CN107086670A - 一种多能源微电网充电站实验平台监控系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多能源微电网充电站实验平台监控系统，由多能源微电网充电站实验平台和上位机监控系统组成；多能源微电网充电站实验平台包括光伏发电模块、风力发电模块、储能电池包模块、交流/直流充电桩组、公共连接点PCC、PCC控制器和外部配电网；上位机监控系统包括主控制器，及与主控制器连接的通信模块、数据采集与处理单元、人机交互单元和显示单元；其中通信模块通过CAN总线与光伏发电模块、风力发电模块、储能电池包模块、交流/直流充电桩组和PCC控制器连接；数据采集与处理单元用于采集所述的微电网中的参数并传输给主控制器。本发明通过上位机监控系统与各充电模块进行CAN总线连接的方式，能够很好的监控、管理和控制。
Description
技术领域
本发明属于多能源微电网监控系统领域，具体涉及一种多能源微电网充电站实验平台监控系统及控制方法。
背景技术
随着新能源分布式发电技术的发展，微电网的研究逐渐成为人们关注的热点，其中由风能和太阳能等分布式电源构成的微电网的地位逐步突显出来，微电网运行状态的监控与系统安全可靠运行紧密相关。对于监控系统来说保证实时性是非常重要的。传统监控系统数据采集模块通常采用单片机等芯片，软件方面则采用底层的机器语言编写，功能简单，实时性差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种多能源微电网充电站实验平台监控系统及控制方法，能够对多能源微电网充电站进行实时监控、管理和控制。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种多能源微电网充电站实验平台监控系统，其特征在于：它由多能源微电网充电站实验平台和上位机监控系统组成；其中
多能源微电网充电站实验平台包括光伏发电模块、风力发电模块、储能电池包模块、交流/直流充电桩组、公共连接点PCC、PCC控制器和外部配电网；
光伏发电模块包括光伏发电系统和光伏DC/AC变换器，光伏发电系统通过光伏DC/AC变换器接入微电网，光伏发电系统和光伏DC/AC变换器之后均连接有断路器；
风力发电模块包括风力发电系统和风机AC/AC变换器，风力发电系统通过风机AC/AC变换器接入微电网，风力发电系统和风机AC/AC变换器之后均连接有断路器；
储能电池包模块包括储能电池包及管理系统和双向DC/AC变换器，储能电池包及管理系统通过双向DC/AC变换器接入微电网，储能电池包及管理系统和双向DC/AC变换器之后均连接有断路器；
交流/直流充电桩组包括多组交/直流充电桩，每组交/直流充电桩通过断路器接入微电网；
外部配电网经过变压器后通过公共连接点PCC接入微电网，公共连接点PCC设有PCC控制器；
所述的上位机监控系统包括主控制器，及与主控制器连接的通信模块、数据采集与处理单元、人机交互单元和显示单元；其中通信模块通过CAN总线与所述的光伏DC/AC变换器、风机AC/AC变换器、双向DC/AC变换器、每组交/直流充电桩和PCC控制器连接；数据采集与处理单元用于采集所述的微电网中的参数并传输给主控制器。
按上述系统，所述的多能源微电网充电站实验平台还包括用于照明的照明负载，照明负载分布在多能源微电网充电站实验平台并接入微电网。
按上述系统，所述的主控制器包括数据库管理单元、控制操作单元、在线计算及制表单元和实时监视与统计单元；
数据管理单元，用于基于数据库，存储和管理数据采集与处理单元所采集到的数据；
控制操作单元，用于在接受操作员顺序操作指令后完成顺序操作过程；
在线计算与制表单元，用于基于LabVIEW对数据库管理单元中的数据进行计算，得到对应的生产运行报表；所述的计算包括加、减、乘、除、积分、求平均值、求最大最小值和逻辑判断，以及功率总加和电量分时累计；所述的生产运行报表包括实时值表、正点值表、负荷运行日志表、电能量表、报警记录一览表、微电网能量管理系统控制策略参数一览表、保护配置定值一览表、主要设备参数和自诊断报告；
实时监视与统计单元，用于将采集的数据中的部分或全部参数进行格式转换并发送给显示单元进行显示，实时统计微电网总发电出力、储能剩余容量、微电网总有功负荷、总无功负荷，并监视微电网内部各断路器开关状态、各支路有无功功率、各设备的报警信息，并对分布式发电进行统计和分析。
按上述系统，所述的上位机监控系统还包括报警处理单元，用于在出现故障或者预告报警信号时，发出声光报警。
利用所述的多能源微电网充电站实验平台监控系统的控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、微电网加电站整组上电启动：先检测外部电网，若外部电网电压正常则进入联网启动程序，否则进入自启动程序；
联网启动程序先合上公共连接点（PCC）开关，给变压器充电；合上变压器低压开关给380V母线充电；投入无功补偿装置；依次投入各组负荷；检查储能装置工作模式是否为P/Q模式并投入；依次投入各组分布式电源，至此联网启动完成；
自启动程序为检查储能装置工作模式是否为V/F模式并投入；投入无功补偿装置；依次投入各组负荷；依次投入各组分布式电源；
至此自启动完成；
S2、微电网加电站关停：微电网因故需要加电站关停时，先退出各组分布式电源，再依次切除所有负荷，然后退出储能装置、无功补偿，断开变压器低压开关，最后再切除PCC开关；
S3、微电网加电站人工联网转孤岛运行模式切换：采用有缝切换模式，先关停脱网，再自启动；
S4、微电网加电站人工孤岛转联网运行模式切换：采用有缝切换模式，先关停脱网，再联网启动。
按上述方法，在联网模式下，采用以下控制方法：
联络线功率因数控制：PCC功率因数由监控系统采集到的PCC电压和电流计算得到，由监控系统设置功率因数的目标值，实时计算的PCC功率因数与目标值进行比较，系统根据比较结果输出相应的无功补偿指令实现对无功补偿装置SVG的控制，当功率因素偏低应该增大SVG输出，否则减小SVG输出，无功控制指令为补偿装置的输出值或基于目前输出值的增量；
PCC有功功率控制：PCC有功功率由PCC的电压和电流计算获得，当功率超过设定的限定值时，启动或增大储能装置有功输出，储能装置荷电达到下限时，限制或切除部分负荷，控制过程中避免向外部电网倒送功率；分布式发电大于负荷需求时，对储能装置进行储能以吸收过剩功率，储能装置荷电满时，则限制或切除分布式发电的出力。
按上述方法，在孤岛运行模式下，微电网加电站的基本电源为储能电池包模块，采用以下控制方法：
储能电池包模块工作于为P/f、Q/U下垂特性模式，频率由母线电压计算得到，频率的变化范围以额定值为中心按照一定的区间由高到低划为6个区，分别为CH、BH、AH、AL、BL、CL；频率控制方法如下：
控制频率运行在AH区或AL区；
当频率处于BH区或BL时，有较大的频率偏差，储能装置重载放电或充电，调节容量较小，采取防过载预备措施；
当频率处于CH区或CL区时，则进行分布式发电或负荷的切除操作；
控制母线电压维持在额定值。
本发明的有益效果为：通过上位机监控系统与各充电模块进行CAN总线连接的方式，能够很好的监控、管理和控制。
附图说明
图1为本发明一实施例的整体结构示意图。
图2为本发明一实施例上位机监控系统的结构框图。
图3为充电站实验平台并网运行联络线功率因数控制流程图。
图4为充电站实验平台并网运行有功功率控制流程图。
图5为充电站实验平台孤岛运行频率变化区间划分图。
图6为充电站实验平台孤岛运行频率控制流程图。
图中：多能源微电网充电站实验平台100、上位机监控系统200、外部配电网111、变压器112、光伏发电模块120、风力发电模块130、储能电池包模块140、照明负载150、交流/直流充电桩组160、光伏发电系统121、光伏DC/AC变换器122、风力发电系统131、风机AC/AC变换器132、储能电池包及管理系统141、双向DC/AC变换器142、断路器Q01-Q09。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种多能源微电网充电站实验平台监控系统，如图1所示，它由多能源微电网充电站实验平台100和上位机监控系统200组成；其中多能源微电网充电站实验平台100包括光伏发电模块120、风力发电模块130、储能电池包模块140、交流/直流充电桩组160、公共连接点PCC、PCC控制器和外部配电网111；光伏发电模块包括光伏发电系统121和光伏DC/AC变换器122，光伏发电系统121通过光伏DC/AC变换器122接入微电网，光伏发电系统121和光伏DC/AC变换器122之后均连接有断路器Q03和Q02；风力发电模块130包括风力发电系统131和风机AC/AC变换器132，风力发电系统131通过风机AC/AC变换器132接入微电网，风力发电系统131和风机AC/AC变换器132之后均连接有断路器Q05和Q04；储能电池包模块140包括储能电池包及管理系统141和双向DC/AC变换器142，储能电池包及管理系统141通过双向DC/AC变换器142接入微电网，储能电池包及管理系统141和双向DC/AC变换器142之后均连接有断路器Q07和Q06；交流/直流充电桩组160包括多组交/直流充电桩，每组交/直流充电桩通过断路器Q09接入微电网；外部配电网111经过变压器112后通过公共连接点PCC接入微电网，公共连接点PCC（即断路器Q01）设有PCC控制器；所述的上位机监控系统200包括主控制器，及与主控制器连接的通信模块、数据采集与处理单元、人机交互单元和显示单元；其中通信模块通过CAN总线与所述的光伏DC/AC变换器122、风机AC/AC变换器132、双向DC/AC变换器142、每组交/直流充电桩和PCC控制器连接；数据采集与处理单元用于采集所述的微电网中的参数并传输给主控制器。本实施例中，数据采集与处理单元通过具有模拟量输入输出功能及数字量隔离输入和继电器输出功能的板卡，实时采集模拟量、开关量等信息量，例如采用具有模拟量输入输出功能及数字量隔离输入和继电器输出功能的研华PCI-1716板卡，实时采集模拟量、开关量等信息量，采集信号的类型包括模拟量（电流、电压、有功功率、无功功率、谐波分量、环境变量等）和状态量（开关设备的位置信号、设备告警信号、就地控制装置动作及告警信号、运行监视信号等）。通信单元采用CAN总线通信，通信接口CAN2.0B，波特率250k。CAN通信总线用于光伏DC/AC变换器122、风机AC/AC变换器132、双向DC/AC变换器142以及交/直流充电桩组与上位机监控系统之间通信，实现数据和控制指令的发送与接收。
所述的多能源微电网充电站实验平台100还包括用于照明的照明负载150，照明负载150分布在多能源微电网充电站实验平台100并通过断路器Q08接入微电网。
如图2所示，所述的主控制器包括数据库管理单元、控制操作单元、在线计算及制表单元和实时监视与统计单元。
数据管理单元，用于基于数据库，存储和管理数据采集与处理单元所采集到的数据。本实施例中，数据管理单元采用Microsoft Access，利用LabSQL工具包提供的一系列VI实现数据库的创建，表格的创建和数据的存储，并且可以对数据库中的各个数据项进行修改、查询和调用，也可直接用于离线分析软件、统计软件等的数据输入，数据库设计为6个表格分别为DCAC1数据库，ACAC2数据库，DCAC3数据库，充电桩组数据库以及事件记录表和主数据记录表，数据库存储周期为1s。
控制操作单元，用于在接受操作员顺序操作指令后完成顺序操作过程。具体的操作过程见控制方法。
在线计算与制表单元，用于基于LabVIEW对数据库管理单元中的数据进行计算，并采用LabVIEW自带生成报表工具VI生成不同格式的生产运行报表；所述的计算包括加、减、乘、除、积分、求平均值、求最大最小值和逻辑判断，以及功率总加和电量分时累计；所述的生产运行报表包括实时值表、正点值表、负荷运行日志表、电能量表、报警记录一览表、微电网能量管理系统控制策略参数一览表、保护配置定值一览表、主要设备参数和自诊断报告。
实时监视与统计单元，用于将采集的数据中的部分或全部参数进行格式转换并发送给显示单元进行显示，实时统计微电网总发电出力、储能剩余容量、微电网总有功负荷、总无功负荷，并监视微电网内部各断路器开关状态、各支路有无功功率、各设备的报警信息，并对分布式发电进行统计和分析。
所述的上位机监控系统还包括报警处理单元，用于在出现故障或者预告报警信号时，发出声光报警，并且显示画面上用颜色改变并闪烁表示该设备变位，同时显示红色报警条文，报警条文可以选择随机打印或召唤打印。
人机交互单元具有画面显示和人机对话功能，LabVIEW前面板的输入控件和显示控件等可以直观显示微电网拓扑结构及各种数据和图形信息等画面，人机对话功能使操作员可借助鼠标或者键盘在前面板界面执行相关动作以实现人机联系，包括A)调用、显示和拷贝各种图形、曲线、报表；B）发出操作控制命令；C）数据库定义和修改；D）各种应用程序的参数定义和修改；E）查看历史数值以及各项定值；F）图形及报表的生成、修改、打印；G）报警确认，报警点的退出/恢复；H）微电网能量管理系统各功能模块策略参数设置；I）日期和时钟的设置；J）运行文件的编辑、制作。
利用所述的多能源微电网充电站实验平台监控系统的控制方法，包括以下步骤：
S1、微电网加电站整组上电启动：先检测外部电网，若外部电网电压正常则进入联网启动程序，否则进入自启动程序；
联网启动程序先合上公共连接点（PCC）开关，给变压器充电；合上变压器低压开关给380V母线充电；投入无功补偿装置；依次投入各组负荷；检查储能装置工作模式是否为P/Q模式并投入；依次投入各组分布式电源，至此联网启动完成；
自启动程序为检查储能装置工作模式是否为V/F模式并投入；投入无功补偿装置；依次投入各组负荷；依次投入各组分布式电源；
至此自启动完成。
S2、微电网加电站关停：微电网因故需要加电站关停时，先退出各组分布式电源，再依次切除所有负荷，然后退出储能装置、无功补偿，断开变压器低压开关，最后再切除PCC开关。
S3、微电网加电站人工联网转孤岛运行模式切换：人工孤岛是得知外部电网停电计划后的一种主动脱网行为，通常充电站无严格要求连续供电的负荷，因此采用有缝切换模式，即先关停脱网，再自启动。因此人工联网转孤岛运行模式切换可分解成关停、自启动两个顺序控制。
S4、微电网加电站人工孤岛转联网运行模式切换：系统在孤岛运行时应监测外部电网供电状况，若外部电网供电恢复正常，应有信号提示运行人员以进行运行模式切换。人工孤岛转联网运行采用有缝切换模式，可分解成关停、联网启动两个顺序控制。
在联网模式下，如图3所示，采用以下控制方法：
联络线功率因数控制：PCC功率因数由监控系统采集到的PCC电压和电流计算得到，由监控系统设置功率因数的目标值，实时计算的PCC功率因数与目标值进行比较，系统根据比较结果输出相应的无功补偿指令实现对无功补偿装置SVG的控制，当功率因素偏低应该增大SVG输出，否则减小SVG输出，无功控制指令为补偿装置的输出值或基于目前输出值的增量。
为防止联络线或变压器过载，监控系统要实时监测PCC的有功功率，如图4所示，PCC有功功率控制：PCC有功功率由PCC的电压和电流计算获得，当功率超过设定的限定值时，启动或增大储能装置有功输出，储能装置荷电达到下限时，限制或切除部分负荷，控制过程中避免向外部电网倒送功率；分布式发电大于负荷需求时，对储能装置进行储能以吸收过剩功率，储能装置荷电满时，则限制或切除分布式发电的出力。
在孤岛运行模式下，微电网加电站的基本电源为储能电池包模块，采用以下控制方法：
储能电池包模块工作于为P/f、Q/U下垂特性模式，频率由母线电压计算得到，如图5所示，频率的变化范围以额定值为中心按照一定的区间由高到低划为6个区，分别为CH、BH、AH、AL、BL、CL；如图6所示，频率控制方法如下：
控制频率运行在AH区或AL区；
当频率处于BH区或BL时，有较大的频率偏差，储能装置重载放电或充电，调节容量较小，采取防过载预备措施；如经适当延时后，减小充电桩输出功率，将频率回升至AL以上，或者抑制光伏发电出力，将频率下降至AH以下；
当频率处于CH区或CL区时，表明频率严重偏差，已经超出了允许的范围，储能装置已经过载，为了防止储能装置切机导致系统崩溃，必须快速进行分布式发电或负荷的切除操作；
控制母线电压维持在额定值。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多能源微电网充电站实验平台监控系统，其特征在于：它由多能源微电网充电站实验平台和上位机监控系统组成；其中
多能源微电网充电站实验平台包括光伏发电模块、风力发电模块、储能电池包模块、交流/直流充电桩组、公共连接点PCC、PCC控制器和外部配电网；
光伏发电模块包括光伏发电系统和光伏DC/AC变换器，光伏发电系统通过光伏DC/AC变换器接入微电网，光伏发电系统和光伏DC/AC变换器之后均连接有断路器；
风力发电模块包括风力发电系统和风机AC/AC变换器，风力发电系统通过风机AC/AC变换器接入微电网，风力发电系统和风机AC/AC变换器之后均连接有断路器；
储能电池包模块包括储能电池包及管理系统和双向DC/AC变换器，储能电池包及管理系统通过双向DC/AC变换器接入微电网，储能电池包及管理系统和双向DC/AC变换器之后均连接有断路器；
交流/直流充电桩组包括多组交/直流充电桩，每组交/直流充电桩通过断路器接入微电网；
外部配电网经过变压器后通过公共连接点PCC接入微电网，公共连接点PCC设有PCC控制器；
所述的上位机监控系统包括主控制器，及与主控制器连接的通信模块、数据采集与处理单元、人机交互单元和显示单元；其中通信模块通过CAN总线与所述的光伏DC/AC变换器、风机AC/AC变换器、双向DC/AC变换器、每组交/直流充电桩和PCC控制器连接；数据采集与处理单元用于采集所述的微电网中的参数并传输给主控制器。
2.根据权利要求1所述的多能源微电网充电站实验平台监控系统，其特征在于：所述的多能源微电网充电站实验平台还包括用于照明的照明负载，照明负载分布在多能源微电网充电站实验平台并接入微电网。
3.根据权利要求1所述的多能源微电网充电站实验平台监控系统，其特征在于：所述的主控制器包括数据库管理单元、控制操作单元、在线计算及制表单元和实时监视与统计单元；
数据管理单元，用于基于数据库，存储和管理数据采集与处理单元所采集到的数据；
控制操作单元，用于在接受操作员顺序操作指令后完成顺序操作过程；
在线计算与制表单元，用于基于LabVIEW对数据库管理单元中的数据进行计算，得到对应的生产运行报表；所述的计算包括加、减、乘、除、积分、求平均值、求最大最小值和逻辑判断，以及功率总加和电量分时累计；所述的生产运行报表包括实时值表、正点值表、负荷运行日志表、电能量表、报警记录一览表、微电网能量管理系统控制策略参数一览表、保护配置定值一览表、主要设备参数和自诊断报告；
实时监视与统计单元，用于将采集的数据中的部分或全部参数进行格式转换并发送给显示单元进行显示，实时统计微电网总发电出力、储能剩余容量、微电网总有功负荷、总无功负荷，并监视微电网内部各断路器开关状态、各支路有无功功率、各设备的报警信息，并对分布式发电进行统计和分析。
4.根据权利要求3所述的多能源微电网充电站实验平台监控系统，其特征在于：所述的上位机监控系统还包括报警处理单元，用于在出现故障或者预告报警信号时，发出声光报警。
5.利用权利要求1所述的多能源微电网充电站实验平台监控系统的控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、微电网加电站整组上电启动：先检测外部电网，若外部电网电压正常则进入联网启动程序，否则进入自启动程序；
联网启动程序先合上公共连接点（PCC）开关，给变压器充电；合上变压器低压开关给380V母线充电；投入无功补偿装置；依次投入各组负荷；检查储能装置工作模式是否为P/Q模式并投入；依次投入各组分布式电源，至此联网启动完成；
自启动程序为检查储能装置工作模式是否为V/F模式并投入；投入无功补偿装置；依次投入各组负荷；依次投入各组分布式电源；
至此自启动完成；
S2、微电网加电站关停：微电网因故需要加电站关停时，先退出各组分布式电源，再依次切除所有负荷，然后退出储能装置、无功补偿，断开变压器低压开关，最后再切除PCC开关；
S3、微电网加电站人工联网转孤岛运行模式切换：采用有缝切换模式，先关停脱网，再自启动；
S4、微电网加电站人工孤岛转联网运行模式切换：采用有缝切换模式，先关停脱网，再联网启动。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：在联网模式下，采用以下控制方法：
联络线功率因数控制：PCC功率因数由监控系统采集到的PCC电压和电流计算得到，由监控系统设置功率因数的目标值，实时计算的PCC功率因数与目标值进行比较，系统根据比较结果输出相应的无功补偿指令实现对无功补偿装置SVG的控制，当功率因素偏低应该增大SVG输出，否则减小SVG输出，无功控制指令为补偿装置的输出值或基于目前输出值的增量；
PCC有功功率控制：PCC有功功率由PCC的电压和电流计算获得，当功率超过设定的限定值时，启动或增大储能装置有功输出，储能装置荷电达到下限时，限制或切除部分负荷，控制过程中避免向外部电网倒送功率；分布式发电大于负荷需求时，对储能装置进行储能以吸收过剩功率，储能装置荷电满时，则限制或切除分布式发电的出力。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：在孤岛运行模式下，微电网加电站的基本电源为储能电池包模块，采用以下控制方法：
储能电池包模块工作于为P/f、Q/U下垂特性模式，频率由母线电压计算得到，频率的变化范围以额定值为中心按照一定的区间由高到低划为6个区，分别为CH、BH、AH、AL、BL、CL；频率控制方法如下：
控制频率运行在AH区或AL区；
当频率处于BH区或BL时，有较大的频率偏差，储能装置重载放电或充电，调节容量较小，采取防过载预备措施；
当频率处于CH区或CL区时，则进行分布式发电或负荷的切除操作；
控制母线电压维持在额定值。
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