[科普中国]-用户侧光储型微电网中央控制器

背景

现代工业飞速发展，传统化石能源日渐枯竭，为满足人类对能源的需求，发展绿色清洁的可再生能源成为世界各国的能源发展战略和技术方向。新能源分布式接入电网，有利于就地分散利用以及提高用户供电可靠性。在用户侧积极发展和规模化接入分布式光伏电源的趋势下，构建运行模式灵活、响应用户侧用电管理需求和用能质量高的微电网，是实现新能源就地消纳利用，发挥分布式光伏发电系统效能的有效方式。随着国家新能源政策的推广、智能电网的建设以及电力市场改革的推进，微电网的建设与应用日臻重要。

微电网是由分布式电源、负荷、储能装置和控制装置构成的小型独立发配电系统，既可作为可控单元与配电网联网运行，也可与配电网断开独立运行。在微电网的发展初期，侧重于研究与微电网建设可行性分析、规划设计、底层设备运行控制等相关的内容与关键技术，其中大多数涉及微电网控制策略及其装置的研发，并通过示范工程对控制装置的功能进行可行性验证，但是仍然存在很多问题。因缺乏统一的行业技术规范，不同微电网示范工程及系统对控制器的需求标准不一，重点体现在通信方式、接口技术、计量方式、控制策略等与微电网系统规划、造价、建设、运行相关的关键技术上，而定制化的微电网控制器产品产量少成本高，不利于大规模推广应用。因此很有必要通过微电网关键技术的集成和创新，在遵循或制定行业技术规范的基础上，研发低成本、高集成、标准化的中央控制器为用户侧微电网提供低成本、高效率的解决方案1。

针对当前微电网控制器所存在的问题及集成化功能需求，本着降低设备成本、提高系统标准化水平的目标，研制了一种集运行控制与能效优化管理于一体的光储型智能微电网中央控制器：基于分层级多时间尺度通信架构，实现对底层设备的数据实时采集，为后台监控提供信息来源；基于分层多时间尺度控制模型，实现微电网作为分布式能源的有效管理形式，对于分布式能源的就地消纳利用具有积极重要的作用。

用户侧光储微电网光储型微电网由分布式光伏电源、储能、负荷以及中央控制器等设备构成，微电网公共母线通过静态开关在公共耦合点点与配电网进行连接2。

结构与组成户侧光储型微电网拓扑结构如图所示。当微电网系统并网运行时，光伏以最大功率出力或限功率运行，储能电池用于平滑光伏输出功率的波动；当大电网发生故障或停电事故时系统可切换至离网运行状态，储能电池工作在V/F(电压/频率)控制模式下，充当系统主电源，用以支撑微电网系统电压和频率，光伏电源以最大功率出力或限功率运行，为系统内负荷供电，充分体现了微电网结构与运行的灵活性和复杂性。

系统控制方式针对用户侧微电网的特点以及大规模推广应用的需求，本文采用基于分层结构的微电网协调控制策略。按照响应速度、时间尺度和通信需求，分为3层，如图。

第1层为本地控制层。用于负荷、光伏发电系统和储能系统等底层单体设备的控制，具有短时、快速等特点。

第2层为集中控制层。用于维持用户侧微电网电压和频率的稳定，以保障用户侧微电网安全、稳定和满足功率限制需求等，与本地控制相比具有依赖通信、响应时间长等特点。

第3层为配电网调度层。负责配网与微电网之间的协调控制，基于电压或频率调节制定配电网功率需求，并依据有关约束条件协调各微电网出力，其响应时间尺度在数分钟级别，对通信可靠性要求较高。

通信架构微电网的运行控制和管理模式不同于常规电网，它更加依赖于信息的采集与传输，同时微电网设备的响应特性对通信的实时性和可靠性要求更高。为保证控制的实时性，要求中央控制器对下层设备的通信采用以太网通信。部分底层设备(负荷、开关)不具备以太网通信功能，采用RS485通信或CAN通信。

针对光储型微电网，采用一种分层级多时间尺度通信架构，将通信系统分为调度层、终端层和底层，如图所示。

微电网中央控制器(MGCC)与调度机构能量管理系统(EMS)之间、MGCC与光伏、储能之间采用以太网通信，MGCC与负荷、开关之间采用RS485或CAN通信。既提高了控制的实时性，又保证了底层设备的通信功能，使系统通信性能和经济性取得最优。

中央控制器方案设计采用模块化结构的设计思想，将设备分为人机界面模块、数据存储模块、底层设备通信模块和上层通信模块，其总体结构图如图所示3。

1)底层设备通信模块设计。

提供底层接口，与设备如光伏并网逆变器、储能逆变器和能量测量装置等进行互联。

由于微网中光伏和储能系统与控制器之间的通信距离较长，接口设计需综合考虑施工难度、通信速率和通信可靠性的要求，采用以太网通信。

DP83848C将STM32F407以太网模块的信号进行电平转换，通过标准的交换机实现通信互联支持介质独立接口(MII)和远程方法调用(RMI)接口模式，集成度高，具有全功能、低功耗等性能。

当要求中央控制器就地采集数量信息较少时，则可以采用485通信或者CAN通信。RS485电平转换芯片采用的3差分总线收发器是一款集成式电流隔离器件，适用于多点总线传输线路的双向数据通信。CAN差分电平转换芯片为CAN协议控制器和物理总线间的接口，主要是为高速通讯应用而设计，高达 1 Mbp/s。此器件对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力，具有抗瞬间干扰，保护总线能力，抗宽范围的共模干扰，抗电磁干扰。

2)上层通信模块设计。

将以太网模块的信号进行电平转换，通过标准的交换机实现通信互联，实现与上位机通信连接。

3)数据存储模块设计。

该模块主要可存储运行日志和关键数据，以便对系统进行诊断和分析。数据存储模块分为2个部分：串行Flash和大容量安全数字卡。串行Flash主要用于保存液晶显示器显示屏的图片数据，以及用户的自定义参数设置，具有低功耗和宽温度范围的特性，适用于嵌入式系统小规模数据存储的场合；大容量SD卡用于存储运行日志和运行关键数据。

4)人机界面设计。

LCD触摸屏采用第三方独立系统方案，选用器件模块集成了RISC微处理器和现场可编程门阵列芯片，对LCD触摸屏进行独立的驱动控制，微电网装置CPU只需通过通信串口与LCD模块进行数据交换，便可完成人机界面交互功能。

多时间尺度控制策略用户侧微电网设计控制策略架构如图所示4。

为便于分析，结合各个模块的输入输出之间、与外部数据流之间的关系，按照不同的时间尺度将以上的模块划分为毫秒级控制模块、秒级控制模块、分钟级及小时级控制模块。

毫秒级控制用户侧光储型微电网的毫秒级控制主要包括无缝切换控制策略。

微电网由并网模式切换至离网模式包含2种情况：1)主动切换，MGCC可通过源荷功率协调控制，调整联络线功率接近于设置值后发出离网指令，实现并网至离网的切换；2)被动切换，一旦检测到配网电压或频率出现异常，或公共耦合点开关断开的信息后，MGCC迅速向各微电源发出控制模式切换及功率设定指令，实现并网至离网的切换。

微电网从离网模式切换至并网模式，MGCC接收外界并网指令后，通过作为主电源快速调节输出电压的幅值、频率和相位，实现准同期并网。

秒级控制黑启动控制算法择优选择具备V/F控制功能、储能功率调节系统额定充放电功率及储能能量状态满足条件的储能系统担任主电源，进行源荷恢复。

结语通过关键技术和集成技术的创新，研发小型化高集成度的微电网中央控制器，涵盖微电网接入关键技术，为用户侧微电网提供低成本、高效率的解决方案，推动用户侧微电网的大规模发展。

中央控制器基于分层级多时间尺度通信架构，实现对底层设备的数据实时采集，为后台监控提供信息来源；重点考虑核心功能的完整性、算法模块的通用性、微源接入的规范化，通过实用简化与集成创新，能够适配光储微电网的典型应用；集成了黑启动、无缝切换、功率预测、运行优化控制与能效管理等功能模块，并通过实验验证所提策略的正确性。