CN110313111A - 用于生产和分配来自不同类型的多个生产源的电功率的微电网的控制系统及其控制方法 - Google Patents

用于生产和分配来自不同类型的多个生产源的电功率的微电网的控制系统及其控制方法 Download PDF

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CN110313111A CN201780085517.7A CN201780085517A CN110313111A CN 110313111 A CN110313111 A CN 110313111A CN 201780085517 A CN201780085517 A CN 201780085517A CN 110313111 A CN110313111 A CN 110313111A
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D·罗萨蒂
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Abstract

提供了一种用于微电网的控制系统，用于产生和分配来自间歇和/或随机和/或可编程和/或蓄电‑系统类型的多个电源的电功率，微电网控制系统在两个级别上组织有分层控制结构，包括用于来自所述多个电源的电功率的功率转换系统(PCS)的第一控制级，用于适于与所述第一控制级协作的微电网控制器(MC)的第二控制级，所述第二控制级适于控制将被供应给配电网的电功率(并网状况)和/或将被供应为初级发电来为隔离的负载供电的电功率(离网状况)，和/或控制智能分布式电功率蓄电系统(ACC)，用于微电网控制器(MC)的所述第二控制级包括：‑监控系统(MON)，适于与由所述控制系统生成的物理信号对接，并对所述功率转换系统(PCS)和所述微电网执行操作；‑控制功能(FC)系统，适于在输入端处接收控制系统的测量和状态，并在输出端处提供所述监控系统(MON)通过其作用于所述功率转换系统(PCS)的参数和设定点，以便管理微电网的功率流；‑状态机(MAS)，适于与所述监控系统(MON)和所述控制功能(FC)协作，以便控制微电网的操作状况并基于所述状况决定哪些控制功能(FC)将被启用；功率转换系统(PCS)的所述第一控制级(CPCS)适于控制由所述微电网生成的电压(V)、频率(f)、有功功率(P)和无功功率(Q)的值，并且包括：‑在所述并网状况下的下垂控制系统，适于作用于所述有功功率和无功功率(P0和Q0)的值，通过分别增加或减小频率和电压基于第一下垂曲线将有功功率和无功功率的值保持在设定点值(Pref和Qref)；‑在所述离网状况下的下垂控制系统，适于作用于所述电压(V)和频率(f)的值，基于第二下垂曲线将f和V的值保持在设定点值(fref和Vref)。

Description

用于生产和分配来自不同类型的多个生产源的电功率的微电 网的控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于生产和分配来自不同类型的多个生产源(无论是连接到配电网还是隔离)的电功率的微电网(microgrid)的控制系统，以及其控制方法。
背景技术
本发明所针对和解决的主要技术问题是控制用于生产和分配电功率的微电网，包括用于生成来自不同类型的多个生产源的电功率的系统，其中生产源诸如随机可再生源、燃料操作的发电机系统(柴油发电机组)和蓄电系统，无论是隔离的还是连接到配电网络(其可能遭受中断、停电和稳定性问题)并包括现有部件(通常是燃料操作的发电机)和新部件(通常是可再生源发电机、蓄电系统和电网控制器)。
配电网络可能无法充当平衡节点，例如在中断期间或者如果它特别弱(低短路功率)。
平衡节点是电网络的节点，平衡节点使在网络中吸收和生成的有功功率和无功功率平衡。在平衡节点中，施加电压(V)和频率(f)，而功率和电流取决于网络的各个分支中的瞬时功率和电流值。网络中的任何有功功率和无功功率不平衡将从其标称值转变为电压和频率的变化。
因此，为了保持系统的稳定性，必须以准确和快速的方式控制在平衡节点中被生成或吸收的有功功率和无功功率，以调整网络中的频率和电压。
可再生源发电机无法确保对其输出功率的控制，因为它们遵循主要来源的不确定性。燃料操作的发电机可以部分补偿可再生源发电机和负载的功率变化，但它们受到一些限制：它们不能吸收功率，与频率和电压调整动态相比，它们的响应时间通常慢，并且关于输出功率调整范围(最小操作功率、最大过载……)存在技术限制。蓄电系统集成到这种微电网中，具有两个可能的功能：
-充当正或负可调负载，以补偿由可再生源和负载引起的功率波动。
-充当平衡节点，瞬间维持电网功率平衡，并调整频率和电压。
微电网控制器用于处置功率流并确保系统的稳定性：微电网控制器测量电网各个点处的电量、接收关于各种连接的设备的状态的信息，并建立发电机和蓄电系统的功率设定点。当以合适的模式进行控制时，诸如旋转发电机和逆变器(inverter)之类的设备设有下垂(droop)(将在下文中定义)并且可以与其它平衡节点并行地充当平衡节点。
使用多个平衡节点的可能性允许：
-具有灵活的配置，以便一些部件可以停止服务或受到操作限制而不会危及网络的稳定性；
-减小充当平衡节点的部件的尺寸，因为事实上，峰值功率和能量储备要求在各种有源(active)平衡节点之间划分；
-增加网络的安全性，因为在充当平衡节点的部件发生故障的情况下，相同的功能可以由其它系统执行。
微电网控制系统在本领域中是已知的。具有最先进特征的已知系统是具有所谓的分层配置(Hierarchical configuration)的系统，例如在J.C.Vasques等人在2010年12月在IEEE工业电子杂志第23-29页的文章“Hierarchical Control of IntelligentMicrogrids”中所描述的，其特征在于：
-多个平衡节点，包括下垂配置的多个逆变器以及柴油发电机。在本身已知的下垂控制模式下，根据电压-无功功率(V-Q)和频率-有功功率(f-P)之间的线性关系在外加电压下控制逆变器。以下垂模式控制的逆变器充当平衡节点，根据要供应的无功功率和有功功率来调制输出电压和频率，并且对由网络施加的功率变化(负载阶跃、发电机关闭、功率波动)等)立即响应；
-微电网控制器，为不充当平衡节点的单元定义功率和起动/停止设定点；
-结果是具有多个平衡节点的微电网，该微电网反映了具有频率和电压调整的最先进的配电网络的已知调整结构。
为了实现分层配置，充当平衡节点(逆变器，有时是发电机)的部件被设计为具有兼容的调整特点(动态和下垂)，以便获得调整功率的设计划分。电网的基本部分也是微电网的主要部件与微电网控制器之间的通信网络，微电网控制器定义各个单元的设定点和起动/停止参数。
当所有调整部件具有被专门构建为在微电网中工作的控制特点时，或者至少在设计阶段已知时，上面提到的已知的分层配置正确地操作。但是，这种配置无法适用于必须从一个或多个已安装的发电系统开始构建微电网的情况，其可能具有以下一个或多个限制：
-未知和不可修改的调整特点(下垂和动态)；
-操作模式限制(只能在孤岛(islanded)配置或网络并行配置下工作)；
-不可能与微电网控制器通信。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种用于微电网的控制系统，用于生产和分配来自不同类型的多个生产源(无论是连接到配电网络还是隔离)的电功率，以及其控制方法，旨在克服所有上面提到的问题。
本发明涉及一种用于生产和分配来自不同类型的多个生产源的电功率的微电网控制系统，其具有以下主要特征：
控制系统是集成的多级类型，并且包括微电网控制器以及专用于每个电源和每个蓄电系统的功率转换系统的控制器。
功率转换系统控制器：
-具有可以从外部启用或禁用的不同操作模式；
-所有调整量(下垂、动态等)均可参数化并可从外部调整；
-包含实现控制不同操作模式之间的过渡而没有任何可能导致网络不稳定的突然瞬变的算法的软件程序。因此，可以动态地改变连接在网络中的不同发电机和蓄电系统的作用，从单个节点到与其它平衡节点并联(parallel)的平衡节点或者到有源或无源负载。
微电网控制器：
-包含实现负载预测算法的软件程序；
-包含实现用于基于本地测量和/或外部信息预测可再生源的可生产性的算法的软件程序；
-计算确保微电网始终稳定所需的“向上旋转备用(up-spinning reserve)”和“向 下旋转备用(down-spinningreserve)”。
术语“向上旋转备用”是指在电网中立即可用的有功功率，以在所需功率快速增加(例如，负载阶跃、发电机的关闭或功率变化……)之后维持发电和负载之间的平衡。“向上旋转备用”通常被计算为连接并激活的蓄电系统和发电机的最大功率(在没有任何激活和同步延迟的情况下立即可用的最大功率)与负载功率(微电网中存在但是“保留”用于供应负载的发电功率)之间的差。
术语“向下旋转备用”是指在微电网中立即可用的有功功率，以在所需功率快速降低(例如，负载减小、开路线……)之后维持发电和负载之间的平衡。“向下旋转备用”通常被计算为连接并激活的蓄电系统和发电机的最小功率(由于例如发电机的最小关闭时间而可以立即达到而没有任何延迟的最小功率，甚至是负值)与当前用于供应负载的发电机和蓄电系统的功率之间的差。
-包含进行计算以便定义各个发电站的设定点以及必须打开或关闭哪些单元(调度计算、初级、二级和三级频率调整、备用管理、功率流优化)的软件程序。术语“调度计算”是指为定义网络的生产计划而进行的计算，即哪些发电机将是活动的以及其功率分布。
-将“调度计算”的结果变换为设定点、参数和命令，专门发送给能够通信的那些部件，以便获得对与微电网控制器进行通信的单元的直接控制，并且还获得对微电网控制器不可能与之通信的连接单元的输出功率的间接控制。
上述优化计算的结果是在任何给定时间将微电网的平衡节点动态分配给最合适的发电机。
本发明涉及一种用于微电网的控制系统，用于产生和分配来自间歇和/或随机和/或可编程和/或蓄电-系统类型的多个电源的电功率，
微电网控制系统在两个级别上组织有分层控制结构，包括用于来自所述多个电源的电功率的功率转换系统的第一控制级，用于适于与所述第一控制级协作的微电网控制器的第二控制级，所述第二控制级适于控制将被供应给配电网的电功率(并网状况)和/或将被供应为初级发电来为隔离的负载供电的电功率(离网状况)，和/或控制智能分布式电功率蓄电系统，
微电网控制器的所述第二控制级包括：
-监控系统，适于与由所述控制系统生成的物理信号对接，并对所述功率转换系统和所述微电网执行操作；
-控制功能系统，适于在输入端接收控制系统的测量和状态，并在输出端提供所述监控系统通过其作用于所述功率转换系统的参数和设定点，以便管理微电网的功率流；
-状态机，适于与所述监控系统和所述控制功能协作，以便控制微电网的操作状况，并基于所述状况决定启用哪些控制功能；
电功率转换系统的所述第一控制级适于控制由电功率转换系统生成的电压、频率、有功功率和无功功率的值，并且包括：
-在所述并网状况下的下垂控制系统，适于作用于所述有功功率和无功功率的值，通过分别增加或减小频率和电压基于第一下垂曲线将它们保持在设定点值；
-在所述离网状况下的下垂控制系统，适于作用于所述电压和频率的值，基于第二下垂曲线将它们保持在设定点值。
本发明还涉及一种用于微电网的控制方法，用于产生和分配来自间歇和/或随机和/或可编程和/或蓄电-系统类型的多个电源的电功率。
本发明还涉及包括所述控制系统的微电网。
本发明的一个特定目的是提供一种用于微电网的控制系统，用于生产和分配来自不同类型的多个电源(无论是连接到配电网还是隔离)的电功率，及其控制方法，以及包括所述系统的微电网，如权利要求中将进一步描述的，权利要求是本说明书的组成部分。
附图说明
本发明的进一步目的和优点将从以下参考附图的优选实施例(和变体)的具体实施方式中变得显而易见，附图仅以非限制性示例的方式来提供，其中：
图1是根据本发明的系统的框图；
图2是系统的微电网控制器MC的软件结构的宏块(microblock)的图；
图3是用于控制功能(FC)的自动管理(OADP)算法的软件结构的宏块的图；
图4是根据本发明的包括用于功率转换系统(PCS)的控制器的微电网的一部分的硬件结构的示例的框图；
图5、图6和图7分别示出了基本的、并网和离网下垂控制功能的图。
在附图中，相同的标号和字母识别相同的项或部件。
具体实施方式
本发明的系统允许创建基本上能够以两种模式进行操作的微电网：
-离网(off-grid)，即用于供应隔离的微电网的负载，或
-并网(on-grid)，即用于集成的可再生系统并且向连接到微电网的高级配电网络提供网络服务。
微电网还可以在离网和并网模式之间进行瞬时过渡，而不会在朝着网络或负载的互连点处产生任何电压骤降(短路、中断)。
如图1所示，本发明的系统包括电源和蓄电系统的转换和控制硬件部件(例如逆变器、PLC控制器……)，以及实现允许可控发电系统和蓄电系统作为一个系统进行管理的算法的软件部件，这使得能够将随机可再生源集成到微电网中。
特别地，系统输入包括来自不同类型电源的电能，基本上是间歇、随机、可编程和蓄电系统类型。一些示例是：太阳能光伏1、风能2、热3(柴油发动机、燃气轮机)、氢4、电池5、水电6。
微电网具有柔性结构，其中所述随机、可编程和蓄电系统源可以经由DC母线(bus)和AC母线通过合适的DC/AC和DC/DC转换系统进行耦合。具有DC或AC接口的现有系统和具有不同输出电压电平的系统可以集成到这种灵活的模块化结构中。
提供微电网所需的模块化的控制系统的结构至少在两个级别上是分层类型的，如上面已经提到的：电源和蓄电系统的功率转换系统(PCS)的控制器，以及在更高层级别上的微电网控制器(MC)。
功率转换系统PCS的控制器：
-具有可以从外部启用或禁用的不同操作模式；
-所有调整量(下垂、动态等)可以参数化并从外部进行调整；
-包含实现在不生成可能导致网络不稳定的突然外部变化的情况下控制不同操作 模式之间的过渡以及由调整量的变化造成的瞬变的算法的软件程序。
微电网控制器MC：
-包含实现负载预测算法的软件程序；
-包含实现算法的软件程序，用于基于本地测量和/或外部信息预测可再生源的可生产性；
-计算上面定义的所述“向上旋转备用”和“向下旋转备用”；
-包含进行计算以便定义各个电站的设定点以及必须打开或关闭哪些单元(调度(dispatch)计算、初级、二级和三级频率调整、备用管理、功率流优化)的软件程序。术语“调度计算”是指为定义网络的生产计划而进行的计算，即哪些发电机将是有效的，及其功率分布。
-将“调度计算”的结果变换成设定点、参数和命令，用以专门发送给能够进行通信的那些部件，以便还获得对与它不可能通信的连接单元的输出功率的间接控制。
此外，微电网控制器MC可以对接到SCADA系统的更高控制级别，微电网控制器MC可以从该控制级别接收关于微电网所需的操作模式的指示，并且微电网控制器MC可以向该控制级别发送所有微电网相关量。
微电网控制器MC启用微电网的操作，无论是连接到配电网络(在所述并网模式下)还是隔离(在所述离网模式下)或连接到智能和分布式蓄电系统(ACC)。
根据本发明的系统的一个独特特征是协调使用软件程序，该软件程序实现用于功 率转换系统PCS的控制器的具体控制算法(如下文所述的“下垂(DROOP)”算法)和用于微电 网控制器MC的具体控制算法(“OADP”算法-具有动态优先级分配的优化器-如下文所述)，以及将算法集成到由微电网控制器MC和功率转换系统PCS的所述控制器组成的模块化和分层的硬件和软件结构中。这种集成使用对于启用控制算法(特别是所述“下垂”算法和“OADP”算法)中的所有功能是必要的。
以下段落将描述作为根据本发明的系统的最重要部件的那些元件的特点。
1.微电网控制器-MC
1.1.微电网控制器MC的硬件结构HW
微电网控制器是具有本身已知的硬件结构的基于PLC技术的控制器，该控制器掌控(govern)系统部件的操作模式和微电网的各个分支中的功率流。原则上，MC的特征在于：
-模块化和灵活的体系架构，适用于微电网结构，通常具有主-从配置，其中主单元位于操作员站(operator station)附近，并且从单元位于微电网子系统(蓄电子系统、光伏子系统……)；
-使远程I/O单元离域(delocalizing)用于控制和监控系统的物理上分离的部分的可能性；
-集成不同类型的传感器以监控电量和物理量(电流、电压、功率、温度、风速、辐射……)的可能性；
-用于控制和监控系统的操作者界面(HMI)；
-在独立模式下操作或对接到更高级别控制系统(SCADA)的可能性。
微电网控制器MC的部件HW可以以基本上已知的方式实现，例如，如在2007年4月11日提交的标题为“Sistema di conversione e controllo per impianti di generazionedistribuita”(“用于分布式发电设施的转换和控制系统”)的编号为MI2007A000729的意大利专利申请中所描述的，该专利申请被认为是本申请的组成部分。
参考图2，现在将描述MC的软件结构的宏块。
1.2.MC的软件结构SW
结构SW是基于库的并且被组织为3个设计宏区域：监控系统MON、状态机MAS、控制功能FC。
监控系统MON接收来自现场传感器的测量，与HMI和SCADA交换数据和命令(经由数据日志记录DL)，并与致动器ATT(静态或机电控制设备)和与子系统(PCS)通信。还可以包括本身已知的远程监督系统SR。
三个宏区域之间的连接按如下实现：
-监控系统MON，基于发电机和开关的状态以及基于测量，向状态机MAS发送使得过渡发生或者不发生的条件。
-状态机MAS返回到从状态中执行的动作导出的监控系统MON命令。
-状态机MAS基于监控系统中确定的外部变量的状况，激活和停用期望的操作所需的控制功能。
-控制功能FC向监控系统MON发送子系统的参考，并接收用作功能输入的反馈。
监控系统MON：程序组织单元(UOP)的集合，UOP允许控件对接到来自系统的物理信号，以便在构成微电网的元件和功率转换系统(PCS)上执行期望的操作。为监控系统创建的库实现处置以下所需的功能：
-对功率转换系统的控制和通信；
-对接到外部电池管理系统(BMS)；
-可再生和不可再生能量生成系统的远程控制；
-状态机的过渡条件；
-测量信号的管理和通信；
-执行控制功能所需的信号的调节；
-母线和现场连接的通信例程的管理；
-设定点和控制信号的管理和通信；
-数据日志记录中的数据历史化；
-与人机界面(HMI)和远程监督系统的通信；
-每当测量检测到其它重要事件的异常状况时的警报和警告。
状态机MAS：这是UOP单元，负责根据微电网配置在正常情况下处置系统的操作。它控制微电网的所有(内部和外部)操作条件，并基于这些条件决定应当启用哪些控制功能以实现管理目标。
它负责在来自HMI的停止请求或维护后停止系统，并每当触发紧急警报时立即停止系统。
为系统中的每个主控制器或从控制器定义一个状态机。
状态机由不同的操作状态组成。当控制系统使设施在该特定状态下操作时，将执行与每个状态相关联的动作集合。
使得操作从一个状态切换到下一个状态的过渡被定义为程序组织单元UOP，UOP由使得过渡发生的条件的组合组成。
状态机MAS包括PCS的不同操作模式，这将在下文中定义，并且由MC根据系统的状态和基于其构造MAS的控制算法来激活或停用。
控制功能FC：程序组织单元UOP，负责基于由控件执行的管理来操作子系统。控制功能接收系统的测量和状态作为输入，并提供监控系统MON通过其作用于PCS、旋转发电机和所有其它执行器的参数和设定点作为输出，以便管理微电网中的功率流，从而允许发电机在必要时并行操作，同时确保系统的稳定性和适当操作。
控件功能被参数化并由自动管理算法(OADP)处置，该算法根据指派的优先级来执行控制功能。
现在将参考图3描述所述功能。
这些功能根据它们所针对的应用进行分组。以下是目的地组的描述。根据在OADP中管理组的优先级次序来指示这些组。
-1)微电网装备的适当操作和安全管理(安全(SAFETY))
在这个组中，管理允许保护微电网装备的那些功能。例如，这个组包括预反马达(Pre-Antimotoring,PAM)功能。
预反马达(PAM).发电机组通常配备有保护设备，该保护设备检测从交流发电机到原动机的功率流的反转。如果发生反转，保护设备将停止发电机组，试图避免对机器的原动机(图1中的3)造成任何损坏。预反马达功用于防止发电机组中的功率流反转，从而始终确保从发电机到微电网其余部分的最小功率流。由PAM功能执行的动作必须快速执行，并且必须具有最高优先级。PAM功能还可以请求连接到微电网的其它发电机组的立即停止。
任何需要以类似于PAM功能的方式来操作的功能被分配给安全(SAFETY)功能组。
-2)微电网的瞬时功率流的管理(平衡(BALANCING))
在这个组中，管理确保微电网适当瞬时操作的所有那些功能，以便确保系统中的服务连续性和电力质量。MC与连接到微电网的各个发电机的调整功能协作。特别地，当具有高级控制算法(即，在这个具体情况下是下垂算法)的PCS连接到微电网时，MC实现旋转备用管理(SRM)功能以及频率(FPF)和电压(FQV)初级调整功能。
旋转备用管理(SRM).在微电网中，旋转备用是未被使用但可用于直接响应于功率流变化的瞬时功率的总容量。在实践中，与参与微电网频率和电压调整的发电机的标称功率相比，旋转备用是未被使用的功率。为了避免任何微电网电力中断，需要始终维持对预期功率流变化作出反应所需的旋转备用电平。通过SRM功能，微电网控制器MC持续地控制微电网的当前总旋转备用并分配功率流，以确保系统所需的旋转备用的可用性，特别是上面提到的“向上旋转备用”和“向下旋转备用”。
频率(FPF)和电压(FQV)初级调整功能。在广泛的微电网中，有利的是，比直接参与调整的发电机更大数量的发电机参与频率和电压的初级调整。初级调整是指与控制量与其参考值的偏差成比例的发电机的功率输出。在频率调整中，如果发电机是PCS，那么发电机根据当前频率值和参考值之间的差供应或吸收有功功率；在初级电压调整中，发电机根据当前电压值与参考值之间的差供应或吸收无功功率。以这种方式，微电网的控制量返回到它们的参考值，从而也允许功率流在各个发电机之间划分。MC可以与通过改变发动机的参数执行初级调整的发电机进行交互，或者MC可以实现可以接受P和Q设定点的发电机和PCS的初级调整。
任何需要以与上述功能类似的方式来操作的功能被分配给平衡(BALANCE)功能组。
-3)微电网的短期功率流的管理(调度(DISPATCHING))
在这个组中，管理作用于短时间帧内对功率流和生产能力的管理的所有那些功能。这些功能允许通过管理可用吞吐量并通过应用始终由于系统功能原因的控制动作来获得微电网的适当操作。这个组中由MC实现的一些功能可以是：发电机组或其它类型的发电机的开/关控制、任何具体启动功能的管理以及可能可再生源或负载的缩减(输出功率的降低)的管理，诸如例如来自非常多变的源(例如风源)的“调峰(peak shaving)”功能或“功率过滤”功能。
-4)优化和经济功能的中期管理(优化(OPTIMIZATION))
在这个组中，管理作用于功率流的管理的所有那些功能，其中目的是优化系统的能量、经济、寿命相关和可用性相关方面。这个组包括例如根据各个制造商提供的指示实现的用于管理电池的充电状态的自动功能，以及遵循根据经济优化功能或不同性质的优化功能计算的设定点的功能。优化功能的一个示例是“能量时移”功能，通过该功能，可再生能量以生产过量的间隔积聚，然后以其将支持其它发电机的间隔排出。
每个组将根据系统输入生成设定点和命令。
主要输入是：
-系统的电量和功率流的测量；
-系统参数和约束；
-操作者定义的参数和设置；
-系统状态测量(蓄电池的充电状态、温度、现场测量……)。
基于输入的状态，OADP算法的软件将逐时刻(instant by instant)确定哪个功能组是“活动的”，处置其优先级，如上面的列表所指示的，其中越低的数字与越高的优先级和执行速度相对应。然后，OADP算法将在各种子系统上致动(actuate)处于“活动”状态的具有最高优先级的功能组的设定点和命令。因此，基本上，OADP算法执行具有最低优先级的组的设定点，并且当激活具有较高优先级的组时，算法将切换到由具有较高优先级的活动组确定的设定点和命令。
使用包含SW的基本块和控制功能的库允许创建具有可以容易且快速地实现的模块化结构的软件SW。此外，借助于表示库中包含的各个块之间的连接的图，软件设计与软件实现之间的过渡以示意性方式发生。
2.功率转换系统PCS的控制器。
2.1.PCS系列的配置。
PCS用于将电源和蓄电池对接到微电网，并被划分为四个系列：
-致力于用电池类型的蓄电系统双向交换DC/AC和AC/DC功率；
-致力于来自光伏电站的DC/AC功率转换；
-将DC电池蓄电系统、DC光伏电站、AC发电机组、AC网络和电源集成到AC负载。
-将DC电池蓄电系统、AC风力或水力发电机、AC发电机组、AC网络和电源集成到AC负载。
所述PCS的硬件实现基本上是已知的。例如，它们可以以基本上已知的方式制造，例如，如在上面提到的于2007年4月11日提交标题为“Sistema di conversione econtrollo per impianti di generazione distribuita”(“用于分布式发电设施的转换和控制系统”)的编号为MI2007A000729的意大利专利申请中所描述的，该专利申请被认为是本说明书的组成部分。
2.2.PCS操作模式。
上面呈现的系列的所有PCS包括DC/AC逆变器，该DC/AC逆变器将可再生源和/或电池对接到外部AC系统(网络、负载、微电网)。PCS面板包括DC/DC和DC/AC转换器的控制器，其中实现以下控制算法中的一个或多个：
1.电网跟随(grid following)(网络并联-P,Q模式)，用于DC/AC接口转换器
2.电网形成(网络处于孤岛配置-V,f模式)，用于DC/AC接口转换器
3.利用DC母线电压控制的操作(恒定DC母线电压)，用于DC/AC接口转换器
4.PV源上的MPMP或RPPT，用于DC/AC接口转换器或用于DC/DC转换器
5.纯下垂(处于孤岛配置以及与强(strong)或弱(weak)网络并联的操作)，用于DC/AC接口转换器
6.并网下垂(ONgrid droop)(利用P,Q调整的下垂控制，处于隔离微电网中或与强或弱网络并联的操作)，用于DC/AC接口转换器
7.离网下垂(OFFgrid droop)(利用V,f调整的下垂控制，处于隔离微电网中或与强或弱网络并联的操作)，用于DC/AC接口转换器
使用所述不同操作模式以及在不必停止PCS的情况下从一个操作模式切换到另一个操作模式的可能性提供了两个基本元素，两个基本元素与微电网控制器的SW结构以及MC和PCS的模块化配置一起表示本发明的独特特征。
特别地，本文描述的系统的创新方面包含在最后两种下垂型控制模式中。
由于这三种下垂型控制模式以及由于PCS控制器和MC之间的交互，可以在微电网内实现以下功能。
-在负载供电电压没有任何中断的情况下快速并网-离网过渡；
-孤岛微电网的连接(孤岛微电网集群)；
-微电网中的故障管理。
以下将描述PCS的七个操作模式，然后将分析上述应用。
1.电网跟随
在这种基本上已知的操作模式下，逆变器与现有电网同步，并根据给定的设定点通过对应的PCS控制器来供应有功功率和无功功率(Pref和Qref)。逆变器的输出频率和电压是逆变器所连接的网络的输出频率和电压。
2.电网形成
在这种基本上已知的操作模式下，逆变器以孤岛配置进行操作并且连接到可以是有源或无源的负载。逆变器的输出电压和频率由对应的PCS控制器维持在设定点值(Vref和fref)。由逆变器供应(或吸收)的有功功率和无功功率由连接在输出端处的无源(或有源)负载定义。
3.DC母线电压控制
在这种基本上已知的操作模式下，逆变器与网络并联进行操作，并且调整输出有功功率以将逆变器的DC母线上的电压维持在设定点值(Vdcref)。从逆变器输出的频率和电压输出是逆变器所连接的网络的频率和电压。
4.MPPT或RPPT
在这个基本上已知的操作模式下，例如，如M.S.Carmeli等人的文章“Advancedcontrol strategy for PQ improvement in PV systems without energy storagedevice”,SPEEDAM 2008 International Symposium on Power Electronics,ElectricalDrives,Automation and Motion第217-222页所描述的，逆变器的DC母线上或DC/DC转换器的PV侧上的电压被调整，以便从光伏电站提取最大可用功率(最大功率点跟踪MPPT)或量等于设定点值的功率(请求的功率点跟踪RPPT)。
图4示出了将在下面描述的下垂模式下的PCS的总图。逆变器设备IN调整朝着配电网络的输出电压和电流，并且由功率转换系统PCS的相应控制器CPCS控制，这生成下垂曲线CS，这将在下文中描述，并且借助于电压和频率调节器(REG)来实现它们。
5.基本下垂控制
在这个本身是已知的操作模式下，调整逆变器IN的输出电压和频率。但是，它们的值不像电网形成模式中那样遵循外部设定点，而是根据图5中所示的下垂曲线根据逆变器的有功功率P(对于频率f)和无功功率Q(对于电压V)输出而定义。
掌控下垂控制的等式为：
f＝f0–m*(P-P0)
V＝V0–n*(Q-Q0)
f0和V0是网络的参考频率和电压，P0和Q0是有功功率设定点和无功功率设定点，m是有功下垂系数，并且n是无功下垂系数。
定义下垂直线的系数m和n被称为“下垂”，因为它们是掌控下垂控制中的线性关系f-P和V-Q的系数。
基本下垂操作既用于孤岛配置，又用于与强或弱网络并联。下垂控制的逆变器在其所连接的网络的频率(或电压)或其所连接的负载的有功(或无功)功率的快速变化中表现出类似于传统旋转发电机的行为。这种控制模式用于将逆变器集成到系统中，该系统包括也根据下垂曲线控制的其它逆变器或者下垂由自动速度控制器施加的旋转发电机。所有以下垂模式进行操作的逆变器和连接到网络或微电网的旋转发电机通过根据网络中的电压V和频率f变化修改其输出功率而有助于频率和电压调整。每个发电机在频率变化后所供应的功率配额取决于其下垂：具有越高下垂(较陡的P-f和Q-V曲线)的发电机将输出越大的功率贡献。在PCS控制器中，下垂系数可以从外部由操作者手动修改或者由MC自动修改。根据系统中所包括的其它发电机来修改PCS的下垂系数，以便连接的逆变器将参与频率和电压调整，其配额等于(或大于或小于，取决于设计规范)其它发电机中的一个发电机：例如，如果连接两个发电机组和两个逆变器，每台机器可以覆盖25％的可能负载阶跃，或者每个DG(柴油发电机)覆盖20％的负载阶跃并且每个逆变器覆盖30％的负载阶跃。
6.并网下垂
与基本下垂算法相比，添加了两个较慢(即，以较长周期执行)的调整回路，它们分别作用于值P0和Q0，以便根据以下算法在逆变器的输出端维持P和Q的值(Pmis和Qmis)在设定点Pref和Qref：
如果Pmis-Pref<0→增加f0
如果Pmis-Pref>0→减小f0
如果Qmis-Qref<0→增加V0
如果Qmis-Qref>0→减小V0
图6示出了并网下垂控制对f-P下垂曲线的影响的图。
在并网下垂模式下控制并且与施加V和f的强或弱网络并联进行操作的逆变器将通过增加(或减小)输出功率而立即响应于网络中的频率降低(或增加)，因此通过对抗频率变化有助于改进网络的稳定性。该第一次调整以几乎瞬时的方式(几十毫秒)发生，并且由下垂曲线掌控。当这第一个瞬态结束并且网络频率稳定到低于(或高于)前一个值的新值时，对P0的调整回路将通过向下(或向上)“移动”f-P下垂曲线进行干预，以便将逆变器的功率输出值恢复设定值Pref，而网络和逆变器的频率将保持在瞬态结束时采用的新值。
这个控制模式用于管理逆变器输出端的功率流，从而有助于系统频率调整，
同时，为了利用该模式在电压不平衡发生时立即支持网络或微电网的能力，从而通过输出或吸收无功功率来促进系统的电压调整。
7.离网下垂
与基本下垂算法相比，增加了两个较慢的(即，以较长周期执行)调整回路，它们分别作用于值f0和V0，以便根据以下算法将逆变器输出端测得的f和V的值(fmis和Vmis)维持在设定点fref和Vref：
如果fmis-fref<0→增加f0
如果fmis-fref>0→减小f0
如果Vmis-Vref<0→增加V0
如果Vmis-Vref>0→减小V0
图7示出了离网下垂控制对f-P下垂曲线的影响的图。
在离网下垂模式下控制并且以孤岛配置或在弱电网络中进行操作的逆变器(其中逆变器本身施加V和f)将通过提供必要的功率变化并增加(或减小)输出V或f而立即响应于网络所需的有功功率或无功功率的减小(或增加)。该第一次调整由下垂曲线掌控。当这第一个瞬态结束并且网络量(电压和频率)稳定到高于(或低于)之前的值的新值时，对f0和V0的调整回路将通过向上(或向下)“移动”f-P下垂曲线进行干预，以便将网络频率和电压恢复到设定值，而逆变器的输出功率值将保持在瞬态结束时采用的新值。
这个控制模式用于管理微电网，其中逆变器施加电压和频率值，但不是具有能够促成网络中的有功功率和无功功率平衡的任何快速变化的(实际或虚拟)惯性的唯一元件。利用这种类型的控制，离网下垂模式下的逆变器允许所有启用下垂的发电机参与网络电压和频率调整，但然后它将重新获得其作为“主(Master)”的作用，并将网络量恢复到其参考值，而不进一步修改在瞬态下游定义并由各种连接的发电机的下垂掌控的功率流分布。
鉴于上述情况，在PCS控制器中，显然在并网操作和离网操作期间都维持相同的电压和频率调节器。仅来自微电网控制器的参考值改变(对于并网操作中的P和Q以及离网操作中的V和f)。这个解决方案的优点在于，将微电网置于孤岛配置的开关与控制器之间不需要快速通信；相反，即使PCS没有接收到指示从离网操作切换到并网操作的信号，反之亦然，它们仍将继续工作、输出功率并调整电压和频率。因此，即使在PCS、MC和微电网与网络之间的接口开关之间没有通信(无论是慢速还是快速)的情况下，也确保了微电网的稳定性。通信(即使慢)仅对优化系统的操作有用，从而使得最便宜的源产生功率，将电压和频率值保持在最佳范围内等。
以下将描述由于PCS和MC控制器中可用的控制算法的组合使用而获得的一些功能。
快速并网-离网过渡
在连接到弱网络的系统的情况下，如果网络中发生中断或断电，那么微电网可以在非常短的时间内(毫秒量级)切换到孤岛操作，继续供应其自身的负载而后者不进行任何电压骤降，因此负载供应电压没有任何中断。
当微电网络包括连接到蓄电系统并在并网下垂模式下进行操作的一些PCS时，可能发生这种快速过渡。当发生网络中断时，布置在微电网和网络之间的静态开关将打开，并且微电网将进入孤岛操作，其中由于来自或到达网络的功率流突然停止而导致功率不平衡。遵循其自身的功率设定点的并网下垂模式下的PCS将通过停止产生的频率瞬变来立即补偿微电网中的功率不平衡，这将采用标称值以外的值。当MC检测到切换到孤岛操作已经发生时，它将为PCS指派调整微电网的V和f的任务，并向PCS发送命令以切换到离网下垂操作以及相关联的电压和频率设定点。然后，离网下垂模式下的PCS将微电网的电压和频率恢复到标称值，而并网下垂模式下的其它PCS将根据先前的设定点或根据MC发送的根据微电网新状态的新值来供应或吸收功率。
微电网从孤岛操作到网络并联操作的过渡以相反的方式发生。当MC核实网络可用且再次稳定时，MC将命令离网下垂模式下的PCS切换到并网下垂操作，其中有功功率设置点和无功功率设定点等于在该瞬间供应的值。然后MC将命令静态开关闭合，如有必要，它将修改在并网下垂模式下操作的所有PCS的P和Q设定点。
在实施例的一个可能但非限制性的示例中，为了确保不向负载供电中断，接口INT(图1)包括在MC朝着负载的输出端处，该接口INT包括连接到网络、负载和逆变器的三插座三相电感器，以及由MC控制的一个或多个接口开关，而不需要特别快速的通信。接口也可以位于远程位置。对于本领域技术人员来说，这个接口的实现不是问题。
孤岛微电网的连接(孤岛微电网集群)
由于基于使用MC、PCS和PCS控制器的微电网的灵活性，有可能将多个微电网连接在一起，而无需在单个微电网的MC之间使用高速通信系统。事实上，在接口端子处，每个微电网都表现为并网下垂或离网下垂模式下的单个发电机，因此由两个微电网组成的系统中的瞬时电压和频率调整由连接的微电网的等效下垂曲线掌控。微电网的MC之间的通信对于恢复整个系统的功率流、电压和频率的设定点值是有用的，因此在速度和可靠性方面没有特别严格的要求，因为系统稳定性并非直接依赖于此。
微电网中的故障管理
在仅由逆变器供电的微电网中，没有旋转发电机，存在短路电流太低而不允许选择性地校准保护设备的风险。一般而言，实际上，单个逆变器在电网形成模式下操作，而其它逆变器在电网跟随模式下操作。如果发生故障，只有电网形成模式下的逆变器才会产生短路电流，直到其内部保护设备干预为止。相反，如果采用其中一个PCS处于并网下垂模式而其它PCS处于离网下垂模式的配置，那么所有PCS将对故障电流有贡献，这将采用更高的值并且可以允许选择性地校准保护设备。
本发明可以有利地至少部分地借助于计算机程序实现，该计算机程序包括用于在计算机上执行所述程序时执行该方法的一个或多个步骤的编码装置。因此可以理解，保护范围扩展到所述计算机程序并且还延伸到包括记录消息的计算机可读装置，，所述计算机可读装置包括用于在计算机上执行所述程序时执行该方法的一个或多个步骤的程序编码装置。
在本发明所实现的优点当中，必须指出的是，块MC负责管理整个微电网，而不仅仅是各个PCS的操作。本发明所描述的方法的优点在于它优化了微电网的所有电源的操作，与仅在具体控制下的那些源的操作相反，并且允许PCS以智能的方式并行连接到现有的发电机，从而支持发电机管理微电网(V和f控制)。
在不脱离本发明的保护范围的情况下，上述实施例的非限制性示例可以进行改变，包括本领域技术人员已知的所有等同设计。
在不脱离本发明的保护范围的情况下，各种优选实施例中示出的元件和特征可以组合在一起。
鉴于以上描述，本领域技术人员将能够在不引入任何进一步的实现细节的情况下产生本发明的目的。特别地，软件部分可以通过使用本领域技术人员众所周知的编程语言来实现，例如，根据IEC61131-3规范的PLC和/或C++编程语言。

Claims (10)

1.一种用于微电网的控制系统，用于产生和分配来自间歇和/或随机和/或可编程和/或蓄电-系统类型的多个电源的电功率，
微电网控制系统在两个级别上组织有分层控制结构，包括用于来自所述多个电源的电功率的功率转换系统(PCS)的第一控制级，用于适于与所述第一控制级协作的微电网控制器(MC)的第二控制级，所述第二控制级适于控制将被供应给配电网的电功率(并网状况)和/或将被供应为初级发电来为隔离的负载供电的电功率(离网状况)，和/或控制智能分布式电功率蓄电系统(ACC)，
用于微电网控制器(MC)的所述第二控制级包括：
-监控系统(MON)，适于与由所述控制系统生成的物理信号对接，并对所述功率转换系统(PCS)和所述微电网执行操作；
-控制功能(FC)系统，适于在输入端处接收控制系统的测量和状态，并在输出端处提供所述监控系统(MON)通过其作用于所述功率转换系统(PCS)的参数和设定点，以便管理微电网的功率流；
-状态机(MAS)，适于与所述监控系统(MON)和所述控制功能(FC)协作，以便控制微电网的操作状况并基于所述状况决定哪些控制功能(FC)将被启用；
功率转换系统(PCS)的所述第一控制级(CPCS)适于控制由所述微电网生成的电压(V)、频率(f)、有功功率(P)和无功功率(Q)的值，并且包括：
-在所述并网状况下的下垂控制系统，适于作用于所述有功功率和无功功率(P0和Q0)的值，通过分别增加或减小频率和电压基于第一下垂曲线将有功功率和无功功率的值保持在设定点值(Pref和Qref)；
-在所述离网状况下的下垂控制系统，适于作用于所述电压(V)和频率(f)的值，基于第二下垂曲线将f和V的值保持在设定点值(fref和Vref)。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中所述控制功能(FC)系统包括按以下优先级执行的以下功能中的一个或多个：
-预反马达(PAM)功能，适于在最大优先级状况下防止所述电源中的发电机组的功率流反转，还能够确定连接到微电网的其它发电机的快速停止；
-旋转备用管理(SRM)功能，适于始终确保微电网的稳定性，SRM功能包括“向上旋转备用”功能，作为微电网中即时可用的有功功率，以在所需功率快速增加后维持发电与负载之间的平衡，被计算为发电机和连接到该发电机并被激活的蓄电系统的最大功率与用于供应负载的功率之间的差，并且SRM功能包括“向下旋转备用”，作为微电网中即时可用的有功功率，以在所需功率快速下降后维持发电与负载之间的平衡，被计算为发电机和连接到该发电机并被激活的蓄电系统的最小功率与当前用于供应负载的发电机和蓄电系统的功率之间的差；
-频率初级调整功能(FPF)，根据频率初级调整功能，发电机根据当前频率值相对于参考值的偏差来供应或吸收有功功率，以及频率(FPF)和电压(FQV)初级调整功能，根据频率和电压初级调整功能，发电机根据当前电压值相对于参考值的偏差来供应或吸收无功功率。
3.如权利要求1所述的控制系统，其中功率转换系统(PCS)的所述第一控制级(CPCS)包括以下功能中的一个或多个：
-在所述并网状况下的“电网跟随”控制系统，适于通过对应的功率转换系统(PCS)根据给定的设定点(Pref和Qref)来供应有功功率和无功功率，输出频率和电压是PCS所连接的网络的输出频率和电压；
-在所述离网状况下的“电网形成”控制系统，适于通过对应的功率转换系统(PCS)将输出电压和频率维持在设定点值(Vref和fref)，所供应或吸收的有功功率和无功功率由连接在输出端处的无源(或有源)负载定义；
-在所述微电网与所述公共配电网并行连接的状况下的“DC母线电压”控制系统，适于调整输出有功功率，以便将电压维持在设定点值(Vdcref)，从微电网输出的频率和电压是所述公共配电网的频率和电压；
-“MPPT或RPPT”控制系统，用于控制包括在所述电源中的光伏电站的发电，适于调整电压以便从光伏电站提取最大可用功率(MPPT)或量等于设定点值(RPPT)的功率；
-基本下垂控制系统，适于调整所述电压和所述频率，使得电压和频率的值基于第三下垂曲线根据有功功率P(对于频率f)和无功功率Q(对于电压V)而定义。
4.一种用于微电网的控制方法，用于产生和分配来自间歇和/或随机和/或可编程和/或蓄电-系统类型的多个电源的电功率，
微电网控制方法在两个级别上组织有分层控制结构，包括用于来自所述多个电源的电功率的功率转换系统(PCS)的第一控制级，用于适于与所述第一控制级协作的微电网控制器(MC)的第二控制级，所述第二控制级适于控制将被供应给公共配电网的电功率(并网状况)和/或将被供应为初级发电来为隔离的负载供电的电功率(离网状况)，和/或控制智能分布式电功率蓄电系统(ACC)，
微电网控制器(MC)的所述第二控制级包括：
-监控系统(MON)，适于与由所述控制系统生成的物理信号对接，并对所述功率转换系统(PCS)和所述微电网执行操作；
-控制功能(FC)系统，适于在输入端处接收控制系统的测量和状态，并在输出端处提供所述监控系统(MON)通过其作用于所述功率转换系统(PCS)的参数和设定点，以便管理微电网的功率流；
-状态机(MAS)，适于与所述监控系统(MON)和所述控制功能(FC)协作，以便控制微电网的操作状况并基于所述状况决定哪些控制功能(FC)将被启用；
功率转换系统(PCS)的所述第一控制级(CPCS)适于控制由所述微电网生成的电压(V)、频率(f)、有功功率(P)和无功功率(Q)的值，并且包括：
-在所述并网状况下的下垂控制，适于作用于所述有功功率和无功功率(P0和Q0)的值，通过分别增加或减小频率和电压基于第一下垂曲线将有功功率和无功功率的值保持在设定点值(Pref和Qref)；
-在所述离网状况下的下垂控制，适于作用于所述电压(V)和频率(f)的值，基于第二下垂曲线将V和f的值保持在设定点值(fref和Vref)。
5.如权利要求4所述的控制方法，其中所述控制功能(FC)包括按以下优先级执行的以下功能中的一个或多个：
-预反马达(PAM)功能，适于在最大优先级状况下防止所述电源中的发电机组的功率流反转，还能够确定连接到微电网的其它发电机的快速停止；
-旋转备用管理(SRM)功能，适于始终确保微电网的稳定性，SRM功能包括“向上旋转备用”功能，作为微电网中即时可用的有功功率，以在所需功率快速增加后维持发电与负载之间的平衡，被计算为发电机和连接到该发电机并被激活的蓄电系统的最大功率与用于供应负载的功率之间的差，并且SRM功能包括“向下旋转备用”，作为微电网中即时可用的有功功率，以在所需功率快速下降后维持发电与负载之间的平衡，被计算为发电机和连接到该发电机并被激活的蓄电系统的最小功率与当前用于供应负载的发电机和蓄电系统的功率之间的差；
-频率初级调整功能(FPF)，根据频率初级调整功能，发电机根据当前频率值相对于参考值的偏差来供应或吸收有功功率，以及频率(FPF)和电压(FQV)初级调整功能，根据频率和电压初级调整功能，发电机根据当前电压值相对于参考值的偏差来供应或吸收无功功率。
6.如权利要求4所述的控制方法，其中功率转换系统(PCS)的所述第一控制级(CPCS)包括以下功能中的一个或多个：
-在所述并网状况下的“电网跟随”控制，适于通过对应的功率转换系统(PCS)根据给定的设定点(Pref和Qref)来供应有功功率和无功功率，输出频率和电压是PCS所连接的网络的输出频率和电压；
-在所述离网状况下的“电网形成”控制，适于通过对应的功率转换系统(PCS)将输出电压和频率维持在设定点值(Vref和fref)，所供应或吸收的有功功率和无功功率由连接在输出端处的无源(或有源)负载定义；
-在所述微电网与所述公共配电网并行连接的状况下的“DC母线电压”控制，适于调整输出有功功率，以便将电压维持在设定点值(Vdcref)，从微电网输出的频率和电压是所述公共配电网的频率和电压；
-“MPPT或RPPT”控制，用于控制包括在所述电源中的光伏电站的发电，适于调整电压以便从光伏电站提取最大可用功率(MPPT)或量等于设定点值(RPPT)的功率；
-监控(MON)，适于与由所述控制系统生成的物理信号对接，并基于第三下垂曲线对所述功率转换系统(PCS)和所述微电网执行操作。
7.如权利要求4所述的控制方法，其中所述第一下垂曲线执行以下功能：
如果Pmis-Pref<0→增加f0
如果Pmis-Pref>0→减小f0
如果Qmis-Qref<0→增加V0
如果Qmis-Qref>0→减小V0
其中Pmis和Qmis是微电网的输出端处的有功功率值和无功功率值，并且Pref和Qref是所述设定点值。
8.如权利要求1所述的控制方法，其中所述第二下垂曲线执行以下功能：
如果fmis-fref<0→增加f0
如果fmis-fref>0→减小f0
如果Vmis-Vref<0→增加V0
如果Vmis-Vref>0→减小V0
其中fmis和Vmis是微电网的输出端处的频率值和电压值，并且fref和Vref是所述设定点值。
9.如权利要求6所述的控制方法，其中所述第三下垂曲线执行以下功能：
f＝f0–m*(P-P0)
V＝V0–n*(Q-Q0)
其中f0和V0是网络的参考频率和电压，P0和Q0是有功功率设定点和无功功率设定点，m是有功下垂系数，并且n是无功下垂系数。
10.一种用于生产和分配来自间歇和/或随机和/或可编程和/或蓄电-系统类型的多个电源的电功率的微电网，包括如权利要求1至3中任一项所述的控制系统，所述微电网控制系统在两个级别上组织有分层控制结构，包括用于来自所述多个电源的电功率的功率转换系统(PCS)的第一控制级，用于适于与所述第一控制级协作的微电网控制器(MC)的第二控制级，所述第二控制级适于控制将被供应给配电网的电功率(并网状况)和/或将被供应为初级发电来为隔离的负载供电的电功率(离网状况)，和/或控制智能分布式电功率蓄电系统(ACC)。
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