电源发电控制装置、可控负荷的控制装置以及安全保护装置等，是上级控制命令的具体执行装置，保持各微电源的暂态安全稳定，以及故障时快速保护等。图1微电网分层控制结构微电网协调控制层是微电网的控制中心，必须保证在并网、孤岛及切换模式下，系统都能稳定运行。3、多模式自适应微电网协调控制策略微电网协调控制器为协调控制层的核心组成部分，其通过底层设备实现对微电网运行的总体控制。本文采用微电网分层控制结构，根据其运行状态及其转移控制制定了多模式自适应的协调控制策略。3.1微电网运行状态的划分及转移控制在影响微电网运行状态的因素中，并网开关状态和储能SOC是最为重要的两个因素，影响负荷投切控制、微电源出力控制、储能控制等。本文根据储能SOC和并网开关状态，对微电网运行状态进行了划分。微电网储能单元状态变量B用来描述储能单元的荷电状态。设储能单元运行的最小容量为，储能单元待机容量为，则B的表达式如式（1）所示，MINSOCDSOC0,01,2,1MINMINDDSOCSOCSOCSOCSOCBSOCSOC⎧⎪=⎨⎪⎩（1）微电网并网开关状态变量M用来描述微电网与配电网的连接状态。M的表达式如式（2）：0,1,M⎧=⎨⎩孤岛状态并网状态（2）上述两个状态变量构成的系统状态向量Z如式（3）：[],MB=Ζ（3）状态向量Z对应的微电网运行六种状态如表1所示。表1状态向量Z真值表M01201停机恢复待机紧急离网正常运行并网正常运行B检测单元将并网开关状态、微电源状态、储能水平和负荷水平等信息上传到微电网协调控制器。微电网协调控制器的运行状态管理单元将当前系统运行状态和系统状态向量Z作为输入变量，由预设转移控制方式，将系统转移到预设运行状态，如图2。图2微电网运行状态空间转移示意图3.2多模式自适应微电网协调控制策略微电网孤岛运行时，根据储能单元的荷电状态，可以分为停机状态，待机状态和离网正常运行状态，其控制流程如图5。在停机状态下，系统缺乏电压频率支撑，微电源和负荷停运，系统发生报警。待机状态下，储能设备容量不足，负荷全部切除，根据微电源发电状况，对储能进行充电控制，保持系D-443中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013统电压波动和充电功率波动在允许的范围内。在离网正常运行状态下，根据系统发用电状态、储能SOC状态和系统电压进行负荷控制、发电控制和储能基准功率点设置。图3微电网孤岛控制模式流程图并网模式下分为恢复状态、紧急状态和并网正常运行状态，具体控制流程如图4。在恢复状态下，电网提供电压和频率支撑，储能单元根据SOC状态进行充电功率设置，微电源依次投入，系统供电逐步恢复。在紧急状态下，储能单元根据系统微电源最大发电功率进行充电，保证系统与大电网的交换功率控制在合理的范围内。在并网正常运行状态下，储能单元根据上级调度指令进行充放电功率设置，微电源根据系统发用电状况和微电网系统电压进行发电功率控制。图4微电网并网控制模式流程图4、微电网协调控制结构及模拟测试4.1微电网协调控制器功能设计考虑了微电网控制层的具体功能，本文开发的微电网协调控制器功能结构如图5，微电网协调控制器对设备层进行数据采集和分析，根据微电网实时运行状态和协调控制算法做出决策。图5微电网协调控制器功能结构（1）实时采集设备级控制器数据，进行数据分析处理，上传到监控系统。其采集数据包括：各机组工作状态和控制方式，控制参数，电气信息；微电源状态信息，包括蓄电池荷电状态，气象信息；系统故障信息等。（2）根据微电网运行状态，对微电源、储能和负荷进行协调管理。微电网协调控制器根据储能SOC和并网开关状态按预先设定的转移控制方式，将系统转移到预定的运行状态，进行发电功率控制和负荷投切控制。4.2微电网协调控制器结构本文开发的微电网协调控制器包括组态式监控软件、微电网协调控制软件和通讯模块等三个部分，D-443中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013如图6。图6微电网协调控制器结构（1）组态式监控软件组态式监控软件对微电网的运行状态进行监控，显示微电网运行信息，进行人机界面交互。（2）微电网协调控制软件微电网协调控制软件是协调控制器的核心部分，通过采集设备级控制器提供的数据，根据微电网实时运行状态和协调控制算法做出决策，下发控制命令。微电网协调控制软件包括数据实时处理模块和微电网协调控制模块。（3）通讯模块本文选择的嵌入式开发平台集成一个以太网控制器，可在全双工模式下实现10M~100Mbps接入。4.3模拟测试为了便于在微电网多种运行状态下对协调控制器进行测试，本文编写了模拟软件模拟微电网接受协调控制器的控制命令，上传微电网的遥信、遥测信息。模拟程序包括通讯模块、光伏电站模拟模块、风力电站模拟模块、储能电站模拟模块、负荷和配电网模拟模块、以及数据显示和输入界面等。微电网运行实时监控界面如图7所示，测试实时运行数据结果如表3。结果表明，微电网协调控制器能在不同的储能荷电状态下正确投切负荷，对间歇性微电源采取合适的功率控制，保证了微电网发用电功率平衡，维持系统的稳定运行。表3测试实时运行数据备注：SOCmin=30;SOCEL=50;SOCNL=70;SOCNH=90;SOCmax=95;图7微电网实时运行状态示意图5、结语本文开发了适用于可接入风电光伏的微电网协调控制器，经测试表明，能实时掌握微电网的运行状况，并根据微电网运行状态，协调控制各分布式电源、储能设备和负荷，实现微电网在并网、孤岛、待机、停机等多种状态下平滑切换。随着研究的深入及示范工程建设，将在多微网的通信和控制做进一步研究。参考文献[1]杨秀，杨菲，王瑞霄.微电网实验与示范工程发展概述[J].华东电力，2011，10:1599-1603.[2]徐诚，刘念，赵泓，等.基于电力系统二次调频原理的微电源频率控制策略[J].电力系统保护与控制，2013，(03):14-20.[3]刘志文，夏文波，刘明波.基于复合储能的微电网运行模式平滑切换控制[J].电网技术，2013,04:906-913.[4]王文俊，黄伟，孙云岭，等.基于Multi-agent的微网控制模型研究[J].现代电力，2012,(05):6-11.[5]FazalR,SolankiJ.,SolankiS.K.Demandresponseusingmulti-agentsystem[C].NorthAmericanPowerSymposium(NAPS),2012,2012:1-6.[6]SolankiJ.,VenkatesanN.,SolankiS.K.CoordinationofDemandResponseandVolt/VarControlalgorithmusingMultiAgentSystem[C].TransmissionandDistributionConferenceandE