CN104882906A - 一种基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统及方法。目前还没有一种结构设计合理的基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统及方法。本发明的黑启动控制系统的特点是：光伏阵列接口、光伏直流变换器、光伏并网控制器和交流母线通过电缆依次连接，光伏直流变换器、储能充电控制器和蓄电池通过电缆依次连接，储能变流器控制器和蓄电池直流控制器通过通信电缆连接。本发明的黑启动控制方法的特点是：A、交流母线系统供电；B、直流母线系统供电；C、分布式电源黑启动。本发明的结构设计合理，实现分布式电源黑启动，减少电网故障情况下的停电面积、停电时间和恢复时间，提高区域电网和大电网的安全稳定性。

Description

一种基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统及方法，特别是涉及应用与分布式微网系统和分布式能源站系统。

背景技术

分布式微网以分布式发电技术为基础，将一定区域内的分布式电源（DR）组织起来，结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分散化的供能网络。微网是电网的重要组成部分，能实现内部电源和用电负荷的联合运行，并通过微网并网开关实现微网与主电网的连接，实现微网与主电网的协调控制，可平滑接入主电网和独立运行，充分满足用户对能源多样化、电能质量、供电可靠性和安全性的要求。

基于现有技术分布式微网无法真正实现完全黑启动（除了水轮机），而分布式微网与传统大电网最明显特点是微网具有黑启动功能，在电网大面积停电后，采取电网黑启动措施，将大大减少电网停电时间，可以尽快恢复电网正常运行。真正黑启动是指在电网断电和分布式电源辅机供电电源都消失的情况下，不依靠电网外部电源，分布式电源依靠自启动功能实现分布式微网启动。而普通分布式电源（DR）组成的分布式微电网系统，比如由燃气内燃机、微型燃气轮机组成的微网功能系统不具有真正意义上的黑启动功能，一般需要为辅机提供交直流电源，而且需要由一个具备自启动功能的分布式电源提供VF支撑，然后具备启动条件的分布式电源切换至PQ模式进行并网。实际微网的分布式电源启动需要提供辅机和控制电源，而电网断电后辅机电源将消失，所以无法实现完全黑启动。

现在所使用的黑启动方式较多，如公开日为2009年10月07日，公开号为CN101552462的中国专利中，公开了一种黑启动方法，该黑启动方法首先将大容量火电机组作为黑启动电源，冲击小于黑启动电源容量的大容量变压器，然后逐步恢复重要负荷供电，并控制电流逐级向低电压等级冲击负荷变压器，通过负荷变压器逐步向下一级电网供电，再逐步恢复分区电网和分区发电厂的供电，并传送电流至其它同电压等级火电机组，提供相应火电机组电厂运作所需用电，恢复相应火电机组电厂发电，控制从已恢复发电的电厂供应的电流，冲击供电网络中与供电系统短路容量相匹配的其它负荷变压器，最后逐步恢复全电网的负荷供电，该黑启动方法不是真正意义上的黑启动。又如公开日为2014年08月13日，公开号为CN103986186A的中国专利中，公开了一种风光水互补型微电网黑启动控制方法，该方法包括：读入微电网基础数据；将满足黑启动条件的分布式电源作为黑启动电源备选机组；将黑启动电源备选机组按功率大小排序，依次取其中一台机组作为黑启动机组；各分布式电源按照是否是黑启动电源、是否参加孤网频率控制选择控制策略和控制器参数，得到备选微电网黑启动方案；对得到的备选微电网黑启动方案进行仿真计算，判断备选方案的黑启动过程及孤网运行时，微电网的各节点电压和微电网频率是否满足稳定、安全限值等约束条件，满足约束条件的，作为可行的方案，并在可行方案中选择最优方案，本方法所需耗费的停电时间和恢复时间均较长。

综上所述，目前还没有一种结构设计合理，实现分布式电源黑启动，减少电网故障情况下的停电面积、停电时间和恢复时间，提高区域电网和大电网的安全稳定性的基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，实现分布式电源黑启动，减少电网故障情况下的停电面积、停电时间和恢复时间，提高区域电网和大电网的安全稳定性的基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统及方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统，其特征在于：包括光伏阵列接口、光伏直流变换器、光伏并网控制器、储能充电控制器、分布式电源直流电源接口、储能变流器控制器、蓄电池直流接入控制器、分布式电源交流电源接口、储能过程控制器、蓄电池、直流供电变换器、蓄电池直流控制器和黑启动控制系统主机，所述光伏阵列接口、光伏直流变换器、光伏并网控制器和交流母线通过电缆依次连接，所述光伏直流变换器、储能充电控制器和蓄电池通过电缆依次连接，所述直流母线、储能过程控制器、储能变流器控制器和蓄电池通过电缆依次连接，所述直流母线、蓄电池直流接入控制器、直流供电变换器、蓄电池直流控制器和蓄电池通过电缆依次连接，1#分布式电源、分布式电源直流电源接口和交流母线通过电缆依次连接，2#分布式电源、分布式电源交流电源接口和直流母线通过电缆依次连接；所述黑启动控制系统主机通过通信电缆分别和光伏直流变换器、光伏并网控制器、储能充电控制器、分布式电源直流电源接口、蓄电池直流接入控制器、分布式电源交流电源接口、储能过程控制器、直流供电变换器和蓄电池直流控制器连接，所述储能变流器控制器和蓄电池直流控制器通过通信电缆连接。

作为优选，本发明所述黑启动控制系统主机为手动控制结构或自动控制结构。

作为优选，本发明还包括对外交流电源接口，所述对外交流电源接口和交流母线通过电缆连接，所述黑启动控制系统主机和对外交流电源接口通过通信电缆连接。

作为优选，本发明还包括对外直流电源接口，所述对外直流电源接口和直流母线通过电缆连接，所述黑启动控制系统主机和对外直流电源接口通过通信电缆连接。

一种基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统的控制方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

A、交流母线系统供电：通过光伏阵列接口，光伏直流变换器经过手动合上储能充电控制器对储能系统充电，当储能过程控制器正常启动时断开储能充电控制器，储能系统通过储能过程控制器为交流母线提供电源，此时储能过程控制器的运行策略由黑启动控制系统主机完成，通过黑启动控制系统主机合上光伏并网控制器，光伏并网控制器检测到交流电网，自动实现光伏并网发电，此时通过黑启动控制系统主机发命令给储能过程控制器减少输出功率以最大限度利用光伏发电部分；

B、直流母线系统供电：模式1，通过光伏直流变换器对储能系统充电，黑启动控制系统主机控制充电过程，然后由黑启动控制系统主机发控制命令至储能充电控制器和直流供电变换器，光伏发电支路切换至直流供电变换器输出直流运行方式，由储能通过直流供电变换器提供直流电源；模式2，黑启动控制系统主机检测到储能电池组荷电状态SOC较大，直接控制直流供电变换器输出直流电源；

C、分布式电源黑启动：

模式1，在储能系统SOC不满足启动情况下的分布式电源黑启动过程：当交流母线和直流母线均稳定后，分布式电源可以在满足辅机和控制系统电源需求情况下实现黑启动，在给分布式电源黑启动之前需要通过黑启动控制系统主机对分布式电源直流电源接口和分布式电源交流电源接口合闸，当储能系统提供交流母线电源，光伏系统并网发电情况下，黑启动控制系统主机通过减少储能过程控制器功率输出，实现光伏系统MPPT模式最大功率发电，当黑启动控制系统主机检测到分布式电源启动后，断开储能过程控制器和储能变流器控制器，实现光伏和分布式电源联合稳定运行；

模式2，在储能系统SOC满足分布式电源黑启动时，通过手动合上储能变流器控制器，储能过程控制器设置为自动启停，储能过程控制器自动运行后提供交流电源，黑启动控制系统主机控制储能过程控制器、分布式电源直流电源接口和分布式电源交流电源接口，为分布式电源提供交流和直流电源，实现分布式电源黑启动；

模式3，如果不具有光伏发电条件，通过对外直流电源接口对储能系统进行充电，并通过黑启动控制系统主机自动控制，当储能电池组荷电状态SOC满足分布式电源启动条件时，作为分布式微网备用启动系统，当分布式微网失电情况下，手动合上储能变流器控制器，储能过程控制器设置为自动启停，储能过程控制器自动运行后提供交流电源，此时黑启动控制系统主机运行合上光伏并网控制器进行发电，并降低储能过程控制器的输出功率，黑启动控制系统主机对直流供电变换器进行运行控制，使直流母线电源为分布式电源提供直流启动控制电源，满足分布式电源黑启动条件。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：（1）分布式微网在完全失电情况下，可以依靠光伏供电实现完全黑启动，从而提高分布式微网在运行中的安全稳定性；（2）分布式微网黑启动系统不仅可以帮助分布式电源实现黑启动，还具有光伏接入接口，实现并网和离网发电；（3）蓄电池系统不仅具有给分布式电源提供直流电源，通过MBCS系统协调控制，还具有交流发电供电功能，实现分布式微网黑启动和多余电量存储功能，提高微网稳定性和运行灵活性；（4）微网黑启动控制系统MBCS集成PLC和DSP技术，可以实现与能量变换器、控制器和分布式电源的通信控制，不仅可以实现分布式电源黑启动，还可以根据分布式电源运行情况进行实时通信，实现光伏、蓄电池和分布式电源多能源协调控制运行，提高分布式电源运行经济性和稳定性；（5）结构设计合理，使用灵活，性能可靠，适用面广，有效减少电网故障情况下的停电面积、停电时间和恢复时间，提高区域电网和大电网的安全稳定性。

本发明可以通过光伏和储能多种运行控制方式的切换实现分布式微网中的分布式电源在完全失电情况下依靠光伏和储能提供交直流电源系统，为分布式微网黑启动提供必要条件，从而实现分布式电源黑启动，减少电网故障情况下的停电面积、停电时间和恢复时间，提高区域电网和大电网的安全稳定性。分布式微网黑启动控制系统通过光伏系统和储能系统的协调运行控制为分布式电源提供交流电源和直流电源。光伏阵列输入直流变换器实现离网发电，直流变换器输出对蓄电池充电，分布式微网黑启动控制系统具有手动和自动控制模式，通过开关控制器手动切换和储能PCS控制，使蓄电池系统输出直流电源给分布式电源提供直流控制电源。而分布式微网黑启动控制系统和储能变流器控制器对储能PCS控制，实现蓄电池系统输出交流电源，光伏系统检测到交流电网，微网黑启动控制系统MBCS控制系统通过控制命令使控制器断开光伏对蓄电池的充电，光伏立刻切换至并网模式，从而实现光伏并网交流发电，为分布式电源提供交流动力电源。微网黑启动控制系统MBCS通过控制器对分布式电源进线直流和交流的供电控制，为分布式电源黑启动提供启动条件，为实现分布式微网分布式电源的完全黑启动提供基本条件。黑启动控制系统主机、变换器和控制器通过通信电缆连接组成分布式微网黑启动总控制系统，所有控制器可以具有手动和远方控制方式。

附图说明

图1是本发明实施例中基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统的结构示意图。

图中：1、光伏阵列接口；2、光伏直流变换器；3、光伏并网控制器；4、储能充电控制器；5、分布式电源直流电源接口；6、储能变流器控制器；7、蓄电池直流接入控制器；8、分布式电源交流电源接口；9、储能过程控制器；10、蓄电池；11、直流供电变换器；12、蓄电池直流控制器；13、黑启动控制系统主机；14、对外交流电源接口；15、对外直流电源接口；16、交流母线；17、直流母线；18、1#分布式电源；19、2#分布式电源。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1，本实施例中基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统包括光伏阵列接口1、光伏直流变换器2、光伏并网控制器3、储能充电控制器4、分布式电源直流电源接口5、储能变流器控制器6、蓄电池直流接入控制器7、分布式电源交流电源接口8、储能过程控制器9、蓄电池10、直流供电变换器11、蓄电池直流控制器12、黑启动控制系统主机13、对外交流电源接口14和对外直流电源接口15。

本实施例中的光伏阵列接口1、光伏直流变换器2、光伏并网控制器3和交流母线16通过电缆依次连接，光伏直流变换器2、储能充电控制器4和蓄电池10通过电缆依次连接，直流母线17、储能过程控制器9、储能变流器控制器6和蓄电池10通过电缆依次连接，直流母线17、蓄电池直流接入控制器7、直流供电变换器11、蓄电池直流控制器12和蓄电池10通过电缆依次连接，1#分布式电源18、分布式电源直流电源接口5和交流母线16通过电缆依次连接，2#分布式电源19、分布式电源交流电源接口8和直流母线17通过电缆依次连接。

本实施例中的黑启动控制系统主机13通过通信电缆分别和光伏直流变换器2、光伏并网控制器3、储能充电控制器4、分布式电源直流电源接口5、蓄电池直流接入控制器7、分布式电源交流电源接口8、储能过程控制器9、直流供电变换器11和蓄电池直流控制器12连接，储能变流器控制器6和蓄电池直流控制器12通过通信电缆连接。

本实施例中的对外交流电源接口14和交流母线16通过电缆连接，黑启动控制系统主机13和对外交流电源接口14通过通信电缆连接。对外直流电源接口15和直流母线17通过电缆连接，黑启动控制系统主机13和对外直流电源接口15通过通信电缆连接。黑启动控制系统主机13可以为手动控制结构或自动控制结构。

本实施例中基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统的控制方法的步骤如下：

A、交流母线系统供电：通过光伏阵列接口1，光伏直流变换器2经过手动合上储能充电控制器4对储能系统充电，当储能过程控制器9正常启动时断开储能充电控制器4，储能系统通过储能过程控制器9为交流母线提供电源，此时储能过程控制器9的运行策略由黑启动控制系统主机13完成，通过黑启动控制系统主机13合上光伏并网控制器3，光伏并网控制器3检测到交流电网，自动实现光伏并网发电，此时通过黑启动控制系统主机13发命令给储能过程控制器9减少输出功率以最大限度利用光伏发电部分。

B、直流母线系统供电：模式1，通过光伏直流变换器2对储能系统充电，黑启动控制系统主机13控制充电过程，然后由黑启动控制系统主机13发控制命令至储能充电控制器4和直流供电变换器11，光伏发电支路切换至直流供电变换器11输出直流运行方式，由储能通过直流供电变换器11提供直流电源；模式2，黑启动控制系统主机13检测到储能电池组荷电状态SOC较大，直接控制直流供电变换器11输出直流电源。

C、分布式电源黑启动：

模式1，在储能系统SOC不满足启动情况下的分布式电源黑启动过程：当交流母线16和直流母线17均稳定后，分布式电源可以在满足辅机和控制系统电源需求情况下实现黑启动，在给分布式电源黑启动之前需要通过黑启动控制系统主机13对分布式电源直流电源接口5和分布式电源交流电源接口8合闸，当储能系统提供交流母线电源，光伏系统并网发电情况下，黑启动控制系统主机13通过减少储能过程控制器9功率输出，实现光伏系统MPPT模式最大功率发电，当黑启动控制系统主机13检测到分布式电源启动后，断开储能过程控制器9和储能变流器控制器6，实现光伏和分布式电源联合稳定运行。

模式2，在储能系统SOC满足分布式电源黑启动时，通过手动合上储能变流器控制器6，储能过程控制器9设置为自动启停，储能过程控制器9自动运行后提供交流电源，黑启动控制系统主机13控制储能过程控制器9、分布式电源直流电源接口5和分布式电源交流电源接口8，为分布式电源提供交流和直流电源，实现分布式电源黑启动。

模式3，如果不具有光伏发电条件，通过对外直流电源接口15对储能系统进行充电，并通过黑启动控制系统主机13自动控制，当储能电池组荷电状态SOC满足分布式电源启动条件时，作为分布式微网备用启动系统，当分布式微网失电情况下，手动合上储能变流器控制器6，储能过程控制器9设置为自动启停，储能过程控制器9自动运行后提供交流电源，此时黑启动控制系统主机13运行合上光伏并网控制器3进行发电，并降低储能过程控制器9的输出功率，黑启动控制系统主机13对直流供电变换器11进行运行控制，使直流母线电源为分布式电源提供直流启动控制电源，满足分布式电源黑启动条件。

本实施例中的光伏阵列接口1、光伏直流变换器2、光伏并网控制器3、储能充电控制器4和蓄电池10形成光伏发电单元，储能过程控制器9和蓄电池10形成蓄电池交流发电单元，直流供电变换器11和蓄电池10形成直流供电单元，蓄电池10、储能变流器控制器6和储能过程控制器9形成蓄电池交流供电单元。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统，其特征在于：包括光伏阵列接口（1）、光伏直流变换器（2）、光伏并网控制器（3）、储能充电控制器（4）、分布式电源直流电源接口（5）、储能变流器控制器（6）、蓄电池直流接入控制器（7）、分布式电源交流电源接口（8）、储能过程控制器（9）、蓄电池（10）、直流供电变换器（11）、蓄电池直流控制器（12）和黑启动控制系统主机（13），所述光伏阵列接口（1）、光伏直流变换器（2）、光伏并网控制器（3）和交流母线（16）通过电缆依次连接，所述光伏直流变换器（2）、储能充电控制器（4）和蓄电池（10）通过电缆依次连接，所述直流母线（17）、储能过程控制器（9）、储能变流器控制器（6）和蓄电池（10）通过电缆依次连接，所述直流母线（17）、蓄电池直流接入控制器（7）、直流供电变换器（11）、蓄电池直流控制器（12）和蓄电池（10）通过电缆依次连接，1#分布式电源（18）、分布式电源直流电源接口（5）和交流母线（16）通过电缆依次连接，2#分布式电源（19）、分布式电源交流电源接口（8）和直流母线（17）通过电缆依次连接；所述黑启动控制系统主机（13）通过通信电缆分别和光伏直流变换器（2）、光伏并网控制器（3）、储能充电控制器（4）、分布式电源直流电源接口（5）、蓄电池直流接入控制器（7）、分布式电源交流电源接口（8）、储能过程控制器（9）、直流供电变换器（11）和蓄电池直流控制器（12）连接，所述储能变流器控制器（6）和蓄电池直流控制器（12）通过通信电缆连接。

2.根据权利要求1所述的基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统，其特征在于：所述黑启动控制系统主机（13）为手动控制结构或自动控制结构。

3.根据权利要求1所述的基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统，其特征在于：还包括对外交流电源接口（14），所述对外交流电源接口（14）和交流母线（16）通过电缆连接，所述黑启动控制系统主机（13）和对外交流电源接口（14）通过通信电缆连接。

4.根据权利要求1所述的基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统，其特征在于：还包括对外直流电源接口（15），所述对外直流电源接口（15）和直流母线（17）通过电缆连接，所述黑启动控制系统主机（13）和对外直流电源接口（15）通过通信电缆连接。

5.一种如权利要求1-4任一权利要求所述的基于光伏和储能的分布式微网黑启动控制系统的控制方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

A、交流母线系统供电：通过光伏阵列接口（1），光伏直流变换器（2）经过手动合上储能充电控制器（4）对储能系统充电，当储能过程控制器（9）正常启动时断开储能充电控制器（4），储能系统通过储能过程控制器（9）为交流母线提供电源，此时储能过程控制器（9）的运行策略由黑启动控制系统主机（13）完成，通过黑启动控制系统主机（13）合上光伏并网控制器（3），光伏并网控制器（3）检测到交流电网，自动实现光伏并网发电，此时通过黑启动控制系统主机（13）发命令给储能过程控制器（9）减少输出功率以最大限度利用光伏发电部分；

B、直流母线系统供电：模式1，通过光伏直流变换器（2）对储能系统充电，黑启动控制系统主机（13）控制充电过程，然后由黑启动控制系统主机（13）发控制命令至储能充电控制器（4）和直流供电变换器（11），光伏发电支路切换至直流供电变换器（11）输出直流运行方式，由储能通过直流供电变换器（11）提供直流电源；模式2，黑启动控制系统主机（13）检测到储能电池组荷电状态SOC较大，直接控制直流供电变换器（11）输出直流电源；

C、分布式电源黑启动：

模式1，在储能系统SOC不满足启动情况下的分布式电源黑启动过程：当交流母线（16）和直流母线（17）均稳定后，分布式电源可以在满足辅机和控制系统电源需求情况下实现黑启动，在给分布式电源黑启动之前需要通过黑启动控制系统主机（13）对分布式电源直流电源接口（5）和分布式电源交流电源接口（8）合闸，当储能系统提供交流母线电源，光伏系统并网发电情况下，黑启动控制系统主机（13）通过减少储能过程控制器（9）功率输出，实现光伏系统MPPT模式最大功率发电，当黑启动控制系统主机（13）检测到分布式电源启动后，断开储能过程控制器（9）和储能变流器控制器（6），实现光伏和分布式电源联合稳定运行；

模式2，在储能系统SOC满足分布式电源黑启动时，通过手动合上储能变流器控制器（6），储能过程控制器（9）设置为自动启停，储能过程控制器（9）自动运行后提供交流电源，黑启动控制系统主机（13）控制储能过程控制器（9）、分布式电源直流电源接口（5）和分布式电源交流电源接口（8），为分布式电源提供交流和直流电源，实现分布式电源黑启动；

模式3，如果不具有光伏发电条件，通过对外直流电源接口（15）对储能系统进行充电，并通过黑启动控制系统主机（13）自动控制，当储能电池组荷电状态SOC满足分布式电源启动条件时，作为分布式微网备用启动系统，当分布式微网失电情况下，手动合上储能变流器控制器（6），储能过程控制器（9）设置为自动启停，储能过程控制器（9）自动运行后提供交流电源，此时黑启动控制系统主机（13）运行合上光伏并网控制器（3）进行发电，并降低储能过程控制器（9）的输出功率，黑启动控制系统主机（13）对直流供电变换器（11）进行运行控制，使直流母线电源为分布式电源提供直流启动控制电源，满足分布式电源黑启动条件。