付奎 劉新建 楊煦

摘 要：隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，光伏，風(fēng)電等能源在電源結(jié)構(gòu)中的比例越來(lái)越大，對(duì)微電網(wǎng)控制技術(shù)的要求也逐步提高。本文闡述了微電網(wǎng)控制技術(shù)在小型集裝箱信息平臺(tái)系統(tǒng)的應(yīng)用方法和控制策略，將集裝箱信息平臺(tái)供電與微電網(wǎng)控制系統(tǒng)布置于集裝箱內(nèi)，以解決集裝箱信息平臺(tái)各設(shè)備負(fù)荷的基本電能需求，并對(duì)微電網(wǎng)技術(shù)在集裝箱系統(tǒng)的應(yīng)用提出了進(jìn)一步的要求。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)控制；集裝箱；電源；光伏；風(fēng)能

當(dāng)前，隨著信息技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用的風(fēng)起云涌，越來(lái)越多的集裝箱信息平臺(tái)在基建工地得到了應(yīng)用，使得基建工地實(shí)現(xiàn)了一定的信息化和智能化。通過(guò)集裝箱信息平臺(tái)能將更多的信息化、數(shù)字化等技術(shù)植入到建筑、機(jī)械、人員穿戴設(shè)施、場(chǎng)地進(jìn)出關(guān)口等各類物體中，并且被普遍互聯(lián)，形成網(wǎng)絡(luò)庫(kù)，在和“互聯(lián)網(wǎng)”結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)各級(jí)工程管理人員與工地現(xiàn)場(chǎng)的整合。以此同時(shí)，由于集裝箱信息平臺(tái)部署的基建工地多半位于深山、荒漠及海島等偏遠(yuǎn)地區(qū)，受地域限制，電力無(wú)法供應(yīng)或電力供應(yīng)時(shí)常中斷。

為了保證集裝箱信息平臺(tái)和工地辦公用電的可靠性和穩(wěn)定性，本文以新能源發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合微電網(wǎng)控制的特點(diǎn)闡述了如何構(gòu)建一個(gè)具有分布式電源，能量轉(zhuǎn)換裝置，儲(chǔ)能系統(tǒng)，監(jiān)控和保護(hù)裝置的集裝箱信息平臺(tái)供配電系統(tǒng)，以解決集裝箱信息平臺(tái)及周邊的負(fù)荷用電需求。

1 集裝箱信息平臺(tái)電源系統(tǒng)的特點(diǎn)

為了保證工地集裝箱信息平臺(tái)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，電源的設(shè)計(jì)一般采用了“N+1”冗余設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段各個(gè)工地信息平臺(tái)的供電電源擬采用的形式主要包括：地區(qū)市電電源、光伏發(fā)電、小型風(fēng)力發(fā)電、柴油發(fā)電等。這幾種電源形式均采用模塊化設(shè)計(jì)，一般可根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)電源的組合方式進(jìn)行選擇。

地區(qū)電網(wǎng)的市電電源作為集裝箱式數(shù)據(jù)中心的基本電源，保障數(shù)據(jù)中心日常負(fù)荷的供電需求，是經(jīng)濟(jì)、可靠的供電型式。

光伏發(fā)電系統(tǒng)作為外來(lái)市電的補(bǔ)充，可根據(jù)項(xiàng)目地情況進(jìn)行選配。根據(jù)集裝箱布置地區(qū)的年平均日照強(qiáng)度及投資經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合考慮，以決定是否采用該套發(fā)電系統(tǒng)。光伏組件面積按照集裝箱的投影面積尺寸進(jìn)行選擇，布置于集裝箱頂部或周邊。

微型風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)作為外來(lái)市電的補(bǔ)充，也可根據(jù)項(xiàng)目情況進(jìn)行選配。根據(jù)集裝箱布置地區(qū)的風(fēng)資源特點(diǎn)及投資經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合考慮，以決定是否采用該套發(fā)電系統(tǒng)。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)布置于集裝箱附近。

柴油發(fā)電機(jī)組作為數(shù)據(jù)中心的應(yīng)急保安電源使用，為基本配置。

這些新能源的組合構(gòu)成一個(gè)微型小電網(wǎng)，可并網(wǎng)或者孤網(wǎng)運(yùn)行；即通過(guò)本地光伏、風(fēng)電、柴油發(fā)電機(jī)等分布式微型電源向集裝箱式信息中心提供電能，在充分滿足集裝箱信息平臺(tái)自身電能需求及供電質(zhì)量的基礎(chǔ)上，多余的電能可以向地區(qū)電網(wǎng)送電。

2 集裝箱信息平臺(tái)供配電系統(tǒng)的實(shí)施

2.1 集裝箱信息平臺(tái)微電網(wǎng)主接線控制方案

為了保障這種分布式電源的靈活性和可靠性，在集裝箱信息平臺(tái)的電網(wǎng)設(shè)計(jì)中采用經(jīng)逆變器接入+儲(chǔ)能裝置的方式（交直交分布式電源）。這樣設(shè)計(jì)既可與外來(lái)電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，又可獨(dú)立孤網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)所產(chǎn)生電能過(guò)剩時(shí)可向電網(wǎng)反饋電能，提升集裝箱周邊負(fù)荷的供電可靠性，降低配電網(wǎng)絡(luò)損耗，優(yōu)化周邊配電網(wǎng)運(yùn)行，主接線圖如下圖所示。

圖1 集裝箱信息平臺(tái)微電網(wǎng)主接線圖

微電網(wǎng)正常工作時(shí)優(yōu)先使用光伏及風(fēng)能為數(shù)據(jù)中心供電，同時(shí)將多余電能儲(chǔ)存于蓄電池中及送往地區(qū)電網(wǎng)。當(dāng)光伏及風(fēng)能發(fā)電量不足時(shí)，首先使用電池儲(chǔ)能為數(shù)據(jù)中心供電，若電池儲(chǔ)能急劇下降，同時(shí)光伏及風(fēng)能供電尚未恢復(fù)時(shí)，此時(shí)由地區(qū)電網(wǎng)為數(shù)據(jù)中心供電。

微電網(wǎng)運(yùn)行的核心在于控制器及微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)。微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)監(jiān)控。包括光伏發(fā)電、風(fēng)機(jī)發(fā)電、電池儲(chǔ)能、負(fù)荷、電能計(jì)量、電能質(zhì)量、并網(wǎng)同期點(diǎn)檢測(cè)及運(yùn)行的等數(shù)據(jù)。同時(shí)能源管理系統(tǒng)可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與控制目標(biāo)的不同，執(zhí)行不同的協(xié)調(diào)控制策略，主要包括電池儲(chǔ)能系統(tǒng)計(jì)劃充放電控制、風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合協(xié)調(diào)控制以及并網(wǎng)點(diǎn)功率控制，以保證電壓和頻率在可控范圍內(nèi)，同時(shí)保證電源的質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2.2 集裝箱信息平臺(tái)微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)

本套供電系統(tǒng)具備并網(wǎng)運(yùn)行、孤島運(yùn)行及應(yīng)急運(yùn)行三種工作狀態(tài)。

2.2.1 并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)

當(dāng)系統(tǒng)側(cè)外來(lái)電源線路正常供電時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)線開(kāi)關(guān)閉合，微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。微電網(wǎng)中光伏與風(fēng)機(jī)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，蓄電池組處于儲(chǔ)能狀態(tài)。微電網(wǎng)系統(tǒng)控制器檢測(cè)各個(gè)單元的實(shí)時(shí)功率，若光伏和風(fēng)機(jī)發(fā)出的功率大于負(fù)載和蓄電池組的充電功率則向系統(tǒng)電網(wǎng)輸電，若不足，則從系統(tǒng)電網(wǎng)得電，以滿足周邊負(fù)荷用電需求。

2.2.2 孤島運(yùn)行狀態(tài)

當(dāng)系統(tǒng)側(cè)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)線開(kāi)關(guān)動(dòng)作，微電網(wǎng)切換至孤島運(yùn)行狀態(tài)。微電網(wǎng)中光伏與風(fēng)機(jī)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)。微電網(wǎng)系統(tǒng)控制器檢測(cè)各個(gè)單元的實(shí)時(shí)功率。若光伏和風(fēng)機(jī)發(fā)出的功率大于負(fù)載功率，蓄電池組處于充電狀態(tài)，控制器增大負(fù)載或減少光伏和風(fēng)機(jī)的發(fā)電量以平衡系統(tǒng)功率；若光伏和風(fēng)機(jī)發(fā)出的功率小于負(fù)載功率，蓄電池組處于放電狀態(tài)，同時(shí)控制器減少負(fù)載以平衡系統(tǒng)功率。

2.2.3 應(yīng)急運(yùn)行狀態(tài)

供電系統(tǒng)中加入了柴油發(fā)電機(jī)組，可作為備用及應(yīng)急電源使用。當(dāng)電網(wǎng)外來(lái)電源，光伏、風(fēng)機(jī)這三類電源均失去，蓄能電池組儲(chǔ)能不足時(shí)，微電網(wǎng)控制器才控制柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)，同時(shí)切除多余負(fù)荷，僅保留必要的事故備用與應(yīng)急負(fù)荷，滿足臨時(shí)供電的要求。

3 微電網(wǎng)的主要控制方法

從圖1中可看出，本微電網(wǎng)控制方式的實(shí)現(xiàn)， 主要通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電回路的逆變器、風(fēng)機(jī)發(fā)電回路的變流器及柴油發(fā)電機(jī)的控制箱進(jìn)行有效控制，以維持電壓和頻率在允許變化的范圍之內(nèi)，滿足負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的要求。

在整個(gè)控制方法中，微電網(wǎng)逆變器的控制策略最重要，其一般采用P/Q、V/f和下垂控制等幾種控制控制策略，對(duì)于光伏發(fā)電、小型風(fēng)力發(fā)電等電源逆變器以P/Q控制為主，這樣可以保證微電源可以輸出設(shè)定的功率值。對(duì)于儲(chǔ)能回路儲(chǔ)能變流器以V/f控制為主，以控制微電網(wǎng)的電壓和頻率為主，使其保證在合理的范圍內(nèi)波動(dòng)。 為了滿足儲(chǔ)能及孤網(wǎng)運(yùn)行的需要，集裝箱信息平臺(tái)在負(fù)荷回路中增加一組交/直流逆變雙向可控的蓄電池組，平臺(tái)儲(chǔ)能回路儲(chǔ)能變流器以V/f控制策略為主。

對(duì)于集裝箱信息平臺(tái)的微電源的P/Q策略控制框圖，詳見(jiàn)圖2。

圖2 集裝箱信息平臺(tái)微電源P/Q控制框圖

采集電網(wǎng)上的電流和電壓，并對(duì)測(cè)定值進(jìn)行dq變換，得到電壓、電流的d軸分與q軸分量。瞬時(shí)功率計(jì)算器基于dq變換后的電壓值與電流值計(jì)算逆變器輸出的有功功率P和無(wú)功功率Q。功率外環(huán)控制模塊將實(shí)時(shí)有功功率P和無(wú)功功率Q與預(yù)設(shè)值Pref和Qref進(jìn)行差值比較，通過(guò)差值計(jì)算出電流的直軸分量參考值igd，ref和交軸分量參考值iqd，ref。電流內(nèi)環(huán)控制模塊根據(jù)實(shí)時(shí)電流值igd和iqd與參考值igd，ref和iqd，ref差值比較，生成脈寬調(diào)制系數(shù)d軸分量Pmd和q軸分量Pmq驅(qū)動(dòng)逆變器工作，使逆變器輸出功率與設(shè)定值接近，從而實(shí)現(xiàn)了微電源的PQ控制。

以下是集裝箱信息平臺(tái)儲(chǔ)能回路V/f策略控制框圖，詳見(jiàn)圖3。

圖3 集裝箱信息平臺(tái)儲(chǔ)能回路V/f控制框圖

從圖中可以看出，集裝箱信息平臺(tái)儲(chǔ)能電源逆變器控制器采集電源進(jìn)線連接母線排上測(cè)量電壓U和電流i，通過(guò)dq變換，分別換算出d軸電壓分量、電流分量和q軸電壓分量、電流分量，最后根據(jù)這些分量計(jì)算出瞬時(shí)功率P，通過(guò)電壓幅值計(jì)算器計(jì)算出瞬時(shí)電壓U，通過(guò)鎖相環(huán)控制器計(jì)算出瞬時(shí)頻率f。瞬時(shí)電壓U和瞬時(shí)頻率f與預(yù)設(shè)值Uref和fref進(jìn)行差值比較，得到△U和△f。差值△f經(jīng)PI轉(zhuǎn)換得出參考有功功率Pref，瞬時(shí)有功功率與參考有功功率Pref比較得到差值△P。△P和△U通過(guò)比例積分后得出參考的交流直軸分量與交軸分量igd，ref和iqd，ref。后續(xù)電流內(nèi)環(huán)控制方式與P/Q控制法電流內(nèi)環(huán)控制方式相一致，使逆變器輸出功率與設(shè)定值接近，最終完成儲(chǔ)能電源的調(diào)節(jié)控制。

同時(shí)，集中箱信息平臺(tái)供電系統(tǒng)還有孤島檢測(cè)和應(yīng)急運(yùn)行監(jiān)測(cè)功能，孤島檢測(cè)主要采用被動(dòng)檢測(cè)法，即根據(jù)電壓、頻率等參數(shù)的變化來(lái)判斷孤島狀態(tài)的發(fā)生。同時(shí)為防止微電網(wǎng)誤動(dòng)，增加進(jìn)線電流方向等閉鎖條件。主要判據(jù)有低壓及過(guò)壓判據(jù)；諧波判據(jù)；低頻及過(guò)頻判據(jù)；電流檢測(cè)閉鎖判據(jù)等。為防止并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障微電網(wǎng)內(nèi)元件配置過(guò)流保護(hù)及相對(duì)應(yīng)的保護(hù)測(cè)控功能。

應(yīng)急運(yùn)行監(jiān)測(cè)主要是微電網(wǎng)控制器跟蹤系統(tǒng)側(cè)與儲(chǔ)能回路的電壓及頻率，風(fēng)能、光伏設(shè)備的有功及無(wú)功功率，負(fù)荷需求以判斷供需功率是否平衡。微電網(wǎng)控制器與柴油發(fā)電機(jī)控制器直接相連，根據(jù)低壓判據(jù)，進(jìn)線與負(fù)荷判據(jù)等判斷柴發(fā)的啟動(dòng)，并及時(shí)切除多余的負(fù)荷。

4 結(jié)語(yǔ)

微電網(wǎng)控制技術(shù)在集中箱信息平臺(tái)中的應(yīng)用，目的是為了解決地理位置偏遠(yuǎn)地區(qū)的基建工地集裝箱信息平臺(tái)及辦公供電的不穩(wěn)定和不可靠性，保證基建工地信息化設(shè)備的供電可靠性，解決用電的供需平衡的問(wèn)題。隨著微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能配電網(wǎng)的建設(shè)，微電網(wǎng)技術(shù)會(huì)在未來(lái)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)配置建設(shè)智能工地的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更大的價(jià)值。

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