光储充能源站微电网及其控制综述入门研究笔记

1. 关于微电网

微电网（Micro-Grid），也译为微网，是一个由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。

1.1. 微电网详细定义

• 组成：微电网由分布式电源（如微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、小型风力发电机组等）、储能装置（如超级电容、飞轮、蓄电池等）、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等共同构成。
• 功能：微电网能够实现自我控制、保护和管理的自治功能，依靠自身的控制及管理供能实现功率平衡控制、系统运行优化、故障检测与保护、电能质量治理等方面的功能。
• 运行方式：微电网既可以与外部电网并网运行，也可以孤网运行，即当主电网发生故障时，微电网可以无缝解列或成孤岛运行，一旦故障去除后便可与主电网重新连接。

1.2. 特点

• 自治性：微电网是一个独立的电力系统，能够在一定程度上实现自我管理和控制。
• 灵活性：由于包含多种分布式电源和储能装置，微电网能够根据负荷需求和电源状况灵活调整供电策略。
• 可靠性：微电网能够在主电网故障时提供不间断的电力供应，提高供电的可靠性。
• 经济性：通过优化分布式电源的配置和运行策略，微电网可以降低供电成本，提高经济效益。

1.3. 分类

• 微电网可以根据不同的划分标准进行分类，如按照运行方式划分为并网型和孤网型（独立型）；
• 按照电网类型划分为交流微电网、直流微电网和混合型；
• 按照电压等级划分为低压、中压和高压；
• 按照规模划分为小型、中型和大型等。

1.4. 微电网关键技术

在微电网的技术领域中，规划设计、运行优化、保护、控制以及仿真实验等关键技术纬度各自具有其独特的重要性和复杂性。

1.4.1. 规划设计

• 负荷预测与需求分析：采用先进的数据分析技术（如机器学习、深度学习）来提高负荷预测的准确性和精度，包括短期、中期和长期负荷预测，以更好地匹配可再生能源的供应和电力需求。
• 可再生能源资源评估：综合考虑地理位置、气候条件、资源分布等因素，采用GIS（地理信息系统）和气象模型等技术，对风能、太阳能等可再生能源的潜力和稳定性进行评估。
• 系统架构设计：设计灵活、可扩展的微电网架构，包括分层控制结构（如集中控制、分散控制或混合控制），以及考虑不同电压等级和功率流向的电力网络布局。
• 经济性与环境影响分析：运用生命周期成本分析（LCCA）、环境影响评估（EIA）等工具，评估不同设计方案的经济性和环保效益，包括投资成本、运行成本、减排效果等。

1.4.2. 运行优化

• 智能调度算法：开发基于多目标优化（如成本最小化、可靠性最大化、排放最小化）的智能调度算法，如遗传算法、粒子群优化算法等，以应对复杂的运行环境和多变的供需情况。
• 需求侧管理：通过智能电网技术实现需求响应，鼓励用户参与负荷调节，如峰谷电价、直接负荷控制等，以提高系统灵活性和经济性。
• 储能系统集成：优化储能设备的配置和调度策略，包括电池储能、抽水蓄能等多种类型，以平衡供需波动，提高系统稳定性和可靠性。
• 分布式电源协调控制：研究分布式电源（如光伏发电、风力发电）之间的协调控制策略，以及它们与主电网之间的互动机制，确保微电网在各种运行模式下的稳定和安全。

1.4.3. 微电网保护

• 电网保护技术：包括传统的电网保护技术和基于通信技术的保护方法，如基于全网信息交互的保护和基于相邻信息交互的保护。
• 智能监测与故障诊断技术：通过传感器和监测设备实时监测微电网状态，识别潜在故障并提供修复建议。

2. 微电网控制

微电网控制是确保微电网稳定运行、实现能量优化管理和保障供电质量的关键技术。以下是对微电网控制的详细阐述：

2.1. 微电网控制的重要性

微电网作为一个独立的电力系统，包含多种分布式电源、储能装置和负荷，其运行状态的复杂性和多样性对控制策略提出了高要求。通过有效的控制，可以实现微电网的自我控制、保护和管理，确保在并网和孤岛两种运行模式下都能提供稳定、可靠的电力供应。

2.2. 微电网控制的主要目标

• 功率平衡：确保微电网内部各分布式电源的输出功率与负荷需求相匹配，实现供需平衡。
• 稳定运行：通过控制策略保证微电网在并网和孤岛运行模式下的电压、频率等参数稳定。
• 优化管理：根据负荷需求和电源状况，优化分布式电源的配置和运行策略，降低供电成本，提高经济效益。
• 故障检测与保护：实时监测微电网的运行状态，及时发现并隔离故障，保障系统的安全稳定运行。

2.3. 微电网控制的主要策略

2.3.1. 主从控制：

在孤岛运行时，选择一个主电源（如储能装置）以V/f（恒压恒频）控制模式运行，提供电压和频率的参考，其他分布式电源则以P/Q（恒功率）控制模式运行，提供恒定的功率输出。

该策略简单易行，但对主电源的选择和性能要求较高，且存在"有缝"切换的问题。

2.3.2. 对等控制：

各分布式电源根据接入点的电压和频率，采用Droop控制策略参与微电网的电压和频率调节。

该策略不依赖通信，但如何保持孤岛运行时电压和频率的稳定性仍需进一步研究。

2.3.3. 综合分层控制：

将微电网分为能量管理层、协调控制层和就地控制层三层控制结构。

依赖协调控制层的微电网控制中心（MGCC）集中管理各分布式电源、储能装置和负荷，实现微电网的离网能量平衡。

该策略是目前微电网普遍采用并具备商业应用的一种成熟技术模式，但依赖通信且结构复杂。

2.3.4. 微电网控制的关键技术

• 电力电子技术：通过电力电子装置实现分布式电源和储能装置的灵活接入和控制。
• 通信技术：在综合分层控制等策略中，通信技术是实现各控制器之间信息交换和协调控制的关键。
• 能量管理技术：通过能量管理系统对微电网的电源输入和输出进行有效协调和控制，实现系统的优化运行。

2.3.5. 微电网控制的未来发展趋势

随着分布式发电技术的不断发展和微电网应用的日益广泛，微电网控制技术也将不断创新和完善。未来，微电网控制将更加注重智能化、自适应性和鲁棒性，以应对更加复杂多变的运行环境和更高的供电质量要求。同时，随着物联网、大数据、人工智能等技术的融合应用，微电网控制将实现更加精准、高效的能源管理和优化调度。

3. 光储充能源站微电网控制

3.1. 光储充能源站微电网概述

光储充能源站微电网是一种将光伏发电、储能技术和充电设施紧密结合的能源管理系统，也被称为光储充一体化系统或智能微电网系统。以下是对光储充能源站微电网的详细解析：

3.1.1. 系统组成

• 发电系统：主要是光伏发电系统，利用光伏板将太阳光转化为电能，为整个系统提供基础能源，辅助为微风发电系统。光伏与微风发电具有清洁、可再生的特点，是实现绿色能源转型的重要途径。
• 储能系统：当光伏发电系统产生的电能超过负荷需求时，多余的电能会被储存到储能系统中，如电池储能系统。储能系统可以在光照不足或夜间时释放电能，保证能源供应的连续性。此外，储能系统还可以参与电网的调峰调频，提高电力系统的稳定性和可靠性。
• 充电设施：为用户提供电动汽车充电服务。光储充一体化的充电设施可以利用光伏发电和储能系统为电动汽车提供绿色、便捷的充电服务。同时，通过智能充电管理系统，可以实现对充电过程的优化控制，提高充电效率和安全性。
• 监控和保护装置：对整个系统进行实时监控和保护，确保系统的安全稳定运行。这些装置可以实时监测系统的运行状态、电能质量等参数，并在出现异常时及时采取措施进行保护。

3.1.2. 工作原理

光储充能源站微电网的工作原理主要体现在能源的高效利用和优化配置上。具体来说：

• 当发电系统产生的电能超过负荷需求时，智能管理系统会自动将多余的电能储存到储能系统中。
• 当发电系统产生的电能不足时，智能管理系统会从储能系统中释放储存的电能，以满足负荷需求。
• 当电网分时电价处在低谷时，可以使用储能系统吸收电网电能，当电网分时电价处在高峰时，储能系统可以响应需求，放电并网提供电能，以及微电网内使用，降低电网用电需求压力，同时，获取电价差的收益。
• 当充电设备需要充电时，智能管理系统会根据负荷需求和储能系统的状态，合理分配充电功率，确保整个系统的稳定运行。

3.1.3. 技术特点

光储充能源站微电网的技术特点主要体现在以下几个方面：

• 高效利用能源：通过光伏发电和储能技术的结合，实现了太阳能的最大化利用和电能的时空转移。
• 提高供电可靠性：储能系统可以作为备用电源，在电网故障或停电时保障用户的基本用电需求。
• 促进绿色低碳：光伏发电是零碳排放的能源生产方式，而电动汽车的使用可以减少燃油汽车的尾气排放。光储充解决方案的推广应用，可以有效降低能源领域的碳排放。
• 经济效益显著：通过优化能源使用，减少电费支出，同时余电上网销售，增加收入。
• 易于维护和升级：采用模块化设计，方便系统的日常维护和升级。

3.1.4. 应用场景

光储充能源站微电网适用于多个场景，包括但不限于：

• 新能源汽车充换电站：为电动汽车提供快速、便捷的充电服务。
• 高速服务区、停车场：利用闲置空间安装光伏板，提升土地利用率。
• 工业园区：结合园区的用电需求，实现能源的自产自销，降低企业能耗成本。
• 公共设施：如公交站、城市照明等，提供绿色、可持续的能源供应。

3.2. 光储充能源站微电网控制

3.2.1. 能量管理

能量管理是微电网控制系统的核心，旨在通过优化各种能源资源的分配和使用，实现能源的高效利用和系统的经济稳定运行。其主要包括以下几个子项：

• 电源调度：根据微电网内的能源供应情况（如光伏发电量、储能系统电量等）和负荷需求，实时调度各种电源，确保供需平衡。在电源充足时，优先使用可再生能源；在能源短缺时，则通过储能系统或外部电网补充能源。
• 储能优化：对储能系统进行精细化管理，包括储能设备的充放电控制、能量存储策略的优化等。通过智能算法预测未来能源需求和电价波动，制定合理的充放电计划，以最大化储能系统的经济效益和使用寿命。
• 负荷管理：根据负荷特性（如峰谷时段、负荷类型等）和电网运行状态，对负荷进行灵活调度和控制。通过削峰填谷、需求响应等措施，降低系统峰谷差，提高电网稳定性和经济性。
• 能源效率优化：通过数据分析、模型预测等手段，对微电网内的能源流进行全局优化。包括提高发电效率、降低输电损耗、优化能源分配等方面，以实现能源利用效率的最大化。

3.2.2. 分布式电源控制

分布式电源控制是微电网控制的重要组成部分，主要负责对分布式发电设备的运行进行监控和管理。其主要包括以下几个子项：

• 分布式发电控制：对光伏发电、风力发电等分布式发电设备进行实时监控和控制，确保发电设备在安全、稳定的状态下运行。同时，根据电网需求和发电设备的运行状态，调整发电功率和输出电能质量。
• 并网逆变器控制：并网逆变器是分布式发电设备与电网之间的接口设备。通过对其进行精确控制，可以实现分布式发电设备的平滑并网和稳定运行。同时，并网逆变器还具备孤岛检测与预防功能，确保在电网故障时能够迅速切断与电网的连接，避免孤岛效应的发生。
• 孤岛检测与预防：孤岛效应是指当电网因故障等原因与分布式发电设备断开时，分布式发电设备继续向局部电网供电而形成的自给自足的电力孤岛。孤岛检测与预防功能能够实时监测电网状态，一旦发现孤岛效应即将发生或已经发生，立即切断分布式发电设备与电网的连接，保护设备和人身安全。

3.2.3. 智能决策与优化

• 数据分析与挖掘：

  智能决策与优化系统依赖于强大的数据分析与挖掘能力。通过对海量数据的处理和分析，可以提取出有价值的信息和规律，为决策提供支持。例如，通过分析负荷曲线和能源供应情况，可以制定出合理的调度计划；通过分析设备的运行数据，可以预测设备的寿命和维护周期等。

• 智能决策支持：

  基于数据分析的结果，系统能够提供智能决策支持。这包括自动生成调度计划、优化能源分配、提出节能建议等。智能决策支持系统的应用可以显著提高微电网的运行效率和经济效益。

• 环境与外部条件适应性：

  智能决策与优化系统还需要具备对环境和外部条件的适应性。例如，在气候条件变化时，系统能够自动调整光伏发电和储能系统的运行策略；在电价波动时，系统能够优化能源采购和储存计划等。

3.2.4. 负荷调度管理

负荷调度管理是微电网控制系统的重要功能之一，主要负责对负荷进行灵活调度和管理，以满足不同时间段和条件下的负荷需求。其主要包括以下几个子项：

• 需求响应：通过价格激励或其他措施引导用户改变用电行为，以响应电网的负荷需求。例如，在电网负荷高峰时段提高电价或限制部分高能耗设备的运行；在负荷低谷时段降低电价或鼓励用户使用储能设备等。
  负荷优先级排序：根据负荷的重要性和紧急程度对负荷进行排序，确保在电网资源有限的情况下优先满足重要负荷的需求。例如，在医院、数据中心等关键场所中，需要确保关键设备的供电不受影响。
• 负荷预测：通过数据分析、模型预测等手段对未来负荷进行预测。这有助于微电网控制系统提前制定调度计划、优化能源分配和降低系统风险。负荷预测的准确性对于提高微电网的运行效率和稳定性具有重要意义。

3.2.5. 用户互动

• 能效管理与优化建议：

  用户互动系统能够为用户提供能效管理和优化建议。通过分析用户的用电行为和负荷特性，系统可以为用户量身定制节能方案和优化建议。这有助于用户降低用电成本、提高能效水平。

• 用户互动平台：

  用户互动平台是用户与系统之间进行交互的桥梁。通过该平台，用户可以实时查看自己的用电情况、接收节能建议、参与需求响应等。同时，用户还可以通过平台与系统进行沟通和反馈，提出自己的需求和意见。

• 个性化服务：

  针对不同用户的需求和偏好，用户互动系统还可以提供个性化服务。例如，为电动汽车用户提供充电预约和支付服务；为智能家居用户提供能源管理和控制服务等。

• 电池检测：

  在光储充综合能源站中，电池是储能系统的关键组成部分。用户互动系统还可以提供电池检测服务，帮助用户了解电池的充放电状态、剩余容量和健康状况等信息。这有助于用户合理安排充电计划、延长电池使用寿命。

3.2.6. 通信与协调控制

• 分层控制架构：

  微电网的通信与协调控制通常采用分层控制架构，包括设备层、通信层、控制层和管理层。这种架构确保了信息的有效传递和命令的准确执行。设备层负责数据采集和初步处理；通信层负责数据的传输和通信协议的转换；控制层根据接收到的数据和信息进行决策和控制；管理层则负责整个系统的监控、优化和管理。

• 协同优化：

  协同优化是通信与协调控制的核心任务之一。它要求各子系统之间能够相互协作，共同实现系统的整体优化。例如，在能量管理中，光伏发电、储能系统和负荷之间需要协同工作，以确保供需平衡和能源的高效利用。

• 信息安全与防护：

  随着微电网的智能化和网络化程度的提高，信息安全与防护变得尤为重要。微电网控制系统需要采取一系列措施来保护数据和通信的安全，防止黑客攻击和恶意软件的入侵。这包括加密通信、身份验证、访问控制以及定期的安全审计等。

3.2.7. 电网运行控制

在光储充综合能源站微电网控制中，电网运行控制功能是一个核心环节，它涵盖了多个子功能以确保微电网的稳定、高效和安全运行。针对您提出的电网运行控制功能中的第2点------并网与孤岛控制，我将详细展开解释，并同时涵盖电压与频率控制、无功补偿、电源质量管理（谐波处理）、相角调整、保护与控制、故障检测与隔离、电网瞬时态分析、稳定性控制以及黑启动能力等相关子功能。

3.2.7.1. 并网与孤岛控制

并网与孤岛控制是微电网运行中的基本模式切换功能。在并网模式下，微电网与主电网相连，实现电能的互补和互济。此时，微电网可以根据需要向主电网供电或从主电网获取电能，以保持内部供需平衡。当主电网出现故障或电能质量不满足要求时，微电网能够迅速切换到孤岛运行模式，独立为局部区域提供稳定的电能供应。这一功能的关键在于快速准确地检测电网状态，并实现平滑的模式切换。

3.2.7.2. 电压与频率控制

电压与频率控制是维持微电网电能质量的重要手段。在并网模式下，微电网的电压和频率需要与主电网保持一致，以确保电能交换的稳定性和安全性。而在孤岛模式下，微电网需要自主调节电压和频率，以满足内部负荷的需求。这通常通过调节分布式电源（如光伏逆变器、储能变流器）的输出电压和频率来实现。

3.2.7.3. 无功补偿

无功补偿是改善微电网电能质量、提高供电效率的关键技术。在微电网中，由于分布式电源和负荷的波动，可能导致无功功率的频繁变化。通过安装无功补偿装置（如静止无功补偿器SVG、静止同步补偿器STATCOM等），可以实时补偿无功功率，维持系统电压稳定，并减少电网损耗。

3.2.7.4. 电源质量管理（谐波处理）

电源质量管理主要针对微电网中的谐波问题进行治理。谐波是由非线性负荷（如电力电子装置）产生的，会对电网设备和电能质量造成不良影响。通过安装谐波治理装置（如有源滤波装置APF、无源滤波装置等），可以有效滤除谐波，提高电能质量，保护电网设备。

3.2.7.5. 相角调整

相角调整是微电网中分布式电源同步控制的重要手段。通过调整分布式电源输出电压的相角，可以实现微电网内部各电源之间的同步运行，提高系统的稳定性和可靠性。此外，相角调整还可以用于优化电网潮流分布，降低电网损耗。

3.2.7.6. 保护与控制

保护与控制功能是微电网安全稳定运行的重要保障。这包括设置合理的保护定值、配置快速响应的保护装置（如断路器、熔断器等），以及制定完善的控制策略。在电网故障时，保护与控制功能能够迅速隔离故障区域，防止故障扩大，并启动备用电源或黑启动方案，确保微电网的持续供电能力。

3.2.7.7. 故障检测与隔离

故障检测与隔离是微电网保护与控制功能的重要组成部分。通过实时监测电网运行状态和参数变化，可以及时发现电网故障并定位故障点。然后，通过快速隔离故障区域并启动备用电源或恢复措施，可以最大限度地减少故障对电网的影响和损失。

3.2.7.8. 电网瞬时态分析

电网瞬时态分析是评估微电网在暂态过程中性能的重要手段。通过对电网瞬时态过程进行仿真和分析，可以了解电网在故障或扰动下的动态响应特性，为制定优化控制策略和保护方案提供依据。

3.2.7.9. 稳定性控制

稳定性控制是确保微电网在各种运行工况下都能保持稳定运行的关键技术。这包括电网稳态分析，制定合理的控制策略和算法，对分布式电源、储能系统、负荷等进行协调控制，以维持电网电压、频率和功率的稳定。在孤岛模式下，稳定性控制尤为重要，需要确保微电网在失去主电网支持后仍能自主维持稳定运行。

3.2.7.10. 黑启动能力

黑启动能力是微电网在严重故障后快速恢复供电的重要能力。当微电网因故障全面停电时，具备黑启动能力的分布式电源（如储能系统、小型柴油发电机等）可以首先启动并带动其他电源逐步恢复供电。这有助于缩短停电时间、减少损失并提高供电可靠性。

综上所述，电网运行控制功能是光储充综合能源站微电网控制中的核心环节之一，它涵盖了并网与孤岛控制、电压与频率控制、无功补偿、电源质量管理（谐波处理）、相角调整、保护与控制、故障检测与隔离、电网瞬时态分析、稳定性控制以及黑启动能力等多个子功能。这些功能的实现需要依靠先进的控制策略、算法和技术手段来确保微电网的稳定、高效和安全运行。

3.2.8. 数据采集与状态监测

• 实时监控：

  数据采集与状态监测系统能够实时采集微电网中各种设备和系统的运行数据，包括电压、电流、功率、温度等参数。这些数据通过传感器和测量设备获取，并实时传输到控制系统中进行处理和分析。

• 数据分析与预测：

  在实时监控的基础上，系统还具备数据分析与预测的能力。通过对历史数据的分析和挖掘，可以找出设备的运行规律和潜在问题，为后续的维护和优化提供依据。同时，还可以利用预测算法对未来的负荷和能源供应进行预测，为系统的调度和决策提供数据支持。

• 故障预警：

  当系统检测到设备或系统出现异常或故障时，会及时发出预警信号。这有助于运维人员及时发现并处理问题，避免故障扩大对系统造成更大的影响。

3.2.9. 环境与可持续性管理

• 碳排放监测与管理：

  环境与可持续性管理系统能够实时监测微电网的碳排放情况，并对其进行管理和控制。通过优化能源结构和提高能源利用效率，可以降低微电网的碳排放量，实现绿色低碳发展。

• 资源可持续利用：

  系统还注重资源的可持续利用。通过合理利用可再生能源、提高能源回收利用率等措施，可以减少对自然资源的依赖和消耗，实现资源的可持续利用。

• 绿色能源占比监测：

  为了评估微电网的绿色发展水平，系统还需要对绿色能源的占比进行监测。通过统计光伏发电、风力发电等可再生能源的发电量占比，可以了解微电网的绿色能源利用情况，为后续的优化和改进提供依据。

参考：
微电网的运行优化策略. 电子发烧友. 2024-04-17