CN103501006B

CN103501006B - 微电网集中控制方法

Info

Publication number: CN103501006B
Application number: CN201310443872.0A
Authority: CN
Inventors: 杜宏; 刘贵程; 孔启翔; 刘世民
Original assignee: Bbht-Beijing Baidian Micro Grind Technology Co Ltd
Current assignee: Bbht-Beijing Baidian Micro Grind Technology Co Ltd
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: CN103501006A

Abstract

本发明涉及一种微电网集中控制方法，按照以下优先级对微电网内发电设备、负载设备和储能设备进行调控：1，若储能设备的实际剩余电量低于剩余电量下限值，控制储能设备只能处于充电状态；若储能设备的实际剩余电量高于剩余电量上限值，控制储能设备只能处于放电状态;2，当发电设备的发电功率或储能设备的剩余电量多于负载设备所需功率或电量并达到相应的设定投入阈值时，将未投入的负载设备投入微电网；3，当负载设备的功率需求没有得到满足时，按照提高发电设备的发电功率、增加储能设备的放电功率的优先级来提高微电网的发电功率。本发明能对负载设备、储能设备、发电设备、PCC开关等各种设备进行统一的协调控制，有利于微电网应用推广。

Description

微电网集中控制方法

技术领域

本发明属于微电网运行控制技术领域，涉及一种能对微电网内各类设备进行集中协调控制的控制器，特别是一种微电网中央控制方法。

背景技术

微电网可化解当前新能源使用难题，是推广新能源、节能降耗、降低碳排放量的重要高新技术领域，被形象地称之为打开新能源应用的“金钥匙”。

微电网同时具有多种小型发电设备、储能设备的联合接入特点，对微电网各种设备的自动、动态调节是微电网控制的一个难点和重点，现在市面上的微电网控制技术，大部分都是毫秒级别的能量平衡控制或频率跟踪控制，缺少能对负载设备、储能设备、发电设备、PCC开关等各种设备进行统一控制的成功解决方案。

发明内容

为了弥补现有技术的上述不足，本发明的目的在于提供一种微电网中央控制器，能对负载设备、储能设备、发电设备、PCC开关等各种设备进行统一的协调控制。

本发明的技术方案是：

一种微电网集中控制方法，按照以下优先级对微电网内发电设备、负载设备和储能设备进行调控：

第一优先级：设定所述储能设备的剩余电量上、下限值，若所述储能设备的实际剩余电量低于所述剩余电量下限值，控制所述储能设备只能处于充电状态；若所述储能设备的实际剩余电量高于所述剩余电量上限值，控制所述储能设备只能处于放电状态;

第二优先级：当所述发电设备的发电功率或储能设备的剩余电量多于所述负载设备所需功率或电量并达到相应的设定投入阈值时，将未投入的负载设备投入所述微电网；

第三优先级：当所述负载设备的功率需求没有得到满足时，按照采用下列优选顺序以充分利用微电网的发电能力：（1）提高所述发电设备的发电功率；（2）增加所述储能设备的放电功率。

进一步地，所述微电网由并网转孤网以及孤网启动时，若储能设备的剩余电量低于设定的孤网第一电量阈值，则切除2级负载和/或3级负载；若储能设备的剩余电量高于设定的孤网第二电量阈值，则将未投入的负载设备投入所述微电网。

更进一步地，将已投入的负载设备切除时，按照2级负载、3级负载的优先顺序切除负载设备，所述将未投入的负载设备投入所述微电网，按照负载的重要等级由高到低逐级投入。

将负载设备分组，根据要投入或切除负载的大小，选择性地对负载设备组进行渐进式投切。

采用所述微电网集中控制方法控制所述微电网孤网稳定运行时，需动态控制发电设备的发电功率、负载设备的接入量和储能设备的充放电量使所述微电网内部达到功率平衡，采用的控制方式优选为：

根据储能设备储存电量和负载设备的用电量动态改变发电设备的发电量，如果所述发电设备的最大发电功率小于或等于负载设备所需功率，则控制所述发电设备发出最大功率；反之，则限制所述发电设备的发电功率。

采用所述微电网集中控制方法控制所述微电网并网稳定运行时，需动态控制发电设备的发电功率、负载设备的接入量和储能设备的充放电量使微电网和大电网间交换功率平衡，采用的控制方式优选为：

若大电网向微电网输入功率高于第一设定值，则增加发电设备的输出功率；若大电网向微电网输入功率低于第二设定值，则降低发电设备的输出功率。

采用所述微电网集中控制方法控制将所述微电网由孤网运行转为并网运行的操作步骤可以为：控制所述储能设备的本地控制器转至并网模式，控制PCC开关合闸，将未投入的负载设备投入所述微电网。

采用所述微电网集中控制方法控制将所述微电网由并网运行转为孤网运行的操作步骤可以为：逐级切除2、3级负载，控制所述储能设备的本地控制器转至孤网模式，控制PCC开关分闸。

采用所述微电网集中控制方法控制所述微电网并网启动的操作步骤可以为：控制PCC开关合闸，投入所述负载设备和发电设备，将储能设备接入微电网，控制所述储能设备的本地控制器并网启动；控制所述微电网孤网带载启动的操作步骤可以为：切除各级负载，将储能设备接入微电网，投入1级负载，控制所述储能设备的本地控制器孤网启动，投入所述发电设备；控制所述微电网孤网空载启动的操作步骤可以为：切除各级负载，控制所述储能设备的本地控制器孤网启动，将储能设备接入微电网，投入1级负载，投入所述发电设备。

采用所述微电网集中控制方法还包括对所述发电设备输出功率和/或负载设备消耗功率的变化趋势进行预测，结合储能设备的容量，及时改变对微电网运行模式的设定。

对于前述任意一种所述微电网集中控制方法，所述储能设备通过双向逆变器接入微电网，所述双向逆变器设有用于控制其工作方式的逆变器控制电路，所述逆变器控制电路均采用下列控制方式：

在微电网孤网运行时，采用V-f控制方式，以所述储能设备为微电网中的微电源提供电压源支持，并根据微电源出力和负载变化提供功率支持，具体工作方式为：（1）当所述微电源输出功率等于负载所需功率时，所述储能设备的输出近似为零，负载所需功率完全由所述微电源供给；（2）当所述微电源输出功率大于负载所需功率时，控制所述储能设备充电，吸收所述微电源满足负载后的多余功率；（3）当所述微电源的输出功率小于负载所需功率时，控制所述储能设备放电，补充所述微电源输出功率的不足部分。

工作方式（1）下，所述双向逆变器的调制比ma维持不变；工作方式（2）下，所述双向逆变器的调制比ma随着持续充电过程直流电压升高而减小；工作方式（3）下，所述双向逆变器调制比ma随着持续放电直流电压下降而增大。

所述微电源以所述双向逆变器的电压和频率输出作为参考。

优选对工频正弦波进行离散化，获得一个工频周期内若干离散时间点的正弦波数据，形成由该若干正弦波数据组成的正弦表数组sin[n]，依据所述正弦表数组形成对应的矩形脉冲序列代替V-f控制所需工频正弦波作为调制波，通过开关频率和工频频率的关系得到一个工频周期正弦表对应的开关点数n_f，以正弦表数组元素总数n和n_f的倍数为实现工频正弦波时正弦表指针移动的步长选取用于调制的矩形脉冲。

在微电网并网运行时，优选采用PQ解耦控制方式，快速地跟踪功率变化，同时单独控制有功功率或者无功功率的变化。

具体可以是：先将无功功率调到零，再单独控制有功功率，平抑微电源功率波动，使微电网与公共电网间交换功率可控，具体工作方式为：（1）当微电源输出功率与负载消耗功率的差值正向波动时，控制所述储能设备充电，吸收多余的功率；（2）当微电源输出功率与负载消耗功率的差值负向波动时，控制所述储能设备放电，满足负载功率缺额。

优选对工频正弦波进行离散化，获得一个工频周期内若干离散时间点的正弦波数据，形成由该若干正弦波数据组成的正弦表数组sin[m]，依据该正弦表数组形成对应的矩形脉冲序列代替PQ解耦控制中电压前馈部分所需工频正弦波作为调制波，通过开关频率和工频频率的关系得到一个工频周期正弦表对应的开关点数m_f，以正弦表数组元素总数m和m_f的倍数为实现工频正弦波时正弦表指针移动的步长选取用于调制的矩形脉冲。

在进行孤网/并网双模式相互切换时，先在当前运行模式下对另一种运行模式的电压、频率、相位、功率中的一种或多种进行跟踪矫正，达到要求后再切换到另一种运行模式。

孤网/并网双模式切换具体可以采用如下步骤：在微电网由孤网模式向并网模式切换时，孤网时采用V-f控制方式对并网模式下的电压、相位进行跟踪，并网后，将控制方式转为PQ解耦控制方式；

在微电网由并网模式向孤网模式切换时，分为计划性和非计划性两种：（1）计划性并网：并网前通过投切负载或者限制微电源出力，将微电网和公共电网的交换功率调整为零，并网后，将控制方式转到V-f控制方式；（2）非计划性并网：控制方式直接转为V-f控制方式，切换过程中如果所述交换功率在储能设备的容量允许范围内，控制所述储能设备输出或者吸收功率，如果所述交换功率超出储能设备的容量允许范围，快速切除负载或者限制微电源出力。

对于前述任一控制方法，若所述储能设备的SOC达不到最小设定的阈值要求，先采用恒定大电流对所述储能设备强制充电，当SOC达到设定阈值之后，再改用恒压小电流对所述储能设备充电。

所述双向逆变器采用正弦表数组作为参考调整波，为孤网、并网间相互切换建立了切换纽带，使得储能设备在任意一种模式下运行时对另一种运行模式的电压和频率等相关量进行跟踪矫正成为可能，为无缝平滑切换创造了条件。由于找到了并网和孤网间切换的纽带，还很好地解决了微电网从并网状态转换成孤网状态时带来的供电间断问题，使用户可以在微电网其他电源故障（含电网停电）的情况下为负载提供无缝的、稳定的电源。

本发明的有益效果为：本控制方法实现了对负载设备、储能设备、发电设备、PCC开关等各种设备进行统一的协调控制，极大程度上补足了现阶段微电网控制的不足之处，大大增加了微电网利用的便利性，减少了人工维护、人员培训的成本，有利于微电网的建设与推广。

附图说明

图1是本发明的控制方法的整理流程示意图；

图2是本发明的控制方法中控制微电网孤网稳定运行的流程示意图；

图3是本发明的控制方法中控制微电网孤网转并网的流程示意图；

图4是本发明的控制方法中控制微电网并网转孤网的流程示意图；

图5是本发明的控制方法中控制微电网并网启动的流程示意图；

图6是本发明的控制方法中控制微电网孤网启动的流程示意图；

图7是实现本发明的控制方法的微电网中央控制器的结构原理图；

图8是本发明的所述双向逆变器孤网模式下V-f控制原理框图；

图9是本发明的所述双向逆变器并网模式下基于正弦表参考的PQ解耦控制原理框图。

具体实施方式

本发明提供了一种微电网集中控制方法，可以根据微电网的配置，根据电网交流、直流各种参数，根据受控设备类型、状态，利用综合逻辑判定，保证电网平衡情况下，自动进行开关投切、发电设备（光伏、风机、发电机等）、储能设备（铅酸电池、锂电池等）的控制，从而实现微电网运行在以下各种不同模式下，其整体的控制流程如图1所示。

（1）微电网并网稳定运行模式：

在并网运行时，根据并网运行特性，保证内部微电网和外部大电网的功率的平衡，同时，避免微电网对外部电网的反向送电。动态控制发电设备的发电量、负荷的接入量和储能设备的充放电量。

储能设备保护：避免过充、过放损坏储能设备，此种保护，无论电网处于什么状态，都需要进行保护，避免损坏储能设备，设定储能SOC（剩余电量）定值SOClow、SOChigh，在SOClow->SOChigh之间，储能设备可以处于放电状态，也可以处于充电状态；若SOC在SOClow以下，则储能设备只能处于充电状态；若SOC在SOChigh以上，则储能设备只能处于放电状态。这就是对储能系统的保护。

发电设备控制：发电设备需要限定发电设备的输出功率值，若大电网向微电网输入功率过高，则需要增加发电设备的输出功率；若大电网向微电网输入功率过低，则需要降低发电设备的输出功率。

负载控制：在孤网转换到并网时，需要判定负载控制的工程现场实际需求，若允许2、3级负载投入，则在孤网转并网时，自动的将分开的负载投入到电网。

（2）微电网孤网稳定运行模式：

在孤网运行时，根据孤网运行特性，保证微电网内部的功率平衡。动态控制发电设备的发电量、负载的接入量和储能设备的充放电量，相应的流程如图2所示。

储能设备保护：此种保护，无论电网处于什么状态，都需要进行保护，避免损坏储能设备，设定储能SOC定值SOClow、SOChigh，在SOClow->SOChigh之间，储能设备可以处于放电状态，也可以处于充电状态；若SOC在SOClow以下，则储能设备只能处于充电状态；若SOC在SOChigh以上，则储能设备只能处于放电状态。这就是对储能系统的保护。

发电设备控制：发电设备需要根据储能设备储能电量、负载设备用电量动态发电。通常，对于清洁式能源发电系统，最好保证发电设备发出最大功率，但是，若发电功率高于微电网电网系统的负载吸收功率，则需要限制发电设备的发出功率，保证电网的平衡。

负载控制：在并网转孤网和孤网启动时，需要判定负载控制的工程设定，若允许2、3级负载自动切开，则在孤网时，自动将2、3级负载切开，保证1级负载的供电。同时可以根据工程实际情况，设定孤网储能电量指标，若SOC低于预先设定值，则切开2、3级负载，若SOC高于某一设定值，则自动投入负载。

（3）微电网一键式孤网转并网运行模式：

孤网转并网，指由孤网孤岛式运行状态转为并网运行状态。如图3所示，将所述微电网由孤网运行转为并网运行的操作步骤为：控制所述储能设备的本地控制器（即图示中的储能逆变器，下同）转至并网模式，控制PCC开关合闸，将未投入的负载设备投入所述微电网。

当然，在各有关操作步骤前后需要对电网状态进行必要的检测，本发明所述的控制方法在实际操作时一般需要检测以下内容：电网交流、直流各种参数，设备各种状态。在孤网转并网运行模式，例如并网前需检测PCC上口是否有电，PCC开关合闸后、将未投入的负载设备投入所述微电网前需检测母线电压是否正常，只有具备了相应的条件才可以执行后续操作，才能达到预期的控制目标，在各个运行模式中都存在类似的情况，但不再详细说明。

（4）微电网一键式并网转孤网运行模式：

并网转孤网，指由并网运行状态转为孤网孤岛式运行状态。如图4所示，将所述微电网由并网运行转为孤网运行的操作步骤为：逐级切除2、3级负载，控制所述储能设备的本地控制器转至孤网模式，控制PCC开关分闸。

此处所指的并网转孤网属于计划性并网转孤网。

（5）微电网一键式并网启动模式：

并网启动，指带传统大电网，进行微电网启动，并避免对大电网的冲击。如图5所示，控制微电网并网启动的操作步骤为：控制PCC开关合闸，投入所述负载设备和发电设备，将储能设备接入微电网（即图示中的闭合储能设备出线开关，下同），控制所述储能设备的本地控制器并网启动。

（6）微电网一键式孤网启动模式：

孤网启动，指脱离传统大电网，进行孤岛式的微电网启动。如图6所示，控制微电网孤网启动可以分为带载启动和空载启动，带载启动的操作步骤为：切除各级负载，将储能设备接入微电网，投入1级负载，控制所述储能设备的本地控制器孤网启动，投入所述发电设备。

空载启动的操作步骤为：切除各级负载，控制所述储能设备的本地控制器孤网启动，将储能设备接入微电网，投入1级负载，投入所述发电设备。

（7）微电网一键式电网停止运行模式：

电网停止运行，指所有设备脱离电网，停止对负载供电。

在以上各模式的控制过程中，还遵循以下共性规则：

（1）同类设备多路接入的协调：

在实际应用中，往往会有多路同种设备的接入，此时需要对多路设备进行协调。往往微电网会采用不同的接入方式，具体采用何种方式，可以通过对程序进行配置进行选择、控制。

负载设备：若负载设备接入过多、功率过大，在投切过程中，会对微电网产生较大的冲击，这种冲击往往会使微电网崩溃。针对此种情况，本发明的控制方法有以下两种解决方式：1）将负载设备分组，通过不同开关进行控制，在对负载设备进行投切时，可以根据负载大小，选择性的进行渐进式投切，可以避免对微电网的功率冲击。2）对于微电网的启动与停运，可以选择带载启动、带载停运。此种方式，也可以降低负载设备对微电网的冲击。

发电设备：发电类型不同，发电功率不同，此时发电设备可以进行分路独立开关控制或集中后统一控制。这两种方法可以在软件中进行配置、选择，同样各有优缺点。1）分路独立开关控制增加了工程的成本支出和工程建设复杂度，但是控制精确，适应性好。2）集中后统一控制，控制方式粗放，功率控制较为粗略，但是架构、流程较为简单，工程成本较低。

储能设备：有两种接入方式：1）储能设备通过储能管理设备（如储能设备本地控制器）集中后接入微电网，充电、放电由储能管理设备统一控制。此种方式成本较高，但是控制逻辑清晰，控制方便。2）储能设备分路通过开关接入微电网，充电、放电由执行本发明的控制方法的微电网中央控制器自行控制。此种方式成本较低，但是控制逻辑复杂，需要独立分析各路储能的电量储存情况，然后进行单独控制。

（2）多种类设备之间的协调：

在微电网的实际控制过程中，同一种调整方向，可能会有多种调整方式。例如：在微电网放电功率过高时，可以选择增加负载、减小发电功率、降低储能放电等多种方式，来调整微电网功率。为此，本发明的控制方法所遵循的又一共性原则是按以下优先级由前到后逐级执行。

a）保证电网内各种设备本身不会出现问题造成损坏。例如：在发电功率较大时，需要判断储能充电功率，避免充电功率过高引起储能充电设备损毁。另外，在储能电量低于10%时，停止储能放电，避免电量耗尽，损伤电池能力。诸如此类，尽最大可能保证各类型设备的基本安全要求。

b）保证更多负载的接入。例如：若发电设备发电功率大或储能电量较高，此时应该尽可能的将未投入负载投入，增加电能利用效率。

c）尽量使清洁能源发出更多电能。例如：在微电网发电不足时，应该尽量提高清洁能源发电功率，而不是增加储能系统的放电。如此能够增加对清洁能源的利用效率，增加整个电网的经济性和稳定性。

此外，由于发电设备特别是光伏发电设备受到天气因素影响较大，以及通常情况下用电存在峰谷规律，为了保证供电的可靠，并尽最大可能地发挥清洁能源的优势，本发明的控制方法还优选对所述发电设备输出功率和/或负载设备消耗功率的变化趋势进行预测，结合储能设备的容量，及时改变对微电网运行模式的设定。例如，未来的多长时间内由于天气原因将导致光伏发电不足以满足负载的要求，那么为了保证对重要负载的供电可靠，综合考量储能设备的容量，可适时地切换到并网运行模式，还可以在光伏发电尚且能够满足负载要求且有余量的情况下，及时向储能设备充电以作备用等等。上述趋势预测方式尤其适合用于微电网孤网运行模式。

本发明的控制方法可通过向各设备发送控制指令和设定值的方式达到控制目的，也可以直接对相应设备进行具体参量的调节。如调节光伏输出功率，调节储能设备充电功率，调节负载设备耗电量，控制发电设备、储能设备、各种开关的状态等。

除了上述几种流程之外，中央控制器还有各种工作状态，例如：平衡功率、稳定控制、超长运行、关闭微网、削峰填谷、应急备用、模式切换等。这些状态流程都包含在前述的流程图中，具体的实现和如何进行控制和切换，是由用户根据现场实际需求，设定程序运行的定值来实现的。例如：在并网运行时，可以通过设置SOC定值、发电设备定值、进线交换功率定值，来确定微电网的削峰填谷、应急备用、模式切换的状态选择。例如：在孤网运行时，可以通过设置SOC定值、发电设备定值来确定微电网的平衡功率、稳定控制、超长运行的状态选择。

本发明的控制方法中特别值得一提的是：所述储能设备通过双向逆变器接入微电网，所述双向逆变器采用下述控制方法，为微电网并网、孤网、孤转并、并转孤运行提供支撑：

1、孤网模式下的V-f控制：

在电网故障情况下或者不具备并网条件下，通过调节双向逆变器使储能设备为微电网内光伏电源等微电源提供电压源支撑，同时根据微电源出力和负荷变化提供功率支持。

在孤网运行模式下有三种工作情况：1）当光伏电源出力和负载需求功率相等时，负载功率完全由光伏电源供给，所述储能设备的输出功率近似为零（即等于零或非常接近零）；2）当光伏电源出力大于负载需求功率时，光伏电源出力在满足负载之后，将多余功率提供给所述储能设备，此时双向逆变器工作在整流状态，所述储能设备工作在充电状态；3）当光伏电源出力小于负载需求功率时，此时双向逆变器工作在逆变状态，所述储能设备工作在放电状态如果放电也不够满足负载要求时，通过中央控制器的控制，断开部分负载）。在孤网运行模式下，光伏电源要以双向逆变器输出的电压和频率作为参考，以维持其正常运行。

如果储能设备充、放电也不能满足负载的功率要求时，则由上级控制器协调改变微电网内微电源的出力或改变负载大小来实现微电网的稳定运行，这部分内容不在本发明范围内。

在第一种工作情况下，逆变器调制比m_a维持不变，在第二种工作情况下，逆变器调制比m_a随着持续充电过程直流电压升高而减小，在第三种工作情况下，逆变器调制比m_a随着持续放电直流电压下降而增大。

在孤网运行模式下，V-f控制需要有工频正弦波作为调制波，本发明中该调制波的形成方法为：对工频正弦波（优选采用幅值为1的工频正弦波）进行离散化，获得一个工频周期内若干（n个）离散时间点的正弦波数据，形成由该若干正弦波数据组成的正弦表数组sin[n]，作为参考，依据所述正弦表数组形成各离散时间点下的对应于该离散时间点下工频正弦波数据的矩形脉冲序列代替V-f控制所需工频正弦波作为调制波，通过开关频率和工频频率的关系得到一个工频周期正弦表对应的开关点数n_f（即以一个工频周期为单位的开关频率数值），以正弦表数组元素总数n和n_f的倍数为实现工频正弦波时正弦表指针移动的步长选取用于调制的矩形脉冲，由此从上述矩阵脉冲序列中选取了与开关信号时点对应的若干矩阵脉冲（矩阵脉冲子序列），以此作为调制波与开关信号比较和调制输出使其符合工频正弦波形（包括位相相同）。

以A相为例分析，三角载波周期对应为周期计数值Coun_pr，A相导通脉冲时间对应为脉冲计数Coun_cmpA，A相在正弦表数组中对应的点数为n_A，有Coun_cmpA=0.5×Coun_pr（1+m_a sin[n_A]），B相和C相调制波也可从正弦表数组中进行相应的移点操作得到。V-f控制原理框图如图8所示。

当微电网孤网运行时，双向逆变电器运行于V-f控制方式，正弦表数组中的当前数组指针sin_pointer按照一定的步长变化，实现工频调制波，用sin_pointer对应的角度去更新锁相角。

2、并网模式下的PQ解耦控制：

并网运行时的控制方法主要是平抑由于受天气因素影响具有随机波动性的光伏电源等接入电网而引起的电网功率波动，最终实现微电网与公共电网间交换功率的可控和稳定，或者说实现微电网的功率跟随。

由于光伏电源发出的主要是有功功率，所以在并网运行时引起的交换功率波动以有功功率为主。在补偿有功功率波动时，可能需要将无功功率调整为零，所以在微电网并网运行时，采用有功无功解耦控制策略，快速地跟踪功率变化，同时可以单独控制双向逆变器输出有功或者无功的变化。

PQ解耦控制需要通过坐标变换将三相对称静止坐标系下的变量变换成以电网基波电压为基准的同步旋转坐标系下的变量（即通过park变换，变换到d-q坐标下），变换之后，基波交流正弦量变为同步旋转坐标系下的直流变量。其中q轴电流与无功功率相关，d轴电流与有功分量相关，该变换实现了有功功率和无功功率的解耦。

具体控制方式是：当微电源输出功率与负载消耗功率的差值正向波动（即朝着所述差值大于零的方向波动）时，控制所述储能设备充电，吸收多余的功率；（1）当微电源输出功率与负载消耗功率的差值负向波动（即朝着所述差值小于零的方向波动）时，控制所述储能设备放电，满足负载功率缺额。通过该控制方式可以保持微电网与公共电网间交换功率的稳定、可控。

与孤网模式类似，并网模式下，PQ解耦控制中电压前馈部分也需要工频正弦波作为调制波，本发明中该调制波的形成方法与V-f控制中调制波的形成方法相同，为：对工频正弦波（为便于运算，优选设定为幅值为1的工频正弦波）进行离散化，获得一个工频周期内若干离散时间点的正弦波数据，形成由该若干（m个）正弦波数据组成的正弦表数组sin[m]，依据该正弦表数组形成对应的矩形脉冲序列代替PQ解耦控制中电压前馈部分所需工频正弦波作为调制波，通过开关频率和工频频率的关系得到一个工频周期正弦表对应的开关点数m_f，以正弦表数组元素总数m和m_f（即以一个工频周期为单位的开关频率数值）的倍数为实现工频正弦波时正弦表指针移动的步长选取用于调制的矩形脉冲。m和n均为大于1的整数，二者可以相同也可以不同。PQ解耦控制原理框图如图9所示，其中P_ref为给定的有功功率，Q_ref为给定的无功功率，i_idref为有功电流，i_iqref为无功电流，e_a、e_b、e_c 为电网电压，i_ia、i_ib、i_ic为逆变器输出电流，u_dc为逆变器直流侧电压，u_dcref为逆变器直流电压参考，k为变压器的变比，w₀为同步旋转角频率，m_a为调制比，u_ma、u_mb、u_mc是PQ解耦控制的调制波，u_iabc为双向逆变器的滤波电容的三相电压，u_iabcref为双向逆变器的滤波电容三相电压参考。

当双向逆变器工作于并网模式时，锁相角随着电网电压相位变化，用锁相角度对应于正弦表数组中的指针sin_pointer_PQ当前的数组指针sin_pointer及对应的角度，实现参考调制波，将PQ解耦电流环得到的调制波叠加到正弦表生成的参考调制波上，可得到PQ解耦控制的输出调制波，实现并网模式的功率跟踪。

上述两种模式下，用生成的正弦表数组作为参考调制波，使得储能系统在任意一种模式下运行时都能对另一种运行模式的电压、频率、相位、功率等相关量进行跟踪矫正，正弦表数组充当了模式切换的纽带，为实现两模式间的无缝、平滑切换创造了条件，解决了常规方法下进行模式切换时难以给定电压和频率等参考的问题。

3、孤网转并网控制方法：

先采用V-f控制方式将双向逆变器控制为电压源，对并网模式下的电压、相位进行跟踪，并网后，将控制方式转为PQ解耦控制方式。

4、并网转孤网控制方法：

（1）计划性并网转孤网：

需要中央主控系统下发指令，通过切换负荷或者限制光伏源出力等措施，调整PCC点交换功率为零，控制PCC点快速开关断开（这个过程由中央控制器控制），控制策略转为V-f控制方式，切换至孤网运行。

（2）非计划性并网转孤网：

非计划性并网，即PCC点突然掉电或者电网故障等原因造成PCC点失去电网电源，此时控制策略直接转为V-f控制方式，切换过程中的PCC 点交换功率在储能设备容量允许范围内，由储能设备供给或者吸收，如果超出其容量范围，必须快速采取切负荷或者限制光伏电源出力等措施，使双向逆变器稳定运行。

为了更为直观地展现上述控制方法，下面从正弦表数组层面对孤网、并网、孤网转并网、并网转孤网时的控制过程进行说明：

当微电网孤网运行时，双向逆变器运行于V-f控制方式，正弦表数组中的当前数组指针sin_pointer按照一定的步长变化，实现工频调制波，用sin_pointer对应的角度去更新锁相角；

当微电网并网运行时，双向逆变器运行于PQ解耦控制方式，锁相角随着电网电压相位变化，用锁相角度对应于正弦表数组中的指针sin_pointer_PQ当前的数组指针sin_pointer及对应的角度，实现参考调制波，将PQ解耦电流环得到的调制波叠加到正弦表生成的参考调制波上，可得到PQ解耦控制的输出调制波，实现并网模式的功率跟踪；

当需要孤网切换到并网时，锁相角随着电网电压相位变化，计算对应于正弦表数组的指针sin_pointer_PQ，用当前数组指针sin_pointer追踪sin_pointer_PQ，过程中双向逆变器以V-f电压源方式运行，调制波生成依赖于sin_pointer的变化，当两个指针相等时，控制PCC点快速开关闭合，切换至并网运行模式，参考调制波依赖于sin_pointer_PQ（sin_pointer和sin_pointer_PQ保持相等）的变化，在稳定运行之后，根据功率指令将PQ解耦电流环生成的调制波叠加在参考调制波上，实现功率跟踪控制；

当需要由并网切换到孤网运行时，锁相角度对应切换时刻的sin_pointer（此时sin_pointer和sin_pointer_PQ仍相等）保持一个开关周期，sin_pointer不再追踪sin_pointer_PQ，参考调制波不依赖于sin_pointer_PQ的变化，此时可控制PCC点快速开关断开，微电网处于孤网状态。sin_pointer根据切换时刻的指针值，按照一定的步长变化，实现新的参考调制波，变为V-f控制的孤网运行模式。

无论孤网、并网还是孤网与并网间的切换过程中都可能涉及对储能设备的充放电调节，出于对储能设备的保护，都需要对储能设备的剩余容量（SOC）进行判断，若所述储能设备的SOC达不到最小设定的阈值要求，先采用恒定大电流对所述储能设备强制充电，当SOC达到设定阈值之后，再改用恒压小电流对所述储能设备充电。

为实现本发明的控制方法，本发明还公开一种用以执行上述控制方法的微电网中央控制器，结构组成如图7所示，包括：

1、开入模块，用于接收微电网与大电网之间PCC开关以及微电网负载投切开关的分合闸状态信号；所述开入模块可以包括分别用于连接开关分合闸位置检测装置和手动分合闸指令输入装置的信号输入子模块。无论是自动还是手动控制的相应开关，通过开入模块，中央控制器都可以及时掌握PCC开关以及微电网负载投切开关的状态，从而了解微电网现处于并网还是孤网状态，某负载现在是否接入微电网并从微电网获得供电。

2、开出模块，用于输出控制所述PCC开关以及微电网负载投切开关分合闸的指令信号；通过开出模块，中央控制器可以控制PCC开关的闭合和断开，以使微电网切换到并网或孤网运行模式，可以控制微电网内某负载投入或断开，以增加或减轻微电网负载。

3、模拟量采集模块，用于采集大电网上微电网接入点的模拟电参量以及微电网内电源系统（如光伏系统）、储能系统和负载的模拟电参量，并将所采集到的模拟量转换成可参与计算和逻辑判断的数字量并输出给中央处理器；

4、通讯模块，用于向微电网内电源系统、储能系统和保护装置输出控制信息和接收微电网内电源系统、储能系统和保护装置上报的状态信息；其中，输出控制信息可以是改变电源系统的出力、改变储能系统的充放电电压、要求保护装置动作对相应线路进行保护等。

5、存储器，用于存储控制程序，用于表征PCC开关以及微电网负载投切开关的分合闸状态信号，大电网上微电网接入点的模拟电参量以及微电网内电源系统、储能系统和负载的模拟电参量的信息，用户输入信息；

6、中央处理器，与所述开入模块、开出模块、模拟量采集模块、存储器和通讯模块通信连接，用于控制与其连接的各模块之间协同工作，根据来自所述开入模块、模拟量采集模块和通讯模块的信息、按照预设规则计算和逻辑判断得出带控制参数的控制指令并向所述通讯模块和/或开出模块输出；

7、显示模块，所述显示模块与所述中央处理器通信连接，用于接收来自中央处理器的供显示用信息并输出显示；所述显示模块可以是显示屏和/或指示灯，采用显示屏可以显示更多的信息，并通过更丰富的界面内容给用户更好的人机交互体验。

8、输入模块，所述输入模块与所述中央处理器通信连接，用于接收来自用户的按键输入并将相应按键对应的键值传递给所述中央处理器；

9、时钟模块，所述时钟模块与所述中央处理器双向通信连接，用于为所述中央处理器提供时间基准；

10、电源模块，与所述中央处理器、开入模块、开出模块、模拟量采集模块、通讯模块、存储器、显示模块、输入模块和时钟模块电连接，用于为中央控制器的各个组成部分供电。所述电源模块中设有电压变换子模块，用于将输入所述电源模块的电源电压变换成接受其供电的各组成部分各自所需的工作电压。

所述通讯模块优选为适用于PTN网络的通讯用模块。利用PTN通信技术适于远距离、大容量以及具有传输保护能力的特点，保证中央控制器的较强的数据传输能力和较好的传输质量，使微电网通信更可靠，实时性更强。另外，PTN通信业务传输接入的灵活性能够更好地适应中央控制器的控制对象分散、多种类、多数量要求。

所述微电网中央控制器还可以包括上位机，所述上位机通过所述通讯模块与所述中央控制器通讯连接。上位机可以是通用计算机、工控机或其他专用的具有计算能力的监控设备，主要可供管理人员监管微电网的整体运行情况。

所述通讯模块和/或上位机优选设有调度控制通讯接口，用于接收大电网调度决策信息。所述中央控制器根据接收到的大电网调度决策信息对本控制器的控制参数、控制指令、控制策略等进行调整，或直接将大电网调度决策信息转给下一级控制器，如微电网内电源系统、储能系统、负载和保护装置等的相应本地控制器。中央控制器可以通过所述调度控制通讯接口上报需要上一级控制器知晓的信息。

所述微电网中央控制器可以实现的控制有：

（1）负载自动控制：自动控制负载投、切，根据电网使用情况和用户定值设置，进行自动的1、2、3级负载投、切。

（2）母线功率自动平衡：根据发电功率、储能发出功率、负载消耗功率和母线进线功率的数值，调整发电功率、储能发出功率、负载投切来自动平衡母线功率。

（3）维持电网经济运行：根据用电-负载曲线和峰谷电价设定，自动的控制孤网侧和并网侧的交换功率。在电价顶峰减少对并网侧的功率消耗，在电价低谷，进行耗电量大的动作。

（4）自动模式控制：根据用户命令进行并网启动、孤网启动、并转孤、孤转并的流程控制。

（5）储能系统保护：根据储能系统荷电状态，进行自动充放电控制，并且可以避免对电池系统的过充和过放。

本发明的所述负载设备可分为1、2、3级，1级为保证电力供应负载，2级为可切断负载，3级为随时可以切断负载。本发明所称的“A等于B”、“A和B相等”不仅包含了A与B在数学意义上相等，还包含了A落入一个包含了B且具有上下限的区间的情况。除特别说明外，大部分所称的“负载设备”表示已投入微电网的负载设备。本发明的控制方法中涉及很多比较环节，其中用作比较基准的值在本发明中称为“……设定值”、“……阈值”、“给定……”，如第一设定值、第二设定值、第一电量阈值、第二电量阈值等。

Claims

1.一种微电网集中控制方法，其特征在于按照以下优先级对微电网内发电设备、负载设备和储能设备进行调控：

第二优先级：当所述发电设备的发电功率多于所述负载设备所需功率并达到相应的设定投入阈值或所述储能设备的剩余电量多于所述负载设备所需电量并达到相应的设定投入阈值时，将未投入的负载设备投入所述微电网；

第三优先级：当所述负载设备的功率需求没有得到满足时，按照采用下列优选顺序以充分利用微电网的发电能力：（1）提高所述发电设备的发电功率；（2）增加所述储能设备的放电功率，

在所述微电网由并网转孤网以及孤网启动时，若储能设备的剩余电量低于设定的孤网第一电量阈值，则切除2级负载和/或3级负载；若储能设备的剩余电量高于设定的孤网第二电量阈值，则将未投入的负载设备投入所述微电网。

2.如权利要求1所述的微电网集中控制方法，其特征在于将已投入的负载设备切除时，按照2级负载、3级负载的优先顺序切除负载设备，所述将未投入的负载设备投入所述微电网，按照负载的重要等级由高到低逐级投入。

3.如权利要求2所述的微电网集中控制方法，其特征在于将负载设备分组，根据要投入或切除负载的大小，选择性地对负载设备组进行渐进式投切。

4.如权利要求1、2或3所述的微电网集中控制方法，其特征在于在所述微电网孤网稳定运行时，动态控制发电设备的发电功率、负载设备的接入量和储能设备的充放电量使所述微电网内部达到功率平衡，采用的控制方式为：

5.如权利要求4所述的微电网集中控制方法，其特征在于在所述微电网并网稳定运行时，动态控制发电设备的发电功率、负载设备的接入量和储能设备的充放电量使微电网和大电网间交换功率平衡，采用的控制方式为：

6.如权利要求5所述的微电网集中控制方法，其特征在于将所述微电网由孤网运行转为并网运行的操作步骤为：控制所述储能设备的本地控制器转至并网模式，控制PCC开关合闸，将未投入的负载设备投入所述微电网。

7.如权利要求6所述的微电网集中控制方法，其特征在于将所述微电网由并网运行转为孤网运行的操作步骤为：逐级切除2、3级负载，控制所述储能设备的本地控制器转至孤网模式，控制PCC开关分闸。

8.如权利要求7所述的微电网集中控制方法，其特征在于所述微电网并网启动的操作步骤为：控制PCC开关合闸，投入所述负载设备和发电设备，将储能设备接入微电网，控制所述储能设备的本地控制器并网启动；所述微电网孤网带载启动的操作步骤为：切除各级负载，将储能设备接入微电网，投入1级负载，控制所述储能设备的本地控制器孤网启动，投入所述发电设备；所述微电网孤网空载启动的操作步骤为：切除各级负载，控制所述储能设备的本地控制器孤网启动，将储能设备接入微电网，投入1级负载，投入所述发电设备。

9.如权利要求8所述的微电网集中控制方法，其特征在于对所述发电设备输出功率和/或负载设备消耗功率的变化趋势进行预测，结合储能设备的容量，及时改变对微电网运行模式的设定。