CN102157978B - 一种风光柴储孤立微网系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统分布式发电微网系统的技术领域，涉及一种风光柴储孤立微网系统，包括铅酸蓄电池、一组或者多组光伏电池阵列、风机、柴油发电机、微网监控子系统、可控负荷和不可控负荷，风机为一台以上的风力发电机或一组以上的风力发电机组，其中，铅酸蓄电池和光伏电池阵列通过各个前级双向DC/DC换流器并入直流母线，然后通过双向DC/AC逆变器接入交流母线，柴油发电机通过AC/DC换流器并入直流母线，风力发电机组通过AC/DC/AC换流器接入交流母线，微网监控子系统用于控制微网内的电压和频率保持稳定。本发明同时提出此种系统的协调运行控制方法。本发明具有较强的鲁棒性和灵活性，能够满足孤立微网系统长期、高效、稳定运行的需要。

Description

一种风光柴储孤立微网系统的控制方法

技术领域

本发明属于电力系统分布式发电微网系统的技术领域，涉及风光柴储孤立微网系统的网络结构和协调控制方法。 

背景技术

将分布式发电系统以微网的形式构成孤立系统独立运行，是解决偏远地区或者远离海岸孤岛供电的最有效方式。孤立微网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、负载和监控、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。 

在孤立微网系统的控制技术方面，国内外主要提出了两种控制模式：对等控制模式、主从控制模式。前者适用于可控电源较多，且规模较大的系统，具有“即插即用”，扩容性好的优点，但控制难度大，不易工程实现，仍处于实验室研究阶段。主从控制模式由于受主电源容量的限制，适用于规模较小的系统，其扩容性差，但工程实现难度小，目前广泛应用于独立供电系统中。国内外围绕小型风光储/光储/风储互补系统的协调控制技术研究较多。在这些系统中，储能装置作为主电源起到了系统功率平衡的关键作用，如果其它分布式电源的出力大于负荷，多于电力给电池充电；反之则电池放电，满足负荷的需求。早期的研究中多以铅酸电池作为储能装置，对于电池的充放电控制比较简单，大多数电池并不能达到设计使用寿命，容易导致电池提前失效(铅酸电池的满充放电循环次数仅为600-1000次)，增加了系统的运行成本。合理的电池的充放电控制策略应能够根据日照的强弱、风力的大小及负荷的变化，不断对蓄电池的工作状态进行切换和调节，使其在充电、放电或浮充电等多种工况下交替运行，同时还要对系统内的可再生能源发电合理调度，防止蓄电池过充电和过放电，保证系统工作的连续性和稳定性。由于自治供电系统是多种能源的组合，电能传输的波动性和不确定性增加了电池充放电电流有效控制的难度，进而影响电池的使用寿命。因此，现有的储能设备逆变器和控制技术难以满足孤立微网系统长期稳定运行的需要。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种新型的孤立微网系统，同时给出此种微网系统的协调运行控制方法，以满足微网系统的长期稳定运行。 

为此，本发明采用如下的技术方案： 

一种风光柴储孤立微网系统，包括铅酸蓄电池、一组或者多组光伏电池阵列、风机、柴油发电机、微网监控子系统、可控负荷和不可控负荷，所述的风机为一台以上的风力发电机或一组以上的风力发电机组，其中，铅酸蓄电池和光伏电池阵列通过各个前级双向DC/DC换流器并入直流母线，然后通过双向DC/AC逆变器接入交流母线，柴油发电机通过AC/DC换流 器并入直流母线，风力发电机组通过AC/DC/AC换流器接入交流母线，微网监控子系统用于控制微网内的电压和频率保持稳定。 

本发明同时提供一种适用于上述的风光柴储孤立微网系统的控制方法，当铅酸蓄电池电量达到设定上限时，退出柴油发电机，由铅酸电池与光伏发电、风力发电机共同向微网内的负荷供电，由铅酸电池补充光伏发电、风力发电与实际负荷需求之间的差额；当铅酸电池剩余容量小于设定下限时，如果光伏发电与风力发电的总和能够满足微网内的负荷需求，则利用多余电力给电池充电；如果无法满足，则开启柴油发电机，由柴油发电机、光伏发电、风力发电的出力总和与实际负荷的差额电力给铅酸蓄电池充电；当铅酸蓄电池充满时，退出柴油发电机，该控制方法还包括以下几个方面： 

(1)对蓄电池的充放电电流、端电压以及荷电状态三个指标进行监控，并分别设定限值； 

(2)减少电池的充放电切换次数：在蓄电池放电过程中，如果光伏发电和风力发电总和大于微网负荷需求，则切除部分光伏电池阵列和风力发电机组，以保证铅酸蓄电池始终工作在放电状态；并通过对蓄电池的荷电状态和端电压的实时监控，确保蓄电池的工作区间维持在设定范围内；如果电池充电过程中，光伏发电和风力发电总和小于微网负荷，则开启柴油发电机为其充电，确保铅酸蓄电池在充电过程中不放电，同时确保充电电流不高于铅酸电池的充电电流最大限幅。 

(3)根据蓄电池电池荷电状态(SOC)或端电压的监控值是否高于上限或低于下限，关闭和开启柴油发电机，并对柴油发电机的最少运行时间进行限定。 

(4)风力发电机组投入之前，要检测风机停机时间是否达到设定的时间限制，只有达到限制的风力发电机组才可以投入； 

(5)光伏电池阵列的投入和切除优先于风力发电机组的投入和切除。 

(6)当蓄电池荷电状态(SOC)大于设定值时，投入可控负荷，否则不投入可控负荷。 

本发明中，蓄电池的工作区间最好维持在电池充满SOC的50％至90％的设定范围内； 

本发明中，可再生能源的投入和切除方式可以如下： 

设系统中配置M台或M组风机、N组光伏电池阵列，其中，M、N为大于1的正整数，设XPpv为光伏电池阵列的功率上限，若单组光伏电池额定功率为Ppvn，则XPpv可以设置为0、Ppvn、2Ppvn……NPpvn，共有N+1个档位，可再生能源的投入方式如下： 

首先，投入光伏：监测光伏的档位XPpv现值，若XPpv≥kPpvn，其中，k∈[0，N-1]，将XPpv设为(k+1)Ppvn，进入Δt时延；若XPpv＝NPpvn，进入切除风机步骤； 

其次，投入风机：监测风机满足Δt_ws＞Mint_ws的台数或组数P，若P≥1，投入1台或1组风机；若投入成功，进入Δt时延； 

切除可再生能源的切除方式如下： 

首先，切除光伏：监测光伏的档位XPpv现值，若(k+1)Ppvn≥XPpv＞kPpvn，将XPpv设为kPpvn，进入Δt时延；若XPpv＝0，进入切除风机步骤； 

其次，切除风机：监测开启的风机台数或组数Q，若Q≥1，切除1台或一组风机；若切除 成功，进入Δt时延。 

本发明提出的风光柴储孤立微网系统及其协调运行控制方法具有以下的优点：(1)防止电池过充和过放。(2)减少电池的充放电切换次数。(3)防止柴油发电机的频繁启停。(4)限制风力发电机的投切，优先使用光伏电池阵列的投切，从而提高整个微网系统的运行可靠性。(5)通过与微网内所有分布式电源和负荷的实时通讯，监测光伏发电、风力发电的出力情况、负荷大小以及蓄电池的荷电状态，对微网内的各个分布式电源和负载进行有效的调度，保证微网的长期稳定运行。 

附图说明

图1是风光柴储交直流孤立微网系统的结构说明。 

图2是本发明协调运行控制方法流程图。 

图3是投入光伏阵列和风力发电机组的控制流程图。 

图4是退出光伏发电和风力发电机组合的控制流程图。 

具体实施方式

参见图1本发明提出的孤岛微网系统由铅酸蓄电池、一组或者多组光伏电池阵列、一台或者多台小型风力发电机组、柴油发电机、可调节负荷、不可调节负荷、微网监控子系统组成。铅酸蓄电池、光伏电池和柴油发电机，采用一体化双向逆变器并入交流母线。该逆变器由多个前级DC/DC换流器、一个AC/DC换流器和一个DC/AC换流器组成。铅酸电池和光伏阵列可分别通过DC/DC换流器并入直流母线，柴油发电机通过AC/DC换流器并入直流母线，然后通过一个DC/AC逆变装置接入交流微网。铅酸蓄电池所连接的DC/DC模块，统一的DC/AC模块均可实现电能的双向流动。采用永磁同步发电机的小型风力机组通过AC/DC/AC换流器接入交流微网。为了保证孤立微网系统的长期稳定运行，需要利用稳定的交流电源控制微网内交流电压幅值和频率的稳定，本发明利用一体化并网逆变器作为微网的主电源，利用DC/AC换流器控制微网内的电压和频率保持稳定。 

风光柴储微网系统的基本运行方式为：当铅酸蓄电池电量较高时，退出柴油发电机，由铅酸电池与光伏发电、风力发电机共同向微网内的负荷供电，铅酸电池可补充光伏发电、风力发电与实际负荷需求之间的差额；当铅酸电池剩余容量较小时，如果光伏发电与风力发电的总和能够满足微网内的负荷需求，则利用多余电力给电池充电。如果无法满足，则开启柴油发电机，并入微网系统，柴油发电机、光伏发电、风力发电的出力总和与实际负荷的差额电力给铅酸蓄电池充电；当铅酸蓄电池充满时，即可退出柴油发电机。 

孤立微网系统的协调运行控制方法中采用多种限制条件以满足实际孤立微网系统的运行需要，保证铅酸电池的使用寿命，最大可能利用可再生能源，减少柴油发电机的耗油量。控制方法的主要为： 

(1)防止电池过充和过放。由于大充、大放、过充和过放等对蓄电池的伤害较大。因此，对充放电电流、端电压以及电池的荷电状态(SOC)三个指标进行监控，并分别设定限值。充电电流限制在MaxI_bat以内，放电电流不能超过MaxI_batdis，铅酸电池的工作端电压设定在区间 (MinV_bat，MaxV_bat)内。工作SOC设定在区间(MinSOC_bat，MaxSOC_bat)内，对应SOC的50％和90％的设定范围内。 

(2)减少电池的充放电切换次数。铅酸电池不做频繁的充放电切换，在电池放电过程中，如果光伏发电和风力发电总和大于微网负荷需求，则需要切除部分光伏电池和风力发电机组，以保证铅酸电池始终工作在放电状态。此外，通过对SOC和电池组端电压的实时监控，确保电池的工作区间维持在50％至90％内。如果电池充电过程中，光伏发电和风力发电总和小于微网负荷，则需要开启柴油发电机为其充电，确保铅酸蓄电池在充电过程中不放电，同时确保充电电流不高于铅酸电池的充电电流最大限幅MaxI_bat。 

(3)防止柴油发电机的频繁启停。本发明中，柴油发电机的开启主要用于给铅酸蓄电池充电。柴油发电机开启的条件为：电池SOC低于MinSOC_bat，或者电池端电压低于MinV_bat；柴油发电机关闭的条件为：电池SOC高于MaxSOC_bat，或者电池端电压高于MaxV_bat，且柴油发电机的运行时间要达到最小运行时间限值MinT_DG。 

(4)风力发电机的投切。风机频繁启停会造成机械磨损、影响寿命。因此，要尽量限制风机在一天内的启停机次数。本发明中，如果单台风机的功率较小，可以把几台风机作为一组，每次状态转换(投入或者切除风机)，成组风机同时动作，避免小功率波动造成的风机频繁投切；投入风机之前，要检测风机停机时间Δt_ws是否达到设定的时间限制Mint_ws，只有达到限制的风机才可以投入。 

(5)光伏电池阵列的投切。光伏电池不同于风力发电机组，不存在机械磨损问题，可以利用光伏电池接入的DC/DC换流器，对其进行功率限制或启停操作。本发明优先采用投切光伏电池阵列的控制方法。 

(6)可控负载的投切。本发明中的可控负载只有当电池SOC较大时才投入。此处设定SOC_load，当电池SOC大于SOC_load时，则投入可控负载，否则不投。 

(7)利用微网综合监控系统，通过与微网内所有分布式电源和负荷的实时通讯，监测光伏发电、风力发电的出力情况、负荷大小以及蓄电池的荷电状态，对微网内的各个分布式电源和负载进行有效的调度，保证微网的长期稳定运行。 

下面结合附图2，对本发明的控制方法进行说明。 

第一步：检测电池状态。当蓄电池荷电状态SOC小于下限MinSOC_bat或者端电压V_bat小于下限MinV_bat，则电池处于充电状态，转到第二步；否则，处于放电状态，转到第三步。 

第二步：在此步循环期间，电池处于充电状态。为防止风机频繁切换，风力发电机组只切不投。设定柴油发电机功率Pd＝Lnet-MaxBATpin，其中Lnet为净负荷，即负荷与光伏发电和风力发电出力总和的差，MaxBATpin为电池最大充电功率限制，MaxBATpin＝MaxI_bat×V_bat。限制Pd在[50％Pdn，Pdn]范围内，其中Pdn为柴油发电机的额定功率，如果Pd＜50％Pdn，则设定Pd＝50％Pdn。由此可得到电池充电功率Pbat＝Lnet-Pd，如果此功率超过上限MaxBATpin，则需要切除部分可再生能源，在控制过程中允许电池短时放电。 

继续判断电池状态是否充满，即电池的SOC高于MaxSOC_bat，或者电池端电压高于MaxV_bat，且柴油发电机的开启时间达到达到最小运行时间限值MinT_DG。若满足上述条件，则在下一时 刻转到第三步，否则，继续在第二步中循环。 

第三步：在此步循环期间，电池处于放电状态。检测电池状态，判断是否投入可控负载，当电池SOC大于SOC_load，则投入，否则不投。根据电池的放电功率Pbat，决定投入、切除或者不变可再生能源。如果Pbat＜Pblow，则需要切除部分光伏电池阵列和风力发电机组；如果Pbat＞Pbup，那么则需要投入可再生能源。其中，Pblow、Pbup分别是电池切除、投入可再生能源的限值；如果Pbup＞Pbat＞Pblow不在以上范围内，则不进行操作。继续判断电池状态是否达到充电标准，即电池的SOC低于MinSOC_bat，或者电池端电压低于MinV_bat，若满足，则下一时刻转到第二步，否则，继续在第三步中循环。 

下面接合附图3、4，介绍可再生能源的投入和退出控制流程。 

系统中配置M台单机容量较大的风力发电机(也可以认为M组单机容量较小的风力发电机组)、N组光伏电池阵列，其中，M、N为大于1的正整数。XPpv为光伏电池阵列的功率上限，若单组光伏额定功率为Ppvn，则XPpv可以设置为0、Ppvn、2Ppvn……NPpvn，共有N+1个档位。 

其中，投入可再生能源的流程图如附图3所示： 

首先，投入光伏：监测光伏的档位XPpv现值，若XPpv≥kPpvn，其中，k∈[0，N-1]，将XPpv设为(k+1)Ppvn，进入Δt时延；若XPpv＝NPpvn，进入切除风机步骤。其中Δt时延是为了使系统在进行操作后恢复稳定。 

其次，投入风机：监测风机满足Δt_ws＞Mint_ws的台(组)数P，若P≥1，投入1台(组)风机，若投入不成功，则报错“风机投入不成功”；若投入成功，进入Δt时延。 

切除可再生能源的流程图如附图4所示： 

首先，切除光伏：监测光伏的档位XPpv现值，若(k+1)Ppvn≥XPpv＞kPpvn，将XPpv设为kPpvn，进入Δt时延；若XPpv＝0，进入切除风机步骤。 

其次，切除风机：监测开启的风机台(组)数Q，若Q≥1，切除1台(组)风机，若切除不成功，则报错“风机切除不成功”；若切除成功，进入Δt时延。 

Claims (3)

1.一种风光柴储孤立微网系统的控制方法，所述的风光柴储孤立微网系统包括铅酸蓄电池、一组或者多组光伏电池阵列、风机、柴油发电机、微网监控子系统、可控负荷和不可控负荷，所述的风机为一台以上的风力发电机或一组以上的风力发电机组，其中，铅酸蓄电池和光伏电池阵列通过各个前级双向DC/DC换流器并入直流母线，然后通过双向DC/AC逆变器接入交流母线，柴油发电机通过AC/DC换流器并入直流母线，风力发电机组通过AC/DC/AC换流器接入交流母线，微网监控子系统用于控制微网内的电压和频率保持稳定，其特征在于，

当铅酸蓄电池电量达到设定上限时，退出柴油发电机，由铅酸蓄电池与光伏发电、风力发电机共同向微网内的负荷供电，由铅酸蓄电池补充光伏发电、风力发电与实际负荷需求之间的差额；当铅酸蓄电池剩余容量小于设定下限时，如果光伏发电与风力发电的总和能够满足微网内的负荷需求，则利用多余电力给电池充电；如果无法满足，则开启柴油发电机，由柴油发电机、光伏发电、风力发电的出力总和与实际负荷的差额电力给铅酸蓄电池充电；当铅酸蓄电池充满时，退出柴油发电机，该控制方法还包括以下几个方面：

（1）对铅酸蓄电池的充放电电流、端电压以及荷电状态三个指标进行监控，并分别设定限值；

（2）减少电池的充放电切换次数：在铅酸蓄电池放电过程中，如果光伏发电和风力发电总和大于微网负荷需求，则切除部分光伏电池阵列和风力发电机组，以保证铅酸蓄电池始终工作在放电状态；并通过对铅酸蓄电池的荷电状态和端电压的实时监控，确保铅酸蓄电池的工作区间维持在设定范围内；如果电池充电过程中，光伏发电和风力发电总和小于微网负荷，则开启柴油发电机为其充电，确保铅酸蓄电池在充电过程中不放电，同时确保充电电流不高于铅酸蓄电池的充电电流最大限幅；

（3）根据铅酸蓄电池电池荷电状态(SOC)或端电压的监控值是否高于上限或低于下限，关闭和开启柴油发电机，并对柴油发电机的最少运行时间进行限定；

（4）风力发电机组投入之前，要检测风机停机时间是否达到设定的时间限制，只有达到限制的风力发电机组才可以投入；

（5）光伏电池阵列的投入和切除优先于风力发电机组的投入和切除；

（6）当铅酸蓄电池荷电状态(SOC)大于设定值时，投入可控负荷，否则不投入可控负荷。

2.根据权利要求1所述的风光柴储孤立微网系统的控制方法，其特征在于，铅酸蓄电池的工作区间维持在电池充满SOC的50%至90%的设定范围内。

3.根据权利要求1或2任意一项所述的风光柴储孤立微网系统的控制方法，其特征在于，设系统中配置M台或M组风机、N组光伏电池阵列，其中，M、N为大于1的正整数，设XPpv为光伏电池阵列的功率上限，若单组光伏电池额定功率为Ppvn，则XPpv可以设置为0、Ppvn、2Ppvn……NPpvn，共有N+1个档位，可再生能源的投入方式如下：

首先，投入光伏：监测光伏的档位XPpv现值，若XPpv≥kPpvn，其中，k∈[0,N-1]，将XPpv设为(k+1)Ppvn，进入Δt时延，Δt时延是为了使系统在进行操作后恢复稳定；若XPpv=NPpvn，进入切除风机步骤；

其次，投入风机：监测风机满足Δt_ws>Mint_ws的台数或组数P，若P≥1，投入1台或1组风机；若投入成功，进入Δt时延，其中，Δt_ws为风机停机时间,Mint_ws为设定的时间限制；

切除可再生能源的切除方式如下：

首先，切除光伏：监测光伏的档位XPpv现值，若(k+1)Ppvn≥XPpv>kPpvn，将XPpv设为kPpvn，进入Δt时延；若XPpv=0，进入切除风机步骤；

其次，切除风机：监测开启的风机台数或组数Q，若Q≥1，切除1台或一组风机；若切除成功，进入Δt时延。

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