CN106505551A - 一种基于协调控制装置的光储直流供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于协调控制装置的光储直流供电系统，包括现场设备层，网络通讯层和站控管理层；现场设备层包括分布式光伏发电单元，铅酸电池储能单元和负载单元，分布式光伏发电单元、铅酸电池储能单元通过DC/DC变换器接入直流母线；网络通讯层配置协调控制装置，协调控制装置采集并网变流器、DC/DC变换器及负载单元的运行数据，并将采集数据打包后上送到站控管理层的主机服务器，并且通过下发报文来遥测、遥控、遥调现场设备层的各个设备的参数。分布式光伏发电单元、铅酸电池储能单元和并网变流器可根据光储协调控制装置指令工作。本发明能够满足交流电源断电或光伏发电输入波动、负荷投切等工况下，保障直流母线稳定。

Description

一种基于协调控制装置的光储直流供电系统

技术领域

本发明涉及一种基于协调控制装置的光储直流供电系统，属于直流供电技术领域。

背景技术

在能源紧缺与环境污染的双重压力下，新能源发电技术在研究、开发及利用方面取得了很大进步，建设智能电网，提高电力系统安全性、稳定性、可靠性和电能质量是今后的发展趋势。在新能源发电技术中，风力发电和光伏发电备受瞩目。但风力发电和光伏发电受季节、气象和地域条件的影响，具有明显的不连续、不稳定性，发出的电力波动较大，可调节性较差。储能系统在光伏、风电离网运行时发挥着重要作用。

目前光伏、风电等分布式电源大多以交流形式介入电网，相比交流系统，直流供电模式能更高效的接纳不同类型分布式电源和负荷，减少转换中间环节，利于系统稳定。随着直流发电、用电设备的日益增多，直流供电模式受到广泛关注。直流电网运行过程中不存在交流电网的频率、相位同步问题，没有无功功率流动，电能质量好。直流供电系统包含多种类型的分布式发电和负载单元、储能以及并网接口变换器，如何实现各单元之间的协调控制是一大难题。通常通过并网变流器控制直流母线电压恒定，维持系统功率平衡。若发生交流电网故障、DC/AC变流器限流运行时导致失去功率平衡单元，依靠上层能量管理和集中控制系统，无法实现系统的功率协调控制，影响系统稳定运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于协调控制装置的光储直流供电系统，在保证直流母线电压稳定的情况下，又能实现系统的功率分配，节约能耗，保证系统安全稳定运行。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于协调控制装置的光储直流供电系统，所述光储直流供电系统通过并网变流器与电网相连，作为与交流电网之间功率交换接口；所述光储直流供电系统从下到上包括现场设备层，网络通讯层和站控管理层；

所述现场设备层包括分布式光伏发电单元，铅酸电池储能单元和负载单元；所述分布式光伏发电单元通过DC/DC变换器接入直流母线，所述铅酸电池储能单元通过DC/DC变换器接入直流母线；

所述网络通讯层配置协调控制装置，一台交换机和一台串口服务器，所述协调控制装置与交换机和串口服务器通过以太网的方式连接；所述协调控制装置通过交换机以以太网的方式采集并网变流器、DC/DC变换器及负载单元的运行数据，对于不具有以太网通讯接口的设备，通过串口服务器采集其运行数据；所述协调控制装置将采集数据打包后通过以太网通讯上送到站控管理层的主机服务器，并且通过下发报文来遥测、遥控、遥调现场设备层的各个设备的参数；

所述站控管理层包括主机服务器，显示终端和工作站；

所述协调控制装置通过滞环比较器对分布式光伏发电单元，铅酸电池储能单元和并网变流器进行控制。

前述的负载单元包括直流电动汽车充电桩、电阻负荷和直流LED灯。

前述的协调控制装置对分布式光伏发电单元，铅酸电池储能单元和并网变流器进行控制包括以下几种控制模式：

控制模式1：

当直流电网正常时，直流微电网并网运行，并网变流器控制直流母线电压恒定，分布式光伏发电单元工作在最大功率跟踪运行模式，铅酸电池储能单元工作于直流电压下垂控制模式，负荷需求功率主要由分布式光伏发电单元提供，当分布式光伏发电单元输出功率大于负荷需求时，多余能量供给直流电网；反之，当分布式光伏发电单元输出功率小于负载需求时，不足的能量由直流电网提供；

控制模式2-1：

并网运行时，直流电网需求功率超过并网变流器额定功率，此时并网变流器工作于限流控制，无法控制直流母线电压恒定，此时由控制模式1切换到控制模式2-1，铅酸电池储能单元由下垂控制模式切换到恒压控制模式，维持直流母线电压恒定，分布式光伏发电单元工作在最大功率跟踪运行模式；当负载功率减少时，并网变流器退饱和，控制模式2-1切换到控制模式1，并网变流器由限流控制切换到恒压控制；

控制模式2-2：

当直流电网发生短时故障时，并网变流器电流过大，为避免发生损坏，将并网变流器停机与直流电网断开，此时由控制模式1切换到控制模式2-2，直流母线电压由铅酸电池储能单元控制；当直流电网故障清除后，电网电压恢复供电，由控制模式2-2切换到控制模式1，并网变流器重新控制直流母线电压，铅酸电池储能单元运行于直流电压下垂控制模式；

控制模式3-1：

当直流微电网长期运行于离网模式并且分布式光伏发电功率小于负载功率时，铅酸电池储能单元运行于持续放电状态；当铅酸电池需求功率大于额定功率或铅酸电池荷电状态SOC<30%时，铅酸电池工作于限流状态无法控制直流母线电压，此时由控制模式2-2切换到控制模式3-1，采用切出负荷管理算法进行减载；当负载功率小于分布式光伏发电功率，铅酸电池荷电状态SOC>30%时，由控制模式3-1切换到控制模式2-2，铅酸电池充电并控制直流母线电压，铅酸电池荷电状态上升；

控制模式3-2：

当直流微电网长期运行于离网模式且分布式光伏发电功率大于负载功率时，铅酸电池储能单元运行于持续充电状态；当铅酸电池荷电状态SOC>90%时，由控制模式2-2切换到控制3-2，此时为了避免铅酸电池持续充电，停止铅酸电池工作，分布式光伏发电单元由最大功率跟踪运行模式切换到恒压控制；当铅酸电池荷电状态SOC<90%一段时间后，再由控制模式3-2切换到控制模式2-2，铅酸电池由停止工作状态切换到恒压控制，铅酸电池放电，铅酸电池荷电状态SOC降低。

本发明所达到的有益效果：

本发明的协调控制装置在保证直流母线电压稳定的情况下，又能实现系统的功率分配，使得直流供电系统能够保证多个分布式电源之间的功率分配合理，满足交流电源断电或光伏发电输入波动、负荷投切等工况下，保障直流母线稳定，实现整个系统的安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明的光储直流供电系统的电网线路图；

图2为本发明的光储直流供电系统架构；

图3为本发明的协调控制装置对直流母线电压控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的光储直流供电系统如图1和图2所示，该直流供电系统母线电压为直流400V。直流供电系统通过并网变流器与电网相连，作为与交流电网之间功率交换接口。

光储直流供电系统从下到上包括现场设备层，网络通讯层和站控管理层。

现场设备层包括分布式光伏发电单元，铅酸电池储能单元和负载单元；分布式光伏发电单元通过DC/DC变换器接入直流母线，铅酸电池储能单元通过DC/DC变换器接入直流母线。并网运行时，铅酸电池储能单元处于备用状态，通过检测自身荷电状态（SOC)或根据上层调度指令决定具体工作状态。当直流供电系统转为独立运行或交流功率受限时，铅酸电池储能单元维持直流母线电压稳定。负载由直流电动汽车充电桩、电阻负荷和直流LED灯组成。

网络通讯层配置协调控制装置，一台交换机和一台串口服务器，负责实现现场设备层与站控管理层的衔接管控。协调控制装置与交换机和串口服务器通过以太网的方式连接；协调控制装置通过交换机以以太网的方式采集并网变流器、DC/DC变换器及负载单元的运行数据，对于不具有以太网通讯接口的设备，通过串口服务器采集其运行数据；协调控制装置将采集数据打包后通过以太网通讯上送到站控管理层的主机服务器，并且通过下发报文来遥测、遥控、遥调现场设备层的各个设备的参数。其中，遥测命令的发送根据设备重要性的不同而设计不同的时间周期，以便提高系统资源利用率。可遥调、遥控任意装置以切换运行模式，供运行人员远程操作；可实时存储数据进入历史数据库，供运行人员查看历史数据进行数据分析；可实现多种协调控制策略。

站控管理层包括主机服务器，显示终端和工作站。

本发明的协调控制装置在保证直流母线电压稳定的情况下，又能实现系统的功率分配，使得直流供电系统能够保证多个分布式电源之间的功率分配合理，满足交流电源断电或光伏发电输入波动、负荷投切等工况下，保障直流母线稳定，实现整个系统的安全稳定运行。

如图3所示分布式光伏发电单元、铅酸电池储能单元和并网变流器可根据光储协调控制装置指令工作。为避免并网变流器和DC/DC变换器模式之间频繁切换，图中开关S均采用滞环比较器。具体控制策略逻辑如下：

控制模式1：

当直流电网正常时，直流微电网并网运行，并网变流器控制直流母线电压恒定，分布式光伏发电单元工作在最大功率跟踪（MPPT）运行模式，铅酸电池储能单元工作于直流电压下垂控制模式，负荷需求功率主要由分布式光伏发电单元提供，当分布式光伏发电单元输出功率大于负荷需求时，多余能量供给直流电网；反之，当分布式光伏发电单元输出功率小于负载需求时，不足的能量由直流电网提供。

控制模式2-1：

并网运行时，直流电网需求功率超过并网变流器额定功率，此时并网变流器工作于限流控制，无法控制直流母线电压恒定，此时由控制模式1切换到控制模式2-1，铅酸电池储能单元由下垂控制模式切换到恒压控制模式，维持直流母线电压恒定，分布式光伏发电单元工作在MPPT状态。当负载功率减少时，并网变流器退饱和，控制模式2-1切换到控制模式1，并网变流器由限流控制切换到恒压控制。

控制模式2-2：

当直流电网发生短时故障时，并网变流器电流过大，为避免发生损坏，将并网变流器停机与直流电网断开，此时由控制模式1切换到控制模式2-2，直流母线电压由铅酸电池储能单元控制。当直流电网故障清除后，电网电压恢复供电，由控制模式2-2切换到控制模式1，并网变流器重新控制直流母线电压，铅酸电池储能单元运行于直流电压下垂控制模式。

控制模式3-1：

当直流微电网长期运行于离网模式并且分布式光伏发电功率小于负载功率时，铅酸电池储能单元运行于持续放电状态。当铅酸电池需求功率大于额定功率或铅酸电池荷电状态SOC<30%时，铅酸电池工作于限流状态无法控制直流母线电压，后者出现过度放电现象，对电池寿命有损。此时由控制模式2-2切换到控制模式3-1，采用切出负荷管理算法进行减载，当负载功率小于分布式光伏发电功率，铅酸电池荷电状态SOC>30%时，由控制模式3-1切换到控制模式2-2，铅酸电池充电并控制直流母线电压，铅酸电池荷电状态上升。

控制模式3-2：

当直流微电网长期运行于离网模式且分布式光伏发电功率大于负载功率时，铅酸电池储能单元运行于持续充电状态。当铅酸电池荷电状态SOC>90%时，由控制模式2-2切换到控制3-2，此时为了避免铅酸电池持续充电，停止铅酸电池工作，分布式光伏发电单元由MPPT控制切换到恒压控制。当铅酸电池荷电状态SOC<90%一段时间后，再由控制模式3-2切换到控制模式2-2，铅酸电池由停止工作状态切换到恒压控制，铅酸电池放电，铅酸电池荷电状态SOC降低。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于协调控制装置的光储直流供电系统，其特征在于，所述光储直流供电系统通过并网变流器与电网相连，作为与交流电网之间功率交换接口；所述光储直流供电系统从下到上包括现场设备层，网络通讯层和站控管理层；

所述现场设备层包括分布式光伏发电单元，铅酸电池储能单元和负载单元；所述分布式光伏发电单元通过DC/DC变换器接入直流母线，所述铅酸电池储能单元通过DC/DC变换器接入直流母线；

所述网络通讯层配置协调控制装置，一台交换机和一台串口服务器，所述协调控制装置与交换机和串口服务器通过以太网的方式连接；所述协调控制装置通过交换机以以太网的方式采集并网变流器、DC/DC变换器及负载单元的运行数据，对于不具有以太网通讯接口的设备，通过串口服务器采集其运行数据；所述协调控制装置将采集数据打包后通过以太网通讯上送到站控管理层的主机服务器，并且通过下发报文来遥测、遥控、遥调现场设备层的各个设备的参数；

所述站控管理层包括主机服务器，显示终端和工作站；

所述协调控制装置通过滞环比较器对分布式光伏发电单元，铅酸电池储能单元和并网变流器进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于协调控制装置的光储直流供电系统，其特征在于，所述负载单元包括直流电动汽车充电桩、电阻负荷和直流LED灯。

3.根据权利要求1所述的一种基于协调控制装置的光储直流供电系统，其特征在于，所述协调控制装置对分布式光伏发电单元，铅酸电池储能单元和并网变流器进行控制包括以下几种控制模式：

控制模式1：

当直流电网正常时，直流微电网并网运行，并网变流器控制直流母线电压恒定，分布式光伏发电单元工作在最大功率跟踪运行模式，铅酸电池储能单元工作于直流电压下垂控制模式，负荷需求功率主要由分布式光伏发电单元提供，当分布式光伏发电单元输出功率大于负荷需求时，多余能量供给直流电网；反之，当分布式光伏发电单元输出功率小于负载需求时，不足的能量由直流电网提供；

控制模式2-1：

并网运行时，直流电网需求功率超过并网变流器额定功率，此时并网变流器工作于限流控制，无法控制直流母线电压恒定，此时由控制模式1切换到控制模式2-1，铅酸电池储能单元由下垂控制模式切换到恒压控制模式，维持直流母线电压恒定，分布式光伏发电单元工作在最大功率跟踪运行模式；当负载功率减少时，并网变流器退饱和，控制模式2-1切换到控制模式1，并网变流器由限流控制切换到恒压控制；

控制模式2-2：

当直流电网发生短时故障时，并网变流器电流过大，为避免发生损坏，将并网变流器停机与直流电网断开，此时由控制模式1切换到控制模式2-2，直流母线电压由铅酸电池储能单元控制；当直流电网故障清除后，电网电压恢复供电，由控制模式2-2切换到控制模式1，并网变流器重新控制直流母线电压，铅酸电池储能单元运行于直流电压下垂控制模式；

控制模式3-1：

当直流微电网长期运行于离网模式并且分布式光伏发电功率小于负载功率时，铅酸电池储能单元运行于持续放电状态；当铅酸电池需求功率大于额定功率或铅酸电池荷电状态SOC<30%时，铅酸电池工作于限流状态无法控制直流母线电压，此时由控制模式2-2切换到控制模式3-1，采用切出负荷管理算法进行减载；当负载功率小于分布式光伏发电功率，铅酸电池荷电状态SOC>30%时，由控制模式3-1切换到控制模式2-2，铅酸电池充电并控制直流母线电压，铅酸电池荷电状态上升；

控制模式3-2：

当直流微电网长期运行于离网模式且分布式光伏发电功率大于负载功率时，铅酸电池储能单元运行于持续充电状态；当铅酸电池荷电状态SOC>90%时，由控制模式2-2切换到控制3-2，此时为了避免铅酸电池持续充电，停止铅酸电池工作，分布式光伏发电单元由最大功率跟踪运行模式切换到恒压控制；当铅酸电池荷电状态SOC<90%一段时间后，再由控制模式3-2切换到控制模式2-2，铅酸电池由停止工作状态切换到恒压控制，铅酸电池放电，铅酸电池荷电状态SOC降低。