CN103560538A - 基于pcc处储能的微电网保护与切换一体化控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，在PCC处通过本地信息的采集与分析，判断微电网运行状态，并通过对PCC本地装置设备的控制，实现微电网稳定的并网运行、离网运行、并网/离网无缝切换以及防孤岛保护，保证微电网对内部负荷的不间断可靠供电，提高了微电源的利用率以及电网的可靠性，具有良好的应用前景。

Description

基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，属于微电网技术领域。
背景技术
微电网作为分布式发电的高级结构形式，可以将多种分布式电源、负荷、储能有效地组织起来，既可以与外部大电网并网运行，也可以离网运行，正常情况下，微电网与配电网并网运行，配电网为其提供电压和频率支撑，当配电网出现故障或者需要检修时，微电网与配电网的公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）立即断开，微电网由并网运行模式转入离网运行模式，继续为微电网内负荷供电，提高微电网内的供电可靠性。但是，微电网由并网运行转为离网运行时，会失去配电网的电压支撑，不能保证微电网内分布式电源出力和负荷的功率平衡，导致微电网无法保持电压和频率的稳定，严重时造成分布式电源退出运行，负荷断电，整个微电网崩溃。
因此，为了确保微电网内负荷的供电连续性，研究微电网由并网运行向离网运行切换以及离网运行向并网运行切换的控制方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的克服现有技术中的不足，提供的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，在PCC处通过本地信息的采集与分析，判断微电网运行状态，并通过对PCC本地装置设备的控制，实现微电网稳定的并网运行、离网运行、并网/离网无缝切换以及防孤岛保护，保证微电网对内部负荷的不间断可靠供电，提高了微电源的利用率以及电网的可靠性。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：
步骤（1），在微电网的PCC固态开关处设置储能单元，储能单元和PCC固态开关通过PCC综合控制单元统一管理控制；
步骤（2），PCC综合控制单元通过采集PCC固态开关处的电气信息和PCC固态开关的通断信息，判断微电网所处运行状态；
步骤（3），根据微电网所处运行状态，通过对储能单元的控制模式切换和PCC固态开关通断的协调配合控制，实现微电网防孤岛保护和并/离网无缝切换的一体化控制。
前述的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：步骤（2），PCC综合控制单元通过采集PCC固态开关处的电气信息和PCC固态开关的通断信息，判断微电网所处运行状态的过程为，PCC综合控制单元实时采集PCC固态开关处的电压信息，当电压相位的变化值或电压频率超过阀值时，则检测出微电网孤岛状态；当电压幅值变化率超过阀值时，调整储能单元输出无功功率，若电压频率变化率超过阀值，则同样检测出微电网孤岛状态。
前述的的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：步骤（3）实现微电网防孤岛保护的过程为，若PCC综合控制单元检测出微电网孤岛状态后，则防孤岛保护立即动作，断开固态开关，微电网进行离网切换。
前述的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：步骤（3）对储能单元的控制模式切换为在正常运行时PCC综合控制单元根据判断的微电网所处运行状态，在四种模式间进行灵活切换，保证微电网内负荷的连续可靠供电，所述四种模式包括并网控制模式、离网控制模式、并网暂态控制模式和离网暂态控制模式。
前述的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：PCC综合控制单元在四种模式间进行灵活切换包括主动离网切换、被动离网切换和并网切换。
前述的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：主动离网切换的方法，包括以下步骤，
（1）PCC综合控制单元接收来自微电网的调度中心或EMS的主动离网切换指令；
（2）PCC综合控制单元关断PCC固态开关，并切换储能单元控制方式为离网暂态控制模式，以流过PCC固态开关的实际电流与参考电流值之差作为PI的输入，其输出作为离网暂态控制模式的电压调节量，在PCC固态开关的两侧形成以反向电压，加速电流过零，实现PCC固态开关快速关断。
（3）PCC综合控制单元检测到PCC固态开关快速关断后，切换储能单元控制方式为离网控制模式，为微电网提供频率和电压支撑，储能单元离网模式的参考电压和参考频率/相角的值取离网瞬间公共配电网的电压和频率/相角的值，以最大限度减小储能单元投入对微电网的冲击影响。
前述的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：被动离网切换的方法，包括以下步骤，
（1）PCC综合控制单元根据PCC处电气信息，检测出微电网处于孤岛运行状态，防孤岛保护动作关断PCC固态开关，同时，切换储能单元的控制方式为离网控制模式；
（2）PCC综合控制单元向微电网的调度中心或EMS发送孤岛运行状态信号，根据孤岛前流过PCC固态开关的功率切除等额的负荷或分布式电源；
（3）若微电网不能稳定运行，则进一步解裂，依照规划好的计划孤岛切除负荷及分布式电源，优先保证重要负荷供电，待频率电压稳定后再投入分布式电源及其他负荷。
前述的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：并网切换的方法，包括以下步骤，
（1）PCC综合控制单元检测到配电网恢复供电且电能质量符合要求，将微电网重新并网运行；
（2）微电网并网前切换储能单元的控制方式为并网暂态控制模式，采用调整储能单元离网模式下的参考电压和参考频率的方式进行控制，使微电网的电压和相角与配电网保持一致，当微电网和配电网电压的电压和相角满足表达式（1）时，闭合PCC固态开关，
其中，Vgrid和V分别为配电网和微电网的电压幅值，VN为额定电压幅值，θgrid和θ分别为配电网和微电网的电压相角；
（3）闭合PCC固态开关后，储能单元由并网暂态控制模式切换为并网控制模式，PCC综合控制单元向微电网的调度中心或EMS发送并网完成信号，控制切除的负荷及分布式电源重新并网。
本发明的有益效果是：本发明的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，与现有技术相比的优点如下，
1）在PCC处设置一定容量的储能，满足依靠PCC本地装置完成微电网防孤岛保护与并/离网无缝切换的需要，不再需要与EMS进行通信配合，PCC处的综合控制单元根据本地采集的电气信息可判断微电网所处运行状态，并通过储能单元的控制模式切换与固态开关通断的配合，完成微电网防孤岛保护和并/离网无缝切换的一体化控制，实现PCC本地装置的完全自主控制；
2）采用电压幅值突变作为主动检测的启动判据，与以往直接将电压幅值作为检测判据相比，防止微电网在配电网电压跌落时判定为孤岛运行状态而立刻离网运行，保证微电网在配电网电压跌落的一段时间内仍并网运行，与微电源低电压穿越要求相符，提高了微电源的利用率以及电网的可靠性，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的孤岛检测的流程图。
图2是本发明一实施例的含分布式电源的微电网系统的结构示意图。
图3是本发明一实施例的储能单元的并网控制模式的结构示意图。
图4是本发明一实施例的储能单元的离网控制模式的结构示意图。
图5是本发明一实施例的储能单元的离网暂态控制模式的结构示意图。
图6是本发明一实施例的储能单元的并网暂态控制模式的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
本发明的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，在PCC处通过本地信息（固态开关）的采集与分析，判断微电网运行状态，并通过对PCC本地装置设备（固态开关）的控制，实现微电网稳定的并网运行、离网运行、并网/离网无缝切换以及防孤岛保护，保证微电网对内部负荷的不间断可靠供电，具体包括以下步骤，
步骤（1），在微电网的PCC固态开关处设置储能单元，储能单元和PCC固态开关通过PCC综合控制单元统一管理控制；
步骤（2），PCC综合控制单元通过采集PCC固态开关处的电气信息和PCC固态开关通断信息，判断微电网所处运行状态，其过程为，PCC综合控制单元实时采集PCC固态开关处的电压信息，当电压相位的变化值或电压频率超过阀值时，则检测出微电网孤岛状态；当电压幅值变化率超过阀值时，调整储能单元输出无功功率，若电压频率变化率超过阀值，则同样检测出微电网孤岛状态；
步骤（3），根据微电网所处运行状态，通过对储能单元的控制模式切换和PCC固态开关通断的协调配合控制，实现微电网防孤岛保护和并/离网无缝切换的一体化控制，其中，如图1所示，实现微电网防孤岛保护的过程为，若PCC综合控制单元检测出微电网孤岛状态后，则防孤岛保护立即动作，断开固态开关，微电网进行离网切换；储能单元为微电网的组网元件，正常运行时有四种控制模式，包括并网控制模式（恒功率控制即PQ控制）、离网控制模式（恒电压恒频率控制即V/f控制）、并网暂态控制模式（预同步控制）和离网暂态控制模式（暂态V/f控制），根据PCC综合控制单元判断的微电网运行需要，可在四种模式间进行灵活切换，保证微电网内负荷的连续可靠供电。
PCC综合控制单元在四种模式间进行灵活切换包括主动离网切换、被动离网切换和并网切换。
主动离网切换的方法，包括以下步骤，
（1）PCC综合控制单元接收来自微电网的调度中心或EMS的主动离网切换指令；
（2）PCC综合控制单元关断PCC固态开关，并切换储能单元控制方式为离网暂态控制模式，以流过PCC固态开关的实际电流与参考电流值之差作为PI的输入，其输出作为离网暂态控制模式的电压调节量，在PCC固态开关的两侧形成以反向电压，加速电流过零，实现PCC固态开关快速关断。
（3）PCC综合控制单元检测到PCC固态开关快速关断后，切换储能单元控制方式为离网控制模式，为微电网提供频率和电压支撑，储能单元离网模式的参考电压和参考频率/相角的值取离网瞬间公共配电网的电压和频率/相角的值，以最大限度减小储能单元投入对微电网的冲击影响；
被动离网切换的方法，包括以下步骤，
（1）PCC综合控制单元根据PCC处电气信息，检测出微电网处于孤岛运行状态，防孤岛保护动作关断PCC固态开关，同时，切换储能单元的控制方式为离网控制模式；
（2）PCC综合控制单元向微电网的调度中心或EMS发送孤岛运行状态信号，根据孤岛前流过PCC固态开关的功率切除等额的负荷或分布式电源；
（3）若微电网不能稳定运行，则进一步解裂，依照规划好的计划孤岛切除负荷及分布式电源，优先保证重要负荷供电，待频率电压稳定后再投入分布式电源及其他负荷；
并网切换的方法，包括以下步骤，
（1）PCC综合控制单元检测到配电网恢复供电且电能质量符合要求，将微电网重新并网运行；
（2）微电网并网前切换储能单元的控制方式为并网暂态控制模式，采用调整储能单元离网模式下的参考电压和参考频率的方式进行控制，使微电网的电压和相角与配电网保持一致，当微电网和配电网电压的电压和相角满足表达式（1）时，闭合PCC固态开关，
其中，Vgrid和V分别为配电网和微电网的电压幅值，VN为额定电压幅值，θgrid和θ分别为配电网和微电网的电压相角；
（3）闭合PCC固态开关后，储能单元由并网暂态控制模式切换为并网控制模式，PCC综合控制单元向微电网的调度中心或EMS发送并网完成信号，控制切除的负荷及分布式电源重新并网。
下面通过本发明的方法，详细说明一具体实施例，
如图2所示，含分布式电源的微电网系统，微电网通过PCC固态开关与配电网相连，PCC固态开关处设置一定容量的储能单元，PCC综合控制单元采集PCC固态开关处的电气信息，控制储能单元的控制模式及固态开关通断，与微电网的EMS通过光纤通信，微电网的EMS监控各分布式电源和所有支路的开关，根据需要控制分布式电源的出力以及负荷，实现微电网的稳定控制，包括380V母线、PCC固态开关QF1、开关QF2、QF3、QF4、QF5、QF6、储能单元、光伏、风机以及多种负荷；PCC综合控制单元：采集PCC固态开头处的电气信息，控制储能单元的模式切换以及PCC固态开关通断；微电网的EMS监控各分布式电源和所有支路的开关，并控制其通断；PCC综合控制单元与微电网EMS通过光纤通信；PCC综合控制单元完成微电网的并/离网切换、防孤岛保护控制，并与微电网EMS协调配合实现微电网的稳定控制，微电网内其他分布式电源不论并网模式还是离网模式均采用PQ控制，最大限度发挥分布式电源的发电能力。
微电网中，储能单元工况分为并网模式（并网控制模式，恒功率控制即PQ控制）、离网控制模式（恒电压恒频率控制即V/f控制）、离网切换模式（离网暂态控制模式，暂态V/f控制）、并网切换模式（并网暂态控制模式，预同步控制）。
并网模式下，储能单元采用PQ控制，控制框图，如图3所示，根据微电网需要进行有功、无功控制，Pref和Qref分别为有功、无功功率参考值，Idref、Iqref分别为有功电流、无功电流给定值，Id、Iq分别为储能单元的实际输出的有功电流、无功电流，Ud、Uq分别为PCC点实际电压在同步坐标系下的直轴、交轴分量，SPWM为脉冲生成模块。
离网模式下，储能单元采用V/f控制，控制框图，如图4所示，为微电网提供电压和频率支撑，维持微电网母线电压和频率稳定，Vref和fref分别为电压、频率参考值，Udref、Uqref分别为电压直轴、交轴分量给定值，Ud、Uq分别为PCC点实际电压的直轴、交轴分量值。
离网切换模式下，储能单元采用暂态V/f控制，控制框图，如图5所示，Igdref、Igqref分别为并网电流的有功、无功分量给定值，设置为0，Igd、Igq分别为实际并网电流的有功、无功分量值，二者差值通过PI控制环生成电压调节量ΔUd、ΔUq，分别叠加在V/f控制的直轴、交轴参考电压Udref、Uqref上。当流过固态开关的电流不为零时，由于该PI控制环的引入，PCC固态开关两端会产生反向电压，以加速电流过零，从而加速PCC固态开关的关断。
并网切换模式下，储能单元采用预同步控制，控制框图，如图6所示，Vgrid、V分别为配电网和微电网电压幅值，θgrid、θ分别为配电网和微电网电压相角和fgrid、f分别为配电网和微电网电压频率，其差值分别作为PI控制环的输入，PI输出Δf0Synch、Δf’0Synch和ΔU0Synch叠加到fref和Vref上，当微电网的相位小于配电网的相位时，通过增加储能装置输出电压的频率参考值，从而使微电网和配电网的相位差缩小；当微电网和配电网的相位差在允许范围内时，通过减小储能装置逆变器的参考频率，从而使微电网和配电网同步运行；电压幅值的调节类似。
PCC综合控制单元的孤岛检测采用主动与被动相结合的检测方法，控制单元实时采集PCC固态开关处的电压信息，当电压相位的变化值或电压频率超过阀值时，则检测出孤岛状态；当电压幅值变化率超过阀值时，调整储能单元的输出无功功率，若电压频率变化率超过阀值，则同样检测出孤岛状态，PCC综合控制单元检测出孤岛状态后防孤岛保护立即动作，断开固态开关，微电网进行离网切换。
微电网主动离网切换控制、被动离网切换控制和并网切换控制的过程描述如下：
1）主动离网切换
PCC综合控制单元接收到微电网的EMS发出主动离网切换信号，微电网进行离网切换，PCC综合控制单元关断固态开关，同时切换储能单元的控制模式为暂态V/f控制，加速固态开关关断速度，参考电压Vdref和参考频率fdref分别设为318V和50Hz，初始相角取离网瞬间公共配电网的电压相角值，PCC固态开关可靠关断后，PCC综合控制单元控制储能单元的切换为传统V/f控制模式，微电网完成主动离网切换过程，进入稳定的离网运行模式；
2）被动离网切换
配电网发生故障引起配电网保护动作，使位于故障下游的微电网进入孤岛运行状态，此时微电网不会主动切换为离网运行模式，仍处于并网运行模式，需要微电网内部有控制元件检测出孤岛运行状态，微电网才能进行离网切换，利用PCC综合控制单元进行孤岛检测，一旦检测出微电网的孤岛运行状态，防孤岛保护动作断开PCC固态开关，储能单元的控制模式为V/f控制，并向微电网EMS发出被动离网控制信号；
微电网EMS收到被动离网控制信号后，根据0.2s前PCC固态开关处交换功率数值对微电网内负荷及分布式电源出力进行初调，若在3s时间内微电网不能恢复稳定运行，则微电网根据预先规定好的解裂点进一步解裂，首先保证重要负荷的可靠供电，待微电网稳定后再逐步投入分布式电源并恢复其他负荷供电；
3）并网切换
微电网离网运行时，PCC综合控制单元实时检测配电网电能质量，当检测到配电网恢复供电且电能质量符合要求时，PCC综合控制单元切换储能单元的控制方式为预同步控制，直接调整储能单元的V/f控制的参考电压和参考频率，使微电网电压和相角与配电网基本一致。
当微电网和配电网电压的电压和相角满足如下表达式（1）时，实施并网操作，闭合PCC固态开关，待开关闭合后储能单元的由V/f控制模式切换为PQ控制模式，
Figure BDA0000410579050000131
PCC综合控制单元控制固态开关和储能单元完成并网切换后，向微电网EMS发出并网完成信号，微电网EMS控制对停电负荷的恢复供电以及对退出运行分布式电源的并网启动。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。

Claims (8)

1.基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：
步骤（1），在微电网的PCC固态开关处设置储能单元，储能单元和PCC固态开关通过PCC综合控制单元统一管理控制；
步骤（2），PCC综合控制单元通过采集PCC固态开关处的电气信息和PCC固态开关的通断信息，判断微电网所处运行状态；
步骤（3），根据微电网所处运行状态，通过对储能单元的控制模式切换和PCC固态开关通断的协调配合控制，实现微电网防孤岛保护和并/离网无缝切换的一体化控制。
2.根据权利要求1所述的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：步骤（2），PCC综合控制单元通过采集PCC固态开关处的电气信息和PCC固态开关的通断信息，判断微电网所处运行状态的过程为，PCC综合控制单元实时采集PCC固态开关处的电压信息，当电压相位的变化值或电压频率超过阀值时，则检测出微电网孤岛状态；当电压幅值变化率超过阀值时，调整储能单元输出无功功率，若电压频率变化率超过阀值，则同样检测出微电网孤岛状态。
3.根据权利要求1所述的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：步骤（3）实现微电网防孤岛保护的过程为，若PCC综合控制单元检测出微电网孤岛状态后，则防孤岛保护立即动作，断开固态开关，微电网进行离网切换。
4.根据权利要求1所述的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：步骤（3）对储能单元的控制模式切换为在正常运行时PCC综合控制单元根据判断的微电网所处运行状态，在四种模式间进行灵活切换，保证微电网内负荷的连续可靠供电，所述四种模式包括并网控制模式、离网控制模式、并网暂态控制模式和离网暂态控制模式。
5.根据权利要求4所述的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：PCC综合控制单元在四种模式间进行灵活切换包括主动离网切换、被动离网切换和并网切换。
6.根据权利要求5所述的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：主动离网切换的方法，包括以下步骤，
（1）PCC综合控制单元接收来自微电网的调度中心或EMS的主动离网切换指令；
（2）PCC综合控制单元关断PCC固态开关，并切换储能单元控制方式为离网暂态控制模式，以流过PCC固态开关的实际电流与参考电流值之差作为PI的输入，其输出作为离网暂态控制模式的电压调节量，在PCC固态开关的两侧形成以反向电压，加速电流过零，实现PCC固态开关快速关断。
（3）PCC综合控制单元检测到PCC固态开关快速关断后，切换储能单元控制方式为离网控制模式，为微电网提供频率和电压支撑，储能单元离网模式的参考电压和参考频率/相角的值取离网瞬间公共配电网的电压和频率/相角的值，以最大限度减小储能单元投入对微电网的冲击影响。
7.根据权利要求5所述的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：被动离网切换的方法，包括以下步骤，
（1）PCC综合控制单元根据PCC处电气信息，检测出微电网处于孤岛运行状态，防孤岛保护动作关断PCC固态开关，同时，切换储能单元的控制方式为离网控制模式；
（2）PCC综合控制单元向微电网的调度中心或EMS发送孤岛运行状态信号，根据孤岛前流过PCC固态开关的功率切除等额的负荷或分布式电源；
（3）若微电网不能稳定运行，则进一步解裂，依照规划好的计划孤岛切除负荷及分布式电源，优先保证重要负荷供电，待频率电压稳定后再投入分布式电源及其他负荷。
8.根据权利要求5所述的基于PCC处储能的微电网保护与切换一体化控制方法，其特征在于：并网切换的方法，包括以下步骤，
（1）PCC综合控制单元检测到配电网恢复供电且电能质量符合要求，将微电网重新并网运行；
（2）微电网并网前切换储能单元的控制方式为并网暂态控制模式，采用调整储能单元离网模式下的参考电压和参考频率的方式进行控制，使微电网的电压和相角与配电网保持一致，当微电网和配电网电压的电压和相角满足表达式（1）时，闭合PCC固态开关，
Figure FDA0000410579040000031
其中，Vgrid和V分别为配电网和微电网的电压幅值，VN为额定电压幅值，θgrid和θ分别为配电网和微电网的电压相角；
（3）闭合PCC固态开关后，储能单元由并网暂态控制模式切换为并网控制模式，PCC综合控制单元向微电网的调度中心或EMS发送并网完成信号，控制切除的负荷及分布式电源重新并网。
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