CN103683272B - 一种独立直流微电网系统及其能量平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独立直流微电网系统及其能量平衡控制方法，采用微网子模块结构相互连接的方式，将空间距离较远的发电源和负荷联络形成多端直流网络，可再生能源与负荷就地安装，减少传输中带来的能量损失。本发明通过智能控制器连接构成环网结构，解决了传统微电网的能量平衡依赖集控单元完成，发电、储电、配电单元均需要由集控单元进行协调，小容量的独立供电系统带来的不可靠因素较多，且能量损失较严重的问题，不依赖集控单元，减小了系统复杂度；就地能源管理，响应速度快，负荷、发电波动时系统就地进行快速调节；系统扩展方便，不需要更改现有系统的蓄电池及其他配置，不需要重新调节集控单元，任意扩展。

Description

一种独立直流微电网系统及其能量平衡控制方法

技术领域

本发明属于微电网技术、电力电子技术领域，具体涉及一种独立直流微电网系统及其能量平衡控制方法。

背景技术

海岛及偏远地区通常远离大电网，一般采取独立供电方式，短期内与大电网互联不易实现，大多采用柴油发电机供电模式，由于柴油机存在机械寿命相对较短，维护较复杂，电能质量很难得到有效保障，并且具有高昂的柴油成本以及运输困难等问题，通常电力十分紧缺。但此类地区可再生能源比较丰富，充分利用可再生能源，建立含风—光等可再生能源的发电系统是解决此类地区用电问题行之有效的措施。微电网系统作为可再生分布式发电源的有效组织形式，近年来受到了广泛关注并得到了越来越多的应用，在解决海岛及偏远地区用电问题上发挥着重要作用。现阶段在海岛环境的独立微电网系统有两种，一种是交流母线的独立微电网，另一种是直流母线的独立微电网。

交流母线的独立微电网系统结构如图1所示，包括集控中心、发电机组、可再生发电源、储能设备、双向变流器、单相变流器、输电网络以及多个区域和多个联络开关。集控中心实时监测系统各个模块的运行情况，各端口的电能信息，对系统中各模块按策略执行分、合操作，启动、停止发电机组工作，并监测储能系统剩余容量。储能设备连接的双向变流器有两种工作模式，VF模式和PQ模式，当发电机组不运行时，双向变流器工作在VF模式，提供交流母线电压、频率支撑，此时若可再生能源发电量较多时，双向变流器对储能设备进行充电操作，若可再生能源发电量不足以维持负荷时，储能通过双向变流器放电操作；当发电机组运行时，双向变流器工作在PQ模式，对于离网系统而言，尽量少使用常规化石能源，因此发电机组的启动条件是储能设备剩余容量不足以维持系统的运行，此时储能工作在充电模式，当剩余容量达到门槛上限时，由集控中心停止发电机组运行。可再生能源发电电源经变流器变流后接入交流母线，其中光伏系统由DC/AC并网型逆变器接入交流母线，风机系统由AC/DC/AC接入交流母线，当系统母线有电压时，可再生能源的变流器即开始工作。当可再生能源发电量超过系统中负荷和双向变流器需求时，由集控中心对其进行限功率运行或关闭的控制。

这种系统的缺点在于：系统可靠性不高，对集控中心、双向变流器等关键器件依赖度较大，在系统中无法替代，不能进行冗余配置。当集控中心或双向变流器失效后系统有出现瘫痪的风险；负荷管理和发电管理均由集控中心控制，由于数据传输和处理延时，系统实时度不高；回路切除需要由机械开关完成，使用寿命有局限且拒动的风险较大。

直流母线的独立微电网系统如图2所示，由能量产生环节、能量存储环节、能量消耗环节和控制中心4部分组成。其能量的产生环节又分为风力发电、光伏发电、柴油机组发电以及其他可利用的交流发电设备（预留，可扩展）；能量储存环节为蓄电池；能量的消耗一般主要由直流负载、交流负载2个部分组成；控制中心主要负责系统的整体运行控制，包括系统运行状态的监测、蓄电池的保护功能、负载的运行控制以及发电机组的启停控制信号，保证整个发电系统稳定、可靠地运行。

这种系统的缺点在于：蓄电池无管理，充放次数及深度较难保证；蓄电池直接接入直流母线，直流母线电压受限于蓄电池端的电压值，此系统扩展性有限，不适用于后期增加发电、用电设备；系统母线电压较低，不适合远距离布置发电源及负荷。

发明内容

本发明的目的是提供一种独立直流微电网系统，以解决现有系统在远离大电网、恶劣的环境下采用可再生能源供电的可靠性问题，同时提供一种对该系统进行能量平衡的控制方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种独立直流微电网系统，包括两个或者两个以上的微电网子模块，每个微电网子模块至少包括分布式电源，储能模块和负荷，所述微电网子模块通过直流接口连接形成双端或者多端直流网络。

所述各微电网子模块均包括具有内部直流母线的智能控制器；所述智能控制器设有与分布式电源，储能模块和负荷连接的端口和与其他微电网子模块中的智能控制器连接的互联端口；所述分布式发电源通过变流器接入直流母线，所述储能模块通过DC/DC模块接入直流母线；所述直流母线用于与负荷连接，还通过DC/DC模块与其他微电网子模块中智能控制器的互联端口连接。

所述智能控制器与负荷和其他微电网子模块的智能控制器之间的连接及切除采用软开关控制。

每个智能控制器配置有至少两个互联端口，三个及三个以上子模块通过对应端口形成环网系统。

本发明所采用的技术方案是：一种独立直流微电网系统的能量平衡控制方法，当一微电网子模块的发电源功率等于负荷需求时，储能模块处于浮充状态，该微电网子模块与其他子模块之间不进行外充或补电调整；

当一微电网子模块的发电源功率大于负荷需求时，根据预先设定的发电源、储能模块以及直流网络中其他微电网子模块的优先级，将该微电网子模块发电源与负荷功率差值的电能依照优先级顺序进行分配；

当一微电网子模块的发电源功率小于负荷需求时，根据预先设定的发电源、储能模块以及直流网络中其他微电网子模块的优先级，将该微电网子模块分布式发电源与负荷的功率差值依照优先级顺序进行电能补充。

当一微电网子模块的发电源功率大于负荷需求时，设置优先级顺序如下：优先向其他微电网子模块输送电能，而后是对该子模块的储能模块充电，最后是控制该子模块的发电源减少出力或切除操作。

当一微电网子模块的发电源功率小于负荷需求时，设置的优先级进顺序如下：优先控制发电源增加出力，其次是从其他微电网子模块中获取能量，然后是控制该子模块内部的储能模块放电；若发电源、储能模块及其他微电网子模块均不能提供功率时，按负荷重要等级，逐级切除负荷。

所述微电网子模块通过对应智能控制器的互联端口与其他微电网子模块进行电能转移。

由于有些分布式发电源如风机需要安装在有风资源的位置，在海岛环境中一般存在于岛的边缘区域，光伏组件往往安装在开阔地带如山顶，此时需要把发电源、负荷由分布式布局的智能控制器建立联络，就地接入负荷，以减少传输损耗。本发明的独立直流微电网系统及能量平衡控制方法采用微网子模块结构相互连接的方式，将空间距离较远的发电源和负荷联络形成多端直流网络，可再生能源与负荷就地安装，减少传输中带来的能量损失。

本发明通过智能控制器连接构成环网结构，解决了传统微电网的能量平衡依赖集控单元完成，发电、储电、配电单元均需要由集控单元进行协调，小容量的独立供电系统带来的不可靠因素较多，且能量损失较严重的问题，不依赖集控单元，减小了系统复杂度；智能控制器协调发电源、蓄电池或相邻其他智能控制器的交换功率，满足负荷功率需求，实现就地能源管理，响应速度快，负荷、发电波动时系统就地进行快速调节；系统扩展方便，不需要更改现有系统的蓄电池及其他配置，不需要重新调节集控单元，任意扩展。

依靠就地电力电子技术，完成负荷按重要等级管理，蓄电池充电管理、发电源间能量传输平衡，可大幅度提高系统的可靠性和可用性；可再生能源利用率高，系统根据负荷情况，综合调节，并采用较高的直流电压进行输电，实现发电、负荷最优配合。

负荷切除采用软开关完成，减少了机械开关的动作次数，延长系统的使用寿命。

附图说明

图1为现有交流母线的独立微电网系统结构框图；

图2为现有直流母线的独立微电网系统结构框图

图3为本发明独立直流微电网系统结构框图；

图4为智能控制器结构框图；

图5为本发明能量平衡控制方法流程图；

图6为本发明独立直流微网系统实施例结构图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

如图3所示为本发明独立直流微电网系统实施例的结构图，由图可知，该系统包括两个或者两个以上的微电网子模块，每个微电网子模块至少包括分布式电源，储能模块和负荷，微电网子模块通过直流接口连接形成双端或者多端直流网络。

相互连接或至少三个以环网方式连接的微电网子模块，各微电网子模块均包括通过对应的电源端口、储能端口与分布式发电源、储能模块连接的智能控制器，智能控制器具有用于与其他微电网子模块中的智能控制器连接的互联端口和用于与负荷连接的负荷端口，子模块间通过外部电缆把智能控制器的互联端口互联。

本实施例的储能模块采用蓄电池；各微电网子模块均包括具有内部直流母线的智能控制器（本实施例中的内部直流母线为虚直流母线），所有设备不依赖集控单元实现就地管理，能量平衡及传输均由智能控制器实现。如图4所示，智能控制器为多端口设备，分别为发电源、蓄电池、负荷连接端口和与其他微电网子模块中的智能控制器的互联端口。分布式发电源通过变流器接入虚直流母线，其中光伏电池等直流发电源经DC/DC模块接入，风机等交流发电源经AC/DC模块接入；蓄电池通过DC/DC模块接入虚直流母线；虚直流母线用于通过DC/AC模块与交流负荷连接，还通过DC/DC模块与其他微电网子模块中智能控制器的互联端口连接。

智能控制器协调发电源、蓄电池端口功率，与相邻其他智能控制器交换功率，满足负荷功率需求，实现就地能源管理。智能控制器采集各端口电能数据，控制负荷端口、发电源端口的功率，控制蓄电池提供或吸收的功率，并协调控制智能控制器间的能量交换，达到系统功率平衡。

智能控制器与负荷和其他微电网子模块的智能控制器之间的连接及切除采用软开关控制。

系统的分布式发电源包括为光伏组件、风机、燃气轮机、柴油机、水轮机中的一种或至少两种的组合；还可包含汇流箱、配网及开关等设备。

子模块互联管理，每个智能控制器配置有2个子模块互联端口，3个以上子模块可以通过此端口形成环网系统。模块间互相获取对侧端口信息，端口信息反映其内部蓄电池剩余容量(以下简称SOC)、发电与负荷的匹配关系等内部能量情况，两模块间自动进行能量匹配，当子模块1中负荷较大、发电量较少时，通过互联端口通过相邻子模块2或3获取能源。子模块互联通过升压后，用较高的电压传输电能，降低线路损耗，延长输送距离。

如图5所示为本发明独立直流微网系统的能量平衡控制方法流程图，其中智能控制器m和智能控制器n为与本地智能控制器互联的智能控制器模块，以环网系统为例，根据负荷和发电源的匹配关系，分别为如下三种控制模式：

（1）当一微电网子模块的发电源功率等于负荷需求时，对应的智能控制器各端口供需平衡，蓄电池处于浮充状态，该微电网子模块与其他子模块之间不进行外充或补电调整（即系统不做调整）。

（2）当一微电网子模块的发电源功率大于负荷需求时，根据与该微电网子模块连接的相邻微电网子模块的功率需求情况及蓄电池的剩余容量情况，以及预先设定的发电源、储能模块以及直流网络中其他微电网子模块的优先级，将该微电网子模块发电源与负荷功率差值的电能依照优先级顺序进行分配。

若相邻智能控制器满足吸收电能条件时，通过智能控制器间互联端口对相邻智能控制器提供电能；若储能模块剩余容量满足吸收电能条件时，对储能模块进行充电操作；若储能模块及相邻智能控制器均不吸收功率时，控制发电源，使其减小出力。考虑到能源的转换效率，优先向相邻智能控制器输送电能，而后是对储能模块充电，最后才是控制发电源减少出力或切除操作。

（3）当一微电网子模块的发电源功率小于负荷需求时，根据与该微电网子模块连接的相邻微电网子模块的功率需求情况及储能模块的剩余容量情况，以及预先设定的发电源、储能模块以及直流网络中其他微电网子模块的优先级，将该微电网子模块分布式发电源与负荷的功率差值依照优先级顺序进行电能补充。

若发电源可以增加出力时，控制发电源增加出力获得更多电能；若相邻智能控制器满足提供电能条件时，通过智能控制器间互联端口从相邻智能控制器获得电能；若储能模块剩余容量满足放电电能条件时，由储能模块提供电能；若发电源、储能模块及相邻智能控制器均不能提供功率时，按负荷重要等级，逐级切除负荷。本实施例优先控制发电源增加出力，其次是从相邻智能控制器中获取能量，然后是控制蓄电池放电，最后是逐级切除负荷的操作。

智能控制器对蓄电池的充放电管理，根据蓄电池端口电压值及预设电池容量进行均充、浮充控制，并监测蓄电池剩余容量，当蓄电池SOC过低时逐级切除负荷。

智能控制器对负荷的管理，智能控制器设置多个负荷端口，配置不同的优先等级，根据系统蓄电池剩余SOC进行控制，SOC过低时按优先级从低到高，通过软开关逐级切除负荷，当SOC恢复时，按优先级从高到低，通过软开关逐级投入负荷。

智能控制器对发电源的管理，采用闭环式控制对发电源进行实时的能量管理，如输入端口采用扰动式跟踪方式获得MPPT最大效率跟踪，最大程度的利用分布式发电源的能量。

智能控制器间存在配合策略，典型过程为：互联智能控制器获取对侧端口电能信息；智能控制器之间传递电能。对侧端口电能信息获取方式，可以通过电力电子方式获取或通讯方式获取。如采用电压下垂法配置，电能自动向电压低的一侧输送电能，采用载波等通讯方式两智能控制器之间进行信息交互，确定各智能控制器的控制模式，端口的工作方式等等，最终达到智能控制器之间的能量平衡。

如图6所示为本发明独立直流微网系统及能量平衡控制方法的一个实施例，该实施例以更为具体的系统结构对本发明进行介绍。由图可知，系统由3个子模块组成，子模块1包括1个光伏电站、光伏汇流箱、储能模块（蓄电池）1、智能控制器1及负荷1、负荷2；子模块2包括1个光伏电站、光伏汇流箱、储能模块（蓄电池）2、智能控制器2及负荷3、负荷4；子模块3包括1台风力发电和储能模块3。子模块1通过L1线缆和子模块3连接，通过L3线缆与子模块2连接；子模块2通过L2线缆与子模块3连接。

下面以子模块1为例介绍系统蓄电池、光伏电池及负荷的配置方法。

设置蓄电池容量为C,电压为U，设置浮充电压为1.15U，则智能控制器配置为0.1C进行充电配置。光伏电池需满足系统负荷及蓄电池充电需求进行容量配置，串接数量由光伏组件的接入端口决定。设置切除负荷1的蓄电池的剩余容量SOC为30%，切除负荷2的蓄电池SOC为20%，则当检测蓄电池容量为30%时，端口自动通过软开关对负荷1进行切除，保证负荷2正常运转，如果SOC持续降低，降低到20%时对负荷2亦进行切除操作。

系统互联由智能控制器端口实现，经过升压-降压处理，每个智能控制器模块均设置按照电压下垂进行配置，当子模块1中蓄电池及光伏电池不足以供给负荷使用时，此时内部母线电压幅值将降低，当内部母线电压小于定值时，由子模块2和子模块3对其输入能量，保证系统能源的综合有效应用。

Claims (6)

1.一种独立直流微电网系统，包括两个以上的微电网子模块，每个微电网子模块至少包括分布式电源，储能模块和负荷，其特征在于：所述微电网子模块通过直流接口连接形成双端以上直流网络；所述各微电网子模块包括具有内部虚直流母线的智能控制器；所述智能控制器协调分布式电源、储能模块端口功率，与相邻其他智能控制器交换功率，满足负荷功率需求，实现就地能源管理；所述智能控制器设有与分布式电源，储能模块和负荷连接的端口和与其他微电网子模块中的智能控制器连接的互联端口；所述分布式电源通过变流器接入虚直流母线，所述储能模块通过DC/DC模块接入虚直流母线；所述虚直流母线用于与负荷连接，还通过DC/DC模块与其他微电网子模块中智能控制器的互联端口连接；每个智能控制器配置有至少两个互联端口，三个以上子模块通过对应互联端口形成环网系统；智能控制器采集各端口电能数据，控制负荷端口、分布式电源端口的功率，控制储能模块提供或吸收的功率，并协调控制智能控制器间的能量交换，达到系统功率平衡。

2.根据权利要求1所述的独立直流微电网系统，其特征在于：所述智能控制器与负荷和其他微电网子模块的智能控制器之间的连接及切除采用软开关控制。

3.一种对权利要求1所述的独立直流微电网系统的能量平衡控制方法，其特征在于：当一微电网子模块的分布式电源功率等于负荷需求时，储能模块处于浮充状态，该微电网子模块与其他子模块之间不进行外充或补电调整；

当一微电网子模块的分布式电源功率大于负荷需求时，根据预先设定的分布式电源、储能模块以及直流网络中其他微电网子模块的优先级，将该微电网子模块分布式电源与负荷功率差值的电能依照优先级顺序进行分配；

当一微电网子模块的分布式电源功率小于负荷需求时，根据预先设定的分布式电源、储能模块以及直流网络中其他微电网子模块的优先级，将该微电网子模块分布式电源与负荷的功率差值依照优先级顺序进行电能补充。

4.根据权利要求3所述的独立直流微电网系统的能量平衡控制方法，其特征在于：当一微电网子模块的分布式电源功率大于负荷需求时，设置优先级顺序如下：优先向其他微电网子模块输送电能，而后是对该子模块的储能模块充电，最后是控制该子模块的分布式电源减少出力或切除操作。

5.根据权利要求3所述的独立直流微电网系统的能量平衡控制方法，其特征在于：当一微电网子模块的分布式电源功率小于负荷需求时，设置的优先级顺序如下：优先控制分布式电源增加出力，其次是从其他微电网子模块中获取能量，然后是控制该子模块内部的储能模块放电；若分布式电源、储能模块及其他微电网子模块均不能提供功率时，按负荷重要等级，逐级切除负荷。

6.根据权利要求3～5任意一项所述的独立直流微电网系统的能量平衡控制方法，其特征在于：所述微电网子模块通过对应智能控制器的互联端口与其他微电网子模块进行电能转移。