背景
現代工業飛速發展，傳統化石能源日漸枯竭，為滿足人類對能源的需求，發展綠色清潔的可再生能源成為世界各國的能源發展戰略和技術方向。新能源分散式接入電網，有利於就地分散利用以及提高用戶供電可靠性。在用戶側積極發展和規模化接入分散式光伏電源的趨勢下，構建運行模式靈活、回響用戶側用電管理需求和用能質量高的微電網，是實現新能源就地消納利用，發揮分散式光伏發電系統效能的有效方式。隨著國家新能源政策的推廣、智慧型電網的建設以及電力市場改革的推進，微電網的建設與套用日臻重要。
微電網是由分散式電源、負荷、儲能裝置和控制裝置構成的小型獨立發配電系統，既可作為可控單元與配電網聯網運行，也可與配電網斷開獨立運行。在微電網的發展初期，側重於研究與微電網建設可行性分析、規劃設計、底層設備運行控制等相關的內容與關鍵技術，其中大多數涉及微電網控制策略及其裝置的研發，並通過示範工程對控制裝置的功能進行可行性驗證，但是仍然存在很多問題。因缺乏統一的行業技術規範，不同微電網示範工程及系統對控制器的需求標準不一，重點體現在通信方式、接口技術、計量方式、控制策略等與微電網系統規劃、造價、建設、運行相關的關鍵技術上，而定製化的微電網控制器產品產量少成本高，不利於大規模推廣套用。因此很有必要通過微電網關鍵技術的集成和創新，在遵循或制定行業技術規範的基礎上，研發低成本、高集成、標準化的中央控制器為用戶側微電網提供低成本、高效率的解決方案。
針對當前微電網控制器所存在的問題及集成化功能需求，本著降低設備成本、提高系統標準化水平的目標，研製了一種集運行控制與能效最佳化管理於一體的光儲型智慧型微電網中央控制器：基於分層級多時間尺度通信架構，實現對底層設備的數據實時採集，為後台監控提供信息來源；基於分層多時間尺度控制模型，實現微電網作為分散式能源的有效管理形式，對於分散式能源的就地消納利用具有積極重要的作用。
用戶側光儲微電網
光儲型微電網由分散式光伏電源、儲能、負荷以及中央控制器等設備構成，微電網公共母線通過靜態開關在公共耦合點點與配電網進行連線。
結構與組成
光儲型微電網拓撲戶側光儲型微電網拓撲結構如圖所示。當微電網系統併網運行時，光伏以最大功率出力或限功率運行，儲能電池用於平滑光伏輸出功率的波動；當大電網發生故障或停電事故時系統可切換至離網運行狀態，儲能電池工作在V/F(電壓/頻率)控制模式下，充當系統主電源，用以支撐微電網系統電壓和頻率，光伏電源以最大功率出力或限功率運行，為系統內負荷供電，充分體現了微電網結構與運行的靈活性和複雜性。
系統控制方式
用戶側光儲型微電網控制系統所示針對用戶側微電網的特點以及大規模推廣套用的需求，本文採用基於分層結構的微電網協調控制策略。按照回響速度、時間尺度和通信需求，分為3層，如圖。
第1層為本地控制層。用於負荷、光伏發電系統和儲能系統等底層單體設備的控制，具有短時、快速等特點。
第2層為集中控制層。用於維持用戶側微電網電壓和頻率的穩定，以保障用戶側微電網安全、穩定和滿足功率限制需求等，與本地控制相比具有依賴通信、回響時間長等特點。
第3層為配電網調度層。負責配網與微電網之間的協調控制，基於電壓或頻率調節制定配電網功率需求，並依據有關約束條件協調各微電網出力，其回響時間尺度在數分鐘級別，對通信可靠性要求較高。
通信架構
微電網的運行控制和管理模式不同於常規電網，它更加依賴於信息的採集與傳輸，同時微電網設備的回響特性對通信的實時性和可靠性要求更高。為保證控制的實時性，要求中央控制器對下層設備的通信採用乙太網通信。部分底層設備(負荷、開關)不具備乙太網通信功能，採用RS485通信或CAN通信。
分層級多時間尺度通信架構針對光儲型微電網，採用一種分層級多時間尺度通信架構，將通信系統分為調度層、終端層和底層，如圖所示。
微電網中央控制器(MGCC)與調度機構能量管理系統(EMS)之間、MGCC與光伏、儲能之間採用乙太網通信，MGCC與負荷、開關之間採用RS485或CAN通信。既提高了控制的實時性，又保證了底層設備的通信功能，使系統通信性能和經濟性取得最優。
中央控制器方案設計
中央控制器總體結構採用模組化結構的設計思想，將設備分為人機界面模組、數據存儲模組、底層設備通信模組和上層通信模組，其總體結構圖如圖所示。
1)底層設備通信模組設計。
提供底層接口，與設備如光伏併網逆變器、儲能逆變器和能量測量裝置等進行互聯。
由於微網中光伏和儲能系統與控制器之間的通信距離較長，接口設計需綜合考慮施工難度、通信速率和通信可靠性的要求，採用乙太網通信。
DP83848C將STM32F407乙太網模組的信號進行電平轉換，通過標準的交換機實現通信互聯支持介質獨立接口(MII)和遠程方法調用(RMI)接口模式，集成度高，具有全功能、低功耗等性能。
當要求中央控制器就地採集數量信息較少時，則可以採用485通信或者CAN通信。RS485電平轉換晶片採用的3差分匯流排收發器是一款集成式電流隔離器件，適用於多點匯流排傳輸線路的雙向數據通信。CAN差分電平轉換晶片為CAN協定控制器和物理匯流排間的接口，主要是為高速通訊套用而設計，高達 1 Mbp/s。此器件對匯流排提供差動傳送能力，對CAN控制器提供差動接收能力，具有抗瞬間干擾，保護匯流排能力，抗寬範圍的共模干擾，抗電磁干擾。
2)上層通信模組設計。
將乙太網模組的信號進行電平轉換，通過標準的交換機實現通信互聯，實現與上位機通信連線。
3)數據存儲模組設計。
該模組主要可存儲運行日誌和關鍵數據，以便對系統進行診斷和分析。數據存儲模組分為2個部分：串列Flash和大容量安全數字卡。串列Flash主要用於保存液晶顯示器顯示屏的圖片數據，以及用戶的自定義參數設定，具有低功耗和寬溫度範圍的特性，適用於嵌入式系統小規模數據存儲的場合；大容量SD卡用於存儲運行日誌和運行關鍵數據。
4)人機界面設計。
LCD觸控螢幕採用第三方獨立系統方案，選用器件模組集成了RISC微處理器和現場可程式門陣列晶片，對LCD觸控螢幕進行獨立的驅動控制，微電網裝置CPU只需通過通信串口與LCD模組進行數據交換，便可完成人機界面互動功能。
多時間尺度控制策略
多時間尺度控制策略架構用戶側微電網設計控制策略架構如圖所示。
為便於分析，結合各個模組的輸入輸出之間、與外部數據流之間的關係，按照不同的時間尺度將以上的模組劃分為毫秒級控制模組、秒級控制模組、分鐘級及小時級控制模組。
毫秒級控制
用戶側光儲型微電網的毫秒級控制主要包括無縫切換控制策略。
微電網由併網模式切換至離網模式包含2種情況：1)主動切換，MGCC可通過源荷功率協調控制，調整聯絡線功率接近於設定值後發出離網指令，實現併網至離網的切換；2)被動切換，一旦檢測到配網電壓或頻率出現異常，或公共耦合點開關斷開的信息後，MGCC迅速向各微電源發出控制模式切換及功率設定指令，實現併網至離網的切換。
微電網從離網模式切換至併網模式，MGCC接收外界併網指令後，通過作為主電源快速調節輸出電壓的幅值、頻率和相位，實現準同期併網。
秒級控制
黑啟動控制算法擇優選擇具備V/F控制功能、儲能功率調節系統額定充放電功率及儲能能量狀態滿足條件的儲能系統擔任主電源，進行源荷恢復。
結語
通過關鍵技術和集成技術的創新，研發小型化高集成度的微電網中央控制器，涵蓋微電網接入關鍵技術，為用戶側微電網提供低成本、高效率的解決方案，推動用戶側微電網的大規模發展。
中央控制器基於分層級多時間尺度通信架構，實現對底層設備的數據實時採集，為後台監控提供信息來源；重點考慮核心功能的完整性、算法模組的通用性、微源接入的規範化，通過實用簡化與集成創新，能夠適配光儲微電網的典型套用；集成了黑啟動、無縫切換、功率預測、運行最佳化控制與能效管理等功能模組，並通過實驗驗證所提策略的正確性。
