CN103647274B - 一种用于可并网和离网运行的微电网***的能量控制方法 - Google Patents
一种用于可并网和离网运行的微电网***的能量控制方法 Download PDFInfo
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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***及能量控制方法，***分布式能源发电***：通过逆变器或控制器连接到交流母线，用于产生电能；储能***：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***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***、储能***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***、储能***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***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***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***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***，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治***。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***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***控制各个分布式电源，良好的微电网能量管理***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***及能量控制方法，保证微电网***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***，包括分布式能源发电***：通过逆变器或控制器连接到交流母线，用于产生电能；储能***：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***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***、储能***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***、储能***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***包括光伏发电***、风力发电***，以及柴油机发电***，光伏发电***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***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***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***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***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***的输出/吸收功率PHESS，然后根据给定的ΔPref将储能***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***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***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***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***的最低电量，则并网对锂电池进行充电，直至达到启动***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***正常运行的最低电量，则循环（7.1）-（7.3）直至SOCSC-PCS达到***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***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***、用于存储和提供能量的储能***、实现微电网***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***灵活、可控的运行。
附图说明
图1是本发明微电网的***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***
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***及能量控制方法，所述的微电网***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***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***以交流母线为主，直流母线作为预留，暂不带负载。并搭建***内部的通讯网络。
该微电网***，主要组成部分包括：分布式能源发电***，用于产生电能；储能***，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***及储能***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***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***。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***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***、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***、负荷控制器馈送的信息和负荷信息，在满足***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***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***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***的功率给定。
Pload+Ploss-PPV=PLi-PCS+PSC-PCS=PHESS（1）
Pload：***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***输出/吸收功率。
若PHESS为正，则混合储能***应当输出不足功率；若PHESS为负，表明混合***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，***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***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，***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***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***状态，快速反应的综合控制策略。从储能***、新能源发电***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***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***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***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***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***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***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***的输出/吸收功率PHESS：
Pload+Ploss-PPV=PLi-PCS+PSC-PCS=PHESS，
其中，Pload：***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***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***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***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***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***的能量控制方法，所述可并网和离网运行的微电网***包括：分布式能源发电***：通过逆变器或控制器连接到交流母线，用于产生电能；储能***：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***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***、储能***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***、储能***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***包括光伏发电***、风力发电***，以及柴油机发电***，光伏发电***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***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***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***的输出/吸收功率PHESS，然后根据给定的功率ΔPref将储能***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***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***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***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***的最低电量，则并网对锂电池进行充电，直至达到启动***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***正常运行的最低电量，则循环（7.1）-（7.3）直至SOCSC-PCS达到***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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