CN108110762A - 一种交直流混合微电网及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种交直流混合微电网及其控制方法，包括：接入交流母线上的设备，包括交流侧储能系统、电力负荷和交流充电桩；接入直流母线上的设备，包括可再生能源、直流侧储能系统和电动车充换电站；控制系统；该控制系统包括EtherCAT总线环网通讯网络和服务器，该网络中的各从站与接入交、直流母线上的各设备一一对应设置；从站采集自身对应的设备的实时运行信息，发给主站，由主站转发给服务器；服务器根据各设备的实时、历史运行信息，制定能源优化调度计划并反馈给主站，由主站转发给各从站；各从站根据所述能源优化调度计划控制自身对应的设备执行相应操作。本申请实现了交直流混合微电网具有更好的可靠性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及微电网技术领域，更具体地说，涉及一种交直流混合微电网及其控制方法。
背景技术
微电网是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、电力负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网在局部范围内能实现自给自足，必要时也可以给大电网反向馈电，具有巨大的社会意义和经济价值。
微电网主要有交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网三种典型结构。相较于仅具有单一母线的交流微电网和直流微电网，交直流混合微电网兼具直流母线和交流母线，所述交流母线通过双向逆变器连接直流母线，同时通过并网装置连接大电网。交直流混合微电网融合了交流微电网和直流微电网，能同时满足直流负荷以及交流负荷，并且减少了因多次的能量转换带来的电能损失，已成为下一代微电网的发展方向。
如何设计交直流混合微电网的拓扑结构和运行控制，使其具有更好的可靠性和经济性，是本领域研究的热点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种交直流混合微电网及其控制方法，以实现交直流混合微电网具有更好的可靠性和经济性。
一种交直流混合微电网，包括：
接入交流母线上的设备，包括交流侧储能系统、电力负荷和交流充电桩；
接入直流母线上的设备，包括可再生能源、直流侧储能系统和电动车充换电站；
以及控制系统；
所述控制系统包括以太网控制自动化技术EtherCAT总线环网通讯网络和服务器，所述EtherCAT总线环网通讯网络包括主站以及与接入交流母线、直流母线上的各设备一一对应设置的从站；所述服务器与所述主站存在通讯连接；
其中，所述从站用于采集自身对应的设备的实时运行信息，发给主站，由主站转发给所述服务器；所述服务器用于根据各设备的实时运行信息以及预先存储的各设备的历史运行信息，制定能源优化调度计划，并将所述能源优化调度计划反馈给主站，由主站转发给各从站；各从站还用于根据所述能源优化调度计划控制自身对应的设备执行相应操作。
可选的，所述制定能源优化调度计划，包括：在交直流混合微电网离网时，发布电动车反向馈电的征集信息。
可选的，所述制定能源优化调度计划，包括：在交直流混合微电网离网时，计算交直流混合微电网在离网时的可持续运行时长，根据计算结果优先确保等级高的电力负荷不间断供电。
可选的，所述制定能源优化调度计划，包括：在交直流混合微电网并网时，优先消耗大电网购电和可再生能源发电中成本较低的电能。
可选的，所述制定能源优化调度计划，包括：在交直流混合微电网并网时，如果处于用电高峰，发布电动车反向馈电的征集信息，如果处于用电低谷，发布电动车充换电服务信息。
一种交直流混合微电网控制方法，应用于控制系统，所述控制系统包括EtherCAT总线环网通讯网络和服务器；
所述交直流混合微电网中，接入交流母线上的设备，具体包括交流侧储能系统、电力负荷和交流充电桩；接入直流母线上的设备，具体包括可再生能源、直流侧储能系统和电动车充换电站；
所述EtherCAT总线环网通讯网络包括主站以及与接入交流母线、直流母线上的设备一一对应设置的从站；所述服务器与所述主站存在通讯连接；
所述交直流混合微电网控制方法，包括：
各从站采集自身对应的设备的实时运行信息，发给所述主站；
所述主站将各设备的实时运行信息转发给所述服务器；
所述服务器根据各设备的实时运行信息以及预先存储的各设备的历史运行信息，制定能源优化调度计划；
所述服务器将所述能源优化调度计划反馈给所述主站；
所述主站将所述能源优化调度计划转发给各从站；
各从站根据所述能源优化调度计划控制自身对应的设备执行相应操作。
可选的，所述制定能源优化调度计划，包括：在交直流混合微电网离网时，发布电动车反向馈电的征集信息。
可选的，所述制定能源优化调度计划，包括：在交直流混合微电网离网时，计算交直流混合微电网在离网时的可持续运行时长，根据计算结果优先确保等级高的电力负荷不间断供电。
可选的，所述制定能源优化调度计划，包括：在交直流混合微电网并网时，优先消耗大电网购电和可再生能源发电中成本较低的电能。
可选的，其特征在于，所述制定能源优化调度计划，包括：在交直流混合微电网并网时，如果处于用电高峰，发布电动车反向馈电的征集信息，如果处于用电低谷，发布电动车充换电服务信息。
从上述的技术方案可以看出，本发明利用EtherCAT总线环网通讯网络来控制交直流混合微电网的运行，制定能源优化调度计划，EtherCAT控制精度毫秒级是实现交直流混合微电网中各个设备对能源优化调度计划的实时响应，以及实现交直流混合微电网并/离网毫秒级无缝切换速度的基础和前提条件，能够使交直流混合微电网具有更好的运行可靠性和经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种交直流混合微电网拓扑结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种控制系统结构示意图；
图3为本发明实施例公开的一种交直流混合微电网控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种交直流混合微电网，其拓扑结构如图1所示，包括：接入交流母线L1上的设备，具体包括交流侧储能系统、电力负荷和交流充电桩；接入直流母线L2上的设备，具体包括可再生能源、直流侧储能系统和电动车充换电站。
当然，上述各设备在接入交流母线L1或直流母线L2上时，需要根据自身需要的电压选择增加或不增加相应的能量转换装置。例如，交流侧储能系统需要通过AC/DC接入交流母线L1上，可再生能源需要通过DC/DC接入直流母线L2上。
所述交直流混合微电网在运行控制上采用如图2所示的控制系统，该控制系统基于EtherCAT(Ethernet for Controland Automation Technology，以太网控制自动化技术)总线环网通讯网络构建而成，具体包括EtherCAT总线环网通讯网络和服务器30。
其中，所述EtherCAT总线环网通讯网络包括主站10以及与接入交流母线L1、直流母线L2上的各设备一一对应设置的从站20。各从站20用于采集自身对应的设备的实时运行信息，发给主站10，由主站10转发给服务器30；服务器30用于根据各设备的实时运行信息以及预先存储的各设备的历史运行信息，制定能源优化调度计划，并将所述能源优化调度计划反馈给主站10，由主站10转发给各从站20，各从站20还用于依据所述能源优化调度计划控制自身对应的设备执行相应操作。
下面，对图1中示出的所述交直流混合微电网的拓扑结构进行详述。
交直流混合微电网具有交流母线L1和直流母线L2；其中，交流母线L1通过双向逆变器连接直流母线L2，同时通过并网装置连接大电网，从而实现交流母线L1与直流母线L2之间的能量流动以及实现交流母线L1与大电网之间的能量流动。
本发明实施例将电动车充换电站和可再生能源挂在直流母线L2上，此时可再生能源发电能够不经历逆变环节就直接供给电动车充换电站进行消纳利用。相较于将可再生能源挂在交流母线L1上，本发明实施例将可再生能源挂在直流母线L2上至少有以下两点好处：1)省去了将可再生能源发电转换为交流电的逆变环节，从而节省了逆变器的使用，降低了成本，而且还能够最大程度避免逆变过程中能量的浪费；2)避免了波动间歇性特点明显的可再生能源不平滑供电而造成大电网电压不稳定。
其中，所述可再生能源可以包括光伏、水能、风能、燃气、波浪能、潮汐能、海洋温差能、地热能中的一种或任意几种的组合，并不局限，图1仅以所述可再生能源包括光伏、风能和燃气作为示例。
本发明实施例将直流侧储能系统挂在直流母线L2上，一方面是将可再生能源多余的发电进行存储；另一方面，对于波动间歇性特点明显的可再生能源不平滑供电的问题，直流侧储能系统还能够平滑可再生能源的输出。
而至于交流充电桩和交流侧储能系统，其用途与在交流电网中相同，分别是：将交流侧储能系统挂在交流母线L1上，是为了保证大电网故障、交直流混合微电网离网瞬间，能够利用交流侧储能系统放电直接为挂在交流母线L1上的电力负荷提供短时间供电。其中，所述交流侧储能系统可以包括能量型储能系统和/或功率型储能系统。交流充电桩的作用是将发到交流母线L1上多余的电能进行存储。
由以上描述可知，图1中示出的所述交直流混合微电网的拓扑结构，能够节省微电网建设初期成本并且节省能耗，具有很好的经济性。
下面，再对图2所示控制系统的工作原理进行详述。
图2所示控制系统基于EtherCAT总线环网通讯网络构建而成。EtherCAT是一种实时工业以太网技术，它具有传输容量大、传输速度快(毫秒级)、通信距离远、时钟同步性高、实现成本低、开放性好、安全稳定性高等特点。一个EtherCAT通讯网络中通常具有一个主站和多个从站，从站用于采集本地数据并反馈给主站，以及执行主站下发的控制指令。所述主站还可以通过以太网口与服务器进行通讯。
本发明实施例中为接入交流母线L1、直流母线L2上的各个设备都配置了从站，各从站采集本地设备的实时运行信息，发给主站，由主站再转发给服务器。
其中，仍参见图2，从站具体包括从站控制器、电压偏置电路、放大电路、滤波电路和A/D转换模块。从站采集本地设备的实时运行信息的过程具体描述如下：传感器(图中未示出)测量本地设备的实时运行信息，以电压信号的形式输出，从站接收与自己相连的传感器输出的电压信号，该电压信号为比较微弱且不断变化的模拟量，需要经过电压偏置、放大、滤波处理后再进行A/D转换，获得数字量，再将该数字量发给从站控制器中的CPU进行处理，从而，从站实现了对本地设备的实时运行信息的采集。
所述服务器根据主站发来的各设备的实时运行信息以及数据库中预先存储的各设备的历史运行信息，制定能源优化调度计划并反馈给主站，由主站转发给各从站，同时所述服务器还需要将本次接收到的各设备的实时运行信息也存储到数据库中。各从站依据所述能源优化调度计划控制本地设备执行相应操作，从而实现能源利用最大化，微电网收益最大化，保证了微电网的经济性。其中，EtherCAT控制精度毫秒级是实现各个设备对能源优化调度计划的实时响应，以及实现交直流混合微电网并/离网毫秒级无缝切换速度的基础和前提条件，实现交直流混合微电网具有更好的运行可靠性。
EtherCAT支持多种拓扑结构，本发明实施例选择总线环网拓扑结构，形成EtherCAT总线环网通讯网络，其特点是，在一个EtherCAT网络中，其中任一处节点断开，不会影响其它节点继续通讯，从而进一步提高了微电网的运行可靠性。
可选的，仍参见图2，服务器30还用于将所述能源优化调度计划通过防火墙上传至云平台，实现信息共享。
微电网常见有两种运行模式：其一是在大电网正常供电时，微电网内的分布式能源以及储能装置(包括图1中的交流侧储能系统、可再生能源、直流侧储能系统、放电时的交流充电桩以及电放电时的动车充换电站)作为辅助电源并入，共同为电力负荷供能，这称为微电网的并网运行模式；其二是在大电网遭遇故障停电时，微电网与大电网分离，分布式能源和储能装置协同为内部电力负荷供能，这称为微电网的离网运行模式。不同的运行模式下，服务器制定的能源优化调度计划不同，具体描述如下：
可选的，在交直流混合微电网离网时，服务器制定能源优化调度计划，包括：通过防火墙向电动车车主发布电动车反向馈电的征集信息，如图2所示。此时，电动车车主可自愿将附近电动车接入电动车充换电站为微电网反向供电，满足电力负荷的需求。征集信息的发布可以是以短信或邮件等方式发给电动车车主，但并不局限。
可选的，在交直流混合微电网离网时，服务器制定能源优化调度计划，包括：计算交直流混合微电网在离网时的可持续运行时长，根据计算结果优先确保等级高的电力负荷不间断供电。
具体的，根据对供电可靠性的要求以及中断供电在政治、经济上所造成损失或影响的程度，本发明实施例对电力负荷进行分级，例如分成一级负荷、二级负荷、三级负荷。所述一级负荷就是微电网内部最重要负荷，在微电网离网状态下不能中断供电，所以本发明实施例在交直流混合微电网离网时供电能力不充足时，优先保证最重要负荷不间断供电。
总的来说，在交直流混合微电网离网时，服务器需要对各设备的实时、历史运行信息进行分析，包括预测出可再生能源出力、预测出当前时段下的电力负荷需求、监控储能系统的储能状态值、监控电动车充换电站的电量储量值、预测离网状态下的可持续运行时长；然后，根据分析结果制定能源优化调度计划，例如制定甩负荷计划(例如关闭二级负荷和三级负荷、优先确保一级负荷不间断供电)、制定可再生能源出力计划(例如加大燃气发电量满足一级负荷持续供电需求)、调整充换电站的电量储量值(例如发布电动车反向馈电的征集信息)等，从而保证微电网离网情况下可持续安全稳定经济运行。当然，服务器需要根据采样数据的变化周期性修正能源优化调度计划。
可选的，在交直流混合微电网并网时，服务器制定能源优化调度计划，包括：在交直流混合微电网并网时，优先消耗大电网购电和可再生能源发电中成本较低的电能。比如说，假设可再生能源发电是光伏、风能和燃气发电，结合峰、尖、谷、平不同时段的电价，如果当前时段下大电网购电成本大于燃气发电成本，则全力消耗光伏、风能和燃气，不足时再从大电网购电；如果当前时段下燃气发电成本大于大电网购电成本，则关停燃气发电，全力消耗光伏和风能，不足时再从大电网购电；如果当前时段下大电网购电成本等于燃气发电成本，则前面两种供电方式均可。
可选的，在交直流混合微电网并网时，服务器制定能源优化调度计划，包括：在用电高峰时，通过防火墙向电动车车主发布电动车反向馈电的征集信息，此时电动车车主可自愿将附近电动车接入电动车充换电站为微电网反向供电；在用电低谷时，发布电动车充换电服务信息，推荐电动车车主此时对电动车进行充换电。征集信息和服务信息的发布可以是以短信或邮件等方式发给电动车车主。
总的来说，在交直流混合微电网并网时，服务器需要对各设备的实时、历史运行信息进行分析，包括预测出可再生能源出力、预测出当前时段下的电力负荷需求、监控储能系统的储能状态值、监控电动车充换电站的电量储量值；然后，根据分析结果制定能源优化调度计划，例如制定当前时段下的能源最优配比(例如优先消耗大电网购电和可再生能源发电中成本较低的电能)、制定可再生能源出力计划、制定与大电网功率交换需量、调整充换电站的电量储量值(例如在用电高峰时，发布电动车反向馈电的征集信息)等，从而保证微电网并网情况下安全稳定经济运行。当然，服务器需要根据采样数据的变化周期性修正能源优化调度计划。
由以上描述可知，本发明实施例利用EtherCAT总线环网通讯网络来控制交直流混合微电网的运行，制定能源优化调度计划，EtherCAT控制精度毫秒级是实现交直流混合微电网中各个设备对能源优化调度计划的实时响应，以及实现交直流混合微电网并/离网毫秒级无缝切换速度的基础和前提条件，能够实现交直流混合微电网具有更好的运行可靠性和经济性。
与上述公开的直流混合微电网实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种直流混合微电网控制方法，应用于控制系统，所述控制系统包括EtherCAT总线环网通讯网络和服务器；
所述交直流混合微电网中，接入交流母线上的设备，具体包括交流侧储能系统、电力负荷和交流充电桩；接入直流母线上的设备，具体包括可再生能源、直流侧储能系统和电动车充换电站；
所述EtherCAT总线环网通讯网络包括主站以及与接入交流母线、直流母线上的设备一一对应设置的从站；所述服务器与所述主站存在通讯连接；
如图3所示，所述交直流混合微电网控制方法，包括：
步骤101：各从站采集自身对应的设备的实时运行信息，发给所述主站；
步骤102：所述主站将各设备的实时运行信息转发给所述服务器；
步骤103：所述服务器根据各设备的实时运行信息以及预先存储的各设备的历史运行信息，制定能源优化调度计划；
步骤104：所述服务器将所述能源优化调度计划反馈给所述主站；
步骤105：所述主站将所述能源优化调度计划转发给各从站；
步骤106：各从站根据所述能源优化调度计划控制自身对应的设备执行相应操作。
可选的，所述制定能源优化调度计划，包括：在交直流混合微电网离网时，通过防火墙向电动车车主发布电动车反向馈电的征集信息。
可选的，所述制定能源优化调度计划，包括：在交直流混合微电网离网时，计算交直流混合微电网在离网时的可持续运行时长，根据计算结果优先确保等级高的电力负荷不间断供电。
可选的，所述制定能源优化调度计划，包括：在交直流混合微电网并网时，优先消耗大电网购电和可再生能源发电中成本较低的电能。
可选的，所述制定能源优化调度计划，包括：在交直流混合微电网并网时，如果处于用电高峰，通过防火墙向电动车车主发布电动车反向馈电的征集信息，如果处于用电低谷，发布电动车充换电服务信息。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种交直流混合微电网，其特征在于，包括：
接入交流母线上的设备，包括交流侧储能系统、电力负荷和交流充电桩；
接入直流母线上的设备，包括可再生能源、直流侧储能系统和电动车充换电站；
以及控制系统；
所述控制系统包括以太网控制自动化技术EtherCAT总线环网通讯网络和服务器，所述EtherCAT总线环网通讯网络包括主站以及与接入交流母线、直流母线上的各设备一一对应设置的从站；所述服务器与所述主站存在通讯连接；
其中，所述从站用于采集自身对应的设备的实时运行信息，发给主站，由主站转发给所述服务器；所述服务器用于根据各设备的实时运行信息以及预先存储的各设备的历史运行信息，制定能源优化调度计划，并将所述能源优化调度计划反馈给主站，由主站转发给各从站；各从站还用于根据所述能源优化调度计划控制自身对应的设备执行相应操作。
2.根据权利要求1所述的交直流混合微电网，其特征在于，所述制定能源优化调度计划，包括：
在交直流混合微电网离网时，发布电动车反向馈电的征集信息。
3.根据权利要求1所述的交直流混合微电网，其特征在于，所述制定能源优化调度计划，包括：
在交直流混合微电网离网时，计算交直流混合微电网在离网时的可持续运行时长，根据计算结果优先确保等级高的电力负荷不间断供电。
4.根据权利要求1所述的交直流混合微电网，其特征在于，所述制定能源优化调度计划，包括：
在交直流混合微电网并网时，优先消耗大电网购电和可再生能源发电中成本较低的电能。
5.根据权利要求1所述的交直流混合微电网，其特征在于，所述制定能源优化调度计划，包括：
在交直流混合微电网并网时，如果处于用电高峰，发布电动车反向馈电的征集信息，如果处于用电低谷，发布电动车充换电服务信息。
6.一种交直流混合微电网控制方法，其特征在于，应用于控制系统，所述控制系统包括EtherCAT总线环网通讯网络和服务器；
所述交直流混合微电网中，接入交流母线上的设备，具体包括交流侧储能系统、电力负荷和交流充电桩；接入直流母线上的设备，具体包括可再生能源、直流侧储能系统和电动车充换电站；
所述EtherCAT总线环网通讯网络包括主站以及与接入交流母线、直流母线上的设备一一对应设置的从站；所述服务器与所述主站存在通讯连接；
所述交直流混合微电网控制方法，包括：
各从站采集自身对应的设备的实时运行信息，发给所述主站；
所述主站将各设备的实时运行信息转发给所述服务器；
所述服务器根据各设备的实时运行信息以及预先存储的各设备的历史运行信息，制定能源优化调度计划；
所述服务器将所述能源优化调度计划反馈给所述主站；
所述主站将所述能源优化调度计划转发给各从站；
各从站根据所述能源优化调度计划控制自身对应的设备执行相应操作。
7.根据权利要求6所述的交直流混合微电网控制方法，其特征在于，所述制定能源优化调度计划，包括：
在交直流混合微电网离网时，发布电动车反向馈电的征集信息。
8.根据权利要求6所述的交直流混合微电网控制方法，其特征在于，所述制定能源优化调度计划，包括：
在交直流混合微电网离网时，计算交直流混合微电网在离网时的可持续运行时长，根据计算结果优先确保等级高的电力负荷不间断供电。
9.根据权利要求6所述的交直流混合微电网控制方法，其特征在于，所述制定能源优化调度计划，包括：
在交直流混合微电网并网时，优先消耗大电网购电和可再生能源发电中成本较低的电能。
10.根据权利要求6所述的交直流混合微电网控制方法，其特征在于，所述制定能源优化调度计划，包括：
在交直流混合微电网并网时，如果处于用电高峰，发布电动车反向馈电的征集信息，如果处于用电低谷，发布电动车充换电服务信息。
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