CN104967146A - 一种微电网并网与离网控制系统 - Google Patents

Abstract

微电网是一种由微型电源和负荷共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必要的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。微电网在公共连接点PCC通过一个静态开关来与外部电网Grid隔离开来。当静态开关闭合的时候，微电网进入并网运行状态，当静态开关打开的时候，微电网进入孤立运行状态。在PCC处一般还装有功率控制器，控制整个微电网与外部电网之间的功率交换。

Description

一种微电网并网与离网控制系统

技术领域

本发明涉及一种分布式电源发电的技术领域，具体的来说，是一种微电网并网与离网控制系统。

背景技术

随着世界性的化石燃料的日益减少和世界性能源危机问题的出现，开发和应用新的替代性和可持续性的新能源成为世界性的热门话题。

已经在大规模开发和利用的新能源有太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。未来有望开发的新能源包括海洋波能、可燃冰、煤层气和微生物能等。新能源以其蓬勃的发展趋势，即将取代传统能源占据人类利用能源的主导地位。目前可再生能源在能源利用中的比例总体上偏低，一个原因是对新能源的开发重视程度不够，另一个原因是与可再生能源技术的开发利用成本偏高有关，尤其是技术含量较高的太阳能、生物质能、风能等成本还很高。目前用于实现把新能源转化为电能的设备包括太阳能光伏电池、燃料电池、风力机、微汽轮、微内燃机等。随着新能源的大规模开发和应用，新能源大量接入电网，给电力系统的稳定运行提出了一系列的挑战。

发明内容

基于现有技术存在的不足，本发明提供一种微电网并网与离网控制系统，微电网是一种由微型电源和负荷共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必要的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。微电网在公共连接点PCC通过一个静态开关来与外部电网Grid隔离开来。当静态开关闭合的时候，微电网进入并网运行状态，当静态开关打开的时候，微电网进入孤立运行状态。在PCC处一般还装有功率控制器，控制整个微电网与外部电网之间的功率交换。

在微网中配置一定容量的储能，通过合适的控制可以灵活调整系统的有功/无功量的不断增加，微网中分布式电源的供电会给系统的运行稳定性及供电可靠性带来一定的负面影响。储能通过其功率控制器可以功率分布，抑制风力发电或光伏对微网稳定性的不利影响。常见的储能形式包括电化学储能、飞轮储能、超级电容器储能以及超导储能等。

微网在启动和离网运行时，一般由输出功率稳定且容量较大的电源担负组网电源，建立并维持系统的电压与频率。微型燃气轮机、柴油发电机组、储能等均可作为组网电源。与前两者相比，储能在担任组网电源时，控制上更为灵活、便捷，并可以在组网电源和并网电源间灵活转换，能够实现微网的离网运行和并网运行，以及离网/并网两种模式间转换的无缝过渡，以确保微网中负荷的供电连续性和电能质量。

微网与大电网之间的无缝切换，微网的运行方式包括离网模式、并网模式以及离网并网模式之间的切换过程。由于采用了储能单元作为微网的组网电源，因而，储能控制的控制策略对于微网运行方式的控制非常重要。

离网模式储能采用V/f控制建立并维持系统的电压与频率，储能的输出电压取自系统预设值，经滤波电容电压环、滤波电感电流环双环控制后产生储能控制器的PWM信号。

在并网运行模式下，配电网提供微网的电压及频率支撑，储能控制器采用PQ控制，根据系统的需要向配电网吸收或输出一定的有功/无功功率，以维持特定条件下微网与配电网连接处PCC的功率潮流稳定。滤波电容电压环、滤波电感电流环双环控制的基础上，增加功率外环，由给定的Pc、Qc指令依次控制两个内环。

连接哪一段离网/并网模式无缝切换微网离网运行时，当接收到并网调度指令，微网将切换至并网运行模式，快速准确的电网状态检测以及电压同步控制可以减少并网冲击，实现模式的平稳切换。

微网并网运行时，当计划检修或配电网出现故障时，微网将切换至离网运行模式，储能的快速控制可以缩短系统电压及频率的过渡时间，实现模式的灵活切换。

微网运行模式切换时，储能控制策略相应改变。当采用PQ控制时，储能控制器采用三环控制方式，利用功率控制环（并网电感电流）产生滤波电容电压环的d-q轴分量参考值vdref、vqref，并引入电压前馈提高控制系统的抗扰动能力。当采用V/f控制时，vdref、vqref值由系统预设。vdref、vqref经滤波电容电压环、滤波电感电流环产生储能控制器的PWM信号。

在微网从并网运行切换至离网运行模式过程中，储能控制器及时从三环控制方式切换至双环工作方式。由于滤波电容电压环和滤波电感电流环在两种工作模式中保持不变，因而能够确保系统在模式转换过程中的平滑和快速。

微网中含多个分布式电源时,互联接口的电力电子开关与信息接口共同实现即插即用特性,使得各分布式电源并入与切离微网系统变得非常便利。同时,各个互联接口的信息接口部分通过微网系统中央管理单元进行通信,实现对各分布式电源并网、切除、发电调度、故障检测等的统一管理,协调整个微网的运行,并能够在完全断供情况下辅助微网进行黑启动。各重要负荷通过互联接口的功率接口接入系统,微网和分布式电源运行正常时两者同时对重要负荷供电,任一方发生故障情况下,都能确保重要负荷的供电不受影响,实现其供电模式的无缝切换。

功率接口是用来连接/断开分布式发电单元与微网,并为线路电量测量提供接口的硬件接口,一般由线路开关和电量传感器(用于为系统监控提供电压/电流信号)组成。功率接口是互联接口的基础部分,功率接口可以是单相二/三线或者三相三/四线,接线方式决定着电缆/电线和传感器的数目,也决定着断路器和感应器的等级。该接口包括手动开关、断路器、控制接触器、电压/电流测量等部分。

除了功率部分外,接口还包括2类信息:一类是传感器测量的电压/电流信号以及断路器状态,上送至信息接口;另一类是信息接口发出的控制信号,控制并网接触器。

为了对负载提供高质量的供电电源,并提高微网故障时保护的反应速度,采用快速静态开关晶闸管，如可控硅整流器(SCR)代替普通的机械开关,其关断时间短、通过电流大、价格低。串联机械开关主要用于电力电子开关故障时将其彻底与线路隔离,并联旁路开关供电力电子开关检修时备用,电流传感器和电压传感器供测量线路实时电量使用。

信息接口比功率接口复杂,是互联单元的核心,主要包括3种信息:采集电压、电流和其他参数的测量信息;发送/接收输入/输出信号的控制信号;分布式电源和微网的信息。

为了提高接口使用的灵活性和功能可扩展性,并结合实际应用要求,采用微处理器对功率接口传送来的信息进行处理,并为系统提供控制功能。微处理器的数据处理能力能满足系统要求,同时,控制性能强,通信接口丰富,具有以太网、CAN、RS2485多种通信接口,外围硬件方面还配置有USB接口、液晶显示器(LCD)、键盘接口、网口,便于系统性能的扩展。

信息接口包括输入信息和输出信息两大类信息。

输入信息包括:来自功率接口的传感器信号与开关状态信号;来自本地分布式电源和其他设备(如电力系统操作设备、企业能量管理系统、其他分布式电源)的通信信号;从键盘上输入的手动控制命令。

输出信息包括:发送到开关连接/断开设备的控制信号;发送到分布式电源(开关开/合信号、功率命令等)和微网的通信信号(功率输入/输出数据等);显示面板上的监视信号,如功率、能量、谐波等。

接口互联单元的功能模块通过微处理器实现。这些功能模块主要有

1)频率、电量等的数据计算、显示、传输；

2)继电保护:如欠压保护、过压保护、过频率保护、低频率保护等；

3)同步:将测得的微网电压和频率与分布式电源输出电压和频率进行比较,当微网与分布式电源的电压和频率分别足够接近时,模块将对互联单元载流设备发出合闸命令。如果电压和频率相差大、无法并网时,互联单元便将微网的电压和频率信号发送给分布式电源,分布式电源据此对本身电压和频率进行调节,以使电压和频率达到并网要求；

4)反孤岛:是互联单元的一个特殊功能,需要与分布式电源控制单元进行协调与通信；

5)控制:如控制功率因数以提高电压调节性能。这种控制需要通过本地和远程通信进行调节；

6)能量管理:调节分布式电源基于日能量率的尖峰抑制或基础负荷；

7)电能质量:对分布式电源并入微网的公共耦合点的电能质量(如谐波直流注入)等进行分析,如果电能质量没有达到标准的要求,互联单元将发出断开分布式电源连接的命令；

三相全桥并网逆变器的主电路结构原理图，直流侧电感Ld与电容Cd构成了直流侧滤波器，6个IGBT开关管构成三相全桥逆变电路，电感L1、L2与电容Cf构成三相输出LCL滤波器，用三相恒压电压源来表示电网。Vd为直流侧电压，r为LCL滤波器的等效串联电阻，I1为流经L1的相电流，I2为流经L2的相电流，Vc为电容Cf电压，Vs为电网电压，Vi为逆变桥输出电压。逆变器输出的实时有功功率P与参考值Pref作比较得到差值ΔP，实时有功功率Q与参考值Qref作比较得到差值ΔQ,对ΔP和ΔQ分别进行PI控制输出电流直轴分量参考值idref和交轴分量参考值iqref,idref和id差值通过比例积分控制输出脉宽调制系数d轴分量Pmd，iqref和iq差值通过比例积分控制输出脉宽调制系数q轴分量Pmq。逆变驱动信号生成模块根据Pmd和Pmq以及PWM算法生成逆变器驱动信号驱动逆变器开关管导通和关断，控制逆变器工作。

附图说明

图1为微电网并网及离网控制系统的结构示意图少一个标点符号。

图2为微电网并网及离网控制系统的逆变器示意图同上。

具体实施方式

如图1所示，一种微电网并网与离网控制系统，微电网是一种由微型电源和负荷共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必要的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。微电网在公共连接点PCC通过一个静态开关来与外部电网Grid隔离开来。当静态开关闭合的时候，微电网进入并网运行状态，当静态开关打开的时候，微电网进入孤立运行状态。在PCC处一般还装有功率控制器，控制整个微电网与外部电网之间的功率交换。

在微网中配置一定容量的储能，通过合适的控制可以灵活调整系统的有功/无功量的不断增加，微网中分布式电源的供电会给系统的运行稳定性及供电可靠性带来一定的负面影响。储能通过其功率控制器可以功率分布，抑制风力发电或光伏对微网稳定性的不利影响。常见的储能形式包括电化学储能、飞轮储能、超级电容器储能以及超导储能等。

微网在启动和离网运行时，一般由输出功率稳定且容量较大的电源担负组网电源，建立并维持系统的电压与频率。微型燃气轮机、柴油发电机组、储能等均可作为组网电源。与前两者相比，储能在担任组网电源时，控制上更为灵活、便捷，并可以在组网电源和并网电源间灵活转换，能够实现微网的离网运行和并网运行，以及离网/并网两种模式间转换的无缝过渡，以确保微网中负荷的供电连续性和电能质量。

微网与大电网之间的无缝切换，微网的运行方式包括离网模式、并网模式以及离网并网模式之间的切换过程。由于采用了储能单元作为微网的组网电源，因而，储能控制的控制策略对于微网运行方式的控制非常重要。

离网模式储能采用V/f控制建立并维持系统的电压与频率，储能的输出电压取自系统预设值，经滤波电容电压环、滤波电感电流环双环控制后产生储能控制器的PWM信号。

在并网运行模式下，配电网提供微网的电压及频率支撑，储能控制器采用PQ控制，根据系统的需要向配电网吸收或输出一定的有功/无功功率，以维持特定条件下微网与配电网连接处PCC的功率潮流稳定。滤波电容电压环、滤波电感电流环双环控制的基础上，增加功率外环，由给定的Pc、Qc指令依次控制两个内环。

连接哪一段离网/并网模式无缝切换微网离网运行时，当接收到并网调度指令，微网将切换至并网运行模式，快速准确的电网状态检测以及电压同步控制可以减少并网冲击，实现模式的平稳切换。

微网并网运行时，当计划检修或配电网出现故障时，微网将切换至离网运行模式，储能的快速控制可以缩短系统电压及频率的过渡时间，实现模式的灵活切换。

微网运行模式切换时，储能控制策略相应改变。当采用PQ控制时，储能控制器采用三环控制方式，利用功率控制环（并网电感电流）产生滤波电容电压环的d-q轴分量参考值vdref、vqref，并引入电压前馈提高控制系统的抗扰动能力。当采用V/f控制时，vdref、vqref值由系统预设。vdref、vqref经滤波电容电压环、滤波电感电流环产生储能控制器的PWM信号。

在微网从并网运行切换至离网运行模式过程中，储能控制器及时从三环控制方式切换至双环工作方式。由于滤波电容电压环和滤波电感电流环在两种工作模式中保持不变，因而能够确保系统在模式转换过程中的平滑和快速。

微网中含多个分布式电源时,互联接口的电力电子开关与信息接口共同实现即插即用特性,使得各分布式电源并入与切离微网系统变得非常便利。同时,各个互联接口的信息接口部分通过微网系统中央管理单元进行通信,实现对各分布式电源并网、切除、发电调度、故障检测等的统一管理,协调整个微网的运行,并能够在完全断供情况下辅助微网进行黑启动。各重要负荷通过互联接口的功率接口接入系统,微网和分布式电源运行正常时两者同时对重要负荷供电,任一方发生故障情况下,都能确保重要负荷的供电不受影响,实现其供电模式的无缝切换。

功率接口是用来连接/断开分布式发电单元与微网,并为线路电量测量提供接口的硬件接口,一般由线路开关和电量传感器(用于为系统监控提供电压/电流信号)组成。功率接口是互联接口的基础部分,功率接口可以是单相二/三线或者三相三/四线,接线方式决定着电缆/电线和传感器的数目,也决定着断路器和感应器的等级。该接口包括手动开关、断路器、控制接触器、电压/电流测量等部分。

除了功率部分外,接口还包括2类信息:一类是传感器测量的电压/电流信号以及断路器状态,上送至信息接口;另一类是信息接口发出的控制信号,控制并网接触器。

为了对负载提供高质量的供电电源,并提高微网故障时保护的反应速度,采用快速静态开关晶闸管，如可控硅整流器(SCR)代替普通的机械开关,其关断时间短、通过电流大、价格低。串联机械开关主要用于电力电子开关故障时将其彻底与线路隔离,并联旁路开关供电力电子开关检修时备用,电流传感器和电压传感器供测量线路实时电量使用。

信息接口比功率接口复杂,是互联单元的核心,主要包括3种信息:采集电压、电流和其他参数的测量信息;发送/接收输入/输出信号的控制信号;分布式电源和微网的信息。

为了提高接口使用的灵活性和功能可扩展性,并结合实际应用要求,采用微处理器对功率接口传送来的信息进行处理,并为系统提供控制功能。微处理器的数据处理能力能满足系统要求,同时,控制性能强,通信接口丰富,具有以太网、CAN、RS2485多种通信接口,外围硬件方面还配置有USB接口、液晶显示器(LCD)、键盘接口、网口,便于系统性能的扩展。

信息接口包括输入信息和输出信息两大类信息。

输入信息包括:来自功率接口的传感器信号与开关状态信号;来自本地分布式电源和其他设备(如电力系统操作设备、企业能量管理系统、其他分布式电源)的通信信号;从键盘上输入的手动控制命令。

输出信息包括:发送到开关连接/断开设备的控制信号;发送到分布式电源(开关开/合信号、功率命令等)和微网的通信信号(功率输入/输出数据等);显示面板上的监视信号,如功率、能量、谐波等。

接口互联单元的功能模块通过微处理器实现。这些功能模块主要有

1)频率、电量等的数据计算、显示、传输；

2)继电保护:如欠压保护、过压保护、过频率保护、低频率保护等；

3)同步:将测得的微网电压和频率与分布式电源输出电压和频率进行比较,当微网与分布式电源的电压和频率分别足够接近时,模块将对互联单元载流设备发出合闸命令。如果电压和频率相差大、无法并网时,互联单元便将微网的电压和频率信号发送给分布式电源,分布式电源据此对本身电压和频率进行调节,以使电压和频率达到并网要求；

4)反孤岛:是互联单元的一个特殊功能,需要与分布式电源控制单元进行协调与通信；

5)控制:如控制功率因数以提高电压调节性能。这种控制需要通过本地和远程通信进行调节；

6)能量管理:调节分布式电源基于日能量率的尖峰抑制或基础负荷；

7)电能质量:对分布式电源并入微网的公共耦合点的电能质量(如谐波直流注入)等进行分析,如果电能质量没有达到标准的要求,互联单元将发出断开分布式电源连接的命令；

如图2所示，三相全桥并网逆变器的主电路结构原理图，直流侧电感Ld与电容Cd构成了直流侧滤波器，6个IGBT开关管构成三相全桥逆变电路，电感L1、L2与电容Cf构成三相输出LCL滤波器，用三相恒压电压源来表示电网。Vd为直流侧电压，r为LCL滤波器的等效串联电阻，I1为流经L1的相电流，I2为流经L2的相电流，Vc为电容Cf电压，Vs为电网电压，Vi为逆变桥输出电压。逆变器输出的实时有功功率P与参考值Pref作比较得到差值ΔP，实时有功功率Q与参考值Qref作比较得到差值ΔQ,对ΔP和ΔQ分别进行PI控制输出电流直轴分量参考值idref和交轴分量参考值iqref,idref和id差值通过比例积分控制输出脉宽调制系数d轴分量Pmd，iqref和iq差值通过比例积分控制输出脉宽调制系数q轴分量Pmq。逆变驱动信号生成模块根据Pmd和Pmq以及PWM算法生成逆变器驱动信号驱动逆变器开关管导通和关断，控制逆变器工作。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种微电网并网与离网控制系统，其特征在于，微电网由微型电源和负荷以及并网开关构成，微电网在公共连接点PCC通过一个静态开关来与外部电网Grid隔离开来，当静态开关闭合的时候，微电网进入并网运行状态，当静态开关打开的时候，微电网进入孤立运行状态，在PCC处装有功率控制器，控制整个微电网与外部电网之间的功率交换。

2.如权利要求1所述的微电网并网与离网控制系统，其特征在于，微网的运行方式包括离网模式、并网模式以及离网并网模式之间的切换过程；离网模式储能采用V/f控制建立并维持系统的电压与频率，储能的输出电压取自系统预设值，经滤波电容电压环、滤波电感电流环双环控制后产生储能控制器的PWM信号；在并网运行模式下，配电网提供微网的电压及频率支撑，储能控制器采用PQ控制，根据系统的需要向配电网吸收或输出一定的有功/无功功率，以维持特定条件下微网与配电网连接处PCC的功率潮流稳定，滤波电容电压环、滤波电感电流环双环控制的基础上，增加功率外环，由给定的Pc、Qc指令依次控制两个内环；

离网/并网模式无缝切换微网离网运行时，当接收到并网调度指令，微网将切换至并网运行模式，快速准确的电网状态检测以及电压同步控制可以减少并网冲击，实现模式的平稳切换；

微网并网运行时，当计划检修或配电网出现故障时，微网将切换至离网运行模式；微网运行模式切换时，储能控制策略相应改变，当采用PQ控制时，储能控制器采用三环控制方式，利用功率控制环产生滤波电容电压环的d-q轴分量参考值vdref、vqref，并进行电压前馈，当采用V/f控制时，vdref、vqref值由系统预设，vdref、vqref经滤波电容电压环、滤波电感电流环产生储能控制器的PWM信号。

3.如权利要求2所述的微电网并网与离网控制系统，其特征在于，功率接口是用来连接/断开分布式发电单元与微网,并为线路电量测量提供接口的硬件接口,由线路开关和电量传感器组成，功率接口是互联接口的基础部分,功率接口是单相二/三线或者三相三/四线,该接口包括手动开关、断路器、控制接触器、电压/电流测量部分，功率接口还包括将传感器测量的电压/电流信号以及断路器状态,上送至信息接口;以及接收信息接口发出的控制信号,控制并网接触器。

4.如权利要求3所述的微电网并网与离网控制系统，其特征在于，信息接口包括:采集电压、电流和其他参数的测量信息;发送/接收输入/输出信号的控制信号;分布式电源和微网的信息，

信息接口还包括输入信息和输出信息两大类信息，输入信息包括:来自功率接口的传感器信号与开关状态信号;来自本地分布式电源和其他设备的通信信号;从键盘上输入的手动控制命令，输出信息包括:发送到开关连接/断开设备的控制信号;发送到分布式电源和微网的通信信号;显示面板上的监视信号。

5.如权利要求4所述的微电网并网与离网控制系统，其特征在于，接口互联单元的功能模块通过微处理器实现，功能模块包括：

1)频率、电量的数据计算、显示、传输，

2)继电保护:欠压保护、过压保护、过频率保护、低频率保护，

3)同步:将测得的微网电压和频率与分布式电源输出电压和频率进行比较,当微网与分布式电源的电压和频率分别足够接近时,模块将对互联单元载流设备发出合闸命令，如果电压和频率相差大、无法并网时,互联单元便将微网的电压和频率信号发送给分布式电源,分布式电源据此对本身电压和频率进行调节,以使电压和频率达到并网要求，

4)反孤岛:与分布式电源控制单元进行协调与通信，

5)控制:控制功率因数以提高电压调节性能，通过本地和远程通信进行调节，

6)能量管理:调节分布式电源基于日能量率的尖峰抑制或基础负荷，

7)电能质量:对分布式电源并入微网的公共耦合点的电能质量进行分析,如果电能质量没有达到标准的要求,互联单元将发出断开分布式电源连接的命令。

6.如权利要求5所述的微电网并网与离网控制系统，其特征在于，三相全桥并网逆变器的主电路包括：直流侧电感Ld与电容Cd构成了直流侧滤波器，6个IGBT开关管构成三相全桥逆变电路，电感L1、L2与电容Cf构成三相输出LCL滤波器，Vd为直流侧电压，r为LCL滤波器的等效串联电阻，I1为流经L1的相电流，I2为流经L2的相电流，Vc为电容Cf电压，Vs为电网电压，Vi为逆变桥输出电压，逆变器输出的实时有功功率P与参考值Pref作比较得到差值ΔP，实时有功功率Q与参考值Qref作比较得到差值ΔQ,对ΔP和ΔQ分别进行PI控制输出电流直轴分量参考值idref和交轴分量参考值iqref,idref和id差值通过比例积分控制输出脉宽调制系数d轴分量Pmd，iqref和iq差值通过比例积分控制输出脉宽调制系数q轴分量Pmq，逆变驱动信号生成模块根据Pmd和Pmq以及PWM算法生成逆变器驱动信号驱动逆变器开关管导通和关断，控制逆变器工。