安科瑞 劉秋霞
摘 要： 為推動智慧城市新能源系統的建設，本文將建立一種基于智能微電網的充電系統，給智慧出行提供新的思路。智能微電網充電系統運行于孤島模式，由于不需要與大電網電氣聯系，因而可以靈活地建立在城市的各個角落。孤島智能電網充電系統是否能良好運行取決于母線電壓的穩定性及能量流動的平穩性。因此本文*點研究母線電壓的控制和能量流動管理方法，針對孤島運行的交直流微電網系統，通過控制策略，旨在當系統外部發生變化時，系統能夠及時做出應對，保持母線電壓穩定，也能讓交流側與直流側之間的能量互通。 本文建立了一個典型的交直流微電網模型，并利用Matlab仿真驗證了控制策略的有效性和可行性。
關鍵詞：智能微電網；智慧能源；母線電壓穩定；能量流動
0 引言
隨著電動汽車、代步平衡車等產品的快速增長，給人們的出行帶來了*大的方便，而且電池能源相對于燃油更加清潔，對環境的污染起到了一定的緩解作用。但是隨之而來的問題也比較明顯，例如：大量的電動產品會使電網負荷不斷*大，對電網的運行效率有很大的沖擊，而增加配電設備容量將會涉及變電站建設、線路建設、多部門協調及復雜的施工改造等問題，成本巨大，推動過程緩慢，將不利于電動汽車的推廣和普及；同時，目前市面上大多電動產品的電池續航能力令人堪憂，經常需要充電，有時甚至會在路上就出現電量不足的情況。
針對上述一些問題，本文以光儲交直流微電網為研究對象，搭建一個基于智能微電網的充電系統，并運行于孤島模式。
１ 智能微電網充電系統結構
本文研究的智能微電網的充電系統結構如圖1所示。主要由光伏裝置（PV）、儲能模塊以及交直流負荷單元組成。
圖1 智能微電網充電系統
圖1中，直流側光伏裝置通過升壓式DC-DC接入到直流母線中電路，儲能裝置通過雙向DC-DC電路接入到直流母線中，交流側光伏裝置通過DC-AC逆變器接入到交流母線中，負荷單元分為直流負荷和交流負荷。
2 系統各裝置的控制
2.1 雙向逆變器的控制
雙向逆變器可以實現能量的雙向流動，既可以把直流電源輸出的直流電逆變*交流電，供給交流負荷，或者直接流入電網，又可以把電網的交流電整流為直流電，供給直流負荷，或者給儲能裝置充電。雙向逆變器在微電網中有著重要的作用，為微電網內部的能量流動提供了可靠依據。
2.2 光伏裝置的控制
大力發展光伏發電是中國經濟社會可持續發展的客觀要求，對中國調整能源結構、保障能源安全、促進節能減排、保護生態環境和實現經濟社會可持續發展具有十分重要的意義。 光伏裝置的控制仿真圖如圖5所示。光伏電池在一定的溫度和輻照度下工作，溫度和輻照度會隨著實際的外界條件而改變。光伏裝置經過升壓電路后，輸出作用于微電網系統MPPT(maximum powerpoint)、即*大功率點算法，外界氣候環境確定時，光伏電池所發功率的*大值也是*一的。常見的有2種基本的MPPT方法：擾動觀察法和電導增量法。本文采用的是擾動觀測法，即平移輸出電壓值，尋找到*大的功率輸出點。
圖2 光伏裝置的控制仿真圖
2.3 儲能裝置的控制
在實際應用中，太陽能、風能等新能源受時間段和天氣因素的影響較大，因此，其發電系統的輸出功率不易調度、波動性大。這類新能源屬于一種不可調控類的電力能源，致使電網接納面臨電能質量控制、配電管理及電力調度等亟待解決的關鍵問題。伴隨風電、光電系統對配電網滲透率的日益提升，其對配電網經濟運行及電能質量所產生的負面影響將越來越大，已成為時下學界的研究熱點之一。而配置儲能系統則恰好可以應對這些問題。從發電側看，儲能裝置的“平滑電流輸出"功能可以為分布式光伏發電中的電網接入提供良好技術支持；對于用電側，儲能系統的“削峰填谷"功能為實現錯時用電提供了可能。配置儲能系統是未來風電、光電應用領域的發展趨勢。
3 Acrel-2000MG微電網能量管理系統概述
Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的*進經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電樁的接入，進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電樁運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，提升可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。
微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。
本方案遵循的**標準有：
本技術規范書提供的設備應滿足以下規定、法規和行業標準：
GB/T26802.1-2011工業控制計算機系統通用規范的1部分：通用要求
GB/T26806.2-2011工業控制計算機系統工業控制計算機基本平臺*2部分：性能評定方法
GB/T26802.5-2011工業控制計算機系統通用規范*5部分：場地安全要求
GB/T26802.6-2011工業控制計算機系統通用規范*6部分：驗收大綱
GB/T2887-2011計算機場地通用規范
GB/T20270-2006信息安全技術網絡基礎安全技術要求
GB50174-2018電子信息系統機房設計規范
DL/T634.5101遠動設備及系統*5-101部分:傳輸規約基本遠動任務配套標準
DL/T634.5104遠動設備及系統*5-104部分:傳輸規約采用標準傳輸協議子集的IEC60870-5-網絡訪問101
GB/T33589-2017微電網接入電力系統技術規定
GB/T36274-2018微電網能量管理系統技術規范
GB/T51341-2018微電網工程設計標準
GB/T36270-2018微電網監控系統技術規范
DL/T1864-2018型微電網監控系統技術規范
T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范
T/CEC150-2018低壓微電網并網一體化裝置技術規范
T/CEC151-2018并網型交直流混合微電網運行與控制技術規范
T/CEC152-2018并網型微電網需求響應技術要求
T/CEC153-2018并網型微電網負荷管理技術導則
T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范
T/CEC5005-2018微電網工程設計規范
NB/T10148-2019微電網的1部分：微電網規劃設計導則
NB/T10149-2019微電網*2部分：微電網運行導則
3.3適用場合
系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。
4系統配置
本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：
圖1典型微電網能量管理系統組網方式
5系統功能
微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。
系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。
系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。
微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。
圖2系統主界面
子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。
圖3光伏系統界面
本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。
圖4儲能系統界面
本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。
本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。
圖6儲能系統BMS參數設置界面
本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。
圖7儲能系統PCS電網側數據界面
本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。
圖8儲能系統PCS交流側數據界面
本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。
圖9儲能系統PCS直流側數據界面
本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。
圖10儲能系統PCS狀態界面
本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。
圖11儲能電池狀態界面
本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。
圖12儲能電池簇運行數據界面
本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的大、小電壓、溫度值及所對應的位置。
圖13風電系統界面
本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。
圖14充電樁界面
本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。
圖15微電網視頻監控界面
本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。
系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。
系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。
圖17策略配置界面
應能查詢各子系統、回路或設備規定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。
圖18運行報表
5.5實時報警
應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。
圖19實時告警
5.6歷史事件查詢
應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
圖20歷史事件查詢
5.7電能質量監測
應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。
1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；
2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；
3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；
4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；
5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。
6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、95%概率值、方均根值。
7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。
圖21微電網系統電能質量界面
5.8遙控功能
應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。
圖22遙控功能
5.9曲線查詢
應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。
圖23曲線查詢
5.10統計報表
具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。
圖24統計報表
5.11網絡拓撲圖
系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。
圖25微電網系統拓撲界面
本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。
5.12通信管理
可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。
圖26通信管理
5.13用戶權限管理
應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
圖27用戶權限
5.14故障錄波
應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。
圖28故障錄波
5.15事故追憶
可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。
用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故*10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶規定和隨意修改。
圖29事故追憶
結束語
本文建立了一種基于智能微電網的充電系統，并對系統中的各個裝置進行了控制策略的研究。可用于城市中電動汽車的充電，*正實現節能減排，增強了電動汽車充電的靈活性。并且實現了對微電網的實時監控、發用電預測、儲能調度優化和信息綜合管理。本系統已在**電力研究院和多個能源電力公司推廣運行，達到其微電網的經濟優化運行，具有推廣應用價值，有助于綠色、節能微電網的推廣。
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