CN105515209B - 一种微电网混合储能系统及其控制方法 - Google Patents

一种微电网混合储能系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微电网混合储能系统及其控制方法，包括：电网，所述电网与微电网公共交流母线连接，所述微电网公共交流母线通过微电网能量管理系统分别与第一支路母线和第二支路母线连接，所述微电网公共交流母线还通过变压器TM4与第一支路母线连接；所述微电网公共交流母线还通过变压器TM5与第一支路母线连接；所述第一支路母线分别与锂电池储能模块、超级电容储能模块和铅酸电池储能模块连接；所述第二支路母线与负荷模块连接。本发明对微电网内部储能系统和负荷进行预测，在微电网并网运行、孤网运行、状态切换过程中，根据储能电源和负荷特性，对内部的储能装置、负荷进行优化控制，平滑系统输出，从而有效抑制可再生能源的间歇性和波动性。

Description

一种微电网混合储能系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及混合储能领域，特别涉及一种微电网混合储能系统及其控制方法。
背景技术
微电网系统中分布式电源运行主要有随机性和间歇性，当谐波含量较大或功率波动超出负荷约束范围，会导致相应敏感负荷损坏甚至使得微电网系统崩溃。
申请号为201310704335.7的中国发明专利“一种应用于微电网的混合储能系统”微电网转入孤岛运行模式，存在以下技术问题：
第一，由于超级电容充放电速度较快，无法持续支撑网内功率波动；
第二，在孤网运行时采用蓄电池VF运行，来建立微网内电源，同时平抑网内低频有功和无功，这对蓄电池及相应的双向变流器性能要求较高，同时对能量管理系统的算法精度要求较高，当大电网出现电压骤升、骤降、不平衡和谐波等电能质量问题或有计划检修时，会使蓄电池无法迅速建立电源，提供电压和频率支撑；
第三，将储能变压器直接挂在微电网公共交流母线侧，电压等级较高，对变压器及混合储能中的电力电子设备性能要求较高，同时任一套储能设备故障都会对交流母线产生较大冲击。
发明内容
本发明提供一种微电网混合储能系统及其控制方法，通过实际的工程验证解决了上述问题，本发明对微电网内部储能系统和负荷进行预测，在微电网并网运行、孤网运行、状态切换过程中，根据储能电源和负荷特性，对内部的储能装置、负荷进行优化控制：
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种微电网混合储能系统，包括：电网，所述电网与微电网公共交流母线连接，
所述微电网公共交流母线通过微电网能量管理系统分别与第一支路母线和第二支路母线连接，
所述微电网公共交流母线还通过变压器TM4与第一支路母线连接；
所述微电网公共交流母线还通过变压器TM5与第一支路母线连接；
所述第一支路母线分别与锂电池储能模块、超级电容储能模块和铅酸电池储能模块连接；
所述第二支路母线与负荷模块连接。
所述锂电池储能模块作为主电源建立微电网，并提供微电网系统内的电压和频率支撑，锂电池储能模块根据其电池特性的稳定性，设置其在整个微电网混合储能系统中作为主电源，在微电网系统中建立稳定的电压和频率，在微电网并网转孤网时，微电网能量管理系统控制锂电池储能模块双向变流器PCS为下垂模式，锂电池储能模块跟随负荷变化，当系统运行稳定后能量管理系统控制锂电PCS为VF模式，在微电网系统中建立稳定的电压和频率；
所述铅酸电池储能模块根据其特性较软，充放电次数较少的特性设置其参与微电网系统无功调度，向微电网系统提供无功功率支撑，根据微电网能量管理系统确定的无功补偿量，发相应无功，从而维持微网系统功率平衡；
所述超级电容储能模块根据其快速充放电性能，设计为平抑微网峰谷波动，实现稳定控制，从而抑制可再生能源的间歇性和波动性，提高供电系统的稳定性。
所述锂电池储能模块包括断路器QF1，所述断路器QF1的一端与第一支路母线连接，所述断路器QF1的另外一端与隔离变压器TM1连接，所述隔离变压器TM1与AC/DC双向变流器PCS1连接，所述AC/DC双向变流器PCS1与磷酸铁锂电池GB1连接。
所述超级电容储能模块包括断路器QF2，所述断路器QF2的一端与第一支路母线连接，所述断路器QF2的另外一端与隔离变压器TM2连接，所述隔离变压器TM2与AC/DC双向变流器PCS2连接，所述AC/DC双向变流器PCS2与DC/DC转换器连接，所述DC/DC转换器与超级电容GB2连接。
所述铅酸电池储能模块包括断路器QF3，所述断路器QF3的一端与第一支路母线连接，所述断路器QF3的另外一端与隔离变压器TM3连接，所述隔离变压器TM3与AC/DC双向变流器PCS3连接，所述AC/DC双向变流器PCS3与铅酸电池GB3连接。
所述负荷模块包括隔离变压器TM6，所述隔离变压器TM6与断路器QF7连接，所述断路器QF7与负荷连接，所述负荷为用电设备。
所述电网与微电网公共交流母线通过断路器QF8连接。
所述变压器TM4的一端通过断路器QF5与电网公共交流母线连接；
所述变压器TM4的另外一端通过断路器QF4与第一支路母线连接。
所述变压器TM5的一端通过断路器QF6与第二支路母线连接。
所述微电网公共交流母线为35kV的母线。
所述第一支路母线为400V支路母线。
所述第二支路母线为10kV支路母线。
所述锂电池储能模块，在整个微电网混合储能系统中作为主电源；所述AC/DC双向变流器PCS1接收所述微电网能量管理系统的控制指令，通过隔离变压器TM1完成磷酸铁锂电池储能模块的功率调度以及储能蓄电，建立微网电源，提供电压和频率支撑。
所述超级电容储能模块能够实现快速充放电，平抑微电网峰谷，实现有功和无功的削峰填谷，实现稳定控制；所述AC/DC双向变流器PCS2接收所述微电网能量管理系统的控制指令，通过隔离变压器TM2完成超级电容储能模块的功率调度以及储能蓄电。
所述铅酸电池储能模块根据其特性较软，所述特性较软即铅酸电池瞬间加较大有功功率会使其电压迅速跌落甚至达到停机门限，充放电次数较少的特性设置其参与微电网系统无功调度，向微电网系统提供无功补偿，维持微网系统功率平衡；所述AC/DC双向变流器PCS3接收所述微电网能量管理系统的控制指令，通过隔离变压器TM3完成铅酸电池储能模块的功率调度以及储能蓄电。
所述负荷模块，为耗电单元，为居民或工业用电设备；
所述微电网能量管理系统，实时监测负荷模块的状态，对微电网内部储能系统和负荷进行预测，在微电网并网运行、孤网运行、状态切换过程中，根据储能电源和负荷特性，对内部的储能装置、负荷进行优化控制；控制各断路器的投退以及双向变流器PCS的功率调度，平滑功率输出，高压电力变压器TM4和TM5分别为35KV变400V和35KV变10KV。
一种微电网混合储能系统的控制方法，
能量管理系统控制微电网系统中分布式电源的投退、储能系统工作模式的转换、PCC开关的动作以及负荷系统的阶梯性投退；
微电网并网运行时，
锂电池储能模块、超级电容储能模块、铅酸电池储能模块在微电网能量管理系统的控制下，各储能系统运行在PQ模式，实现对各组电池的充电和放电的控制与管理；
微电网孤网运行时，
能量管理系统控制所述锂电系统运行于VF模式，作为主电源建立微电网电压源，为系统提供所需有功功率，为孤网内的负荷及其他分布式电源提供稳定的电压和频率，当所述锂电系统无法满足所述负荷系统功率需要时，所述能量管理系统控制所述超级电容系统及铅酸系统提供有功功率支撑；
所述铅酸电池储能模块根据其特性较软，所述特性较软即铅酸电池瞬间加较大有功功率会使其电压迅速跌落甚至达到停机门限，充放电次数较少的特性设置为无功发生装置提供就地的无功功率支撑，
所述超级电容储能模块能够实现快速充放电，平抑微电网峰谷，实现稳定控制；
在微电网并网转孤网时，微电网能量管理系统控制锂电系统双向变流器(PCS)为下垂模式，锂电系统智能跟随负荷变化，当系统运行稳定后能量管理系统控制锂电PCS为VF模式，在微电网系统中建立稳定的电压和频率；
在微电网孤网转并网时，微电网能量管理系统控制锂电系统双向变流器(PCS)为下垂模式，锂电系统智能跟随电网电压和频率，当系统运行稳定后能量管理系统控制锂电PCS为PQ模式；
当所述微电网能量管理系统检测到断路器QF8同期合闸点时，驱动断路器QF8分合闸，从而完成微电网系统状态的平滑切换，平抑间歇式能源的波动性，平滑系统输出，提高供电系统的稳定性。
本发明的有益效果：
1、本发明对微电网内部储能系统和负荷进行预测，在微电网并网运行、孤网运行、状态切换过程中，根据储能电源和负荷特性，对内部的储能装置、负荷进行优化控制；
2、为了平抑分布式电源功率波动，并在孤网运行时建立临时电压源，当大电网出现电压骤升、骤降、不平衡和谐波等电能质量问题或有计划检修时，微电网转入孤岛运行模式，此时锂电池储能模块作为主电源建立微电网并提供微电网系统内的电压和频率支撑，锂电系统根据其电池特性的稳定性，设置其在整个微电网混合储能系统中作为主电源，在微电网系统中建立稳定的电压和频率，在微电网并网转孤网时，微电网能量管理系统控制锂电系统双向变流器(PCS)为下垂模式，锂电系统智能跟随负荷变化，当系统运行稳定后能量管理系统控制锂电PCS为VF模式，在微电网系统中建立稳定的电压和频率；
3、铅酸电池储能模块根据微电网能量管理系统确定的无功补偿量，发相应无功，从而维持微电网系统功率平衡，所述铅酸电池储能模块根据其特性较软，充放电次数较少的特性设置其参与微电网系统无功调度，向微电网系统提供无功功率支撑，根据微电网能量管理系统确定的无功补偿量，发相应无功，从而维持微网系统功率平衡；
4、超级电容储能模块根据其快速充放电性能，设计为平抑微网峰谷波动，实现稳定控制，从而抑制可再生能源的间歇性和波动性，提高供电系统的稳定性。
5、同时设计所有混合储能隔离变挂在400V公共母线上，减小了隔离变的体积，然后通过35KV变400V变压器挂到微电网公共交流母线，一旦任一储能系统故障，首先混储系统能及时平抑功率波动，再经过一级变压器，减小故障对微网公共交流母线的冲击，从而保证用户侧的电能质量。通过长岛分布式发电及微电网接入控制示范工程，验证了本发明的可行性与有效性。
附图说明
图1微电网混合储能系统示意图；
其中，1、电网，2、微电网能量管理系统，3、锂电池储能模块，4、超级电容储能模块，5、铅酸电池储能模块，6、负荷模块，7、磷酸铁锂电池，8、超级电容，9、铅酸电池，10、负荷。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明应用于长岛分布式发电及微电网接入控制示范工程，通过工程实践验证了本发明的可行性与有效性。参见图1，所述A锂电系统，作为微电网长期主电源，由磷酸铁锂电池成组后经双向储能变流器(PCS1)、隔离变TM1以及断路器QF1挂在400V交流母线侧；所述B超容系统，利用其快速充放性能，参与稳定控制，实现有功和无功的削峰填谷，由超级电容成组后经双向储能变流器(PCS2)、隔离变TM2以及断路器QF2挂在400V交流母线侧；所述C铅酸系统，根据其特性较软，充放电次数较少的特性设置为无功发生装置提供就地的无功功率支撑，由铅酸电池成组后双向储能变流器(PCS3)、隔离变TM3以及断路器QF3挂在400V交流母线侧；所述D负荷系统，为耗电单元，可以为居民或工业用电设备包括敏感性负荷和一般性负荷，所有负荷经断路器和隔离变挂在10kV交流母线侧；所述E能量管理系统，实时监测负荷状态，控制各断路器的投退以及PCS的功率调度，平滑功率输出，通过相应的可控装置实现控制指令的下发并通过控制网络接收储能设备反馈信息；400V交流母线经断路器QF4、升压变压器TM4、断路器QF5挂在35kV交流母线侧；QF8作为微网系统的公共耦合点(PCC点)在所述E能量管理系统的控制下实现微网系统的并网和孤网运行。
所述断路器QF8接收所述E能量管理系统控制指令完成同期合闸，实现微电网并网和孤网运行；E能量管理系统控制A锂电系统作为主电源建立微电网电压，为系统提供所需有功功率，为孤网内的负荷及其他分布式电源提供稳定的电压和频率参考，C铅酸系统作为无功发生装置提供就地的无功功率支撑，B超容系统能够实现快速充放电，平抑微网峰谷，实现稳定控制。
一种微电网混合储能系统的控制方法，
微电网并网运行时，
锂电池储能模块、超级电容储能模块、铅酸电池储能模块在微电网能量管理系统的控制下，实现对各组电池的充电和放电的控制与管理；
微电网孤网运行时，
所述锂电池储能模块作为主电源建立微电网，为系统提供所需有功功率，为孤网内的负荷及其他分布式电源提供稳定的电压和频率，
所述铅酸电池储能模块根据其特性较软，所述特性较软即铅酸电池瞬间加较大有功功率会使其电压迅速跌落甚至达到停机门限，充放电次数较少的特性设置为无功发生装置提供就地的无功功率支撑，
所述超级电容储能模块能够实现快速充放电，平抑微电网峰谷，实现稳定控制；
微电网并网转孤网以及孤网转并网时，
微电网能量管理系统调节锂电池储能模块、超级电容储能模块、铅酸电池储能模块功率输出与负荷模块功率平衡，
当所述微电网能量管理系统检测到断路器QF8同期合闸点时，驱动断路器QF8分合闸，从而完成微电网系统状态的平滑切换，平抑间歇式能源的波动性，平滑系统输出，提高供电系统的稳定性。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种微电网混合储能系统，其特征是，包括：电网，所述电网与微电网公共交流母线连接，所述微电网公共交流母线通过微电网能量管理系统分别与第一支路母线和第二支路母线连接，所述微电网公共交流母线还通过变压器TM4与第一支路母线连接；所述微电网公共交流母线还通过变压器TM5与第一支路母线连接；所述第一支路母线分别与锂电池储能模块、超级电容储能模块和铅酸电池储能模块连接；所述第二支路母线与负荷模块连接；
所述锂电池储能模块作为主电源建立微电网，并提供微电网系统内的电压和频率支撑，锂电池储能模块根据其电池特性的稳定性，设置其在整个微电网混合储能系统中作为主电源，在微电网系统中建立稳定的电压和频率，在微电网并网转孤网时，微电网能量管理系统控制锂电池储能模块双向变流器PCS为下垂模式，锂电池储能模块跟随负荷变化，当系统运行稳定后能量管理系统控制锂电池储能模块双向变流器PCS为VF模式，在微电网系统中建立稳定的电压和频率；
所述铅酸电池储能模块根据其特性较软，充放电次数较少的特性设置其参与微电网系统无功调度，向微电网系统提供无功功率支撑，根据微电网能量管理系统确定的无功补偿量，发相应无功，从而维持微网系统功率平衡；
所述超级电容储能模块根据其快速充放电性能，设计为平抑微网峰谷波动，实现稳定控制，从而抑制可再生能源的间歇性和波动性，提高供电系统的稳定性。
2.如权利要求1所述的一种微电网混合储能系统，其特征是，所述锂电池储能模块包括断路器QF1，所述断路器QF1的一端与第一支路母线连接，所述断路器QF1的另外一端与隔离变压器TM1连接，所述隔离变压器TM1与AC/DC双向变流器PCS1连接，所述AC/DC双向变流器PCS1与磷酸铁锂电池GB1连接。
3.如权利要求1所述的一种微电网混合储能系统，其特征是，所述超级电容储能模块包括断路器QF2，所述断路器QF2的一端与第一支路母线连接，所述断路器QF2的另外一端与隔离变压器TM2连接，所述隔离变压器TM2与AC/DC双向变流器PCS2连接，所述AC/DC双向变流器PCS2与DC/DC转换器连接，所述DC/DC转换器与超级电容GB2连接。
4.如权利要求1所述的一种微电网混合储能系统，其特征是，所述铅酸电池储能模块包括断路器QF3，所述断路器QF3的一端与第一支路母线连接，所述断路器QF3的另外一端与隔离变压器TM3连接，所述隔离变压器TM3与AC/DC双向变流器PCS3连接，所述AC/DC双向变流器PCS3与铅酸电池GB3连接。
5.如权利要求1所述的一种微电网混合储能系统，其特征是，所述负荷模块包括隔离变压器TM6，所述隔离变压器TM6与断路器QF7连接，所述断路器QF7与负荷连接，所述负荷为用电设备。
6.如权利要求1所述的一种微电网混合储能系统，其特征是，所述电网与微电网公共交流母线通过断路器QF8连接。
7.如权利要求1所述的一种微电网混合储能系统，其特征是，
所述变压器TM4的一端通过断路器QF5与电网公共交流母线连接；
所述变压器TM4的另外一端通过断路器QF4与第一支路母线连接；
所述变压器TM5的一端通过断路器QF6与第二支路母线连接。
8.如权利要求1所述的一种微电网混合储能系统，其特征是，
所述微电网公共交流母线为35kV的母线；
所述第一支路母线为400V支路母线；
所述第二支路母线为10kV支路母线。
9.一种微电网混合储能系统的控制方法，其特征是，
能量管理系统控制微电网系统中分布式电源的投退、储能系统工作模式的转换、PCC开关的动作以及负荷系统的阶梯性投退；
微电网并网运行时，
锂电池储能模块、超级电容储能模块、铅酸电池储能模块在微电网能量管理系统的控制下，各储能系统运行在PQ模式，实现对各组电池的充电和放电的控制与管理；
微电网孤网运行时，
能量管理系统控制所述锂电系统运行于VF模式，作为主电源建立微电网电压源，为系统提供所需有功功率，为孤网内的负荷及其他分布式电源提供稳定的电压和频率，当所述锂电系统无法满足所述负荷系统功率需要时，所述能量管理系统控制所述超级电容系统及铅酸系统提供有功功率支撑；
所述铅酸电池储能模块根据其特性较软，充放电次数较少的特性设置为无功发生装置提供就地的无功功率支撑，所述特性较软即铅酸电池瞬间加较大有功功率会使其电压迅速跌落甚至达到停机门限；
所述超级电容储能模块能够实现快速充放电，平抑微电网峰谷，实现稳定控制。
10.如权利要求9所述一种微电网混合储能系统的控制方法，其特征是，
在微电网并网转孤网时，微电网能量管理系统控制锂电系统双向变流器PCS为下垂模式，锂电系统智能跟随负荷变化，当系统运行稳定后能量管理系统控制锂电PCS为VF模式，在微电网系统中建立稳定的电压和频率；
在微电网孤网转并网时，微电网能量管理系统控制锂电系统双向变流器PCS为下垂模式，锂电系统智能跟随电网电压和频率，当系统运行稳定后能量管理系统控制锂电PCS为PQ模式；
当所述微电网能量管理系统检测到断路器QF8同期合闸点时，驱动断路器QF8分合闸，从而完成微电网系统状态的平滑切换，平抑间歇式能源的波动性，平滑系统输出，提高供电系统的稳定性。
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