CN105244909A - 一种直流微网系统及并网自平衡控制策略 - Google Patents

一种直流微网系统及并网自平衡控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流微网系统，包括多种分布式电源，每种分布式电源的输出端依次通过DC/DC变换器和分布式电源侧直流断路器接入直流母线；直流母线通过电网并网侧直流断路器连接双向AC/DC变流器，双向AC/DC变流器依次通过变压器和并网点开关接入大电网；直流母线依次通过负载侧直流断路器和负载DC/DC变换器连接智能家居负载，为智能家居负载提供电能；还包括智能管理器，智能管理器分别连接双向AC/DC变流器、每个分布式电源、与每个分布式电源相连的DC/DC变换器和分布式电源侧直流断路器；所述的智能管理器包括能量管理系统和运行控制器。

Description

一种直流微网系统及并网自平衡控制策略
技术领域
本发明涉及可再生能源发电和微电网应用技术领域，尤其涉及一种直流微网系统及并网自平衡控制策略。
背景技术
随着化石燃料的消耗殆尽以及环境污染的日益加剧，分布式发电得到了越来越广泛的应用。微电网将分布式发电、储能和负荷通过控制手段有效整合，为分布式发电技术的利用提供了灵活、高效的平台，近年来得到了普遍关注。目前常见的利用方式是交流微网，但是高渗透率微网的复杂动态行为会带来很多问题，包括交流微网与大电网的安全稳定运行、微网及含微网的配电系统存在的继电保护、并网控制和分布式电源的协调控制；并且，很多新能源的发电都是以直流电方式发出，经过AC-DC-AC的方式必然会存在能量的不必要损耗，针对目前传统交流微网系统存在的问题，有必要探索一种新型的直流微网配电方式。
发明内容
本发明的目的是提供一种直流微网系统及并网自平衡控制策略，可以最大限度地利用可再生能源发电，同时使直流微网最大限度就地平衡，从而有效减少与主网的功率交换，使直流微网稳定高效地运行。
本发明采用的技术方案为：
一种直流微网系统，包括多种分布式电源，每种分布式电源的输出端依次通过DC/DC变换器和分布式电源侧直流断路器接入直流母线；直流母线通过电网并网侧直流断路器连接双向AC/DC变流器，双向AC/DC变流器依次通过变压器和并网点开关接入大电网；直流母线依次通过负载侧直流断路器和负载DC/DC变换器连接智能家居负载，为智能家居负载提供电能；还包括智能管理器，智能管理器分别连接双向AC/DC变流器、每个分布式电源、与每个分布式电源相连的DC/DC变换器和分布式电源侧直流断路器；所述的智能管理器包括能量管理系统和运行控制器，所述的能量管理系统用于进行电能量计费、微电网调度管理、微电网经济运行、数据采集与监控SCADA、信息管理以及微电网电能质量检测与治理，还用于实时数据服务、历史数据服务、图形界面服务、通用报表服务、权限管理服务、通用告警服务、通用计算服务；所述的运行控制器用于协调系统的有效运行，并制定优化控制策略，其中，优化控制策略包括并网时制定并网运行控制策略、离网时制定离网运行控制策略以及并离网切换过程中制定并离网切换控制策略。
所述的多种分布式电源分别为：光伏电池板、模拟风机及控制系统和磷酸铁锂电池。
所述的光伏电池板通过光伏DC/DC变换器连接光伏发电侧直流断路器，并接入直流母线；所述的光伏DC/DC变换器，用于实现太阳能电池板的输出最大功率跟踪，提高太阳能利用效率。
所述的模拟风机及控制系统通过风机发电侧直流断路器接入直流母线。
所述的磷酸铁锂电池通过储能双向DC/DC变换器连接磷酸铁锂电池发电侧直流断路器，并接入直流母线；所述的储能双向DC/DC变换器整个直流微网系统提供电压支撑。
一种基于直流微网系统的并网自平衡控制策略，包括以下步骤：
步骤1：通过外围检测设备检测储能双向DC/DC变换器运行功率、光伏DC/DC变换器输出功率、模拟风机输出功率、双向AC/DC变换器运行功率、负载DC/DC变换器运行功率；
步骤2：判断双向AC/DC变换器与网侧的交换功率Pex，Pex>0代表从电网吸收功率，Pex<0代表向电网输出功率；
步骤3：若Pex>0；判断储能双向DC/DC变流器的状态，Pbat>0代表储能处于充电状态，Pbat<0代表储能处于放电状态；
(1)若Pbat>0，储能处于充电状态，则判断减少储能充电是否满足要求，即判断Pbat是否大于Pex；
i)若Pbat>Pex，则判断储能是否能进行充电，即储能电池的SOC是否满足充电条件，若能进行充电，则向储能下达充电指令Pbat=Pbat-Pex，若储能不能进行充电，则向储能下达待机指令；
ii)若Pbat<Pex，则判断储能是否能进行放电，即判断储能SOC是否满足放电条件，若能进行放电，则判断储能进行放电是否能满足调节需求，若储能放电能满足调节要求，则向储能下达放电指令Pbat=Pex-Pbat，若储能放电不能满足调节需求，则向储能下达放电指令Pbat=Pdischargemax，其中Pdischargemax是储能系统最大的放电功率；若储能不能进行放电，则向储能下达待机指令；
(2)若Pbat<0，储能处于放电状态，则判断储能能否放电；
i)若储能能进行放电，则判断增加储能放电功率是否满足调节要求，即判断Pex-Pbat是否小于Pdischargemax，若满足调节要求，则向储能下达放电指令Pbat=Pex-Pbat，不满足调节要求则向储能下达放电指令Pbat=Pdischargemax；
ii)若储能不能进行放电，则向储能下达待机指令；
步骤4：若Pex<0；判断储能双向DC/DC变流器的状态，Pbat>0代表储能处于充电状态，Pbat<0代表储能处于放电状态；
(1)若Pbat>0，储能处于充电状态，则判断储能能否进行充电，即判断储能SOC是够满足充电条件；
i)若储能能进行充电，则判断增加储能充电功率是否满足调节需求，即判断Pbat-Pex是否小于Pchargemax，若满足调节需求，则向储能下达充电指令Pbat=Pbat-Pex，不满足调节要求则向储能下达充电指令Pbat=Pchargemax，其中Pchargemax是储能系统最大的充电功率；
ii)若储能不能进行充电，则向储能下达待机指令；
(2)若Pbat<0，储能处于放电状态，则判断减少储能充电是否满足要求，即判断Pbat是否小于Pex；
i)若Pbat<Pex，则判断储能是否能进行放电，即储能SOC是够满足放电条件，若能进行放电，则向储能下达放电指令Pbat=Pbat-Pex，若储能不能进行放电，则向储能下达待机指令；
ii)若Pbat>Pex，则判断储能是否能进行充电，即判断储能SOC是够满足充电条件，若能进行充电，则判断储能进行充电是否能满足调节需求，若储能充电能满足要求，则向储能下达充电指令Pbat=-(Pex+Pbat)，若储能充电不能满足调节要求，则向储能下达充电指令Pbat=Pchargemax；若储能不能进行放电，则向储能下达待机指令。
本发明的直流微网系统中由发电单元、储能系统、负载、运行控制器、能量管理系统还有连接主网的双向AC/DC变流器组成。其中发电单元由多种分布式电源组成，包括10kW模拟风机系统和20kW光伏发电池板系统组成，储能系统由20kW*1h磷酸铁锂电池和储能双向DC/DC变换器组成；负载是由20kW负载DC/DC变换器和智能家居负载组成，直流微网和主网是通过一个50kW双向AC/DC变流器进行能量交换；可以最大限度地利用可再生能源发电，同时使直流微网最大限度就地平衡，从而有效减少与主网的功率交换，使直流微网稳定高效地运行。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为本发明的流程图A；
图3为本发明的流程图B；
图4为本发明的流程图C。
具体实施方式
如图1、2、3和4所示，本发明包括多种分布式电源，每种分布式电源的输出端依次通过DC/DC变换器和分布式电源侧直流断路器接入直流母线；直流母线通过电网并网侧直流断路器连接双向AC/DC变流器，双向AC/DC变流器依次通过变压器和并网点开关接入大电网；直流母线依次通过负载侧直流断路器和负载DC/DC变换器连接智能家居负载，为智能家居负载提供电能；还包括智能管理器，智能管理器分别连接双向AC/DC变流器、每个分布式电源、与每个分布式电源相连的DC/DC变换器和分布式电源侧直流断路器；所述的智能管理器包括能量管理系统和运行控制器，所述的能量管理系统用于进行电能量计费、微电网调度管理、微电网经济运行、数据采集与监控SCADA、信息管理以及微电网电能质量检测与治理，还用于实时数据服务、历史数据服务、图形界面服务、通用报表服务、权限管理服务、通用告警服务、通用计算服务；所述的运行控制器用于协调系统的有效运行，并制定优化控制策略，其中，优化控制策略包括并网时制定并网运行控制策略、离网时制定离网运行控制策略以及并离网切换过程中制定并离网切换控制策略。
所述的多种分布式电源分别为：光伏电池板、模拟风机及控制系统和磷酸铁锂电池。
所述的光伏电池板通过光伏DC/DC变换器连接光伏发电侧直流断路器，并接入直流母线；所述的光伏DC/DC变换器，用于实现太阳能电池板的输出最大功率跟踪，提高太阳能利用效率。
所述的模拟风机及控制系统通过风机发电侧直流断路器接入直流母线。
所述的磷酸铁锂电池通过储能双向DC/DC变换器连接磷酸铁锂电池发电侧直流断路器，并接入直流母线；所述的储能双向DC/DC变换器整个直流微网系统提供电压支撑。
一种基于直流微网系统的并网自平衡控制策略，包括以下步骤：
步骤1：通过外围检测设备检测储能双向DC/DC变换器运行功率、光伏DC/DC变换器输出功率、模拟风机输出功率、双向AC/DC变换器运行功率、负载DC/DC变换器运行功率；
步骤2：判断双向AC/DC变换器与网侧的交换功率Pex，Pex>0代表从电网吸收功率，Pex<0代表向电网输出功率；
步骤3：若Pex>0；判断储能双向DC/DC变流器的状态，Pbat>0代表储能处于充电状态，Pbat<0代表储能处于放电状态；
(1)若Pbat>0，储能处于充电状态，则判断减少储能充电是否满足要求，即判断Pbat是否大于Pex；
i)若Pbat>Pex，则判断储能是否能进行充电，即储能电池的SOC是否满足充电条件，若能进行充电，则向储能下达充电指令Pbat=Pbat-Pex，若储能不能进行充电，则向储能下达待机指令；
ii)若Pbat<Pex，则判断储能是否能进行放电，即判断储能SOC是否满足放电条件，若能进行放电，则判断储能进行放电是否能满足调节需求，若储能放电能满足调节要求，则向储能下达放电指令Pbat=Pex-Pbat，若储能放电不能满足调节需求，则向储能下达放电指令Pbat=Pdischargemax，其中Pdischargemax是储能系统最大的放电功率；若储能不能进行放电，则向储能下达待机指令；
(2)若Pbat<0，储能处于放电状态，则判断储能能否放电；
i)若储能能进行放电，则判断增加储能放电功率是否满足调节要求，即判断Pex-Pbat是否小于Pdischargemax，若满足调节要求，则向储能下达放电指令Pbat=Pex-Pbat，不满足调节要求则向储能下达放电指令Pbat=Pdischargemax；
ii)若储能不能进行放电，则向储能下达待机指令；
步骤4：若Pex<0；判断储能双向DC/DC变流器的状态，Pbat>0代表储能处于充电状态，Pbat<0代表储能处于放电状态；
(1)若Pbat>0，储能处于充电状态，则判断储能能否进行充电，即判断储能SOC是够满足充电条件；
i)若储能能进行充电，则判断增加储能充电功率是否满足调节需求，即判断Pbat-Pex是否小于Pchargemax，若满足调节需求，则向储能下达充电指令Pbat=Pbat-Pex，不满足调节要求则向储能下达充电指令Pbat=Pchargemax，其中Pchargemax是储能系统最大的充电功率；
ii)若储能不能进行充电，则向储能下达待机指令；
(2)若Pbat<0，储能处于放电状态，则判断减少储能充电是否满足要求，即判断Pbat是否小于Pex；
i)若Pbat<Pex，则判断储能是否能进行放电，即储能SOC是够满足放电条件，若能进行放电，则向储能下达放电指令Pbat=Pbat-Pex，若储能不能进行放电，则向储能下达待机指令；
ii)若Pbat>Pex，则判断储能是否能进行充电，即判断储能SOC是够满足充电条件，若能进行充电，则判断储能进行充电是否能满足调节需求，若储能充电能满足要求，则向储能下达充电指令Pbat=-(Pex+Pbat)，若储能充电不能满足调节要求，则向储能下达充电指令Pbat=Pchargemax；若储能不能进行放电，则向储能下达待机指令。
下面结合附图详细说明本发明的工作原理：
如图1所示，直流微网系统中由发电单元、储能系统、负载、运行控制器、能量管理系统还有连接主网的双向AC/DC变流器组成。其中发电单元由多种分布式电源组成，包括10kW模拟风机系统和20kW光伏发电池板系统组成，储能系统由20kW*1h磷酸铁锂电池和储能双向DC/DC变换器组成；负载是由20kW负载DC/DC变换器和智能家居负载组成，直流微网和主网是通过一个50kW双向AC/DC变流器进行能量交换。
10kW模拟风机系统是直流电机作为原动力、永磁电机作为发电机的模拟系统，通过模拟控制系统，控制永磁发电机输出直流电接至直流母线。20kW光伏系统是由20kW光伏单晶硅电池和20kW光伏DC/DC变换器组成，20kW光伏DC/DC变换器负责进行光伏电池的最大功率跟踪，提高光伏电池运行效率。储能系统由20kW*1h磷酸铁锂电池和储能双向DC/DC变换器组成，负责在离网时提供电能，并能在并网时通过运行策略对其进行灵活调度，从而使得直流微网能够安全、稳定地运行。50kW双向AC/DC变流器作为连接直流微网系统与主网的桥梁，在系统中起着非常关键积极的作用。在并网时可以通过对其进行控制实现各种控制策略。还包括智能管理器，智能管理器包括能量管理系统和运行控制器，能量管理系统负责实现整个系统的能量管理，及进行电能量计费、微电网调度管理、微电网经济运行、数据采集与监控SCADA、信息管理以及微电网电能质量检测与治理，还用于实时数据服务、历史数据服务、图形界面服务、通用报表服务、权限管理服务、通用告警服务、通用计算服务。运行控制器负责实现整个系统的运行控制策略，包括离网策略、并网策略、并离网切换运行策略等等。各个子系统通过通讯装置与运行控制器和能量管理系统进行连接。
如图2、图3和图4所示，本发明的并网自平衡控制策略包括如下：
首先，将直流微网系统中的系统一一进行检测，保证开机运行。
之后，就是检测直流微网与大电网的交换功率Pex，假设现在Pex=5kW，则表明此时直流微网从电网吸收5kW功率；
同时，检测此时储能双向DC/DC变换器运行情况，假设此时Pbat=3kW，则表明此时储能进行充电状态；
由于Pbat<Pex，判断此时储能能否放电，如果SOC允许放电，则进行放电判断，若该系统中储能系统放电的最大功率值为20kW，则进行放电操作：Pbat=Pex-Pbat=2kW。

Claims (6)

1.一种直流微网系统，其特征在于：包括多种分布式电源，每种分布式电源的输出端依次通过DC/DC变换器和分布式电源侧直流断路器接入直流母线；直流母线通过电网并网侧直流断路器连接双向AC/DC变流器，双向AC/DC变流器依次通过变压器和并网点开关接入大电网；直流母线依次通过负载侧直流断路器和负载DC/DC变换器连接智能家居负载，为智能家居负载提供电能；还包括智能管理器，智能管理器分别连接双向AC/DC变流器、每个分布式电源、与每个分布式电源相连的DC/DC变换器和分布式电源侧直流断路器；所述的智能管理器包括能量管理系统和运行控制器，所述的能量管理系统用于进行电能量计费、微电网调度管理、微电网经济运行、数据采集与监控SCADA、信息管理以及微电网电能质量检测与治理，还用于实时数据服务、历史数据服务、图形界面服务、通用报表服务、权限管理服务、通用告警服务、通用计算服务；所述的运行控制器用于协调系统的有效运行，并制定优化控制策略，其中，优化控制策略包括并网时制定并网运行控制策略、离网时制定离网运行控制策略以及并离网切换过程中制定并离网切换控制策略。
2.根据权利要求1所述的安装配电柜用多功能转运车，其特征在于：所述的多种分布式电源分别为：光伏电池板、模拟风机及控制系统和磷酸铁锂电池。
3.根据权利要求2所述的安装配电柜用多功能转运车，其特征在于：所述的光伏电池板通过光伏DC/DC变换器连接光伏发电侧直流断路器，并接入直流母线；所述的光伏DC/DC变换器，用于实现太阳能电池板的输出最大功率跟踪，提高太阳能利用效率。
4.根据权利要求2所述的安装配电柜用多功能转运车，其特征在于：所述的模拟风机及控制系统通过风机发电侧直流断路器接入直流母线。
5.根据权利要求2所述的安装配电柜用多功能转运车，其特征在于：所述的磷酸铁锂电池通过储能双向DC/DC变换器连接磷酸铁锂电池发电侧直流断路器，并接入直流母线；所述的储能双向DC/DC变换器整个直流微网系统提供电压支撑。
6.一种基于直流微网系统的并网自平衡控制策略，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：通过外围检测设备检测储能双向DC/DC变换器运行功率、光伏DC/DC变换器输出功率、模拟风机输出功率、双向AC/DC变换器运行功率、负载DC/DC变换器运行功率；
步骤2：判断双向AC/DC变换器与网侧的交换功率Pex，Pex>0代表从电网吸收功率，Pex<0代表向电网输出功率；
步骤3：若Pex>0；判断储能双向DC/DC变流器的状态，Pbat>0代表储能处于充电状态，Pbat<0代表储能处于放电状态；
(1)若Pbat>0，储能处于充电状态，则判断减少储能充电是否满足要求，即判断Pbat是否大于Pex；
i)若Pbat>Pex，则判断储能是否能进行充电，即储能电池的SOC是否满足充电条件，若能进行充电，则向储能下达充电指令Pbat=Pbat-Pex，若储能不能进行充电，则向储能下达待机指令；
ii)若Pbat<Pex，则判断储能是否能进行放电，即判断储能SOC是否满足放电条件，若能进行放电，则判断储能进行放电是否能满足调节需求，若储能放电能满足调节要求，则向储能下达放电指令Pbat=Pex-Pbat，若储能放电不能满足调节需求，则向储能下达放电指令Pbat=Pdischargemax，其中Pdischargemax是储能系统最大的放电功率；若储能不能进行放电，则向储能下达待机指令；
(2)若Pbat<0，储能处于放电状态，则判断储能能否放电；
i)若储能能进行放电，则判断增加储能放电功率是否满足调节要求，即判断Pex-Pbat是否小于Pdischargemax，若满足调节要求，则向储能下达放电指令Pbat=Pex-Pbat，不满足调节要求则向储能下达放电指令Pbat=Pdischargemax；
ii)若储能不能进行放电，则向储能下达待机指令；
步骤4：若Pex<0；判断储能双向DC/DC变流器的状态，Pbat>0代表储能处于充电状态，Pbat<0代表储能处于放电状态；
(1)若Pbat>0，储能处于充电状态，则判断储能能否进行充电，即判断储能SOC是够满足充电条件；
i)若储能能进行充电，则判断增加储能充电功率是否满足调节需求，即判断Pbat-Pex是否小于Pchargemax，若满足调节需求，则向储能下达充电指令Pbat=Pbat-Pex，不满足调节要求则向储能下达充电指令Pbat=Pchargemax，其中Pchargemax是储能系统最大的充电功率；
ii)若储能不能进行充电，则向储能下达待机指令；
(2)若Pbat<0，储能处于放电状态，则判断减少储能充电是否满足要求，即判断Pbat是否小于Pex；
i)若Pbat<Pex，则判断储能是否能进行放电，即储能SOC是够满足放电条件，若能进行放电，则向储能下达放电指令Pbat=Pbat-Pex，若储能不能进行放电，则向储能下达待机指令；
ii)若Pbat>Pex，则判断储能是否能进行充电，即判断储能SOC是够满足充电条件，若能进行充电，则判断储能进行充电是否能满足调节需求，若储能充电能满足要求，则向储能下达充电指令Pbat=-(Pex+Pbat)，若储能充电不能满足调节要求，则向储能下达充电指令Pbat=Pchargemax；若储能不能进行放电，则向储能下达待机指令。
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