CN107069821A - 一种微电网优化平滑运行方法 - Google Patents

一种微电网优化平滑运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能直流微电网系统，通过远程终端进行直流微电网系统智能控制，有效监控直流微电网系统设备运行情况，并能及时了解和处理直流微电网系统设备异常情况；此外该微电网系统的监控装置可以确定光伏发电阵列的发电功率，确定储能装置向配电网提供电能的转换效率，确定直流微电网内的用电负荷，以及根据分布式发电设备的发电功率、储能装置向配电网提供电能的转换效率和直流微电网内的用电负荷确定储能装置的容量；此外，本系统还可以实现从孤岛运行到并网运行的平滑切换。

Description

一种微电网优化平滑运行方法
所属技术领域
本发明涉及输配电领域，具体涉及一种微电网优化平滑运行方法。
背景技术
随着常规能源的逐渐衰竭和环境污染的日益加重，世界各国日益关注太阳能、风能、蓄电池、飞轮储能等分布式发电技术。微电网作为智能电网重要的组成部分，对新能源推广、节能降耗、降低炭排放量具有重要意义的高新技术，微电网与传统电网相结合也被国内外专家一致认为是未来电力系统的发展趋势。
微电网是由光伏等分布式能源以及负载组成的、可控的分布式发用电系统，其中，电能以直流的形式传输、利用的微电网称之为直流微电网。同时相比于交流微电网而言，直流微电网具有结构简单，控制方便等优点，具有更大的发展潜力。
直流微电网是分布式电源模块及相关负荷模块、储能模块按照一定拓扑结构(如总线结构、环形母线结构等)组成的网络，但是目前的直流微电网多采用集中控制的方法，无法凸显直流微电网分布式的特点。并且集中式控制依赖于可靠的信息通信技术，但目前的直流微电网系统通信技术的可靠性不足以满足微电网长期稳定运行的需求。
常规的直流微电网的混合储能控制策略往往基于储能元件均处于可调度的状态，对于储能元件存储电量过高或过低的情形，考虑较为简单。
在传统限值管理下，一旦超级电容器的荷电状态达到限值，将导致超级电容器被迫限制运行，从而丧失了其有效调节高频率功率波动的能力。这样，将使光伏阵列输出功率的波动量全部由蓄电池组补偿。同时，如果控制策略选择不合理，为保证超级电容器荷电状态保持在限值范围内，将会频繁地调整蓄电池组的出力。这些都会使直流微电网在并网运行时，环境变得更加恶劣。
发明内容
本发明提供一种微电网优化平滑运行方法，该方法通过远程终端进行直流微电网系统智能控制，有效监控直流微电网系统设备运行情况，并能及时了解和处理直流微电网系统设备异常情况；此外该方法可以确定光伏发电阵列的发电功率，确定储能装置向配电网提供电能的转换效率，确定直流微电网内的用电负荷，以及根据分布式发电设备的发电功率、储能装置向配电网提供电能的转换效率和直流微电网内的用电负荷确定储能装置的容量；此外，该方法还可以实现从孤岛运行到并网运行的平滑切换。
为了实现上述目的，本发明提供一种微电网优化平滑运行方法，该方法包括如下步骤：
S1.检测和采集光伏发电阵列、储能装置的超级电容器和储能装置中的蓄电池组、本地负载、配电网以及直流母线的状态信息；
S2.通信总线将所述状态信息汇集到中控模块；
S3.对所述状态信息进行处理和分析，并确定微电网运行策略，控制微电网平滑运行。
优选的，在所述步骤S1中，利用直流母线监控模块采集直流母线的状态信息，所述母线监控模块包括：
电压获取模块，用于获取直流微电网的直流母线电压；电流获取模块，用于获取所述直流微电网的任一支路的支路电流；电压增量计算模块，用于根据所述直流母线电压得到母线电压增量；电流增量计算模块，用于根据所述支路电流得到支路电流增量；第一判断模块，用于判断所述电压增量是否大于第一动作预定值、及所述支路电流增量是否大于第二动作预定值；第二判断模块，用于在所述电压增量大于所述第一动作预定值、且所述支路电流增量大于所述第二动作预定值的情况下，判断直流母线发生故障。
优选的，判断直流母线发生故障包括：判断所述电压增量大于所述第一动作预定值、且所述支路电流增量大于所述第二动作预定值的状态所持续的时间是否大于预定时间；如果所述状态持续的时间大于所述预定时间，则判断直流母线发生了永久性故障；否则继续进行下一循环以判断直流母线是否发生故障。
优选的，获取永久性故障时各支路的实时电流之和；判断所述实时电流之和是否大于零；如果所述实时电流之和大于零，则判断发生区内故障，此时，则断开与母线相连的所有支路；如果所述实时电流之和小于零，则判断发生区外故障，此时比较各支路的电流，将电流最大的支路判断为故障支路，并断开故障支路。
在所述步骤S3中，对所述状态信息的处理包括数据识别，识别的数据包括光伏发电阵列的输出功率、本地负荷消耗功率、储能装置的超级电容器输出功率和储能装置中的蓄电池组的输出功率、并网模块的地址信息、设备信息和电压电流信息。
优选的，在所述步骤S3中，还包括如下步骤：
得到的光伏阵列的输出功率、本地负荷消耗功率及超级电容器向并网型微电网输出的功率信息进行一阶滤波处理，得微电网系统需要平抑的功率波动分量PESS。
优选的，在所述步骤S3中，还包括如下步骤：
根据超级电容器的实际荷电状态判断超级电容器的荷电状态等级，然后根据超级电容器的电荷等级计算超级电容器的参考输出功率；
根据计算得到的超级电容器的参考输出功率调节微电网系统中的储能装置中的蓄电池组的输出功率，实现基于平滑控制的微电网并网运行控制。
优选的，所述微电网系统需要平抑的功率波动分量PESS：
其中，T1为控制外环的时间常数，PPV分别为光伏阵列的输出功率，PLD为本地负荷消耗功率，为一阶滤波处理的频域表达。
优选的，当超级电容器的荷电状态小于预设一级限值δ1，即
max{|SOCSC-SOCSCmin|,|SOCSC-SOCSCmax|}<δ1
则超级电容器的参考输出功率PSCref的表达式为
其中，SOCSC、SOCSCmax和SOCSCmin分别为超级电容器荷电状态的实际值、最大值及最小值，T2为控制内环的时间常数，P′SCref为未经限幅环节得到的超级电容器的参考输出功率，PSCmax和PSCmin分别为超级电容器的可输出功率的最高值和最低值，PSCref为经过限幅环节后得到的超级电容器的参考输出功率。
优选的，当超级电容器的荷电状态大于等于预设一级限值δ1且小于预设二级限值δ2之间，即δ1≤max{|SOCSC-SOCSCmin|,|SOCSC-SOCSCmax|}≤δ2
则超级电容器的参考输出功率PSCref为
其中，X为幂指系数，k为比例系数，SOCSCref为超级电容器的荷电状态参考值，Tnormal、Tmax和Tmin分别为控制内环时间常数的正常值、最大值和最小值。
优选的，当超级电容器的荷电状态大于预设二级限值δ2，即
则超级电容器的参考输出功率PSCref的表达式为
其中，Kp和Ki分别为状态限制环节的比例系数及积分时间常数。
本发明的技术方案具有如下优点：(1)通过远程终端进行直流微电网系统智能控制，有效监控直流微电网系统设备运行情况，并能及时了解和处理直流微电网系统设备异常情况；(2)本发明可以确定光伏发电阵列的发电功率，确定储能装置向配电网提供电能的转换效率，确定直流微电网内的用电负荷，以及根据分布式发电设备的发电功率、储能装置向配电网提供电能的转换效率和直流微电网内的用电负荷确定储能装置的容量；(3)本发明还可以实现从孤岛运行到并网运行的平滑切换。
附图说明
图1示出了本发明的一种智能直流微电网系统及其监控装置的框图；
图2示出了一种本发明的一种微电网优化平滑运行方法。
具体实施方式
图1是示出了本发明的一种智能直流微电网系统10，该微电网10系统包括：光伏发电阵列12、多个本地负载14、并网模块15、储能装置13、监控装置11和直流母线；
所述并网模块15用于控制所述直流微电网系统10孤岛运行或与配电网20并网运行；
所述直流母线，用于连接储能装置13、光伏发电阵列12、并网模块15和本地负载14，用于微电网系统10内的功率交换以及微电网系统10与配电网20的功率交换；
该监控装置11包括：
光伏发电阵列监控模块112，用于实时监控光伏发电阵列12，并对光伏发电阵列12的发电功率进行预测；
并网监控模块112，用于实时监控并网模块15；
负载监控模块114，用于实时监控微电网10内的本地负载14，并对本地负载14消耗的功率进行预测；
储能装置监控模块115，用于实时监控储能装置13的运行；
中控模块116，用于确定微电网的运行方法，并用于协调监控装置11中的各模块工作；
通信总线111，用于该监控装置11的各个模块的通信联络。
优选的，所述光伏发电阵列12包括多个光伏发电组件以及多个光伏控制器，与所述光伏控制器与光伏组件和直流母线相连接。
所述中控模块包括信息处理单元，策略优化单元和控制指令确定单元；所述通信总线可用于采集所述光伏发电阵列、所述本地负荷、所述储能装置、并网模块的运行状态，并所述中控模块。
所述信息处理单元用于将通信总线采集到信息进行数据识别，识别的数据包括光伏发电阵列、本地负荷、储能装置、并网模块的地址信息、设备信息和电压电流信息。
所述策略优化单元根据信息处理单元得到的直流微电网系统运行状态信息和中控模块所设置的直流微电网系统的安全阈值、安全级别以及数据更新频率，结合直流微电网系统优化控制算法，得出优化控制策略，通过策略优化模块可提高直流微电网系统监控系统的智能性，便于用户更好的监控直流微电网系统。
所述控制指令确定单元根据当前光伏发电阵列的发电功率、储能装置的转换效率和配电网的用电需求和微电网本地负荷的需求，来确定直流微电网系统的运行指令，所述运行指令包括并网运行指令。
所述储能装置12包括蓄电池、超级电容等储能装置和双向DC/DC变换器，双向DC/DC变换器分别与蓄电池、超级电容等储能装置相连，所述的双向DC/DC变换器集成有电压电流传感器单元、微控制器单元、通信单元和故障处理单元。
所述并网模块15包括：
开关电路，连接在直流母线和配电网之间，用于根据中控模块的指令控制微电网系统与配电网连通或断开；
并联逆变器，第一端与直流母线相连接，第二端与配电网交流母线相连接，第三端与开关电路相连接，用于在开关电路控制连通微电网系统与配电网时将直流电转换为交流电。
所述并网监控模块112包括电参数传感器，用于检测交流母线的电参数；
所述开关电路包括：并网开关，连接在并联逆变器和交流母线之间；控制器，与并网开关和电参数传感器相连接，用于根据所述中控模块的指令和交流母线的电参数控制并网开关断开或闭合。
所述监控装置11还包括直流母线监控模块117，所述母线监控模块117包括：
电压获取模块，用于获取直流微电网的直流母线电压；电流获取模块，用于获取所述直流微电网的任一支路的支路电流；电压增量计算模块，用于根据所述直流母线电压得到母线电压增量；电流增量计算模块，用于根据所述支路电流得到支路电流增量；第一判断模块，用于判断所述电压增量是否大于第一动作预定值、及所述支路电流增量是否大于第二动作预定值；第二判断模块，用于在所述电压增量大于所述第一动作预定值、且所述支路电流增量大于所述第二动作预定值的情况下，判断直流母线发生故障。
附图2示出了本发明的一种微电网优化平滑运行方法，该方法包括如下步骤：
S1.检测和采集光伏发电阵列、储能装置的超级电容器和储能装置中的蓄电池组、本地负载、配电网以及直流母线的状态信息；
S2.通信总线将所述状态信息汇集到中控模块；
S3.对所述状态信息进行处理和分析，并确定微电网运行策略，控制微电网平滑运行。
优选的，在所述步骤S1中，利用直流母线监控模块采集直流母线的状态信息，所述母线监控模块包括：
电压获取模块，用于获取直流微电网的直流母线电压；电流获取模块，用于获取所述直流微电网的任一支路的支路电流；电压增量计算模块，用于根据所述直流母线电压得到母线电压增量；电流增量计算模块，用于根据所述支路电流得到支路电流增量；第一判断模块，用于判断所述电压增量是否大于第一动作预定值、及所述支路电流增量是否大于第二动作预定值；第二判断模块，用于在所述电压增量大于所述第一动作预定值、且所述支路电流增量大于所述第二动作预定值的情况下，判断直流母线发生故障。
优选的，判断直流母线发生故障包括：判断所述电压增量大于所述第一动作预定值、且所述支路电流增量大于所述第二动作预定值的状态所持续的时间是否大于预定时间；如果所述状态持续的时间大于所述预定时间，则判断直流母线发生了永久性故障；否则继续进行下一循环以判断直流母线是否发生故障。
优选的，获取永久性故障时各支路的实时电流之和；判断所述实时电流之和是否大于零；如果所述实时电流之和大于零，则判断发生区内故障，此时，则断开与母线相连的所有支路；如果所述实时电流之和小于零，则判断发生区外故障，此时比较各支路的电流，将电流最大的支路判断为故障支路，并断开故障支路。
在所述步骤S3中，对所述状态信息的处理包括数据识别，识别的数据包括光伏发电阵列的输出功率、本地负荷消耗功率、储能装置的超级电容器输出功率和储能装置中的蓄电池组的输出功率、并网模块的地址信息、设备信息和电压电流信息。
优选的，在所述步骤S3中，还包括如下步骤：
得到的光伏阵列的输出功率、本地负荷消耗功率及超级电容器向并网型微电网输出的功率信息进行一阶滤波处理，得微电网系统需要平抑的功率波动分量PESS。
优选的，在所述步骤S3中，还包括如下步骤：
根据超级电容器的实际荷电状态判断超级电容器的荷电状态等级，然后根据超级电容器的电荷等级计算超级电容器的参考输出功率；
根据计算得到的超级电容器的参考输出功率调节微电网系统中的储能装置中的蓄电池组的输出功率，实现基于平滑控制的微电网并网运行控制。
优选的，所述微电网系统需要平抑的功率波动分量PESS：
其中，T1为控制外环的时间常数，PPV分别为光伏阵列的输出功率，PLD为本地负荷消耗功率，为一阶滤波处理的频域表达。
优选的，当超级电容器的荷电状态小于预设一级限值δ1，即
max{|SOCSC-SOCSCmin|,|SOCSC-SOCSCmax|}<δ1
则超级电容器的参考输出功率PSCref的表达式为
其中，SOCSC、SOCSCmax和SOCSCmin分别为超级电容器荷电状态的实际值、最大值及最小值，T2为控制内环的时间常数，P′SCref为未经限幅环节得到的超级电容器的参考输出功率，PSCmax和PSCmin分别为超级电容器的可输出功率的最高值和最低值，PSCref为经过限幅环节后得到的超级电容器的参考输出功率。
优选的，当超级电容器的荷电状态大于等于预设一级限值δ1且小于预设二级限值δ2之间，即δ1≤max{|SOCSC-SOCSCmin|,|SOCSC-SOCSCmax|}≤δ2
则超级电容器的参考输出功率PSCref为
其中，X为幂指系数，k为比例系数，SOCSCref为超级电容器的荷电状态参考值，Tnormal、Tmax和Tmin分别为控制内环时间常数的正常值、最大值和最小值。
优选的，当超级电容器的荷电状态大于预设二级限值δ2，即
则超级电容器的参考输出功率PSCref的表达式为
其中，Kp和Ki分别为状态限制环节的比例系数及积分时间常数。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微电网优化平滑运行方法，该方法包括如下步骤：
S1.检测和采集光伏发电阵列、储能装置的超级电容器和储能装置中的蓄电池组、本地负载、配电网以及直流母线的状态信息；
S2.通信总线将所述状态信息汇集到中控模块；
S3.对所述状态信息进行处理和分析，并确定微电网运行策略，控制微电网平滑运行。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，利用直流母线监控模块采集直流母线的状态信息，所述母线监控模块包括：
电压获取模块，用于获取直流微电网的直流母线电压；电流获取模块，用于获取所述直流微电网的任一支路的支路电流；电压增量计算模块，用于根据所述直流母线电压得到母线电压增量；电流增量计算模块，用于根据所述支路电流得到支路电流增量；第一判断模块，用于判断所述电压增量是否大于第一动作预定值、及所述支路电流增量是否大于第二动作预定值；第二判断模块，用于在所述电压增量大于所述第一动作预定值、且所述支路电流增量大于所述第二动作预定值的情况下，判断直流母线发生故障。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，判断直流母线发生故障包括：判断所述电压增量大于所述第一动作预定值、且所述支路电流增量大于所述第二动作预定值的状态所持续的时间是否大于预定时间；如果所述状态持续的时间大于所述预定时间，则判断直流母线发生了永久性故障；否则继续进行下一循环以判断直流母线是否发生故障。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，获取永久性故障时各支路的实时电流之和；判断所述实时电流之和是否大于零；如果所述实时电流之和大于零，则判断发生区内故障，此时，则断开与母线相连的所有支路；如果所述实时电流之和小于零，则判断发生区外故障，此时比较各支路的电流，将电流最大的支路判断为故障支路，并断开故障支路。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，对所述状态信息的处理包括数据识别，识别的数据包括光伏发电阵列的输出功率、本地负荷消耗功率、储能装置的超级电容器输出功率和储能装置中的蓄电池组的输出功率、并网模块的地址信息、设备信息和电压电流信息。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，还包括如下步骤：
得到的光伏阵列的输出功率、本地负荷消耗功率及超级电容器向并网型微电网输出的功率信息进行一阶滤波处理，得微电网系统需要平抑的功率波动分量PESS。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，还包括如下步骤：
根据超级电容器的实际荷电状态判断超级电容器的荷电状态等级，然后根据超级电容器的电荷等级计算超级电容器的参考输出功率；
根据计算得到的超级电容器的参考输出功率调节微电网系统中的储能装置中的蓄电池组的输出功率，实现基于平滑控制的微电网并网运行控制。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述微电网系统需要平抑的功率波动分量PESS：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>E</mi> <mi>S</mi> <mi>S</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>s</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>V</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mi>D</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，T1为控制外环的时间常数，PPV分别为光伏阵列的输出功率，PLD为本地负荷消耗功率，为一阶滤波处理的频域表达。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，当超级电容器的荷电状态小于预设一级限值δ1，即
max{|SOCSC-SOCSCmin|,|SOCSC-SOCSCmax|}<δ1
则超级电容器的参考输出功率PSCref的表达式为
<mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>C</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>E</mi> <mi>S</mi> <mi>S</mi> </mrow> </msub> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>s</mi> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>s</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
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其中，SOCSC、SOCSCmax和SOCSCmin分别为超级电容器荷电状态的实际值、最大值及最小值，T2为控制内环的时间常数，P′SCref为未经限幅环节得到的超级电容器的参考输出功率，PSCmax和PSCmin分别为超级电容器的可输出功率的最高值和最低值，PSCref为经过限幅环节后得到的超级电容器的参考输出功率。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，当超级电容器的荷电状态大于等于预设一级限值δ1且小于预设二级限值δ2之间，即δ1≤max{|SOCSC-SOCSCmin|,|SOCSC-SOCSCmax|}≤δ2
则超级电容器的参考输出功率PSCref为
<mrow> <mi>X</mi> <mo>=</mo> <mi>k</mi> <mfrac> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>SOC</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>C</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>SOC</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> </mrow> <mrow> <msub> <mi>SOC</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>C</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
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其中，X为幂指系数，k为比例系数，SOCSCref为超级电容器的荷电状态参考值，Tnormal、Tmax和Tmin分别为控制内环时间常数的正常值、最大值和最小值；
当超级电容器的荷电状态大于预设二级限值δ2，即
则超级电容器的参考输出功率PSCref的表达式为
<mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>C</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>K</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>s</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>SOC</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>SOC</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>C</mi> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> 2
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其中，Kp和Ki分别为状态限制环节的比例系数及积分时间常数。
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