CN103457296A - 一种独立运行微电网主控电源切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种独立运行微电网主控电源切换方法,属于微电网控制技术领域。本发明能够在微电网独立运行时,微电网系统存在至少两台可作为主控电源的发电设备情况下,根据分布式发电出力情况、负荷情况、主控电源情况和储能情况,合理快速的切换主控电源,并能在微电网供电稳定安全的同时,极大化地利用分布式发电,节约燃料费用,减少环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种独立运行微电网主控电源切换方法,属于微电网控制技术领域。
背景技术
微电网可以看成电力系统的一种结构,包括分布式电源、负荷、储能设备等的小型系统。微电网系统可工作于并网运行与独立运行两种模式。微电网和配电网并网运行时,由配电网提供微电网的频率、电压支撑。在微电网独立运行时,必须由特定电源提供整个微电网的频率、电压支撑,我们称为主电源。
在常规独立供电系统中,通常采用旋转电机作为主控电源,比如柴油发电机作为主电源,维持电网的电压和频率。在微电网系统中,新增了分布式发电和储能系统,在对主控电源的选择上更加丰富,而在不同情况下选择不同的主控电源可以满足用户对微电网的不同需求。例如,当分布式发电足够满足负荷用电时,可使用微电网配置的储能变流器PCS作为主电源,为系统提供稳定的电压和频率;当可再生能源发电不足时,启动柴油发电机由柴油发电机维持系统的频率和电压,此时将储能转换为PQ控制模式,其出力由微电网能量管理系统调度。
发明内容
本发明的目的是提供一种独立运行微电网主控电源切换方法,以解决目前微电网中主控电源切换问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种独立运行微电网主控电源切换方法,该切换方法的步骤如下:
1).根据微电网中可再生能源发电出力、旋转电机出力、储能电池剩余容量和负荷用电功率来判断当前主控电源工作模式是否可靠;
2).如果主控电源的工作模式不可靠,进入步骤3)根据可靠性计算切换主电源,如果主控电源的工作模式可靠,则进入步骤4)根据经济性计算切换主电源;
3).判断当前的主控电源是否为储能PCS或储能电池,如果不是,增加其它旋转电机作为主电源维持主控电源的供电可靠性,如果是储能PCS或储能电池,储能PCS或储能电池剩余容量过低,且可再生能源不能支撑所有的负荷,将主控电源切换为旋转电机;
4).计算无低电压穿越的逆变器总出力,判断即将承担主控电源的最大出力是否大于目前主设备出力与因模式切换退出的逆变器出力的总和,如果是,则设置储能电池为主控电源,如果不是,切除对应的非重要负荷,并将储能电池切换为主控电源。
所述步骤1)中判断当前主控电源工作是否可靠的原则为:
当主控电源为旋转电机时,如果旋转电机的发电功率超过其额定容量的80%,判断当前的主控电源不可靠;
当主控电源为储能PCS或者储能电池时,储能PCS放电功率超过70%或者电池储能SOC低于20%,判断当前的主控电源不可靠。
所述步骤3)中判断当前主控电源工作是否经济的原则为:
当主控电源为旋转电机时,如果旋转电机的发电功率达不到30%以上,判断当前主控电源不经济。
所述步骤3)中将主控电源切换为旋转电机的具体过程如下:
a.判断待切换为主控电源的旋转电机的并网冲击电流是否小于储能电池的保护电流;
b.如果是,则启动该旋转电机,并判断启动的旋转电机的出力是否大于储能PCS或储能电池当前的出力功率,如果不大于,再启动一台旋转电机,直至已启动的旋转电机的出力大于储能PCS或储能电池当前的出力功率,将已启动的旋转电机切换为主控电源;
c.如果旋转电机的并网冲击电流不小于储能电池的保护电流,将该旋转电机的断路器断开并启动该旋转电机,判断启动的旋转电机的出力是否大于储能PCS或储能电池当前的出力功率,如果不大于,再断开一台旋转电机的断路器并启动该电机,直至已启动的旋转电机最大发电量总和大于储能PCS或储能电池当前功率,将已启动的旋转电机的断路器闭合并网,并将并网后旋转电机切换为主控电源。
所述的步骤3)中储能PCS或储能电池剩余容量过低指的是储能PCS放电功率超过70%或储能电池的SOC低于20%。
所述的旋转电机为柴油机、微型燃气轮机、小型水利发电机或燃料电池。
所述步骤4)中当一次能源为燃料的旋转电机最为主控电源时,其充放电功率大小由微电网能量管理系统根据系统能量平衡和经济优化需求进行设置。
本发明的有益效果是:本发明能够在微电网独立运行时,微电网系统存在至少两台可作为主控电源的发电设备情况下,根据分布式发电出力情况、负荷情况、主控电源情况和储能情况,合理快速的切换主控电源,并能在微电网供电稳定安全的同时,极大化地利用分布式发电,节约燃料费用,减少环境污染。
附图说明
图1是本发明独立运行微电网主控电源切换方法的流程图;
图2是本发明独立运行微电网可靠性切换主电控源的流程图;
图3是本发明独立运行微电网经济性切换主控电源的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
可作为微电网主控电源的设备为常规小型旋转电机(柴油机、微型燃气轮机、小型水力发电机、燃料电池),储能PCS,微电网主控电源初始时可以为旋转电机或者储能PCS,旋转电机的控制方式不区分主电源模式和非主电源模式,储能PCS为无惯性的电力电子设备,其控制方式分为模拟旋转电机控制的VF控制模式(恒频恒压控制模式)和模拟光伏发电等电力电子设备的PQ运行模式(有功无功出力外部调节模式,此时储能PCS跟随系统电压和频率)。PCS的PQ模式和VF模式切换需要外部控制系统发指令方能进行。
微电网中有旋转电机,则旋转电机为主电源,由于旋转电机仅存在运行与停机两种状态,不存在是否为主电源的控制模式;在有储能PCS为电源的为电网系统中,如果分布式发电能力足够满足负荷需求,则趋向选择出能PCS作为主控电源,停止使用一次能源的旋转电机,以提高微电网的经济和环境效益。
微电网根据分布式发电出力情况、储能设备SOC、旋转电源投入情况和符合功率,分析当前微电网运行是否可靠,是否需要切换主控电源以改善微电网供电可靠性,如当前微电网供电可靠,则需判断当前微电网运行模式是否经济,是否能够最大化利用可再生能源发电,减少一次能源使用,减少污染排放,如果满足可靠性和经济性阈值,则当前主控电源模式不许切换。该方法的具体过程如下:
1.根据微电网中可再生能源发电出力、旋转电机出力、储能电池剩余容量和负荷用电功率来判断当前主控电源工作模式是否可靠,判断当前主控电源工作是否可靠的原则为:当主控电源为旋转电机时,如果旋转电机的发电功率超过其额定容量的80%,判断当前的主控电源不可靠;当主控电源为储能PCS或者储能电池时,储能PCS放电功率超过70%或者电池储能SOC低于20%,判断当前的主控电源不可靠。
2.如果主控电源的工作模式不可靠,进入步骤3根据可靠性计算切换主电源,如果主控电源的工作模式可靠,则进入步骤4根据经济性计算切换主电源。
3.微电网系统判断当前供电不可靠(储能SOC容量不足,分布式发电出力不足,故障等),判断当前的主控电源是否为储能电池,如果已经是旋转电机在做主控电源,则需考虑启动其备用旋转电机;如储能PCS担当主电源时,由于负荷的增加、可再生能源发电出力的减小,PCS放电到SOC允许的最低限制前,则应考虑把主电源转换为旋转电机。
在PCS为主电源运行期间,出于经济性考虑常常让旋转电机处于停机状态,旋转电机(如柴油发电机等)启动运行常常需要15秒或更长时间,并且启动后需要经过一个同期并网过程,同期并网瞬间如果同期角度较大则同期电流较大,此时如果流经PCS的电流大于其电力电子晶闸管最大允许电流时,PCS保护将动作。因此在PCS由主电源转为非主电源时需要根据PCS保护动作电流和旋转电机(柴油发电机等)并网冲击电流大小等情况,制定不同的模式切换策略,实现在保证PCS设备安全性的前提下尽量缩小模式切换所带来的瞬时停电时间。
根据现场经验数据推断柴油发电机并网冲击电流不会引起PCS保护动作的情况下,在储能PCS可直接启动柴油发电机,并通过同期并网装置实现柴油发电机的同步并网发电。待柴油发电机正常发电后给PCS设备发送模式切换命令,PCS由VF主电源控制模式转为PQ模式,此时实现完全无缝的模式切换,切换过程停电时间为0s。如果仅投入一台最大容量的柴油发电机仍不能带起所有的储能PCS承担的负荷,则再启动其余的柴油发电机。
如果柴油发电机的同步并网会导致PCS的保护动作,则需先不并网独立启动柴油发电机,柴待柴油发电机启动完成后,通知PCS进行模式切换的同时闭合柴油发电机机端断路器,由于PCS模式切换时间远远短于断路器的闭合时间,因此该类模式切换导致的短时停电时间取决于柴油发电机并网断路器的闭合时间(约400ms),同样,如果仅投入一台最大容量的柴油发电机仍不能带起所有的储能PCS承担的负荷,则再启动其余的柴油发电机,
4.当微电网系统判断当前供电可靠,如果主控电源是以一次能源为燃料的旋转电机时,储能PCS运行在PQ模式,其充放电功率大小由微电网能量管理系统根据系统能量平衡和经济优化需求进行设置。
如果主控电源时以不可再生能源为燃料的旋转电机时(柴油发电机),系统的频率和电压随着负荷用电的变化而在额定值附近波动,很难维持在额定值,而PCS为控制精准的电力电子设备,在VF控制模式下将维持系统电压和频率为额定值。因此PCS切换为VF模式的瞬间,为了减少这两种不同步系统并网产生的冲击电流对PCS设备的损坏,通常PCS控制器在进入VF模式前需要系统确认,一旦监测母线端电压和系统频率为0或非常小(阈值可设置)时,储能PCS切换为VF控制模式。
因此柴油发电机为主设备切换为PCS为主设备的过程所需要的时间为柴油发电机退出系统运行时间加上储能PCS的VF切换时间。由于PCS模式切换的时间非常短(通常为20ms或更短),因此整个切换时间主要由柴油发电机退出系统的时间决定,而柴油发电机退出运行最快的方式是断开并网断路器,通常情况下低压断路器的断开时间为400ms左右,因此该方式下模式切换的总花费时间约为450ms。
如果切换时间较长,超过分布式电源的低电压穿越限值,或分布式电源不具有低电压穿越能力时,需考虑切换后的主电源是否能够承担由于分布式电源退出引起的功率缺额,而决定是否需要切除部分负荷以维持电网稳定。其控制步骤如下:
微电网能量管理系统分析计算确定当前需要进行模式切换,并计算切换后主电源应该承担的负荷功率;
计算模式切换后,主发电设备与非主储能PCS能否承担退出运行的分布式电源总出力,如果能承担,则制定非主储能的出力计划;
如果主发电设备与非主储能PCS不能承担分布式电源退出所带来的短时功率缺额,则制定非主储能的最大出力计划以及负荷的短时停电计划(先安排非重要负荷,再安排重要负荷的停电);
根据停电计划断开计划中的负荷以及根据非主储能出力计划下发非主储能的出力调节指令;
进行模式切换,在切换过程中分布式电源退出运行;
模式切换完成,主控制设备稳定系统电压和频率;
退出的分布式电源自动并网运行并逐步恢复发电,同时同步恢复被切除负荷的供电,最后系统进入新的稳定运行状态。
本发明根据可再生能源发电出力、旋转电机出力、储能电池剩余容量、负荷用电功率等情况,进行快速的主控模式切换的方法。主控模式应分析在不同的运行状态下模式切换的时机与切换策略。其中,都应充分考虑储能PCS设备和柴油发电机的技术参数、环保效益和经济性,以实现可再生能源发电的最大利用和主控设备切换的快速性。该方法能够在微电网独立运行时,系统内存在至少两台可作为主控电源的发电设备情况下,根据分布式发电出力情况、负荷情况、主控电源情况、备用主控电源情况、微电网储能系统情况,合理快速的切换主控电源,可以在微电网供电稳定安全的同时,极大化利用分布式发电,节约燃料费用,减少环境污染。
Claims (7)
1.一种独立运行微电网主控电源切换方法,其特征在于:该主控电源切换方法的步骤如下:
1).根据微电网中可再生能源发电出力、旋转电机出力、储能电池剩余容量和负荷用电功率来判断当前主控电源工作模式是否可靠;
2).如果主控电源的工作模式不可靠,进入步骤3)根据可靠性计算切换主电源,如果主控电源的工作模式可靠,则进入步骤4)根据经济性计算切换主电源;
3).判断当前的主控电源是否为储能PCS或储能电池,如果不是,增加其它旋转电机作为主电源维持主控电源的供电可靠性,如果是储能PCS或储能电池,储能PCS或储能电池剩余容量过低,且可再生能源不能支撑所有的负荷,将主控电源切换为旋转电机;
4).计算无低电压穿越的逆变器总出力,判断即将承担主控电源的最大出力是否大于目前主设备出力与因模式切换退出的逆变器出力的总和,如果是,则设置储能电池为主控电源,如果不是,切除对应的非重要负荷,并将储能电池切换为主控电源。
2.根据权利要求1所述的独立运行微电网主控电源切换方法,其特征在于:所述步骤1)中判断当前主控电源工作是否可靠的原则为:
当主控电源为旋转电机时,如果旋转电机的发电功率超过其额定容量的80%,判断当前的主控电源不可靠;
当主控电源为储能PCS或者储能电池时,储能PCS放电功率超过70%或者电池储能SOC低于20%,判断当前的主控电源不可靠。
3.根据权利要求1所述的独立运行微电网主控电源切换方法,其特征在于:所述步骤3)中判断当前主控电源工作是否经济的原则为:
当主控电源为旋转电机时,如果旋转电机的发电功率达不到30%以上,判断当前主控电源不经济。
4.根据权利要求1所述的独立运行微电网主控电源切换方法,其特征在于:所述步骤3)中将主控电源切换为旋转电机的具体过程如下:
a.判断待切换为主控电源的旋转电机的并网冲击电流是否小于储能电池的保护电流;
b.如果是,则启动该旋转电机,并判断启动的旋转电机的出力是否大于储能PCS或储能电池当前的出力功率,如果不大于,再启动一台旋转电机,直至已启动的旋转电机的出力大于储能PCS或储能电池当前的出力功率,将已启动的旋转电机切换为主控电源;
c.如果旋转电机的并网冲击电流不小于储能电池的保护电流,将该旋转电机的断路器断开并启动该旋转电机,判断启动的旋转电机的出力是否大于储能PCS或储能电池当前的出力功率,如果不大于,再断开一台旋转电机的断路器并启动该电机,直至已启动的旋转电机最大发电量总和大于储能PCS或储能电池当前功率,将已启动的旋转电机的断路器闭合并网,并将并网后旋转电机切换为主控电源。
5.根据权利要求1所述的独立运行微电网主控电源切换方法,其特征在于:所述的步骤3)中储能PCS或储能电池剩余容量过低指的是储能PCS放电功率超过70%或储能电池的SOC低于20%。
6.根据权利要求1所述的独立运行微电网主控电源切换方法,其特征在于:所述的旋转电机为柴油机、微型燃气轮机、小型水利发电机或燃料电池。
7.根据权利要求1所述的独立运行微电网主控电源切换方法,其特征在于:所述步骤4)中当一次能源为燃料的旋转电机最为主控电源时,其充放电功率大小由微电网能量管理系统根据系统能量平衡和经济优化需求进行设置。
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