CN103647274B - 一种用于可并网和离网运行的微电网系统的能量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于可并网和离网运行的微电网系统及能量控制方法，系统分布式能源发电系统：通过逆变器或控制器连接到交流母线，用于产生电能；储能系统：通过PCS连接到交流母线，用于存储和提供能量；PCC开关：实现微电网系统与外网的连接与断开，检测电网状态实现并网和离网动作的无缝切换；中央控制器：通过CAN总线与分布式能源发电系统、储能系统以及负荷控制器实现信息交互；能量控制装置：通过以太网与分布式能源发电系统、储能系统以及中央控制器实现信息交互；负载控制器：检测负荷功率，将负荷功率状况反馈给能量控制装置，接收能量控制装置的投切负荷指令；以及负载：通过负荷控制器连接到交流母线。
Description
技术领域：
本发明涉及电力系统分布式发电微电网技术领域，特别涉及一种用于可并网和离网运行的微电网系统及能量控制方法。
背景技术
随着电力需求的不断增长，大电网在过去数十年里体现出来的优势使其得以快速地发展，成为主要的电力供应渠道。然而，集中式大电网也存在一些弊端：成本高，运行难度大，难以满足用户越来越高的安全性和可靠性要求。随着新型技术的应用，尤其是电力电子接口和现代控制理论的发展，微电网的概念出现了。与传统的集中式能源系统相比，微电网接近负荷，不需要建设大电网进行远距离高压或超高压输电，可以减少线损，节省输电建设投资和运行费用；由于兼具发电、供热、制冷等多种服务功能，分布式能源可以有效地实现能源的梯级利用，达到更高的能源综合利用效率。
通常来说，微电网是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。微电网既可以与电网并网运行，也可以在电网发生故障或有其它要求时与主网断开进行孤岛运行。
微电网能量管理系统是微电网中的大脑，也是微电网优化管理、提高经济性能的基础。微电网是通过其能量管理系统控制各个分布式电源，良好的微电网能量管理系统可以有效减少微电网给大电网造成的冲击，从而更好的发挥微电网的优势。
发明内容
本发明提供了一种用于可并网和离网运行的微电网系统及能量控制方法，保证微电网系统灵活、可控的运行。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种可并网和离网运行的微电网系统，包括分布式能源发电系统：通过逆变器或控制器连接到交流母线，用于产生电能；储能系统：通过PCS连接到交流母线，用于存储和提供能量；PCC开关：实现微电网系统与外网的连接与断开，检测电网状态实现并网和离网动作的无缝切换；中央控制器：通过CAN总线与分布式能源发电系统、储能系统以及负荷控制器实现信息交互；能量控制装置：通过以太网与分布式能源发电系统、储能系统以及中央控制器实现信息交互；负载控制器：检测负荷功率，将负荷功率状况反馈给能量控制装置，接收能量控制装置的投切负荷指令；以及负载：通过负荷控制器连接到交流母线。
作为本发明的优选实施例，所述分布式能源发电系统包括光伏发电系统、风力发电系统，以及柴油机发电系统，光伏发电系统通过DC/AC逆变器连接至交流母线，为微电网提供可再生能源；风力发电系统通过AC-DC-AC变换器连接至交流母线，为微电网提供可再生能源；柴油发电机作为同步发电单元，对微电网提供能量，作为微网的稳定可控的能量源。
作为本发明的优选实施例，所述储能系统包括蓄电池和超级电容，所述蓄电池通过双向DC/AC变换器连接至交流母线，用于平抑微电网能量波动，在短时间内支撑微电网运行，所述超级电容通过双向DC/AC变换器连接至交流母线，用于平抑微电网功率波动。
一种基于上述用于可并网和离网运行的微电网系统的能量控制方法，运行阶段包括以下步骤：
（1）；采集蓄电池的输出/吸收功率PLi-PCS、超级电容器的输出/吸收功率PSC-PCS、分布式能源发电系统的输出功率PPV、整个微电网的负荷功率PLoad、整个微电网的线路损失功率Ploss、蓄电池的剩余电量SOCLi-PCS、超级电容器的剩余电量SOCSC-PCS；
（2）计算储能系统的输出/吸收功率PHESS，然后根据给定的ΔPref将储能系统的输出/吸收功率PHESS分为N等级，以N*ΔPref作为锂电池的输出给定，剩余部分由超级电容器进行补偿；
（3）制定策略
（3.1）若蓄电池的剩余电量SOCLi-PCS小于70%，判断N值大小，若N<0，则利用超级电容对N值进行修正，然后对锂电池充电直至锂电池的剩余电量恢复到启动系统的最低电量，返回孤岛运行模式；若N>=0，则按照投切次序减载负载直至N<0，然后利用超级电容对N值进行修正然后对锂电池充电直至锂电池的剩余电量恢复到启动系统的最低电量，返回孤岛运行模式；
（3.2）如果锂电池的剩余电量在70%到100%之间，则利用超级电容对N值进行修正；
（3.3）若蓄电池的剩余电量SOCLi-PCS等于100%，判断N值大小，若N>0，则利用超级电容对N值修正，若N<0，则根据投切次序加载负载，直至N>0，然后再利用超级电容对N值修正，然后使锂电池释放功率直至锂电池的剩余电量达到启动系统的最低电量。
作为本发明的优选实施例，所述超级电容器的补偿方法为：若超级电容器的剩余电量在60～65%之间，则对N加1，使得超级电容器处于充电状态，若超级电容器的剩余电量在95～100%之间，则对N减1，使得超级电容器处于放电状态。
在步骤（3.1）中，若按照投切次序减载负载时，只剩下关键负载，则关闭超级电容，进入锂电池并网充电状态。
启动阶段的控制方法包括以下步骤：
A：采集数据：锂电池的输出/吸收功率PLi-PCS、超级电容器的输出/吸收功率PSC-PCS、光伏发电和风力发电的输出功率PPV、整个微电网的负荷功率PLoad、整个微电网的线路损失功率Ploss、锂电池的剩余电量SOCLi-PCS、超级电容器的剩余电量SOCSC-PCS；
B：若锂电池的剩余电量SOCLi-PCS小于启动系统的最低电量，则并网对锂电池进行充电，直至达到启动系统的最低电量，然后孤岛对超级电容器进行充电；
C：查看超级电容器的剩余电量SOCSC-PCS，若SOCSC-PCS小于维持系统正常运行的最低电量，则循环（7.1）-（7.3）直至SOCSC-PCS达到系统正常运行的最低电量，以超级电容器进行稳压，孤岛运行。
与现有技术相比，本发明一种用于可并网和离网运行的微电网系统及能量控制方法至少具有以下优点：本发明包括用于产生电能的分布式能源发电系统、用于存储和提供能量的储能系统、实现微电网系统与外网的连接与断开，检测电网状态实现并网和离网动作的无缝切换的PCC开关、中央控制器、能量控制装置、负载控制器，以及负载，本发明通过中央控制器、能量控制装置，以及负载控制器对能量进行控制和调节，从而保证微电网系统灵活、可控的运行。
附图说明
图1是本发明微电网的系统结构图。
图2是本发明能量控制策略的示意图。
图3是本发明能量控制方法的流程图。
具体实施方式
1、微电网系统
请参阅图1所示，本发明提供了一种用于可并网和离网运行的微电网系统及能量控制方法，所述的微电网系统主要由用于光伏发电的太阳能电池板、用于风力发电的风机、储能系统和并网固态开关（即PCC开关）及相应的控制保护器件及控制装置组成。整个微电网系统以交流母线为主，直流母线作为预留，暂不带负载。并搭建系统内部的通讯网络。
该微电网系统，主要组成部分包括：分布式能源发电系统，用于产生电能；储能系统，用于存储和提供能量；PCC开关，实现微电网与大电网并网及分离；负荷控制器，对负荷进行控制；中央控制器，快速的向分布式能源发电系统及储能系统发送控制指令；能量控制装置，接收微电网信息，制定能量控制策略；充电桩用来给电动车充放电；SVG/APF用于改善电能质量；以及普通用电负荷。
所述分布式能源发电系统包括：用于光伏发电的太阳能电池板、用于风力发电的风机，以及柴油机发电系统。其中，光伏电池板通过DC/AC逆变器连接至交流母线，为微电网提供可再生能源；风机通过AC-DC-AC变换器连接至交流母线，为微电网提供可再生能源；柴油发电机作为同步发电单元，对微电网提供能量，可作为微网的稳定可控的能量源。
所述储能系统包括：蓄电池储能装置和超级电容储能装置。所述蓄电池储能装置通过双向DC/AC变换器连接至交流母线，用于平抑微电网能量波动，在短时间内支撑微电网运行。所述超级电容通过双向DC/AC变换器连接至交流母线，用于平抑微电网功率波动。
所述PCC开关是微电网与大电网的连接点，检测电网状态实现并网和离网动作的无缝切换；负荷控制器是对一个区域负荷进行管理的设备，需要能够检测负荷功率的功能，能实时的将负荷功率状况反馈给能量管理中心。同时可接收能量管理中心的投切负荷指令；所述的中央控制器根据微电网的实时状况，向分布式能源发电系统、负荷控制器发送指令，并接收他们的反馈信息，对微电网进行实时控制。能量控制装置接收中央控制器和分布式能源发电系统、负荷控制器馈送的信息和负荷信息，在满足系统能量平衡及微电源启停限制等约束条件下，统筹安排最佳的电能调度。能量控制装置用以太网接口和下层控制器进行通讯，实现可再生能源预测，负荷功率预测，优化策略运算等运算功能。
所述SVG实现无功功率补偿，APF实现微电网有源滤波，充电桩对电动车进行充放电。所述普通用电负荷包括：照明和台式计算机。
2、能量管理策略
微电网系统中，不论孤岛或是并网情况，光伏逆变器及风力变频器始终工作在最大功率跟踪（MPPT）模式下，其实时输出功率主要受光照，温度的影响，呈现不可控的特性。特别在微电网孤岛运行期间，需要有储能设备进行功率调节，才能维持微电网稳定可靠地运行。
（1）正常运行情况下，两台PCS设备皆可作为支撑微电网电压的主逆变器，因此本发明提出了两套稳压方案。
A、Li-PCS（锂电池PCS）稳压方案
由于锂离子电池能量密度高，作为稳压源可较长时间支撑微电网电压。此时，SC-PCS（超级电容器PCS）将工作在功率模式，处理微电网内部功率突变的高频分量。
B、SC-PCS（超级电容器PCS）稳压方案
超级电容具有高功率密度的特点，然而其能量密度较低，不适宜长时间的在额定功率下运行，一般10s～20s。SC-PCS工作在稳压模式下，能自动对功率突变进行反应，大大降低了对通讯实时性的要求，提高通讯系统冗余。
本发明中孤岛启动时采用Li-PCS稳压方案，并网正常运行时采用SC-PCS稳压方案。
（2）能量管理策略原理
A、基本功率管理策略
针对SC-PCS稳压方案，将负荷需求和新能源的差值作为整个混合储能系统的功率给定。
Pload+Ploss-PPV=PLi-PCS+PSC-PCS=PHESS（1）
Pload：系统负荷功率；
Ploss：线路损失功率；
PPV：新能源输出功率；
PLi-PCS：锂电池输出/吸收功率；
PSC-PCS：超级电容器输出/吸收功率；
PHESS：混合储能系统输出/吸收功率。
若PHESS为正，则混合储能系统应当输出不足功率；若PHESS为负，表明混合系统应当吸收多余功率。将功率给定分级，例如功率给定范围为-20kw～20kw，按一定的功率ΔPref分级成N各等级。并以N*ΔPref作为Li-PCS的输出给定，剩余部分自动由SC-PCS进行补偿。
PSC-PCS为正，表明此时SC-PCS处于功率输出状态；PSC-PCS为负，表明SC-PCS处于功率吸收状态。不论出于何种状态，交换功率均小于0.5倍的ΔPref。
B、修正策略
a、首先根据Li-PCS进行修正
根据Li-PCS的SOC状态，将能量管理策略分为三部分：
①低储能区策略；
②正常区策略；
③饱和区策略。
其中正常区策略维持基本策略不变。当Li-PCS的SOC进入低储能区，系统进入策略①，限制N值小于零，即Li-PCS只能吸收功率，直至SOCLi-PCS恢复到95%（锂电池的SOC状态可根据电池参数及系统配置选取合适的参考值）。当SOCLi-PCS恢复到95%时，返回孤岛运行模式。
当Li-PCS的SOC进入饱和区，系统进入策略③，限制N值大于零，即Li-PCS只能释放功率，直至SOCLi-PCS恢复到95%.期间，可以适当加载，以满足功率平衡。
b、再次根据SC-PCS进行修正
当SC-PCS的SOC进入低储能区，对前文所得N值进行加1处理，使得SC-PCS始终处于充电状态；当SC-PCS的SOC进入饱和区，对前文所得的N值进行减1处理，使得SC-PCS始终处于放电状态。最终得到的能量管理策略与两台PCS的SOC关系如图2所示。
本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种微电网系统及其能量管理策略，本发明中的微电网管理策略主要是一种根据系统状态，快速反应的综合控制策略。从储能系统、新能源发电系统及负载几个方面综合考虑，定制的一套灵活的控制策略，保证了微电网能够安全、可控的运行。
下面结合图3对本发明的能量控制方法做详细描述：
(1)能量管理中心启动，令系统状态标识State=1.
(2)采集数据：锂电池的输出/吸收功率PLi-PCS、超级电容器的输出/吸收功率PSC-PCS、光伏发电和风力发电的输出功率PPV、整个微电网的负荷功率PLoad、整个微电网的线路损失功率Ploss、锂电池的剩余电量SOCLi-PCS、超级电容器的剩余电量SOCSC-PCS；
(3)若锂电池的剩余电量SOCLi-PCS大于启动系统的最低电量，则孤岛对超级电容器以给定功率20kw进行充电，此时State=1b，转至（5）；
(4)若锂电池的剩余电量SOCLi-PCS小于启动系统的最低电量，则并网对锂电池以给定功率20kw进行充电，此时State=1a，循环监测，直至达到启动系统的最低电量，然后孤岛对超级电容器进行充电。
(5)查看超级电容器的剩余电量SOCSC-PCS，若SOCSC-PCS小于维持系统正常运行的最低电量,则循环（2）-（4）的过程直至SOCSC-PCS达到维持系统正常运行的最低电量，以超级电容器进行稳压，孤岛运行，此时State=2。
(6)采集数据：锂电池的输出/吸收功率PLi-PCS、超级电容器的输出/吸收功率PSC-PCS、光伏发电和风力发电的输出功率PPV、整个微电网的负荷功率PLoad、整个微电网的线路损失功率Ploss、锂电池的剩余电量SOCLi-PCS、超级电容器的剩余电量SOCSC-PCS；
(7)根据以下公式计算储能系统的输出/吸收功率PHESS：
Pload+Ploss-PPV=PLi-PCS+PSC-PCS=PHESS，
其中，Pload：系统负荷功率；Ploss：线路损失功率；PPV：新能源输出功率；PLi-PCS：锂电池输出/吸收功率；PSC-PCS：超级电容器输出/吸收功率；
根据给定的功率ΔPref将得到的储能系统的输出/吸收功率PHESS分为N等级，以N*ΔPref作为锂电池的输出给定，剩余部分由超级电容器进行修正。
(8)确定策略：
（8.1）若蓄电池的剩余电量SOCLi-PCS小于70%，判断N值大小，若N<0，则利用超级电容对N值进行修正，然后对锂电池充电直至锂电池的剩余电量恢复到启动系统的最低电量，返回孤岛运行模式；若N>=0，则按照投切次序减载负载直至N<0，然后利用超级电容对N值进行修正然后对锂电池充电直至锂电池的剩余电量恢复到启动系统的最低电量，返回孤岛运行模式；如果只剩下关键负载，则关闭超级电容，进入锂电池并网充电状态，否则根据步骤（8.1）中所述的超级电容补充方法进行补充；所述利用超级电容进行修正的方法为：若超级电容器的剩余电量在60～65%之间，对N加1，使得超级电容器处于充电状态，若超级电容器的剩余电量在95～100%之间，对N减1，使得超级电容器处于放电状态；
（8.2）如果锂电池的剩余电量在70%到100%之间，则根据步骤（8.1）中所述的超级电容修正方法对N值进行修正；
（8.3）蓄电池的剩余电量SOCLi-PCS等于100%，判断N值大小，若N>0，则利用超级电容对N值修正，若N<0，则根据投切次序加载负载，直至N>0，然后再利用超级电容对N值修正，然后使锂电池释放功率直至锂电池的剩余电量达到启动系统的最低电量。
在整个控制方法中，若收到人为指令或只剩下关键负荷的情况，则关闭超级电容，进入锂电池并网充电状态；若切除锂电池或指定锂电池处于待机状态，则锂电池和超级电容均关闭。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种可并网和离网运行的微电网系统的能量控制方法，所述可并网和离网运行的微电网系统包括：分布式能源发电系统：通过逆变器或控制器连接到交流母线，用于产生电能；储能系统：通过PCS连接到交流母线，用于存储和提供能量；PCC开关：实现微电网系统与外网的连接与断开，检测电网状态实现并网和离网动作的无缝切换；中央控制器：通过CAN总线与分布式能源发电系统、储能系统以及负荷控制器实现信息交互；能量控制装置：通过以太网与分布式能源发电系统、储能系统以及中央控制器实现信息交互；负载控制器：检测负荷功率，将负荷功率状况反馈给能量控制装置，接收能量控制装置的投切负荷指令；以及负载：通过负荷控制器连接到交流母线；
所述分布式能源发电系统包括光伏发电系统、风力发电系统，以及柴油机发电系统，光伏发电系统通过DC/AC逆变器连接至交流母线，为微电网提供可再生能源；风力发电系统通过AC-DC-AC变换器连接至交流母线，为微电网提供可再生能源；柴油发电机作为同步发电单元，对微电网提供能量，作为微网的稳定可控的能量源；
所述储能系统包括蓄电池和超级电容，所述蓄电池通过双向DC/AC变换器连接至交流母线，用于平抑微电网能量波动，在短时间内支撑微电网运行，所述超级电容通过双向DC/AC变换器连接至交流母线，用于平抑微电网功率波动；
其特征在于，运行阶段包括以下步骤：
（1）采集蓄电池的输出/吸收功率PLi-PCS、超级电容器的输出/吸收功率PSC-PCS、光伏发电和风力发电的输出功率PPV、整个微电网的负荷功率PLoad、整个微电网的线路损失功率Ploss、蓄电池的剩余电量SOCLi-PCS、超级电容器的剩余电量SOCSC-PCS；
（2）计算储能系统的输出/吸收功率PHESS，然后根据给定的功率ΔPref将储能系统的输出/吸收功率PHESS分为N等级，以N*ΔPref作为锂电池的输出给定，剩余部分由超级电容器进行修正；
（3）制定策略：
（3.1）若蓄电池的剩余电量SOCLi-PCS小于70%，判断N值大小，若N<0，则利用超级电容对N值进行修正，然后对锂电池充电直至锂电池的剩余电量恢复到启动系统的最低电量，返回孤岛运行模式；若N>=0，则按照投切次序减载负载直至N<0，然后利用超级电容对N值进行修正然后对锂电池充电直至锂电池的剩余电量恢复到启动系统的最低电量，返回孤岛运行模式；
（3.2）如果锂电池的剩余电量在70%到100%之间，则利用超级电容对N值进行修正；
（3.3）若蓄电池的剩余电量SOCLi-PCS等于100%，判断N值大小，若N>0，则利用超级电容对N值修正，若N<0，则根据投切次序加载负载，直至N>0，然后再利用超级电容对N值修正，然后使锂电池释放功率直至锂电池的剩余电量达到启动系统的最低电量。
2.根据权利要求1所述的能量控制方法，其特征在于：所述超级电容器的补偿方法为：若超级电容器的剩余电量在60～65%之间，则对N加1，使得超级电容器处于充电状态，若超级电容器的剩余电量在95～100%之间，则对N减1，使得超级电容器处于放电状态。
3.根据权利要求1所述的能量控制方法，其特征在于：在步骤（3.1）中，若按照投切次序减载负载时，只剩下关键负载，则关闭超级电容，进入锂电池并网充电状态。
4.根据权利要求1所述的能量控制方法，其特征在于：启动阶段的控制方法包括以下步骤：
（7.1）采集数据：锂电池的输出/吸收功率PLi-PCS、超级电容器的输出/吸收功率PSC-PCS、光伏发电和风力发电的输出功率PPV、整个微电网的负荷功率PLoad、整个微电网的线路损失功率Ploss、锂电池的剩余电量SOCLi-PCS、超级电容器的剩余电量SOCSC-PCS；
（7.2）若锂电池的剩余电量SOCLi-PCS小于启动系统的最低电量，则并网对锂电池进行充电，直至达到启动系统的最低电量，然后孤岛对超级电容器进行充电；
（7.3）查看超级电容器的剩余电量SOCSC-PCS，若SOCSC-PCS小于维持系统正常运行的最低电量，则循环（7.1）-（7.3）直至SOCSC-PCS达到系统正常运行的最低电量，以超级电容器进行稳压，孤岛运行。
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