CN110535190A - 一种户用微网能量路由器能量管理单元的本地控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种户用微网能量路由器能量管理单元的本地控制方法，针对家用光伏发电设备、锂电池储能设备、典型家用电器所形成的家庭型微网***，以及该***的稳定运行、协同控制等问题，研发户用微网能量路由器能量管理单元设备；在市电出现故障时，与直流照明主控单元DCU本地联动，执行MEMS简单调度命令，让最合适的户用微网给直流照明LED供电，做到交流电网与户用光储直流微网主‑备互补；EMU集成了包含不同运行控制策略的单片机，提出一套户用微网在并网模式、离网模式、受限模式下的控制逻辑，实现对户用级微网路由能量管理调度、多电压等级序列交直流母线能量流的协调控制，实现光伏发电的最大程度利用。

Description

一种户用微网能量路由器能量管理单元的本地控制方法
技术领域
本发明涉及用于解决家用分布式光伏发电、锂电池储能、典型家用电器（LED灯具）集成优化控制和管理等应用问题领域，尤其设计一种户用微网能量路由器能量管理单元的本地控制方法。
背景技术
当前，我国正处于经济与社会飞速发展的重要阶段，在实现工业化、信息化及城镇化的过程中，面临着多方面的挑战，如环境与资源对人类社会发展的制约；能源与环境同温室气体排放之间的矛盾；资源与能源在开发利用率上的平衡等。依靠传统的化石燃料已经很难继续维持经济、社会的健康、协调与可持续发展。
就目前而言，开发利用清洁高效的可再生能源是解决未来能源问题的主要出路。微电网可集成大量的可再生能源，将可再生能量充分的就地消纳，在获取经济效益的同时减少环境负担。微电网技术会成为未来能源利用模式变革的重要推动力。
户用微网就是在这样的背景环境下顺势而出，在用户侧安装光伏发电及储能设备，减少传统电能的消耗，提高可再生能源的占比。寻找出一种高效、稳定、可行的能量路由管理***是户用微网技术的关键。
发明内容
针对家用光伏分布式发电设备、锂电池储能设备、典型家用电器（照明LED灯具等交、直流负荷）所形成的家庭集成型能源***，以及该集成***的稳定运行、协同控制等问题，研发户用微网能量路由器能量管理单元设备，在市电出现故障时，与直流照明主控单元DCU本地联动，执行MEMS简单调度命令，为最合适的户用微网给直流照明LED供电，做到交流电网与户用光储直流微网主-备互补，实现为新型智能照明不间断供电。其中，EMU集成了包含不同运行控制策略的单片机，根据两种不同的用户（市电供应稳定的用户与市电供应不稳定的用户）提出一套户用微网在并网模式、离网模式、受限模式下的控制逻辑，实现对户用级微网路由能量管理调度、多电压等级序列交直流母线能量流的协调控制，能够保证户用微网在接受不到后台控制指令的情况下独立安全运行，最终实现光伏发电的最大程度利用。
基于家庭泛新能源微网能量路由器为核心的交直流混合微电网，其EMU能够监测***中各元器件的运行状态，对***中各个变流器和开关元器件进行控制，实现对***故障的及时报警，以及对运行模式的转变和切换。
针对利用光伏发电的优先级别，设计EMU不同工况下启发式本地控制策略，并给出控制逻辑。EMU运行控制逻辑如下：
检测判断户用微网中并网逆变器电网侧是否故障，若存在故障则进入受限模式。再判断微网是否具备并网工作条件。
并网模式：
（1）判断是否为昼间，是则进入（2），否则进入（11）；
（2）判断光伏功率是否大于交直流负荷与电池最大充电功率之和，是则进入（3），否则进入（6）；
（3）判断电池是否可以进行充电，是则进入（4），否则进入（5）；
（4）电池按最大允许功率充电，并网逆变器逆变上网功率为光伏发电功率与负载功率及电池最大充电功率的差值；
（5）并网逆变器逆变上网功率为光伏发电功率与负载功率的差值，电池不进行充放电；
（6）判断光伏功率是否大于负荷功率，是则进入（7），否则进入（10）；
（7）判断电池是否可以进行充电，是则进入（8），否则进入（9）；
（8）并网逆变器逆变上网功率为0，电池充电功率为光伏发电功率与负载功率的差值；
（9）并网逆变器逆变上网功率为光伏发电功率与负载功率的差值，电池不进行充放电；
（10）并网逆变器整流取电功率为负载功率与光伏发电功率的差值，电池不进行充放电；
（11）判断电池荷电状态SOC是否大于0.2，是则进入（12），否则进入（15）；
（12）判断电池最大放电功率是否大于负荷功率，是则进入（13），否则进入（14）；
（13）并网逆变器功率为0，无余电，电池放电功率与负荷功相等；
（14）并网逆变器整流取电功率为负荷功率与电池最大放电功率的差值，电池按照最大功率放电；
（15）并网逆变器整流取电功率为负荷功率，电池不进行充放电。
离网模式：
（1）判断光伏功率是否大于交直流负荷与电池最大充电功率之和，是则进入（2），否则进入（5）；
（2）判断电池是否可以进行充电，是则进入（3），否则进入（4）；
（3）设置光伏MPPT输出功率为负载功率与电池最大允许充电功率之和，电池按最大允许功率充电；
（4）设置光伏MPPT输出功率为负载功率，电池不进行充放电；
（5）判断光伏功率是否大于负荷功率，是则进入（6），否则进入（9）；
（6）判断电池可否进行充电，是则进入（7），否则进入（8）；
（7）光伏MPPT输出最大功率，电池按照光伏发电功率与负载功率的差值进行充电；
（8）设置光伏MPPT输出功率为负荷功率，电池不进行充放电；
（9）判断电池可否进行放电，是则进入（10），否则进入（11）；
（10）光伏MPPT输出最大功率，电池放电功率为负载功率与光伏发电功率的差值；
（11）光伏MPPT输出最大功率，电池不进行充放电，切除部分或全部负荷。
受限模式：
（1）三个户用直流微网的电池荷电状态SOC进行比较，若其中最高值小于0.2则进入离网模式，最高值大于0.2则进入（2）；
（2）闭合户用微网与直流照明LED间的开关，并将照明功率调节到最低值。判断光伏功率是否大于负荷功率、直流照明最低功率与电池最大充电功率之和，是则进入（3），否则进入（6）；
（3）判断电池可否进行充电，是则进入（4），否则进入（5）；
（4）设置光伏MPPT输出功率为负载功率、直流照明功率及电池最大充电功率之和，电池按最大功率进行充电；
（5）设置光伏MPPT输出功率为负载功率与直流照明功率之和，电池不进行充放电；
（6）判断光伏功率是否大于负荷功率与直流照明功率之和，是则进入（7），否则进入（10）；
（7）判断电池可否进行充电，是则进入（8），否则进入（9）；
（8）光伏MPPT输出最大功率，电池按照光伏发电功率与负荷和直流照明功率的差值进行充电；
（9）设置光伏MPPT输出功率为负荷功率与直流照明功率之和，电池不进行充放电；
（10）判断电池荷电状态SOC是否大于0.2，是则进入（11），否则进入（12）；
（11）光伏MPPT输出最大功率，电池按照负荷功率与直流照明功率的和值与光伏发电功率的差值进行放电；
（12）断开户用微网与直流照明的连通开关，跳回（1）重新进行判断。
一种户用微网能量路由器能量管理单元的本地控制方法，能够实现家庭用户多条不同电压等级交直流母线能量管理，其中包括光伏直流母线、能量路由器直流母线、市电交流母线、高压单极式直流馈线母线，使得微网路由器需完成多母线间能量流的协同控制；能够实现家庭用户在并网模式、离网模式和受限模式下稳定运行并对保证直流照明设备的不间断供电，在“自发自用、余电上网”的运行模式下，实现分布式发电更大程度的就地消纳。
附图说明
图1为交直流混合微电网能量路由***的拓扑结构图；
图2为户用微网能量路由***控制逻辑流程图。
具体实施方式
研究能量管理单元(EMU)本地控制技术。基于家庭泛新能源微网能量路由器为核心的交直流混合微电网，其EMU集成了包含不同运行控制策略的单片机，根据两种不同的用户（市电供应稳定的用户与市电供应不稳定的用户）提出一套户用微网在并网模式、离网模式、受限模式下的控制逻辑，实现对户用级微网路由能量管理调度、多电压等级序列交直流母线能量流的协调控制，能够保证户用微网在接受不到后台控制指令的情况下独立安全运行，最终实现光伏发电的最大程度利用。
在微电网运行管理过程中，EMU需要不断采集和控制***中的各个变量，在***条件变换或者发生故障的时候及时进行状态的切换及报警，以保证***稳定运行。需要监测采集的控制变量如下：
1.采集三个户用微网并网逆变器与集中柜并网侧的电压、电流、频率，用来判断电网是否故障；
2.采集三个户用微网***中直流母线的电压和电流，用来判断微网是否满足并网条件；
3.采集三个户用微网并网开关状态，用来判断是否并网；
4.采集户用微网中并网逆变器功率、每日上网电量、累计上网电量、每日取电量、累计取电量，用来获取并网逆变器运行状态；
5.采集微网***中交直流负荷功率、每日用电量、累计用电量，获取能量路由器负荷侧运行状态；
6.采集三个户用微网***中储能电池功率、荷电状态（SOC）、电池健康情况（State ofHealth，SOH）、温度、每日充电量、每日放电量、累计放电量，用来分析电池运行状态；
7.采集微网***中光伏的实时发电功率、每日发电量、累计发电量，用来分析光伏发电状态；
8.采集三个户用微网***高压变流器的功率、每日变流量、累计变流量、联动开关的开合状态，用来获取能量路由器给LED供电状态；
9.采集直流照明LED电压、电流、功率、每日用电量、累计用电量、集中柜DCU每日整流功率、每日整流电量、累计整流电量，用来获取LED运行状态；
10.EMU本地控制户用微网***并网开关开合、集中柜并离网、并网逆变器逆变功率、交直流负荷所连逆变器功率、光伏功率控制器；
11.MEMS和EMU联合对联动开关及高压变流器进行控制。
交直流混合微电网由交流子微网和直流子微网组成，如图1所示，交流子微网由多联机空调、光伏组件、并网逆变器构成，光伏发出的电量通过并网逆变器上网，空调等交流负荷直接从电网中取电；直流子微网由三台户用级能量路由器通过高压变流器端口连接到300V单极式直流馈线，通过集中柜连接市电和单极式直流馈线，直流馈线上接入直流照明，正常运行时集中柜从电网取电，为直流照明LED供电，受限模式下则由三台能量路由器中状态最好的为LED供电。每台户用级能量路由器中集成了并网逆变器、高压变流器、交流负荷逆变器、储能电池、直流负荷变流器、光伏功率控制器。其内部的直流母线电压为48V，利用能量管理单元EMU对微网的运行状态进行控制。
家庭泛新能源微网能量路由***控制逻辑流程图（图2）
该能量路由***控制逻辑为一个循环指令，EMU通过对直流子微网中各元件运行状态数据的监测采集，判断微网的运行状态，利用内部集成的单片机对能量路由器进行控制，使得微网能够稳定运行。

Claims (3)

1.一种户用微网能量路由器能量管理单元的本地控制方法，其特征在于：能量管理单元（EMU）集成了包含不同运行控制策略的单片机，针对户用级微网提出一套在并网模式、离网模式、受限模式下的控制逻辑，实现对户用级微网路由能量管理调度、多电压等级序列交直流母线能量流的协调控制，能够保证户用微网在接受不到后台控制指令的情况下独立安全运行，最终实现户用微网中电能的自发自用和余电上网；该EMU控制逻辑的目标是实现光伏发电的最大程度利用，实现各家庭微网***运行在自发自用、余电上网的模式，针对利用光伏发电的优先级别，设计EMU不同工况下启发式本地控制策略，并给出控制逻辑，EMU运行控制逻辑如下：
并网模式：
（1）判断是否为昼间，是则进入（2），否则进入（11）；
（2）判断光伏功率是否大于交直流负荷与电池最大充电功率之和，是则进入（3），否则进入（6）；
（3）判断电池是否可以进行充电，是则进入（4），否则进入（5）；
（4）电池按最大允许功率充电，并网逆变器逆变上网功率为光伏发电功率与负载功率及电池最大充电功率的差值；
（5）并网逆变器逆变上网功率为光伏发电功率与负载功率的差值，电池不进行充放电；
（6）判断光伏功率是否大于负荷功率，是则进入（7），否则进入（10）；
（7）判断电池是否可以进行充电，是则进入（8），否则进入（9）；
（8）并网逆变器逆变上网功率为0，电池充电功率为光伏发电功率与负载功率的差值；
（9）并网逆变器逆变上网功率为光伏发电功率与负载功率的差值，电池不进行充放电；
（10）并网逆变器整流取电功率为负载功率与光伏发电功率的差值，电池不进行充放电；
（11）判断电池荷电状态SOC是否大于0.2，是则进入（12），否则进入（15）；
（12）判断电池最大放电功率是否大于负荷功率，是则进入（13），否则进入（14）；
（13）并网逆变器功率为0，无余电，电池放电功率与负荷功相等；
（14）并网逆变器整流取电功率为负荷功率与电池最大放电功率的差值，电池按照最大功率放电；
（15）并网逆变器整流取电功率为负荷功率，电池不进行充放电；
离网模式：
（1）判断光伏功率是否大于交直流负荷与电池最大充电功率之和，是则进入（2），否则进入（5）；
（2）判断电池是否可以进行充电，是则进入（3），否则进入（4）；
（3）设置光伏MPPT输出功率为负载功率与电池最大允许充电功率之和，电池按最大允许功率充电；
（4）设置光伏MPPT输出功率为负载功率，电池不进行充放电；
（5）判断光伏功率是否大于负荷功率，是则进入（6），否则进入（9）；
（6）判断电池可否进行充电，是则进入（7），否则进入（8）；
（7）光伏MPPT输出最大功率，电池按照光伏发电功率与负载功率的差值进行充电；
（8）设置光伏MPPT输出功率为负荷功率，电池不进行充放电；
（9）判断电池可否进行放电，是则进入（10），否则进入（11）；
（10）光伏MPPT输出最大功率，电池放电功率为负载功率与光伏发电功率的差值；
（11）光伏MPPT输出最大功率，电池不进行充放电，切除部分或全部负荷；
受限模式：
（1）三个户用直流微网的电池荷电状态SOC进行比较，若其中最高值小于0.2则进入离网模式，最高值大于0.2则进入（2）；
（2）闭合户用微网与直流照明LED间的开关，并将照明功率调节到最低值；
判断光伏功率是否大于负荷功率、直流照明最低功率与电池最大充电功率之和，是则进入（3），否则进入（6）；
（3）判断电池可否进行充电，是则进入（4），否则进入（5）；
（4）设置光伏MPPT输出功率为负载功率、直流照明功率及电池最大充电功率之和，电池按最大功率进行充电；
（5）设置光伏MPPT输出功率为负载功率与直流照明功率之和，电池不进行充放电；
（6）判断光伏功率是否大于负荷功率与直流照明功率之和，是则进入（7），否则进入（10）；
（7）判断电池可否进行充电，是则进入（8），否则进入（9）；
（8）光伏MPPT输出最大功率，电池按照光伏发电功率与负荷和直流照明功率的差值进行充电；
（9）设置光伏MPPT输出功率为负荷功率与直流照明功率之和，电池不进行充放电；
（10）判断电池荷电状态SOC是否大于0.2，是则进入（11），否则进入（12）；
（11）光伏MPPT输出最大功率，电池按照负荷功率与直流照明功率的和值与光伏发电功率的差值进行放电；
（12）断开户用微网与直流照明的连通开关，跳回（1）重新进行判断。
2.根据权利要求1所述的一种户用微网能量路由器能量管理单元的本地控制方法，其特征在于：所述的在受限模式下，市电出现故障后，EMU与直流照明主控单元DCU本地联动，执行MEMS简单调度命令，为最合适的户用微网给直流照明LED供电，做到交流电网与户用光储直流微网主-备互补，实现为新型智能照明不间断供电。
3.根据权利要求1所述的一种户用微网能量路由器能量管理单元的本地控制方法，其特征在于：基于家庭泛新能源微网能量路由器为核心的交直流混合微电网中，EMU能够监测***中各元器件的运行状态，对***中各个变流器和开关元器件进行控制，实现对***故障的及时报警，以及对运行模式的转变和切换。
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