CN106374537A - 独立微电网中柴油机主电源的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独立微电网中柴油机主电源的控制系统及方法，柴油发电机主电源就地自治主控模块监测柴油机出口有功及无功功率，结合稳态运行点判断是否有有功、无功越限、有功/无功超发及功率波动情况，如果有，判断越限及波动行为，调整储能系统的功率P/Q指令，使得柴油发电机主电源出口功率恢复稳定到稳态运行点附近；如果没有，继续进行监测与判断。本发明降低可再生能源间歇性波动功率对柴油机主电源的扰动，避免柴油发电机组出现逆无功、逆有功以及出口功率快速波动的问题，实现高可再生能源渗透率独立微电网长期、稳定运行及高质量电能供给。

Description

独立微电网中柴油机主电源的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种独立微电网中柴油机主电源的控制系统及方法。

背景技术

微电网不同于传统的大电网系统，由分布式电源、储能设备、电力电子能量转换装置、负荷和监控、保护装置组成,是一种可以实现自我控制、保护和管理的小型发配电系统。从微观看,微电网是小型的电力系统，它具备完整的发输配电功能，便于实现局部功率平衡。从宏观看，徵电网是大电网的等效的电源或负荷,以徵电网形式将分布式电源接入大电网中,与大电网互相支撑协调。微电网既可以与大电网并网运行，也可以在故障发生时脱离大电网开启孤岛运行模式。

当外部电网发生故障时，微电网系统快速解列与外部电网的连接，微电网系统进入孤岛运行模式，孤岛运行的供电稳定性及供电电能质量是考核微电网系统性能的重要指标。微电网孤岛运行时，其系统电压\频率的稳定支撑依赖于系统主电源，除主电源之外的其他分布式电源以及用户负荷以电流源方式接入孤网系统运行，风电、光伏等分布式电源的间歇性功率以及用户负荷的功率波动将由主电源系统进行实时补偿，以维持孤网系统有功、无功的实时动态平衡，保障微电网孤网系统的稳定运行。由于风电、光伏功率的大范围实时波动性以及用户负荷的随机性，维持微电网孤网系统的稳定对系统主电源的动态有功、无功功率调节能力提出了很高的要求。

目前，柴油机、储能系统是两类比较常见的微电网孤网系统主电源设备。电池储能系统配合储能双向变流器可以运行于V/F模式，输出幅值、频率稳定的三相电压，可以作为主电源支撑微电网孤网系统的运行。相对于柴油发电机组，储能系统作为主电源具有功率调节速度快、有功/无功可以双向调节、功率调节范围大等优势。但是，储能系统较高的投资成本及有限的运行寿命限制了储能系统独立作为微电网孤网系统主电源的大规模应用。同时，储能系统独立作为主电源时，频繁往复性的充放电循环对储能系统的运行寿命产生了较大影响，系统的运维成本较高。

柴油发电机组作为一种传统的旋转发电单元，具有设备稳定性高、技术成熟、投资相对低廉的优势。但是，柴油发电机组对其输出功率有着明确的制约：①长期输出有功应维持在30％～70％额定功率的范围内，功率过低会出现积炭现象，功率过高将引起机组发热；②柴油发电机组不允许逆功率运行，逆有功时将引起发电机组出口频率升高，逆无功时将导致机组失磁保护，这两种状态都将引起柴油发电机组的保护退出。此外，柴油发电机组的功率调节速度相对较慢，其独立作为主电源运行时，风电、光伏功率的快速波动容易引起柴油机组的出口功率振荡，引起柴油出口频率、电压波动，导致微电网孤网系统失稳。因此，柴油发电机组作为主电源支撑高可再生能源渗透率微电网孤网系统运行时，需要其他功率/能量调节单元参与微电网孤网系统的功率调节，以保障柴油发电机组运行于最优工作区间，且避免功率快速波动，以实现系统的长期稳定运行。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种高可再生能源渗透率独立微电网中柴油机主电源的控制系统及方法，本发明利用储能系统快速、精确的双向有功/无功功率调节能力，降低可再生能源间歇性波动功率对柴油机主电源的扰动，避免柴油发电机组出现逆无功、逆有功以及出口功率快速波动的问题，保障柴油发电机输出幅值、频率的稳定三相电压，实现微电网孤网系统长期、稳定运行及高质量电能供给，可解决微电网孤岛运行时可再生能源间歇性功率对柴油主电源稳定运行带来冲击问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种独立微电网中柴油机主电源的控制系统，包括储能系统及柴油发电机主电源就地自治主控模块，其中，所述柴油发电机主电源就地自治主控模块接受来自微电网能量管理系统的调度指令，为柴油发电机设定稳态运行点；所述柴油发电机就地自治主控模块实时检测柴油发电机出口的有功、无功出力，快速计算与稳态运行点的偏差，并据此向储能系统发出有功、无功调节指令，避免柴油发电机组出现逆有功/无功或有功/无功超发的问题，并缓解可再生能源功率波动及用户突变对柴油发电机主电源造成的扰动；在上述过程中，柴油发电机始终运行于V/F模式，以输出幅值、频率稳定的三相电压；储能系统始终运行于P/Q模式，并接受柴油发电机主电源就地自治主控模块的运行调度指令。

所述储能系统采用磷酸铁锂电池及其并网变流器(PCS)。

所述储能系统交流出口并联在柴油发电机主电源交流出口。

所述柴油发电机主电源就地自治主控模块与微电网能量管理系统通过通信信道互通，接受微电网能量管理系统的调度指令，以设定柴油发电机主电源的稳态运行点。

所述微电网能量管理系统对微电网内的所有用户负荷、风力发电机系统和光伏发电系统进行监测控制，根据其设定柴油发电机主电源稳态运行点。

一种独立微电网中柴油机主电源的控制方法，柴油发电机主电源就地自治主控模块监测柴油机出口有功及无功功率，结合稳态运行点判断是否有有功、无功越限及功率波动情况，如果有，判断越限及波动行为，调整储能系统的功率P/Q指令，使得柴油发电机主电源出口功率恢复稳定到稳态运行点附近；如果没有，继续进行监测与判断。

当柴油发电机的有功出力脱离稳态运行点且达到逆有功的临界值时，柴油发电机主电源就地自治主控模块判定柴油发电机组即将出现逆有功的现象，此时向储能系统下达有功调节指令，控制储能系统吸收有功功率，将柴油发电机组的有功出力再次提升至稳态运行点。

当柴油发电机组的无功出力脱离稳态运行点且达到逆有功的临界值时，柴油发电机主电源就地自治主控模块判定柴油发电机组即将出现逆无功的现象，向储能系统下达无功调节指令，控制储能系统吸收无功功率，将柴油发电机组的无功出力再次提升至稳态运行点。

当柴油发电机组的出口功率波动超过15％柴油发电机额定容量时，柴油发电机主电源就地自治主控模块判定柴油发电机组处于功率震荡状态，根据检测到的柴油发电机的有功、无功出力，控制储能系统进行快速的有功、无功吞吐，从而将微电网系统内的净负荷波动进行消纳，使得柴油发电机组的出口功率相对稳定，保障出口电压幅值、频率的稳定。

当柴油发电机组出口有功、无功功率过大，超过90％柴油发电机额定容量时，判定柴油发电机处于超发状态，控制储能系统释放有功、无功功率，将柴油发电机组的运行点拉回至预先设定的稳定运行点。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过储能系统参与柴油发电机组主电源的功率控制，避免了柴油发电机出现逆有功、逆无功以及出口频率快速波动的稳定，保障了柴油发电机的稳定运行，从而可以显著提高高可再生能源渗透率条件下微电网孤岛系统的运行稳定性；

(2)本发明对于柴油机的运行控制采用了就地自治主控模块，通过就地自治主控模块实时准确监测柴油发电机主电源的实时有功/无功出力，并据此快速调节储能系统进行有功/无功吞吐，保障柴油发电机始终稳定于稳态工作点，避免了由能量管理系统集中调度所需往复通信造成的延时，保障了系统控制的实时性和准确性

附图说明

图1为微电网系统中柴油机主电源稳定控制系统示意图；

其中，1、柴油发电机主电源自治主控系统；2、储能系统；3、柴油发电机组；4、并网变流器；5、磷酸铁锂电池

图2为微电网系统中柴油机主电源稳定控制系统控制逻辑图。

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。

如图1所示，储能系统采用磷酸铁锂电池储能系统及其并网变流器(PCS)，将储能系统交流出口并联在柴油发电机组主电源交流出口，并在本地安装柴油发电机主电源就地自治主控模块。

微电网系统孤岛运行时，柴油发电机组始终运行于V/F模式，以输出幅值、频率稳定的三相电压；储能系统始终运行于P/Q模式，其P/Q指令来源于柴油发电机主电源就地自治主控模块。

微电网系统孤岛运行时，由柴油发电机主电源就地自治主控模块为柴油发电机下达稳态工作点(有功稳态运行点一般设定为70％柴油发电机额定容量，无功稳态运行点一般设定为30％柴油发电机额定容量)及所允许的功率波动范围(一般设定为15％柴油发电机额定容量)，设定柴油发电机的基准有功、无功出力。

微电网孤岛运行时，柴油发电机组主电源就地自治主控模块实时精确检测柴油机出口的实时有功、无功出力，快速计算与稳态工作点的偏差，并据此向储能系统发出有功、无功调节指令，避免柴油主电源出现逆有功、逆无功、有功/无功超发以及出口功率快速波动的问题。

柴油发电机组主电源就地自治主控模块和微电网能量管理系统通过通信信道互通，可接受微电网能量管理系统的调度指令，以调节柴油发电机主电源的稳态工作点。

如图2所示，柴油发电机独立作为微电网孤岛系统主电源时，其出口功率取决于风电、光伏等可再生能源系统出力与用户负荷之间的差额，由于可再生能源功率的波动性以及用户负荷的随机性，柴油发电机出口有功、功率将出现随机波动现象，对柴油发电机出口电压的稳定造成影响。此外，当微电网系统中分布式电源的有功、无功出力大于用户负荷需求时，将造成柴油发电机组逆功率，引起机组停机。当柴油发电机组有功、无功出力超过机组额定功率时，也将会造成机组停机。

当柴油发电机组的有功出力脱离稳态运行点且达到逆有功的临界值时(一般设定为20％柴油发电机额定容量)，判定柴油发电机组即将出现逆有功的现象。此时柴油发电机主电源就地自治主控模块向储能系统下达有功调节指令，控制储能系统吸收有功功率(相当于增加微电网系统的有功负荷)，将柴油发电机组的有功出力再次提升至稳态运行点(一般设定为70％柴油发电机额定容量)。

当柴油发电机组的无功出力脱离稳态运行点且达到逆有功的临界值时(一般设定为10％柴油发电机额定容量)，判定柴油发电机组即将出现逆无功的现象。此时柴油发电机主电源就地自治主控模块向储能系统下达无功调节指令，控制储能系统吸收无功功率(相当于增加微电网系统的无功负荷)，将柴油发电机组的无功出力再次提升至稳态运行点(一般设定为30％柴油发电机额定容量)。

当柴油发电机组的出口功率波动超过15％柴油发电机额定容量时，判定柴油发电机组处于功率震荡状态。此时，柴油发电机主电源就地自治主控模块根据检测到的柴油发电机的有功/无功出力，控制储能系统进行快速的有功、无功吞吐，从而将微电网系统内的净负荷(系统内可再生能源功率输出与用户负荷之间的差额)波动进行消纳，使得柴油发电机组的出口功率相对稳定(波动不超过15％柴油发电机额定容量)，保障出口电压幅值、频率的稳定。

当柴油发电机组出口有功、无功功率过大，超过90％柴油发电机额定容量时，判定柴油发电机处于超发状态。此时，柴油发电机主电源就地自治主控模块控制储能系统释放有功、无功功率，将柴油发电机组的运行点拉回至预先设定的稳定运行点。

能量管理系统与柴油发电机主电源就地自治主控模块可进行实时通信。能量管理系统根据微电网系统内的负荷需求及可再生能源出力情况合理设定柴油发电机组的稳态运行点，并下达给柴油发电机主电源就地自治主控模块。

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)

1.一种独立微电网中柴油机主电源的控制系统，其特征是：包括储能系统及柴油发电机主电源就地自治主控模块，其中，所述柴油发电机主电源就地自治主控模块接受来自微电网能量管理系统的调度指令，为柴油发电机设定稳态运行点；所述柴油发电机就地自治主控模块实时检测柴油发电机出口的有功、无功出力，快速计算与稳态运行点的偏差，并据此向储能系统发出有功、无功调节指令，避免柴油发电机组出现逆有功/无功或有功/无功超发的问题，并缓解可再生能源功率波动及用户突变对柴油发电机主电源造成的扰动；柴油发电机始终运行于V/F模式，以输出幅值、频率稳定的三相电压；储能系统始终运行于P/Q模式，并接受柴油发电机主电源就地自治主控模块的运行调度指令。

2.如权利要求1所述的一种独立微电网中柴油机主电源的控制系统，其特征是：所述储能系统采用磷酸铁锂电池及其并网变流器。

3.如权利要求1所述的一种独立微电网中柴油机主电源的控制系统，其特征是：所述储能系统交流出口并联在柴油发电机主电源交流出口。

4.如权利要求1所述的一种独立微电网中柴油机主电源的控制系统，其特征是：所述柴油发电机主电源就地自治主控模块与微电网能量管理系统通过通信信道互通，接受微电网能量管理系统的调度指令，以设定柴油发电机主电源的稳态运行点。

5.如权利要求1所述的一种独立微电网中柴油机主电源的控制系统，其特征是：所述微电网能量管理系统对用户负荷、风力发电机系统和光伏发电系统进行监测控制，根据其设定柴油发电机主电源稳态运行点。

6.一种独立微电网中柴油机主电源的控制方法，其特征是：柴油发电机主电源就地自治主控模块监测柴油机出口有功及无功功率，结合稳态运行点判断是否有有功、无功越限及功率波动情况，如果有，判断越限及波动行为，调整储能系统的功率P/Q指令，使得柴油发电机主电源出口功率恢复稳定到稳态运行点附近；如果没有，继续进行监测与判断。

7.如权利要求6所述的一种独立微电网中柴油机主电源的控制方法，其特征是：当柴油发电机的有功出力脱离稳态运行点且达到逆有功的临界值时，柴油发电机主电源就地自治主控模块判定柴油发电机组即将出现逆有功的现象，此时向储能系统下达有功调节指令，控制储能系统吸收有功功率，将柴油发电机组的有功出力再次提升至稳态运行点。

8.如权利要求6所述的一种独立微电网中柴油机主电源的控制方法，其特征是：当柴油发电机组的无功出力脱离稳态运行点且达到逆有功的临界值时，柴油发电机主电源就地自治主控模块判定柴油发电机组即将出现逆无功的现象，向储能系统下达无功调节指令，控制储能系统吸收无功功率，将柴油发电机组的无功出力再次提升至稳态运行点。

9.如权利要求6所述的一种独立微电网中柴油机主电源的控制方法，其特征是：当柴油发电机组的出口功率波动超过15％柴油发电机额定容量时，柴油发电机主电源就地自治主控模块判定柴油发电机组处于功率震荡状态，根据检测到的柴油发电机的有功、无功出力，控制储能系统进行快速的有功、无功吞吐，从而将微电网系统内的净负荷波动进行消纳，使得柴油发电机组的出口功率相对稳定，保障出口电压幅值、频率的稳定。

10.如权利要求6所述的一种独立微电网中柴油机主电源的控制方法，其特征是：当柴油发电机组出口有功、无功功率过大，超过90％柴油发电机额定容量时，判定柴油发电机处于超发状态，控制储能系统释放有功、无功功率，将柴油发电机组的运行点拉回至预先设定的稳定运行点。