CN104281977A - 一种混合型微电网应用平台及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新能源发电领域，具体公开了一种混合型微电网应用平台及其控制方法，该应用平台包括：微电网系统、并网开关和控制系统；微电网系统包括直流微电网和交流微电网；直流微电网包括直流间隔设备；交流微电网包括交流间隔设备；直流间隔设备和交流间隔设备并联接入微电网交流母线，微电网交流母线通过并网开关与配电网母线连接；控制系统包括监控层和主控层。本发明提供的混合型微电网应用平台能够满足能量的快速响应，控制精度高，系统灵活、稳定，同时，其控制方法能够实现在无任何辅助手段情况下，微电网系统完成并网模式与孤岛模式的切换，且在并网模式下能够同时实现削峰填谷、功率平滑、时移以及改善电能质量等控制。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电领域，尤其涉及一种混合型微电网应用平台及其控制方法。
背景技术
与传统的火力发电、水力发电相比，由于风能和太阳能所具有的波动性，无法满足多接入点、高渗透率的接入传统电网，这已成为我国可再生能源大规模发展的主要障碍。由风能和太阳能构成的分布式发电单元，与传统的大电网之间存在能量的双向流动，储能单元母线上的能量双向流动，此外，分布式发电单元与负荷的能量传送，响应速度也存在差异，所有这些差异性增加了分布式发电单元运行和能量的传输。
作为分布式发电的重要接入方式之一，微电网主要是由分布式发电装置、储能环节以及本地负荷组成的（小型）配电子网，而分布式发电则更倾向于利用新型可再生能源（风能和太阳能等）。
微电网系统通过分布式发电和输配电技术，为可再生能源发电的接入提供了另外一条解决途径，而同时又可以作为坚强智能电网体系的有机组成部分，通过优势互补实现更显著的经济和环境效益。
微电网中包含了发电单元和负荷单元，这两个单元为不相关随机单元，同时，微电网中还包含了直流供电和交流供电两种模式，这就需要微电网储能单元频繁进行交、直流变换形式，吸收与发出有功功率以维持微电网的稳定运行，这对微电网拓扑结构设计、储能利用率、储能寿命以及微电网变换器的稳定性和可靠性提出了很高的要求。
目前，现有的微电网只是简单的实现了并网模式与孤岛模式转换的功能，在切换过程中，依靠很多辅助手段实现，但是无法同时实现 削峰填谷、功率平滑、时移、改善电能质量等多项功能，其主要原因在于，现有技术没有设计出一种适用于微电网的能量高效转化、转移、储存的交直流混合型结构，配合高效的多目标优化控制策略，以及储能单元控制策略，提高微电网系统的灵活性和实用性。
同时，由于传统的控制逻辑实现于分布式发电电源中的变流器控制中，微电网系统缺乏全局的控制策略和协调控制器平台，因此无法设计出多目标控制策略。
综上所述，现有技术智能化程度低，控制响应慢，控制目标单一，控制效果较差。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种混合型微电网应用平台及其控制方法，以克服现有技术中的微电网系统在无任何辅助手断的情况下，无法同时实现削峰填谷、功率平滑、时移、改善电能质量等多项功能。
（二）技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种混合型微电网应用平台，所述应用平台包括：
微电网系统、并网开关和控制系统；
所述微电网系统包括直流微电网和交流微电网；
所述直流微电网包括直流间隔设备和微电网直流母线；
所述交流微电网包括交流间隔设备和微电网交流母线；
所述直流间隔设备和交流间隔设备并联接入微电网交流母线，所述微电网交流母线通过并网开关与配电网母线连接；
所述控制系统包括监控层和主控层；
所述主控层分别与所述监控层、直流间隔设备、交流间隔设备相连，所述主控层用于接收所述直流间隔设备的实时数据和所述交流间隔设备的实时数据，并发送给所述监控层；
所述监控层根据接收到的所述直流间隔设备的实时数据和所述交流间隔设备的实时数据，进行数据分析，并将所述直流间隔设备的实时状态和所述交流间隔设备的实时状态发送给所述主控层，所述主控层根据接收到的所述直流间隔设备的实时状态和所述交流间隔设备的实时状态，进行所述微电网系统的故障预测与故障排除，并将结果返回给所述监控层，所述监控层根据接收到的数据形成控制指令并发送给所述主控层，在确定所述微电网系统无故障的情况下，所述主控层控制所述微电网系统执行削峰填谷、功率平滑、时移以及电能质量改善功能中的一种或多种。
其中，所述交流间隔设备包括：分布式发电设备、模拟负荷、储能双向变流器、光伏并网逆变器、风电逆变器、模拟电网和模拟阻抗器；
所述分布式发电设备和模拟负荷并联接入所述微电网交流母线，且所述分布式发电设备通过所述光伏并网逆变器和风电逆变器接入所述微电网交流母线；
所述直流间隔设备通过所述储能双向变流器接入所述微电网交流母线；
所述模拟电网一端与所述主控层相连，另一端与所述微电网交流母线相连，用于模拟微电网系统在孤岛模式下，不同的电网电压和频率；
所述模拟阻抗器接入微电网交流母线中，用于模拟所述微电网系统在孤岛模式下的线路阻抗角。
进一步，所述分布式发电设备包括：第二光伏发电设备、风力发电设备、柴油机发电设备、汽车充电桩；
所述第二光伏发电设备、风力发电设备、柴油机发电设备和汽车充电桩并联接入所述微电网交流母线，且所述第二光伏发电设备通过所述光伏并网逆变器接入所述微电网交流母线，所述风力发电设备通过所述风电逆变器接入所述微电网交流母线。
进一步，所述直流间隔设备包括：储能单元、第一光伏发电设备 和双向DC/DC斩波器；
所述储能单元包括：能量型储能电池以及功率型储能电池；
所述能量型储能电池、功率型储能电池和第一光伏发电设备均通过所述双向DC/DC斩波器并联接入所述微电网直流母线相连，所述微电网直流母线通过储能双向变流器接入微电网交流母线。
进一步，所述能量型储能电池为铅酸电池、镍氢电池、钠系电池、液流电池或磷酸铁锂储能电池中的至少一种；
所述功率型储能电池为超级电容和/或飞轮储能。
本发明还提供一种混合型微电网应用平台的控制方法，所述方法包括以下步骤：
S1：主控层采集所述直流间隔设备的实时数据和所述交流间隔设备的实时数据，并发送给所述监控层；
S2：监控层根据接收到的所述直流间隔设备的实时数据和所述交流间隔设备的实时数据，进行数据分析，并将所述直流间隔设备的实时状态和所述交流间隔设备的实时状态发送给所述主控层，所述主控层根据接收到的所述直流间隔设备的实时状态和所述交流间隔设备的实时状态，判断微电网系统是否处于并网模式，同时判断微电网系统是否发生故障；
若微电网系统处于孤岛模式，则执行步骤S8；
若微电网系统处于并网模式，同时，微电网系统不发生故障，则执行S3；
若微电网系统处于并网模式，同时，微电网系统发生故障，则执行S4；
S3：主控层控制微电网系统执行削峰填谷、功率平滑、时移、电能质量功能中的一种或多种；
当主控层根据接收到的数据判断储能单元需要进行系统维护时，则要进行储能单元维护，在储能单元维护过程中，并网模式下的削峰填谷、功率平滑、时移、电能质量功能全部停止，直至维护完成；
S4：所述主控层启动并网模式转孤岛模式，并判断并网模式转孤岛模式是否成功；
若并网模式转孤岛模式成功，则执行步骤S7；
若并网模式转孤岛模式失败，则执行步骤S5；
S5：主控层控制微电网系统进入黑启动模式；
S6：在微电网母线电压和频率建立稳定后，主控层控制微电网系统运行在孤岛模式；
S7：主控层确定微电网系统故障是否排除，若微电网系统故障已排除，则执行步骤S8；若微电网系统故障没有排除，则执行步骤S7；
S8：主控层启动孤岛模式转并网模式，之后，返回步骤S3。
进一步，所述步骤S2中，在微电网系统处于并网模式的情况下：
若微电网系统发生内部故障，则系统进行内部故障报警，并进行故障排除，若微电网系统不发生内部故障或者内部故障已排除，则主控层判断微电网系统是否发生外部故障；
若微电网系统不发生外部故障，则执行S3；
若微电网系统发生外部故障，则执行S4；
进一步，所述步骤S4中，并网模式转孤岛模式的步骤包括：
a：在并网模式下，监控层通过主控层实时采集风力发电设备、第二光伏发电设备和第一光伏发电设备的发电功率，以及储能单元的荷电状况，按照负荷重要性及期望的孤岛运行时间，确定孤岛模式下的供电预案；
b：主控层监测检测微电网系统是否发生故障，当微电网系统发生故障时，立即将检测结果发送给监控层，同时，主控层控制双向DC/DC斩波器和储能双向变流器进行工作模式转换；
c：监控层根据接收到的检测结果，迅速断开与配电网的连接，并按照离网供电预案，保留或切除二级负荷，同时，控制分布式发电设备进行限功率操作。
进一步，所述步骤S5中，所述黑启动模式的启动包括：
a：断开所述模拟负荷、并网开关、第一光伏发电设备、第二光伏发电设备和风力发电设备；
b：监控层向所述储能双向变流器下发直流侧电压指令、双向DC/DC斩波器功率调节参数，然后启动储能双向变流器和双向DC/DC斩波器，等待微电网交流母线电压的建立；
c：微电网交流母线电压建立之后，系统的其它所有控制环节都得电，处于待命状态；
d：监控系统通过智能配电柜接入负荷，等待系统进入稳定状态；
e：智能配电柜将第一光伏发电设备和第二光伏发电设备接入，并逐步增大允许第一光伏发电设备和第二光伏发电设备输入功率的限值，直至解除光第一光伏发电设备和第二光伏发电设备的输入功率限制；
f：智能配电柜依次将风力发电设备接入，同时调整双向DC/DC斩波器的配置，直至整个微电网系统处于稳定状态。
进一步，所述步骤S8中，孤岛模式转并网模式的步骤包括：
a：当配电网供电恢复时，主控层通过检测配电网的电压和频率予以确认，并向监控层反馈相关信息；
b：储能双向变流器25和双向DC/DC斩波器12根据配电网电压的幅值、频率和相位信息自动调节微电网系统的交流母线电压，实现与电网电压的同步；
c：当二者同步时，闭合电网开关；
d：如果二级负荷处于断开状态，系统接入二级负荷；
e：如果第二光伏发电设备、第一光伏发电设备和风力发电设备处于功率限制状态，监控层逐步开放它们的功率输出，直至进入并网运行的稳定调节状态。
（三）有益效果
本发明提供一种交、直流混合型微电网应用平台，该平台能够满足能量的快速响应，控制精度高，系统灵活、稳定，同时，本发明还 提供了一种混合型微电网应用平台的控制方法，该控制方法能够实现在无任何辅助手段情况下，微电网系统完成并网模式与孤岛模式的切换，且在并网模式下能够同时实现削峰填谷、功率平滑、时移以及改善电能质量等控制，从而提升了微电网系统的灵活性和实用性，以及全局动态响应能力。本发明提供的混合型微电网应用平台以及控制方法，充分利用可在生能源发电、储能单元在能量形式互补和能量调度控制，实现能量灵活流动，提高了分布式发电系统稳定性、可靠性和经济性，实现了分布式发电系统的高效利用。
附图说明
图1是本发明提供的混合型微电网应用平台的结构示意图；
图2是本发明提供的混合型微电网应该平台的控制方法的流程图；
图3a是本发明提供的混合型微电网应用平台的双向DC/DC斩波器理想状态下的下垂控制示意图。
图3b是本发明提供的混合型微电网应用平台的双向DC/DC斩波器实际的下垂控制示意图。
图中，10：微电网直流母线；11：第一光伏发电设备；12：双向DC/DC斩波器；13：能量型储能电池；14：功率型储能电池；20：微电网交流母线；21：一级负荷；22：二级负荷；23：模拟电网；24：模拟阻抗器；25：储能双向变流器；251：光伏并网逆变器；252：风电逆变器；26：风力发电设备；27：柴油机发电设备；28：汽车充电桩；29：第二光伏发电设备；30：主控层；31：监控层；40：配电网；K1：并网开关；PCC：并网点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的混合型微电网应用平台及其控制方法的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供的混合型微电网应用平台，包括：微电 网系统、并网开关K1和控制系统。
所述微电网系统包括直流微电网和交流微电网。所述直流微电网包括直流间隔设备和微电网直流母线10。所述交流微电网包括交流间隔设备和微电网交流母线20。所述直流间隔设备和交流间隔设备并联接入微电网交流母线20，所述微电网交流母线20通过并网开关K1与配电网母线连接。所述并网开关K1用于控制微电网系统与配电网40之间的连接与断开。当配电网40正常供电时，并网开关K1处于闭合状态，微电网系统与配电网40连接，微电网系统与配电网40之间可以进行能量交换；当配电网40发生故障时，并网开关K1处于断开状态，微电网系统运行在孤岛模式。
所述控制系统包括主控层30和监控层31。所述主控层30分别与所述监控层31、直流间隔设备、交流间隔设备相连，实现交流微电网与直流微电网的协调控制和能量管理。所述主控层30用于接收所述直流间隔设备的实时数据和所述交流间隔设备的实时数据，并发送给所述监控层31。所述监控层31根据接收到的所述直流间隔设备的实时数据和所述交流间隔设备的实时数据，进行数据分析，并将所述直流间隔设备的实时状态和所述交流间隔设备的实时状态发送给所述主控层30，所述主控层30根据接收到的所述直流间隔设备的实时状态和所述交流间隔设备的实时状态，对所述微电网系统进行故障预测与故障排除，并将结果返回给所述监控层31，所述监控层31根据接收到的数据形成控制指令并发送给所述主控层30，在确定所述微电网系统无故障的情况下，所述主控层30控制所述微电网系统执行削峰填谷、功率平滑、时移以及电能质量改善功能中的一种或多种。当所述主控层30预测到故障或发生突发故障时，所述主控层030将会按照预先设定的故障排查算法，对微电网系统进行控制，保证系统安全，事故不再扩散。
在本实施方式中，所述交流间隔设备包括：分布式发电设备、模拟负荷、储能双向变流器25、光伏并网逆变器251、风电逆变器252、模拟电网23和模拟阻抗器24。所述分布式发电设备和模拟负荷并联接 入所述微电网交流母线20，且所述分布式发电设备通过所述光伏并网逆变器251和风电逆变器252接入所述微电网交流母线20。所述直流间隔设备通过所述储能双向变流器25接入所述微电网交流母线20。所述模拟电网23一端与所述主控层30相连，另一端与所述微电网交流母线20相连，用于模拟微电网系统在孤岛模式下，不同的电网电压和频率。所述模拟阻抗器24接入微电网交流母线20中，用于模拟所述微电网系统在孤岛模式下的线路阻抗角。所述分布式发电设备包括：第二光伏发电设备29、风力发电设备26、柴油机发电设备27、汽车充电桩28。所述第二光伏发电设备29、风力发电设备26、柴油机发电设备27和汽车充电桩28并联接入所述微电网交流母线20，且所述第二光伏发电设备29通过所述光伏并网逆变器251接入所述微电网交流母线20，所述风力发电设备26通过所述风电逆变器252接入所述微电网交流母线20。所述风力发电设备26和第二光伏发电设备29通过储能双向变流器25为模拟负荷供电，或通过微电网交流母线20存储在能量型储能电池13或功率型储能电池14，用于孤岛运行、削峰填谷、功率平滑等控制。所述风力发电设备26可以是模拟器，也可以是真实的风力发电机；所述第二光伏发电设备29可以是模拟系统也可以是真实的光伏组件。
在本实施方式中，所述直流间隔设备包括：储能单元、第一光伏发电设备11和双向DC/DC斩波器12。所述储能单元和第一光伏发电设备11均通过所述双向DC/DC斩波器12并联接入所述直流微电网直流母线10，所述直流微电网直流母线010通过所述储能双向变流器25接入微电网交流母线20，实现了直流微电网与交流微电网的高效、快速的能量交换，提高了微电网系统的使用效率和使用寿命。
所述储能单元包括：能量型储能电池13以及功率型储能电池14。在微电网系统由并网模式转变成孤岛模式时，能量型储能电池13建立微电网交流母线20电压和频率，并维持微电网系统潮流平衡。所述能量型储能电池13功率型储能电池14均通过所述双向DC/DC斩波器 12与所述微电网直流母线10相连。所述能量型储能电池13可以为铅酸电池、镍氢电池、钠系电池、液流电池或磷酸铁锂储能电池中的至少一种。所述功率型储能电池14可以为超级电容和/或飞轮储能。
在混合型微电网应用平台中，储能双向变流器25直流侧，多台双向DC/DC斩波器12采用下垂控制策略，储能双向变流器25采用单环控制策略。
在混合型微电网应用平台中，储能双向变流器25与多台双向DC/DC斩波器12控制策略，将按照下面方式进行：
1）储能双向变流器25工作于电压源模式，不需要监控层31给出控制指令，自动保持三相输出电压频率和幅值的稳定性；
2）各双向DC/DC斩波器12支路采用下垂特性控制，以实现所有双向DC/DC斩波器12之间的功率均衡；
3）计算并优化需要投入的双向DC/DC斩波器12支路数，优化的目标是在保证功率平衡裕量的前提下使投入的支路数最少，该优化及功率调整在运行过程中动态进行；
4）根据微电网应用平台不同的控制方式，投入的双向DC/DC斩波器12支路方式与数量也不尽相同。
所述混合型微电网应用平台还包括并网变压器，所述并网变压器连接在所述微电网交流母线20和配电网母线之间，用于实现所述微电网系统与配电网40之间的能量交换。所述并网开关K1是设置在所述并网变压器低压侧的。
所述主控层30是基于嵌入式设计的多进程控制系统，各个进程独立工作，接收直流间隔设备和交流间隔设备的信号，以及线路信号，对直流间隔设备和交流间隔设备进行多目标控制策略的实施，是微电网应用平台的核心控制中心。这里的多目标控制策略是指对削峰填谷、功率平滑、时移以及电能质量改善等多项功能的控制策略。
所述主控层30包括主控屏、通讯屏、保护屏以及电能质量监控屏；所述主控屏包括：中央控制器和数据采集器，所述中央控制器用于控 制算法执行，所述数据采集器用于完成数据的采集。所述通讯屏是通讯信号的载体，其包括：光电交换机、通讯机、防火墙。所述保护屏包括：继电保护装置和各类开关，所述保护屏主要用于保护所述直流间隔设备、交流间隔设备和各种线路。所述电能质量控制屏主要用于检测所述微电网系统中电能的质量，所述电能质量监控屏包括电能质量在线监测装置以及控制信号输出端子。所述电能质量监控屏与所述微电网系统中的所有接入点相连，用于实现微电网系统中所有接入点电能质量的监测和控制信号输出。
所述监控层31用于对直流间隔设备和交流间隔设备进行实时数据监控和数据存储，并对混合型微电网应用平台的数据进行数据分析和二次开发。所述监控层31也执行混合型微电网应用平台的功率预测、经济性分析，以及接收来自配电网40的信号，结合主控层31的所有数据，形成控制指令，下发到主控层31，便于主控层31对直流间隔设备和交流间隔设备进行协调控制。所述监控层31包括能量管理与调度控制单元，以及通讯接收屏。
如图2所示，本发明还提供一种混合型微电网应用平台的控制方法，所述方法包括以下步骤：
S1：主控层30采集所述直流间隔设备的实时数据和所述交流间隔设备的实时数据，并发送给所述监控层；
在所述步骤S1中，所述主控层30，具体的说是，所述中央控制器，对所述直流间隔设备和交流间隔设备进行实时数据采集，主要包括：a、分布式发电设备的电压、电流、有功功率、无功功率、系统频率、工作状态以及功率因数；b、储能单元中能量型储能电池、功率型储能电池的参数及工作状态；c、网络通信状态、网络资源使用情况、根据通信物理连接判断做出网络通讯状态评估；d、判断是否采用热备冗余系统，保证通讯正常。
S2：监控层31根据接收到的所述直流间隔设备的实时数据和所述交流间隔设备的实时数据，进行数据分析，并将所述直流间隔设备的 实时状态和所述交流间隔设备的实时状态发送给所述主控层30，所述主控层30根据接收到的所述直流间隔设备的实时状态和所述交流间隔设备的实时状态，判断微电网系统是否处于并网模式，同时判断微电网系统是否发生故障；
若微电网系统不处于并网模式，换句话说，微电网系统处于孤岛模式，则执行步骤S8；
若微电网系统处于并网模式，同时，微电网系统不发生故障，则执行S3；
若微电网系统处于并网模式，同时，微电网系统发生故障，则执行S4；
所述微电网系统的故障包括：微电网内部故障和微电网外部故障。所述微电网内部故障主要是所述光伏并网逆变器251、双向DC/DC斩波器12、储能双向变流器25、风力发电设备26、微电网交流母线20、储能单元电气故障中的至少一种。所述微电网外部故障主要是指并网开关K1以外的故障，主要是指配电网40中发生接地短路、区域安全保护装置动作、开关无故障误跳、配电网停电检修中的至少一种。
在所述步骤S2中，在微电网系统处于并网模式的情况下：若微电网系统发生内部故障，则系统进行内部故障报警，并进行故障排除，若微电网系统不发生内部故障或者内部故障已排除，则主控层30判断微电网系统是否发生外部故障；若微电网系统不发生外部故障，则执行S3；若微电网系统发生外部故障，则执行S4。
S3：主控层控制微电网系统执行削峰填谷、功率平滑、时移、电能质量功能中的一种或多种；
当主控层根据接收到的数据判断储能单元需要进行维护时，则要进行储能单元维护，在储能单元维护过程中，并网模式下的削峰填谷、功率平滑、时移、电能质量功能全部停止，直至维护完成；
微电网系统运行在并网模式时，所述储能单元，即功率型储能电池13和能量型储能电池14，在微电网系统中可以分别或同时发挥3 种不同的作用：
a、备用电源；在并网模式下储存微电网系统的能量，满足微电网系统故障情况下重要负荷的供电需求。
b、平抑间歇性能源的功率波动；这里说的间歇性能源在本实施方式中指的是：风力发电设备26、第二光伏发电设备29和第一光伏发电设备11。所述风力发电设备26、第二光伏发电设备29和第一光伏发电设备11的输出功率存在随机性、大范围的波动，利用功率型储能电池13和能量型储能电池14的功率快速调节能力，可以有效地降低这种功率波动和负荷对微电网系统的影响，保证微电网系统的安全运行和负荷的可靠供电。
c、在削峰填谷或移峰填谷中，所述功率型储能电池13和能量型储能电池14通过在配电网40的用电低谷时段存储能量，用电高峰时段释放能量，一方面可以利用配电网的峰谷电价差，降低用电成本，另一方面可以减小微电网系统本身的负荷的波动范围，以降低总装机容量。
当主控层30确定微电网系统运行正常时，换句话说，微电网系统不发生故障时，即，在所述步骤S3中，所述风力发电设备26、第一光伏发电设备11和第二光伏发电设备29按照最大功率发电，以最大限度的发挥可再生能源的作用，只有在特殊情况下才进行风力发电设备26的投切控制。在主控层30确定微电网系统运行正常的情况下，所述主控层30对能量型储能电池13和功率型储能电池14进行削峰填谷控制，维持微电网系统潮流平衡，同时，所述功率型储能电池14主要进行短周期的功率平滑控制，所述能量型储能电池13主要进行长周期的功率平滑控制，以提高微电网系统内部供电质量。
在所述步骤S3中，所述储能双向变流器25以电压源模式工作，维持微电网交流母线电压的稳定；所述双向DC/DC斩波器12以直流母线电压UDC为控制量，用UDC的实际值与给定值的差值调节输出功率，使UDC保持在其给定值附近；各个双向DC/DC斩波器12通过UDC —P曲线（如图3a、3b所示）的下垂特性控制，实现功率的均衡分配。
所述储能双向变流器25的中间直流电压UDC由双向DC/DC斩波器12控制，并且该中间电压作为每个双向DC/DC斩波器12充放电工况选择、输出功率控制的指令。
在图3a和图3b中，曲线M1和曲线M2分别表示两个并联运行的双向DC/DC斩波器12的下垂特性曲线，其中横坐标表示微电网直流母线10的电压，纵坐标表示双向DC/DC斩波器12输出到微电网直流母线10的功率，功率取正值时表示储能单元放电，功率取负值表示储能单元充电，功率取0值表示停止工作。V1～V4、P11～P22分别是由主控层30的中央控制器的电压及功率给定值。
如图3a所示，是所述双向DC/DC斩波器12下垂特性控制的理性状态，充放电之间有一定的电压控制死区，可以克服各双向DC/DC斩波器12支路的测控离散性造成充放电模式紊乱。由于通常器件采用的是1200V的器件，该理想的下垂特性所需要的电压范围难以满足，故提出了图3b所示的变通的下垂特性。
与图3a相比，图3b所示的下垂特性需要的直流电压调节范围大大降低，但电压与功率不再是一一对应的关系，因此需要由监控调度系统下达明确的充放电运行模式的指令，并采取进一步的措施，避免出现各双向DC/DC斩波器12充放电模式的紊乱，以及状态的反复切换。其中，图3b中的A、B、C、D均表示微电网直流母线10的电压电压截止点。
在所述混合型微电网应用平台中，主控层30执行削峰填谷控制，按照下面的方式进行：
a、统计微电网系统模拟负荷的日平均功率曲线，并获得波峰参考值和波谷参考值；
b、统计微电网系统分布式发电设备功率预测值；
c、基于波峰参考值、波谷参考值以及微电网系统内部分布式发电设备的功率预测值，储能单元根据微电网系统模拟负荷联络线进行削 峰填谷控制，其中根据设定的阈值，进行充放电控制，保证微电网系统输出功率围绕系统功率联络线上下波动。
在所述混合型微电网应用平台中，主控层30执行功率平滑控制，按照下面的方式进行：
a、在一定时间间隔内，采集风力发电设备26、第二光伏发电设备29和第一光伏发电设备11多个功率输出值；
b、对上述多个功率输出值进行平滑滤波，通过数值外插计算，得出下一时段预计功率值；
c、计算风力发电设备26、第二光伏发电设备29和第一光伏发电设备11当前输出值与预计功率值之差，即为获得的功率控制值；
d、根据功率型储能电池14和能量型储能电池13的功率值进行修正，以获得多个修正的功率控制值；
e、功率型储能电池14和能量型储能电池13根据功率控制值进行充电或放电操作。
在所述混合型微电网应用平台中，主控层30执行时移控制，按照下面的方式进行：
所述主控层30控制功率型储能电池14或能量型储能电池13在配电网40负荷高峰期间放电，在配电网负荷低估期间充电以储存能量；或者，在配电网40费率较高时，功率型储能电池14或能量型储能电池放出能量，在配电网费率较低时，功率型储能电池14或能量型储能电池13储存能量。
在所述混合型微电网应用平台中，主控层30执行电能质量改善控制，按照下面的方式进行：
所述主控层30实时采集微电网系统的电能参数，通过算法分析得出系统无功、谐波等电能质量参数；所述主控层30控制功率型储能电池14或能量型储能电池13，进行有功、无功功率调节，改善微电网内部电能质量。
S4：所述主控层30启动并网模式转孤岛模式，并判断并网模式转 孤岛模式是否成功；
若并网模式转孤岛模式成功，则执行步骤S7；
若并网模式转孤岛模式失败，则执行步骤S5；
所述步骤S4中，并网模式转孤岛模式的步骤包括：
a：在并网模式下，监控层31通过主控层30实时采集风力发电设备26、第二光伏发电设备29和第一光伏发电设备11的发电功率，以及储能单元的荷电状况，按照负荷重要性及期望的孤岛模式运行时间，确定孤岛模式下的供电预案；
b：主控层30检测微电网系统是否发生故障，当微电网系统发生故障时，立即将检测结果发送给监控层31，同时，主控层控制双向DC/DC斩波器12和储能双向变流器25进行工作模式转换；
c：监控层31根据接收到的检测结果，迅速断开与配电网40的连接，并按照离网供电预案，保留或切除二级负荷22，同时，控制分布式发电设备进行限功率操作。
需要注意的是，在所述b步骤中，所述光伏并网逆变器251和所述风电逆变器252不参与孤岛模式检测，在并网模式到孤岛模式的转换过程中也不必采取特别的措施，继续以电流源模式运行，输出的有功功率和无功功率分别等于各自的参考功率。
S5：主控层控制微电网系统进入黑启动模式；
所述黑启动模式的启动包括：
a：断开所述模拟负荷、并网开关K1、第一光伏发电设备11、第二光伏发电设备29和风力发电设备26；
b：监控层31向所述储能双向变流器25下发直流侧电压指令、双向DC/DC斩波器12功率调节参数，然后启动储能双向变流器25和双向DC/DC斩波器12，等待微电网交流母线20电压的建立；
c：微电网交流母线20电压建立之后，系统的其它所有控制环节都得电，并处于待命状态；
d：监控层31通过智能配电柜接入负荷，等待系统进入稳定状态；
e：智能配电柜将第一光伏发电设备11和第二光伏发电设备29接入，并逐步增大允许第一光伏发电设备11和第二光伏发电设备29输入功率的限值，直至解除第一光伏发电设备11和第二光伏发电设备29的输入功率限制；
f：智能配电柜依次将风力发电设备26接入，同时调整双向DC/DC斩波器的配置，直至整个微电网系统处于稳定状态。
S6：在微电网母线电压和频率建立稳定后，主控层控制微电网系统运行在孤岛模式；
微电网系统在孤岛情况下的控制目标，是通过第一光伏发电设备11、第二光伏发电设备29、风力发电设备26及储能单元的协调控制，在保证供电质量的前提下实现供、用电的功率平衡。所述储能单元（即，功率型储能电池14和能量型储能电池13），一方面，需要根据第一光伏发电设备11、第二光伏发电设备29、风力发电设备26、模拟负荷的平均功率，相应地改变自身的输出功率，甚至在发电功率大于负荷功率的情况下吸纳一定的功率，实现系统的功率平衡。另一方面，还要通过功率的实时调节，消除间歇性能源的功率波动对微电网系统的影响，因此，储能单元（即，功率型储能电池14和能量型储能电池13）的控制是实现微电网系统平稳运行的核心，需要具备快速响应的能力。如果在孤岛模式下，储能单元（即，功率型储能电池14和能量型储能电池13）能量不足时，需要用柴油机发电设备27进行补充，储能单元在时移模式或并网模式后，进入能量补充阶段。
在孤岛模式下，储能单元（即，功率型储能电池14和能量型储能电池13）既是功率调节的主要执行环节，同时也是配电网40电压的控制环节，第二光伏发电设备29和第一光伏发电设备11、风力发电设备26是功率的输出环节，因此各部分需按照如下的要求进行控制。
1）储能双向变流器25以电压源模式工作，维持微电网交流母线电压的稳定，双向DC/DC斩波器12以直流母线电压UDC为控制量，用UDC的实际值与给定值的差值调节输出功率，使UDC保持在其给定 值附近，各个双向DC/DC斩波器12通过UDC—P曲线的下垂特性控制，实现功率的均衡分配。
2）与第二光伏发电设备29、风力发电设备26连接的储能双向变流器25以电流源模式工作，输出与交流母线电压一致的电流，输出电流的大小主要由储能双向变流器25根据发电功率确定，在供、用、储功率难以通过储能调节达到平衡的情况下，输出电流由微电网监控层31给定；
3）当负载电流是基本恒定时，当光伏、风电的输出功率增大/减小时，将导致储能单元（即，功率型储能电池14和能量型储能电池13）的直流母线电压UDC上升/下降，通过储能双向变流器25对UDC的反馈控制，使功率型储能电池14和能量型储能电池13的输出功率减小/增大，从而实现微电网系统功率的平衡控制，以及光伏、风电功率波动的抑制控制。
4）需要注意的是，在储能能量不足以支持微电网母线电压和频率时，需要切换到柴油机发电设备27并网发电模式，以柴油机发电设备27进行微电网母线电压和频率的稳定控制。
S7：主控层确定微电网系统故障是否排除，若微电网系统故障已排除，则执行步骤S8；若微电网系统故障没有排除，则执行步骤S7；
S8：主控层启动孤岛模式转并网模式，将微电网与大电网重新连接，并执行并网模式下的削峰填谷、功率平滑、时移以及电能质量改善等控制策略中的至少一种。也就是说，返回步骤S3。
所述步骤S8中，孤岛模式转并网模式的步骤包括：
a、当配电网40供电恢复时，主控层30通过检测配电网的电压和频率予以确认，并向监控层31反馈相关信息；
b、储能双向变流器25和双向DC/DC斩波器12根据配电网40电压的幅值、频率和相位信息自动调节微电网系统的交流母线电压，实现与电网电压的同步；
c、当二者同步时，闭合电网开关；
d、如果二级负荷22处于断开状态，系统接入二级负荷22；
e、如果第二光伏发电设备29、第一光伏发电设备11和风力发电设备26处于功率限制状态，监控层31逐步开放它们的功率输出，直至进入并网运行的稳定调节状态。
本发明提供一种交、直流混合型微电网应用平台，该平台能够满足能量的快速响应，控制精度高，系统灵活、稳定，同时，本发明还提供了一种混合型微电网应用平台的控制方法，该控制方法能够实现在无任何辅助手段情况下，微电网系统完成并网模式与孤岛模式的切换，且在并网模式下能够同时实现削峰填谷、功率平滑、时移以及改善电能质量等控制，从而提升了微电网系统的灵活性和实用性，以及全局动态响应能力。本发明提供的混合型微电网应用平台以及控制方法，充分利用可在生能源发电、储能单元在能量形式互补和能量调度控制，实现能量灵活流动，提高了分布式发电系统稳定性、可靠性和经济性，实现了分布式发电系统的高效利用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种混合型微电网应用平台，其特征在于，所述应用平台包括：微电网系统、并网开关和控制系统；
所述微电网系统包括直流微电网和交流微电网；
所述直流微电网包括直流间隔设备和微电网直流母线；
所述交流微电网包括交流间隔设备和微电网交流母线；
所述直流间隔设备和交流间隔设备并联接入微电网交流母线，所述微电网交流母线通过并网开关与配电网母线连接；
所述控制系统包括监控层和主控层；
所述主控层分别与所述监控层、直流间隔设备、交流间隔设备相连，所述主控层用于接收所述直流间隔设备的实时数据和所述交流间隔设备的实时数据，并发送给所述监控层；
所述监控层根据接收到的所述直流间隔设备的实时数据和所述交流间隔设备的实时数据，进行数据分析，并将所述直流间隔设备的实时状态和所述交流间隔设备的实时状态发送给所述主控层，所述主控层根据接收到的所述直流间隔设备的实时状态和所述交流间隔设备的实时状态，进行所述微电网系统的故障预测与故障排除，并将结果返回给所述监控层，所述监控层根据接收到的数据形成控制指令并发送给所述主控层，在确定所述微电网系统无故障的情况下，所述主控层控制所述微电网系统执行削峰填谷、功率平滑、时移以及电能质量改善功能中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的混合型微电网应用平台，其特征在于，所述交流间隔设备包括：分布式发电设备、模拟负荷、储能双向变流器、光伏并网逆变器、风电逆变器、模拟电网和模拟阻抗器；
所述分布式发电设备和模拟负荷并联接入所述微电网交流母线，且所述分布式发电设备通过所述光伏并网逆变器和风电逆变器接入所述微电网交流母线；
所述直流间隔设备通过所述储能双向变流器接入所述微电网交流母线；
所述模拟电网一端与所述主控层相连，另一端与所述微电网交流母线相连，用于模拟微电网系统在孤岛模式下，不同的电网电压和频率；
所述模拟阻抗器接入微电网交流母线中，用于模拟所述微电网系统在孤岛模式下的线路阻抗角。
3.根据权利要求2所述的混合型微电网应用平台，其特征在于，所述分布式发电设备包括：第二光伏发电设备、风力发电设备、柴油机发电设备、汽车充电桩；
所述第二光伏发电设备、风力发电设备、柴油机发电设备和汽车充电桩并联接入所述微电网交流母线，且所述第二光伏发电设备通过所述光伏并网逆变器接入所述微电网交流母线，所述风力发电设备通过所述风电逆变器接入所述微电网交流母线。
4.根据权利要求2所述的混合型微电网应用平台，其特征在于，所述直流间隔设备包括：储能单元、第一光伏发电设备和双向DC/DC斩波器；
所述储能单元包括：能量型储能电池以及功率型储能电池；
所述能量型储能电池、功率型储能电池和第一光伏发电设备均通过所述双向DC/DC斩波器并联接入所述微电网直流母线相连，所述微电网直流母线通过储能双向变流器接入微电网交流母线。
5.根据权利要求4所述混合型微电网应用平台，其特征在于，所述能量型储能电池为铅酸电池、镍氢电池、钠系电池、液流电池或磷酸铁锂储能电池中的至少一种；
所述功率型储能电池为超级电容和/或飞轮储能。
6.一种根据权利要求1-5中任意一项所述的混合型微电网应用平台的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：主控层采集所述直流间隔设备的实时数据和所述交流间隔设 备的实时数据，并发送给所述监控层；
S2：监控层根据接收到的所述直流间隔设备的实时数据和所述交流间隔设备的实时数据，进行数据分析，并将所述直流间隔设备的实时状态和所述交流间隔设备的实时状态发送给所述主控层，所述主控层根据接收到的所述直流间隔设备的实时状态和所述交流间隔设备的实时状态，判断微电网系统是否处于并网模式，同时判断微电网系统是否发生故障；
若微电网系统处于孤岛模式，则执行步骤S8；
若微电网系统处于并网模式，同时，微电网系统不发生故障，则执行S3；
若微电网系统处于并网模式，同时，微电网系统发生故障，则执行S4；
S3：主控层控制微电网系统执行削峰填谷、功率平滑、时移、电能质量功能中的一种或多种；
当主控层根据接收到的数据判断储能单元需要进行系统维护时，则要进行储能单元维护，在储能单元维护过程中，并网模式下的削峰填谷、功率平滑、时移、电能质量功能全部停止，直至维护完成；
S4：所述主控层启动并网模式转孤岛模式，并判断并网模式转孤岛模式是否成功；
若并网模式转孤岛模式成功，则执行步骤S7；
若并网模式转孤岛模式失败，则执行步骤S5；
S5：主控层控制微电网系统进入黑启动模式；
S6：在微电网母线电压和频率建立稳定后，主控层控制微电网系统运行在孤岛模式；
S7：主控层确定微电网系统故障是否排除，若微电网系统故障已排除，则执行步骤S8；若微电网系统故障没有排除，则执行步骤S7；
S8：主控层启动孤岛模式转并网模式，之后，返回步骤S3。
7.根据权利要求6所述的混合型微电网应用平台的控制方法，其 特征在于，所述步骤S2中，在微电网系统处于并网模式的情况下：
若微电网系统发生内部故障，则系统进行内部故障报警，并进行故障排除，若微电网系统不发生内部故障或者内部故障已排除，则主控层判断微电网系统是否发生外部故障；
若微电网系统不发生外部故障，则执行S3；
若微电网系统发生外部故障，则执行S4。
8.根据权利要求6所述的混合型微电网应用平台的控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，并网模式转孤岛模式的步骤包括：
a：在并网模式下，监控层通过主控层实时采集风力发电设备、第二光伏发电设备和第一光伏发电设备的发电功率，以及储能单元的荷电状况，按照负荷重要性及期望的孤岛运行时间，确定孤岛模式下的供电预案；
b：主控层监测检测微电网系统是否发生故障，当微电网系统发生故障时，立即将检测结果发送给监控层，同时，主控层控制双向DC/DC斩波器和储能双向变流器进行工作模式转换；
c：监控层根据接收到的检测结果，迅速断开与配电网的连接，并按照离网供电预案，保留或切除二级负荷，同时，控制分布式发电设备进行限功率操作。
9.根据权利要求6所述的混合型微电网应用平台的控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述黑启动模式的启动包括：
a：断开所述模拟负荷、并网开关、第一光伏发电设备、第二光伏发电设备和风力发电设备；
b：监控层向所述储能双向变流器下发直流侧电压指令、双向DC/DC斩波器功率调节参数，然后启动储能双向变流器和双向DC/DC斩波器，等待微电网交流母线电压的建立；
c：微电网交流母线电压建立之后，系统的其它所有控制环节都得电，处于待命状态；
d：监控系统通过智能配电柜接入负荷，等待系统进入稳定状态；
e：智能配电柜将第一光伏发电设备和第二光伏发电设备接入，并逐步增大允许第一光伏发电设备和第二光伏发电设备输入功率的限值，直至解除光第一光伏发电设备和第二光伏发电设备的输入功率限制；
f：智能配电柜依次将风力发电设备接入，同时调整双向DC/DC斩波器的配置，直至整个微电网系统处于稳定状态。
10.根据权利要求6所述的混合型微电网应用平台的控制方法，其特征在于，所述步骤S8中，孤岛模式转并网模式的步骤包括：
a：当配电网供电恢复时，主控层通过检测配电网的电压和频率予以确认，并向监控层反馈相关信息；
b：储能双向变流器25和双向DC/DC斩波器12根据配电网电压的幅值、频率和相位信息自动调节微电网系统的交流母线电压，实现与电网电压的同步；
c：当二者同步时，闭合电网开关；
d：如果二级负荷处于断开状态，系统接入二级负荷；
e：如果第二光伏发电设备、第一光伏发电设备和风力发电设备处于功率限制状态，监控层逐步开放它们的功率输出，直至进入并网运行的稳定调节状态。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yao Haiqiang Inventor after: Yao Chengyong Inventor after: Zhang Jinbin Inventor before: Zhou Lei |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20180723 Address after: 213000 No. 28 Jinghu Road, Xinqiao Industrial Park, Xinbei District, Changzhou, Jiangsu Patentee after: CHANGZHOU SINO SEA ELECPOWER CO.,LTD. Address before: 101111 the 6 floor of block B, 33 building, Huilong Sen science and Technology Park, fourteen Chuang street, Beijing economic and Technological Development Zone. Patentee before: BEIJING CETC JIANTOU MICRO-GRID SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A hybrid microgrid application platform and its control method Granted publication date: 20180206 Pledgee: China Construction Bank Corporation Changzhou Xinbei sub branch Pledgor: CHANGZHOU SINO SEA ELECPOWER CO.,LTD. Registration number: Y2024980000692 |