CN110460101A - 海岛微电网储能子***及控制方法 - Google Patents

海岛微电网储能子***及控制方法 Download PDF

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张东升
于浩
张育华
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Abstract

本申请提供了一种海岛微电网控制***及控制方法，海岛微电网控制***包括储能子***、光伏子***、风电子***、控制器、柴油发电机、第一配电柜、第二配电柜和负载；储能子***中的储能变流器与电池管理***连接，电池管理***和电池组连接，储能变流器和电池管理***均与控制器连接；光伏子***中的光伏阵列与光伏逆变器连接；风电子***中的风机阵列与风机逆变器连接；光伏逆变器和风机逆变器均与控制器连接；储能变流器、光伏逆变器和风机逆变器均与第一配电柜连接，第一配电柜和柴油发电机均与第二配电柜连接；负载通过电表与控制器连接。本申请能够平衡风光发电以及储能，为海岛上的负载提供持续稳定的电源。

Description

海岛微电网储能子***及控制方法
技术领域
本申请属于储能控制技术领域，具体涉及一种海岛微电网储能子***控制方法。
背景技术
我国有大量的海岛，面积500平方米以上的岛屿就有6536个，传统的海岛供电都是柴油发电机提供。近几年来，柴油发电机的发电量越来越难满足用户的需求，长期柴油运输和消耗的费用也很大。另外，由于一次能源日益枯竭和人类生存环境日益恶化，世界各国都把开发新的可再生能源作为能源发展的方向。太阳能和风能是一种取之不尽，用之不竭的可再生能源，近几年微电网行业急速发展，利用太阳能光伏发电***和风力发电***能够实现海岛供电的自给自足。然而，一方面太阳能光伏发电***和风力发电***无法随时提供持续稳定的电源，另一方面柴油发电机启动困难。本申请的发明人在研发过程中发现，为了解决上述问题，需要配备储能子***。储能子***一方面可以平衡风光发电，另一方面也可以作为备用电源。为了提供优质的海岛微电网，储能子***的控制在其中起着至关重要的作用。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种海岛微电网控制***及控制方法。
根据本申请实施例的第一方面，本申请提供了一种海岛微电网控制***，其包括储能子***、光伏子***、风电子***、控制器、柴油发电机、第一配电柜、第二配电柜和负载；
所述储能子***包括储能变流器、电池管理***和电池组；所述储能变流器与电池管理***通信连接，所述电池管理***和电池组连接，所述电池管理***将获取的所述电池组的状态信息发送给所述储能变流器，所述储能变流器根据所述电池组的状态信息对电池进行保护性充放电，所述储能变流器和电池管理***均与所述控制器连接；
所述光伏子***包括光伏阵列和光伏逆变器，所述光伏阵列与光伏逆变器连接；所述风电子***包括风机阵列和风机逆变器，所述风机阵列与风机逆变器连接；所述光伏逆变器和风机逆变器均与所述控制器连接；
所述储能变流器、光伏逆变器和风机逆变器均与所述第一配电柜连接，所述第一配电柜和柴油发电机均与所述第二配电柜连接；所述负载通过电表与所述控制器连接；所述第一配电柜用于海岛微电网***的配电输出和保护，所述第二配电柜用于所述柴油发电机及海岛微电网***的配电输出和保护。
上述海岛微电网控制***中，还包括操作器，所述操作器与控制器连接，通过所述操作器输入控制指令，所述控制指令用于对所述电池组的充放电状态进行控制。
上述海岛微电网控制***中，还包括无线网卡，所述控制器通过所述无线网卡与外部移动智能终端进行通信。
根据本申请实施例的第二方面，本申请还提供了一种海岛微电网控制方法，其包括以下步骤：
光伏逆变器和风机逆变器将发电量发送给控制器，控制器获取海岛上负载的用电量；
控制器将接收到的发电量与海岛上负载的用电量进行比较；如果发电量大于用电量，则判定光伏子***和风电子***的发电量充足；否则，判定光伏子***和风电子***的发电量不足；
当光伏子***和风电子***的发电量充足时，控制器控制启动光伏子***和风电子***，光伏子***和风电子***通过给负载供电；控制器控制储能子***以V/f模式运行；
当光伏子***和风电子***的发电量不足时，控制器控制光伏子***和风电子***给负载供电，同时控制器控制储能子***以V/f模式放电补充负载的用电。
上述海岛微电网控制方法中，所述控制器控制储能子***以V/f模式运行时，所述电池组处于充电状态，最终使得电池组的SOC保持在30％～90％。
进一步地，所述控制器控制储能子***以V/f模式运行时，控制器获取电池组的SOC，并判断电池组的SOC是否达到90％；
如果电池组的SOC达到90％，则控制器限制光伏子***和风电子***的发电量，并控制储能子***以V/f模式下电池组的最大功率值的5％对电池组进行充电，直至最终充到电池要求的截止电压；
如果电池组的SOC未达到90％，则控制器控制储能子***以V/f模式下的电池组的正常功率对电池组进行充电，直至最终充到电池要求的截止电压。
进一步地，当发电量小于负载的用电量，且大于负载的用电量的50％时，所述控制器控制储能子***以V/f模式放电补充负载的用电。
更进一步地，所述控制器控制储能子***以V/f模式放电补充负载的用电时，控制器获取电池组的SOC，并判断电池组的SOC是否小于30％；
如果电池组的SOC小于30％，则控制器输出报警信号，并启动柴油发电机，控制光伏子***、风电子***和储能子***独立运行；
如果电池组的SOC大于或等于30％，且光伏子***和风电子***的发电量提升至负载用电量的50％以上，则控制器输出提示信号，并控制柴油发电机关闭，并控制切换至光伏子***、风电子***和储能子***运行。
更进一步地，当电池组的SOC恢复到70％以上时，控制器控制储能子***停机并输出提示信号，关闭柴油发电机，并控制切换至光伏子***、风电子***和储能子***运行。
根据本申请实施例的第三方面，本申请还提供了一种计算机存储介质，其包括计算机程序，所述计算机程序由处理器执行，以完成上述任一项所述的海岛微电网控制方法中的所述步骤。
根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本申请通过在海岛微电网控制***中设置储能子***、光伏子***、风电子***、柴油发电机，通过控制器协调控制光伏子***、风电子***和柴油发电机的发电，以及储能子***、光伏子***、风电子***和柴油发电机的供电，能够平衡风光发电以及储能，为海岛上的负载提供持续稳定的电源。
应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本申请所欲主张的范围。
附图说明
下面的所附附图是本申请的说明书的一部分，其示出了本申请的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。
图1为本申请具体实施方式提供的一种海岛微电网控制***的结构示意图。
图2为本申请具体实施方式提供的一种海岛微电网控制方法的流程图。
附图说明：
1、储能子***；11、PCS；12、BMS；13、电池组；
2、光伏子***；21、光伏阵列；22、光伏逆变器；
3、风电子***；31、风机阵列；32、风机逆变器；
4、控制器；5、柴油发电机；6、第一配电柜；7、第二配电柜；8、负载；9、交换机；10、电表；20、操作器。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。
本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。
关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以细微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的细微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。
某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。
如图1所示，本申请提供了一种海岛微电网控制***，其包括储能子***1、光伏子***2、风电子***3、控制器4、柴油发电机5、第一配电柜6、第二配电柜7和负载8。
储能子***1包括PCS11(Power Conversion System，储能变流器)、BMS12(Battery Management System，电池管理***)和电池组13。
PCS11与BMS12通信连接，BMS12与电池组13连接，BMS12将获取的电池组13的状态信息发送给PCS11。PCS11根据电池组13的状态信息对电池进行保护性充放电，确保电池安全地运行。PCS11和BMS12均通过交换机9与控制器4连接。
光伏子***2包括光伏阵列21和光伏逆变器22，光伏阵列21与光伏逆变器22连接。
风电子***3包括风机阵列31和风机逆变器32，风机阵列31与风机逆变器32连接。
光伏逆变器22和风机逆变器32均与控制器4连接。
PCS11、光伏逆变器22和风机逆变器32均与第一配电柜6连接。第一配电柜6和柴油发电机5均与第二配电柜7连接。
负载8通过电表10与控制器4连接。
第一配电柜6用于海岛微电网***的配电输出和保护，第二配电柜7用于柴油发电机5及海岛微电网***的配电输出和保护。
正常状态下，储能子***1、光伏子***2和风电子***3，依次通过第一配电柜6和第二配电柜7给负载8供电。
具体地，储能子***1、光伏子***2和风电子***3均通过总线与控制器4连接，以总线协议实现双向通讯。
本申请海岛微电网控制***中还设置有操作器20，操作器20与控制器4连接，通过操作器20可以输入控制指令，该控制指令用于对电池组13的充放电状态进行控制。通过对电池组13的充放电状态的控制，实现对储能子***1输出电压的调节。具体地，操作器20包括但不限于触摸屏、键盘、按钮等。
本申请提供的海岛微电网控制***具备自诊断功能，具体表现在：1)开机自检：***通电时，***内部自诊断软件对***中关键的硬件和控制软件逐一进行检测，一旦检测通不过，就在显示器上显示出报警信息，并显示故障部位，只有开机自检项目全部正常通过，***才进入正常运行准备状态。2)实时自诊断：数控***运行时，随时对***内部、伺服***、I/O接口以及数控装置的其他外部装置进行自动测试检查，并显示有关状态信息。如果检测有问题，则立即显示报警信号及报警内容，并根据故障性质自动决定是否停止动作或停机。3)故障自诊断：对与外界通信中断、内部通信异常、模拟量采集异常等故障进行自诊断，并能够上报至监测***。控制器4将输出信号通过485总线和网线，利用MODBUS协议上报至监测***。
本申请提供的海岛微电网控制***中预置有无线网卡，控制器4通过无线网卡与外部移动智能终端(例如，手机和平板电脑等)进行通信。例如，可以向对应的手机号发送数据，以实现手机短信提示功能；还可以利用远程监控设备查询本申请海岛微电网控制***的运行参数，以实现远程数据监控功能。
本申请提供的海岛微电网控制***中设置协议转换模块，协议转换模块用于提供***中通信网络与广域网之间的数据转换，实现数据互联，通过物联网关和云服务器，能够将海岛微网信息发送至云平台上进行展示。
在一些极端情况下，例如，光伏子***2和风电子***3的发电量以及储能子***1的电量均不足以带动负载8运行时，或者控制器4故障、配电柜故障、***检修等微电网***故障时，柴油发电机5通过第二配电柜7给负载8供电。光伏阵列21的峰值温度系数在-0.38～0.44％/℃之间，温度越高，光伏组件的发电量越低。理论上，温度每升高一度，光伏阵列21的发电量降低0.44％左右。
基于以上海岛微电网控制***，如图2所示，本申请还提供了一种海岛微电网控制方法，其包括以下步骤：
S1、光伏逆变器22和风机逆变器32将发电量发送给控制器4，控制器4通过电表10获取海岛上负载8的用电量。
S2、控制器4将接收到的发电量与海岛上负载的用电量进行比较；
如果发电量大于用电量，则表示光伏子***2和风电子***3的发电量充足；否则，表示光伏子***2和风电子***3的发电量不足。
S3、当光伏子***2和风电子***3的发电量充足时，控制器4通过第一配电柜6控制启动光伏子***2和风电子***3，光伏子***2和风电子***3通过第一配电柜6和第二配电柜7给负载8供电；控制器4通过交换机9将开关量控制信号发送给PCS11，PCS11根据接收到的开关量控制信号控制储能子***1以V/f模式运行。其中，V/f模式为输出电压与频率成正比的控制模式，即U/F＝K，K为常数，U表示输出电压，F表示频率。
进一步地，当储能子***1以V/f模式运行时，电池组13处于充电状态，最终使得电池组13的SOC保持在30％～90％。BMS12将检测到的电池组13的SOC发送给控制器4。其中，SOC表示电池荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池可放电电量与其完全充电状态的电量的比值，常用百分数表示。
控制器4判断电池组13的SOC是否达到90％。
如果电池组13的SOC达到90％，则控制器4通过降低风机的转速和切换掉几组光伏阵列21的方式限制光伏子***2和风电子***3的发电量。
控制器4控制储能子***1以V/f模式下电池组13的最大功率值的5％对电池组13进行充电，直至最终充到电池要求的截止电压。
如果电池组13的SOC未达到90％，则控制器4控制储能子***1以V/f模式下的电池组13的正常功率对电池组13进行充电，直至最终充到电池要求的截止电压。
S4、当光伏子***2和风电子***3的发电量不足时，控制器4控制光伏子***2和风电子***3通过第一配电柜6和第二配电柜7给负载8供电，同时控制储能子***1以V/f模式放电补充负载8的用电。
具体地，当发电量小于负载8的用电量，且大于负载8的用电量的50％时，控制器4通过交换机9与PCS11进行通信，PCS11对电池组13中的电池进行保护性放电，即负载8缺少的电量通过储能子***1放电补充。
控制器4判断电池组13的SOC是否小于30％。
如果电池组13的SOC小于30％，则控制器4输出报警信号，并将第二配电柜7中的切换开关切换至低档位，启动柴油发电机5，控制器4分别对应通过光伏逆变器22、风机逆变器32和PCS11控制光伏子***2、风电子***3和储能子***1独立运行。在此工况下，光伏子***2、风电子***3和储能子***1均不给负载8供电，光伏子***2和风电子***3发出的少量电能全部用以储能。
如果电池组13的SOC大于或等于30％，且光伏子***2和风电子***3的发电量提升至负载8用电量的50％以上，则控制器4输出提示信号(例如，绿灯亮)，控制器4控制柴油发电机5关闭，并将第一配电柜6中的开关复位，其中第一配电柜6中的开关用于切换柴油发电机5与光伏子***2、风电子***3和储能子***1。
当通过监测储能子***1的SOC判定储能电量放空，无法实现光伏子***2、风电子***3和储能子***1启动时，控制器4启动柴油发电机5并切换第二配电柜7中的开关至低档位，整个海岛微网***降功率运行。维护开关闭合，柴油发电机5提供少量电量，以便于对光伏子***2、风电子***3和储能子***1进行启动维护。
当电池组13的SOC恢复到70％以上时，控制器4控制储能子***1停机并输出提示信号(例如，绿灯亮)，关闭柴油发电机5，并将第二配电柜7中的开关复位，断开维护开关。
运行稳定后，控制器4输出开关量信号，控制启动光伏子***2和风电子***3，光伏子***2、风电子***3和储能子***1恢复正常供电。
在示例性实施例中，本申请实施例还提供了一种计算机存储介质，是计算机可读存储介质，例如，包括计算机程序的存储器，上述计算机程序可由处理器执行，以完成前述海岛微电网控制方法中的所述步骤。
上述的本申请实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本申请的实施例也可为在数据信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)中执行上述方法的程序代码。本申请也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)执行的多种功能。可根据本申请配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本申请揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本申请执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本申请的精神与范围。
以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本申请保护的范围。

Claims (10)

1.一种海岛微电网控制***，其特征在于，包括储能子***、光伏子***、风电子***、控制器、柴油发电机、第一配电柜、第二配电柜和负载；
所述储能子***包括储能变流器、电池管理***和电池组；所述储能变流器与电池管理***通信连接，所述电池管理***和电池组连接，所述电池管理***将获取的所述电池组的状态信息发送给所述储能变流器，所述储能变流器根据所述电池组的状态信息对电池进行保护性充放电，所述储能变流器和电池管理***均与所述控制器连接；
所述光伏子***包括光伏阵列和光伏逆变器，所述光伏阵列与光伏逆变器连接；所述风电子***包括风机阵列和风机逆变器，所述风机阵列与风机逆变器连接；所述光伏逆变器和风机逆变器均与所述控制器连接；
所述储能变流器、光伏逆变器和风机逆变器均与所述第一配电柜连接，所述第一配电柜和柴油发电机均与所述第二配电柜连接；所述负载通过电表与所述控制器连接；所述第一配电柜用于海岛微电网***的配电输出和保护，所述第二配电柜用于所述柴油发电机及海岛微电网***的配电输出和保护。
2.根据权利要求1所述的海岛微电网控制***，其特征在于，还包括操作器，所述操作器与控制器连接，通过所述操作器输入控制指令，所述控制指令用于对所述电池组的充放电状态进行控制。
3.根据权利要求1所述的海岛微电网控制***，其特征在于，还包括无线网卡，所述控制器通过所述无线网卡与外部移动智能终端进行通信。
4.一种海岛微电网控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
光伏逆变器和风机逆变器将发电量发送给控制器，控制器获取海岛上负载的用电量；
控制器将接收到的发电量与海岛上负载的用电量进行比较；如果发电量大于用电量，则判定光伏子***和风电子***的发电量充足；否则，判定光伏子***和风电子***的发电量不足；
当光伏子***和风电子***的发电量充足时，控制器控制启动光伏子***和风电子***，光伏子***和风电子***通过给负载供电；控制器控制储能子***以V/f模式运行；
当光伏子***和风电子***的发电量不足时，控制器控制光伏子***和风电子***给负载供电，同时控制器控制储能子***以V/f模式放电补充负载的用电。
5.根据权利要求4所述的海岛微电网控制方法，其特征在于，所述控制器控制储能子***以V/f模式运行时，所述电池组处于充电状态，最终使得电池组的SOC保持在30％～90％。
6.根据权利要求5所述的海岛微电网控制方法，其特征在于，所述控制器控制储能子***以V/f模式运行时，控制器获取电池组的SOC，并判断电池组的SOC是否达到90％；
如果电池组的SOC达到90％，则控制器限制光伏子***和风电子***的发电量，并控制储能子***以V/f模式下电池组的最大功率值的5％对电池组进行充电，直至最终充到电池要求的截止电压；
如果电池组的SOC未达到90％，则控制器控制储能子***以V/f模式下的电池组的正常功率对电池组进行充电，直至最终充到电池要求的截止电压。
7.根据权利要求5所述的海岛微电网控制方法，其特征在于，当发电量小于负载的用电量，且大于负载的用电量的50％时，所述控制器控制储能子***以V/f模式放电补充负载的用电。
8.根据权利要求7所述的海岛微电网控制方法，其特征在于，所述控制器控制储能子***以V/f模式放电补充负载的用电时，控制器获取电池组的SOC，并判断电池组的SOC是否小于30％；
如果电池组的SOC小于30％，则控制器输出报警信号，并启动柴油发电机，控制光伏子***、风电子***和储能子***独立运行；
如果电池组的SOC大于或等于30％，且光伏子***和风电子***的发电量提升至负载用电量的50％以上，则控制器输出提示信号，并控制柴油发电机关闭，并控制切换至光伏子***、风电子***和储能子***运行。
9.根据权利要求8所述的海岛微电网控制方法，其特征在于，当电池组的SOC恢复到70％以上时，控制器控制储能子***停机并输出提示信号，关闭柴油发电机，并控制切换至光伏子***、风电子***和储能子***运行。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，包括计算机程序，所述计算机程序由处理器执行，以完成权利要求4～9任一项所述的海岛微电网控制方法中的所述步骤。
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