CN102664429B - 一种并网不上网微网系统及其控制保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并网不上网微网系统及其控制保护方法，在基本不改变原有配电系统结构的情况下，把多种类型的分布式电源，如风力发电系统、光伏发电系统和电池储能系统等，通过交流母线跟用户负载一起并入公共电网，通过合理的负荷规划和主动的能量管理实现微网系统并网不上网。通过上述结构的设计及微网中央控制器的主动能量管理，使新能源发电完全自发自用，不向公共电网反向送电，在有效减少对公共电网的用电需求并最大化利用新能源发电的同时，还可以避免对公共电网的正常供电造成冲击；同时，依托公共电网的支撑，使用户负载获得更好的供电可靠性和电能质量。

Description

一种并网不上网微网系统及其控制保护方法

技术领域

本发明涉及微网集成应用、微网能量管理和控制技术领域，具体地，涉及一种并网不上网微网系统及其控制保护方法。

背景技术

近年来，随着新能源发电技术的不断发展提高，风能和太阳能等间歇性能源的发电渗透率也随之不断增加，但由于分布式电源相对公共电网来说是不可控发电单元，因此大系统往往通过限制和隔离的方式来减小其对公共电网的冲击。

为了削弱分布式发电对公共电网的冲击和负面影响，通过微网集成技术来优化整合分布式发电系统，可以很好的解决目前大规模分布式发电并网困难问题。

一般来说，微网系统有与外部公共电网并网运行和孤网运行两种运行方式。在并网运行方式下，微网通过联络线与外部公共电网并列运行，根据微网内部电源与负荷的供需情况，联络线上的潮流可以双向流动；在孤网运行方式下，微网与外部公共电网断开形成孤岛，微网内部微源向微网内的负荷供电，从而保证其供电可靠性和供电不间断性。

实际上，为了保证微网系统的经济和稳定运行，分布式能源通常需要采用与外部公共电网并网运行的方式。“并网运行”是指分布式能源系统在正常运行状态下，与公用电网在主回路上存在电气连接。电气连接包括电缆直接连接、经变压器连接、经逆变器连接等方式。分布式能源系统并网运行按照功率交换方式可分为“并网不上网”和“并网且上网”两种。“并网不上网”方式下，则分布式能源只与公共电网并网运行，联络线功率流动的方向只能是从公用电网流向分布式能源系统用户；“并网且上网”方式下，分布式能源系统不仅可以与公共电网并网运行，同时还可以向公用电网输送多余电量。

然而，分布式能源并网发电并不具备电网友好型特征，如果直接馈入电网会对电网的安全稳定运行造成一定的冲击，特别是对配电网的电能质量、供电可靠性和继电保护都会产生较大的影响。

针对以上政策和技术现状，有必要提出一种既有理论政策支持又有实践推广价值的分布式能源发电并网不上网接入方案，这将对风电、光伏等分布式能源产业的快速发展具有深远的现实意义，并且随着能源政策的日臻完善和并网技术的逐步成熟，可以在现有硬件基础上顺利完成其功能拓展，从而实现分布式能源发电上网。

发明内容

本发明的目的是提供一种并网不上网的微网系统。

本发明的另一个目的是提供一种并网不上网微网系统的控制保护方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种并网不上网微网系统，包括分布式发电系统、分布式储能系统、用户负载及微网中央控制器；所述分布式发电系统和分布式储能系统通过各自的能量变换设备接入低压交流母线，低压交流母线再经过升压变压器接入高压交流母线；用户负载以分组的方式通过升压变压器接入高压交流母线；高压交流母线通过公共连接点单点接入公共电网；公共连接点处设置有静态开关；所述微网中央控制器与分布式发电系统、分布式储能系统及静态开关通过线缆通讯连接。

进一步地，所述分布式发电系统包括风力发电系统、光伏发电系统；所述分布式储能系统包括电池储能系统。

进一步地，所述用户负载包括就地负载和常规负载；所述就地负载通过可转换的静态开关实现其与公共电网和微电网这两路供电系统之间的快速切换。

进一步地，在所述高压交流母线与公共电网的公共连接点处设置有逆功率保护装置。

进一步地，在所述高压交流母线与公共电网的公共连接点处还设置有单向的电能计量装置。

一种并网不上网微网系统的控制保护方法，包括如下步骤：

（1）首先是分布式储能系统的功率主动控制：在用户总体负荷规模远大于分布式发电系统发电容量的基本前提下，采用分布式储能系统的主动调节功能，即能满足绝大多数情况下的功率单方向流动；

（2）其次是分布式发电系统的限功率运行被动控制：当分布式发电系统发电容量大于用户总体负荷，且通过分布式储能系统充电吸收有功功率也很难满足微网内部功率平衡时，可以先限制分布式发电系统中的光伏发电输出，再进行风电限功率控制，在极端情况下，甚至全切；在用户负荷增大时，可分组投入光伏发电系统和风力发电系统。

（3）最后是逆功率后备保护：在正常工况下通过微网中央控制器来控制分布式储能系统的充放电以及分布式发电系统中风电光伏系统的投切来实现整个微网系统的内部功率平衡，保证公共连接点位置的功率始终从公共电网流向微网系统；在微网中央控制器失效或者其它异常情况下，通过逆功率保护装置防止功率反送。

进一步地，所述步骤（1）中分布式储能系统的功率主动控制方法为：

设置微网系统最小净负荷ΔLmin及分布式储能系统放电门槛值ΔPdis，ΔPdis>ΔLmin；用户总体负荷减去分布式发电系统发电容量为系统净负荷ΔLoad；

当ΔLoad<ΔLmin且分布式储能系统当前容量未达到其能量上限时，储能系统充电，吸收多余有功功率；

当ΔLoad>ΔPdis且分布式储能系统当前容量未达到其能量下限时，储能系统放电，释放有功功率供给用户负载，其中系统净负荷减去储能释放功率多余的部分由公共电网提供。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1、本发明立足“并网不上网”运行方式，在基本不改变原有配电系统结构的情况下，利用微网集成技术把多种类型的分布式电源，如风力发电系统、光伏发电系统和电池储能系统等有效整合，通过交流母线跟用户负载一起并入公共电网，通过合理的负荷规划和主动的能量管理实现微网系统并网不上网。一方面，通过微网中央控制器主动能量管理，新能源发电完全自发自用，不向公共网反向送电，在有效减少对公共电网的用电需求并最大化利用新能源发电的同时，还可以避免对公共电网的正常供电造成冲击。另一方面，依托公共电网的支撑，用户负荷获得更好的供电可靠性和电能质量；该方案特别适用于城市光伏屋顶工程，光伏建筑一体化电站，可以有效克服现有并网政策和技术条件下大规模光伏发电并网困难，进一步扩大其应用规模，具有相当大的实际应用价值。

2、本发明兼顾“独立离网”运行方式，当公共电网不可用时，由分布式发电系统、分布式储能系统和就地负载构成一个独立的离网系统，维持系统电压和频率稳定以及微网系统功率平衡，并提供紧急备用电源，具备良好的工程示范效益，为风电、光伏分散式接入的打开新局面。

3、本发明在高压交流母线与公共电网之间设置有逆功率保护装置，在微网中央控制器失效或者其它异常情况下，通过逆功率保护装置可防止功率反送，为微网系统提供后备保护。

4、本发明对分布式能源的并网接入具有承上启下的作用，一方面在当前政策和技术条件下，积极推进新能源的并网接入，另一方面，随着能源政策的日臻完善和并网技术的逐步成熟，可以在现有硬件基础上顺利完成其功能拓展，从而实现分布式能源发电上网。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种并网不上网微网系统的主回路示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种并网不上网微网系统结构如图1所示，包括分布式发电系统（风力发电系统、光伏发电系统）、分布式储能系统（电池储能系统）及用户负载（就地负载、常规负载）；其中，分布式发电系统和分布式储能系统通过各自的能量变换设备接入380V的低压交流母线，低压交流母线再经过升压变压器接入10kV的高压交流母线实现交流并网；用户负载以分组的方式通过升压变压器接入10kV的高压交流母线，从高压交流母线取电；高压交流母线通过公共连接点（PCC）单点接入公共电网；其中，公共连接点处设置有静态开关（K0）;就地负载通过可转换的静态开关（K_ld1-3）实现其与公共电网和微电网这两路供电系统之间的快速切换。并网不上网微网系统还包括微网中央控制器（MGCC），微网中央控制器与分布式发电系统、分布式储能系统及各静态开关通过线缆通讯连接；在高压交流母线与公共电网的公共连接点处设置有逆功率保护装置；在高压交流母线与公共电网的公共连接点处还设置有单向的电能计量装置。

其中：

静态开关：在外部公共电网遇到严重的电能质量问题时，能够使微网迅速退出主电网，进入孤岛模式运行，并具备防止非计划孤岛保护功能。当主电网恢复正常以后，静态开关能够安全地把微网同期并入电网；此外，静态开关还用于重要就地负载的双路电源投切。

微网中央控制器(MGCC)：通过通信线缆与系统内分布式发电系统、分布式储能系统进行通讯管理，并对各并网点开关进行控制，主要实现“并网不上网”运行方式下功率不反送，“独立离网”运行方式下系统功率平衡，以及并网和离网运行方式之间的模式切换功能。

逆功率保护装置：并网不上网接入方式对系统继电保护的影响较小，但需配置独立的逆功率保护，防止微网向公共电网倒送电力。

电能计量装置：在公共连接点安装单向的电能计量装置，单向计量用户从公共电网获取的电量。

为了充分保障系统“并网不上网”安全稳定运行，本发明的并网不上网微网系统的控制和保护方法，提出了“三道安全保障防线”：

首先是分布式储能系统的功率主动控制，在微网系统中风电光伏发电量或者用户负荷发生变化时，储能系统可以立即响应，起到平衡功率的作用。在用户总体负荷规模远大于风光发电容量的基本前提下，辅以储能系统的主动调节功能，即能满足绝大多数情况下的功率单方向流动。

其次是分布式发电系统（间歇性新能源发电系统）的限功率运行被动控制，当微网系统风光发电量大于用户负荷，且通过储能系统充电吸收有功功率也很难满足微网内部功率平衡时，鉴于光伏发电系统的分组控制灵活性，可以先限制光伏发电输出，再进行风电限功率控制，在极端情况下，甚至全切。反之，在用户负荷增大时，分组投入光伏系统和风电机组，在充分保障功率不反送的情况下，最大限度的利用可再生能源。

最后是逆功率后备保护，在正常工况下通过微网中央控制器（MGCC）的来控制储能系统的充放电以及风电光伏系统的投切来实现整个微网系统的内部功率平衡，保证公共连接点（PCC）位置的功率始终从公共电网流向微网系统；在微网中央控制器（MGCC）失效或者其它异常情况下，通过逆功率保护装置防止功率反送。保护完全独立于控制，进一步保障了公共连接点的功率单向流动。

本发明的一种并网不上网微网系统的工作过程为：

在并网运行时(K0、K1、K2闭合，同时就地负载的静态开关K_ld1-3处于“0”位置，这样整个微网系统通过10kV交流母线在公共连接点（PCC）处接入公共电网)要求“并网不上网”，通过微网中央控制器（MGCC）的调节，控制整个微网系统只向公共电网取电，而不向公共电网送电。

在独立离网运行时(K1、K2断开，同时就地负载的静态开关K_ld1-3切换至“1”位置，这样风光储和就地负载构成独立离网系统)，储能系统提供交流母线的电压和频率参考，风电和光伏发电系统汇集到交流母线，和储能系统一起给就地负载提供稳定可靠的电力供应。

在微网并网不上网运行方式下，我们定义：

∑Pwind—风电机组总出力

∑Ppv—光伏发电系统出力

∑Pload—系统总负荷（这里包括就地负载和常规负载）

ΔLoad—系统净负荷

ΔLmin—系统最小净负荷

ΔPdis—放电门槛值（ΔPdis>ΔLmin）

则ΔLoad=∑Pload-∑Pwind-∑Ppv，

当系统净负荷ΔLoad<ΔLmin且储能系统当前容量未达到其能量上限时，就可以采取主动的应对策略：首先调整储能充电功率，吸收多余有功功率；其次限制光伏功率输出，甚至再切除风机来保障功率不反送；

当系统净负荷ΔLoad>ΔPdis并且储能系统当前容量未达到其能量下限时，则储能系统放电，释放有功功率供给本地负荷，其中净负荷减去储能释放功率多余的部分由公共电网提供。同时在系统净负荷ΔLoad较大时，可以根据实际情况，分组投入光伏和风电机组，争取风光资源利用最大化。

在独立离网运行方式下，我们定义：

∑Pload—系统总负荷（这里仅指就地负载）

∑Pess—储能系统功率

ΔP—系统净功率

则净功率ΔP=∑Pwind+∑Ppv-∑Pload，取储能系统功率∑Pess=ΔP。净功率为正且储能系统当前容量为达到其能量上限时，储能系统充电吸收能量；净功率为负且储能系统当前容量未达到其能量下限时，储能系统放电释放能量。

在这里风电和光伏系统实现恒功率控制，而储能系统实现电压频率控制，即储能系统在提供系统电压和频率参考的同时，维持整个独立离网系统的功率平衡。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (2)

1.一种并网不上网微网系统的控制保护方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）首先是分布式储能系统的功率主动控制：在用户总体负荷规模远大于分布式发电系统发电容量的基本前提下，采用分布式储能系统的主动调节功能，即能满足绝大多数情况下的功率单方向流动；

（2）其次是分布式发电系统的限功率运行被动控制：当分布式发电系统发电容量大于用户总体负荷，且通过分布式储能系统充电吸收有功功率也很难满足微网内部功率平衡时，先限制分布式发电系统中的光伏发电输出，再进行风电限功率控制，在极端情况下，甚至全切；在用户负荷增大时，分组投入光伏发电系统和风力发电系统；

（3）最后是逆功率后备保护：在正常工况下通过微网中央控制器来控制分布式储能系统的充放电以及分布式发电系统中风电光伏系统的投切来实现整个微网系统的内部功率平衡，保证公共连接点位置的功率始终从公共电网流向微网系统；在微网中央控制器失效或者其它异常情况下，通过逆功率保护装置防止功率反送。

2.根据权利要求1所述的并网不上网微网系统的控制保护方法，其特征在于，所述步骤（1）中分布式储能系统的功率主动控制方法为：

设置微网系统最小净负荷ΔLmin及分布式储能系统放电门槛值ΔPdis，ΔPdis>ΔLmin；用户总体负荷减去分布式发电系统发电容量为系统净负荷ΔLoad；

当ΔLoad<ΔLmin且分布式储能系统当前容量未达到其能量上限时，储能系统充电，吸收多余有功功率；

当ΔLoad>ΔPdis且分布式储能系统当前容量未达到其能量下限时，储能系统放电，释放有功功率供给用户负载，其中系统净负荷减去储能释放功率多余的部分由公共电网提供。

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