CN111245022A

CN111245022A - 用于海岛风光柴储微电网的控制系统及控制方法

Info

Publication number: CN111245022A
Application number: CN202010210860.3A
Authority: CN
Inventors: 于浩; 张东升; 张育华; 高建强; 马娟维
Original assignee: Beijing Shoto Energy Storage Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Shoto Energy Storage Technology Co ltd
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: CN111245022B

Abstract

本申请提供了一种用于海岛风光柴储微电网的控制系统及控制方法，控制系统包括储能子系统、光伏子系统、风机子系统、第一配电柜、第二配电柜、柴油发电子系统和控制器；储能子系统、光伏子系统和风机子系统均与所示第一配电柜连接，第一配电柜通过风光储输出断路器与第二配电柜连接；柴油发电子系统与第二配电柜连接；第二配电柜通过配电柜输出断路器与负荷连接；负荷通过电表与控制器连接，电表用于检测负荷的用电功率；储能子系统、光伏子系统和风机子系统均与控制器连接；控制器用于控制储能子系统、光伏子系统和风机子系统的运行。本申请能够解决海岛发电利用柴油发电机与风光储联合运行期间的运行不稳定问题。

Description

用于海岛风光柴储微电网的控制系统及控制方法

技术领域

本申请属于微电网控制技术领域，具体涉及一种用于海岛风光柴储微电网的控制系统及控制方法。

背景技术

在中国面积达500平方米以上的岛屿有6536个，所有岛屿的总面积为72800多平方公里。对于中大型群岛而言，由于中大型群岛对电力需求总量和可靠性均有较高的要求，因此中大型群岛往往需要通过海缆与大陆联网。而对于其他偏远小岛而言，由于最大负荷有限、输送距离较远、岛屿面积狭窄，铺设海缆在技术与经济方面需要付出更大代价，因此用电普遍需要依靠岛上的自备柴油发电机组。然而，采用柴油发电机组供电，居民无法获得稳定可靠的电能，且对环境污染较大，也会对海岛居民的生活和海岛经济的长远发展造成极大影响。

以可再生能源为核心，开发清洁可靠的海岛微电网系统成为目前主流的研究方向。打造包括太阳能发电、风力发电和蓄电池储能系统在内的全新分布式供电系统，与海岛原有的柴油发电系统和电网输配系统集成为一个微电网系统，能够有效解决离网型海岛用电难的问题。

由于海岛环境恶劣，运行维护难度较大，岛上运维人员水平有限，因此选择安全可靠的铅炭电池作为储能单元。然而，本申请的发明人在研发过程中发现，由于铅炭电池充电过程中受充电功率影响，容易导致充电功率越大电压越高，且海岛没有大电网作为支撑，需要有储能系统为海岛用电建立起电网电压，此时光伏和风机发电单元会直接通过逆变器对电池充电，如果不对发电单元进行控制，那么电池电压很有可能就会因为充电功率过大导致过压保护，进而影响系统的稳定性。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种用于海岛风光柴储微电网的控制系统及控制方法。

根据本申请实施例的第一方面，本申请提供了一种用于海岛风光柴储微电网的控制系统，其包括储能子系统、光伏子系统、风机子系统、第一配电柜、第二配电柜、柴油发电子系统和控制器；

所述储能子系统、光伏子系统和风机子系统均与所示第一配电柜连接，所述第一配电柜通过风光储输出断路器与所述第二配电柜连接；所述柴油发电子系统与第二配电柜连接；所述第二配电柜通过配电柜输出断路器与负荷连接；所述负荷通过电表与所述控制器连接，所述电表用于检测所述负荷的用电功率；

所述储能子系统、光伏子系统和风机子系统均与所述控制器连接；所述控制器用于控制所述储能子系统、光伏子系统和风机子系统的运行；

所述第一配电柜用于所述储能子系统、光伏子系统和风机子系统的配电输出和保护，所述第二配电柜用于所述储能子系统、光伏子系统、风机子系统和柴油发电子系统的配电输出和保护。

上述用于海岛风光柴储微电网的控制系统中，所述储能子系统包括铅碳电池组、BMS、PCS和储能电操断路器，所述铅碳电池组通过所述BMS与PCS连接，所述PCS通过储能电操断路器与所述第一配电柜连接；

所述光伏子系统包括光伏板、光伏逆变器和光伏电操断路器，所述光伏板与光伏逆变器连接，所述光伏逆变器通过光伏电操断路器与所述第一配电柜连接；

所述风机子系统包括风机、风机逆变器和风机电操断路器，所述风机与风机逆变器连接，所述风机逆变器通过风机电操断路器与所述第一配电柜连接；

所述柴油发电子系统包括柴油发电机和柴发断路器，所述柴油发电机通过柴发断路器与第二配电柜连接。

上述用于海岛风光柴储微电网的控制系统中还包括触摸屏，所述触摸屏与控制器连接。

根据本申请实施例的第二方面，本申请还提供了一种用于海岛风光柴储微电网的控制方法，其包括以下步骤：

控制关闭配电柜输出断路器和柴发断路器，由柴油发电机为负荷供电；

判断风光储输出断路器是否断开，如果是，则控制闭合储能电操断路器、离网启动PCS、延时预设时间闭合光伏电操断路器和风机电操断路器并启动光伏子系统和风机子系统，以进入风光储联合运行模式；

进入风光储联合运行模式时，根据BMS检测到的电池直流电压判断铅碳电池组的电量状况，进而根据铅碳电池组的电量状况，控制光伏子系统和风机子系统开机或关机，其具体过程为：

如果直流电压≤V₁，则判定铅碳电池组的电量过低，控制光伏子系统、风机子系统和PCS停机；继续由柴油发电机为负荷供电；

如果V₁＜直流电压＜V₂，则判定铅碳电池组的电量较低，进入风光储联合运行模式，光伏子系统和风机子系统对铅碳电池组进行充电；继续由柴油发电机为负荷供电；

如果直流电压≥V₂，则判定电池电量满足风光储联合带载运行模式，由柴油发电机为负荷供电或者由储能子系统、光伏子系统和风机子系统联合为负荷供电；

其中，V₁和V₂表示电压值。

上述用于海岛风光柴储微电网的控制方法中，如果直流电压≥V₂且风光储输出断路器未闭合，则光伏子系统和风机子系统继续为铅碳电池组充电，继续对铅碳电池组的电压进行判断，其具体过程为：

当直流电压≥V₃时，控制光伏子系统以当前功率的一半运行，继续对铅碳电池组进行充电，并对铅碳电池组的电压进行判断；

当直流电压≥V₄时，控制光伏子系统和风机子系统关机，继续对铅碳电池组的电压进行判断；

当直流电压≤V₅时，重新控制启动光伏子系统和风机子系统，进入风光储联合运行模式。

其中，V₂、V₃、V₄和V₅表示电压值，且V₂＜V₅＜V₃＜V₄。

上述用于海岛风光柴储微电网的控制方法中，如果直流电压≥V₂且风光储输出断路器闭合，则系统进入风光储联合带载运行模式，根据铅碳电池组的电压，判断系统的运行状态，其具体过程为：

当直流电压≥V₃时，控制光伏子系统以当前功率的一半运行，此后根据铅碳电池组的电压是否上升做出以下判断：

当直流电压≤V₅时，控制光伏子系统和风机子系统恢复满功率运行；

当直流电压≤V₆时，铅碳电池组的电量不足，提醒切换柴油发电机；

对是否切换至柴油发电机进行判断，如果切换至柴油发电机，则系统进入风光储联合运行状态；否则，继续对直流电压进行判断；

当直流电压≤V₁时，关闭光伏子系统、风机子系统和储能子系统；

其中，V₁、V₂、V₃、V₄、V₅和V₆表示电压值，且V₁＜V₆＜V₂＜V₅＜V₃＜V₄。

根据本申请实施例的第三方面，本申请还提供了一种计算机存储介质，其包括计算机程序，所述计算机程序由处理器执行，以完成上述任一项所述用于海岛风光柴储微电网的控制方法中的步骤。

根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本申请通过设置储能子系统、光伏子系统、风机子系统、第一配电柜、第二配电柜、柴油发电子系统和控制器，由控制器对储能子系统、光伏子系统、风机子系统和柴油发电子系统进行策略控制，能够利用稳定的铅炭电池组结合太阳能与风能确保海岛上用电的稳定性，解决海岛发电利用柴油发电机与风光储联合运行期间的运行不稳定问题。本申请能够提高风能和太阳能的利用效率，提高风光储系统的稳定性，减少柴油发电机的使用次数。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本申请所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本申请的说明书的一部分，其示出了本申请的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。

图1为本申请具体实施方式提供的一种用于海岛风光柴储微电网的控制系统的结构示意图。

图2为本申请具体实施方式提供的一种用于海岛风光柴储微电网的控制方法中风光储开机运行的流程图。

图3为本申请具体实施方式提供的一种用于海岛风光柴储微电网的控制方法中风光储联合带载运行的流程图。

附图标记说明：

1、储能子系统；11、铅碳电池组；12、BMS；13、PCS；14、储能电操断路器；

2、光伏子系统；21、光伏板；22、光伏逆变器；23、光伏电操断路器；

3、风机子系统；31、风机；32、风机逆变器；33、风机电操断路器；

4、第一配电柜；41、风光储输出断路器；

5、第二配电柜；51、配电柜输出断路器；

6、柴油发电子系统；61、柴油发电机；62、柴发断路器；

7、控制器；8、电表；9、交换机；10、触摸屏；20、负荷。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。

本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。

关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以细微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的细微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

如图1所示，用于海岛风光柴储微电网的控制系统包括储能子系统1、光伏子系统2、风机子系统3、第一配电柜4、第二配电柜5、柴油发电子系统6和控制器7。

储能子系统1、光伏子系统2和风机子系统3均与第一配电柜4连接，第一配电柜4通过风光储输出断路器41与第二配电柜5连接。柴油发电子系统6与第二配电柜5连接。第二配电柜5通过配电柜输出断路器51与负荷20连接。负荷20通过电表8与控制器7连接，电表8用于检测负荷20的用电功率。

储能子系统1通过交换机9与控制器7连接，光伏子系统2和风机子系统3均与控制器7连接。控制器7用于控制储能子系统1、光伏子系统2和风机子系统3的运行。

第一配电柜4用于储能子系统1、光伏子系统2和风机子系统3的配电输出和保护，第二配电柜5用于储能子系统1、光伏子系统2、风机子系统3和柴油发电子系统6的配电输出和保护。

具体地，储能子系统1包括铅碳电池组11、BMS12(Battery Management System，电池管理系统)、PCS13(Power Conversion System，储能变流器)和储能电操断路器14。铅碳电池组11与BMS12连接，BMS12与PCS13连接，PCS13通过储能电操断路器14与第一配电柜4连接。

BMS12将获取的铅碳电池组11的状态信息发送给PCS13。PCS13根据铅碳电池组11的状态信息对电池进行保护性充放电，确保电池安全地运行。BMS12和PCS13均通过交换机9与控制器7连接。

光伏子系统2包括光伏板21、光伏逆变器22和光伏电操断路器23，光伏板21与光伏逆变器22连接，光伏逆变器22通过光伏电操断路器23与第一配电柜4连接。

风机子系统3包括风机31、风机逆变器32和风机电操断路器33，风机31与风机逆变器32连接，风机逆变器32通过风机电操断路器33与第一配电柜4连接。

柴油发电子系统6包括柴油发电机61和柴发断路器62。柴油发电机61通过柴发断路器62与第二配电柜5连接。

本申请用于海岛风光柴储微电网的控制系统中还设置有触摸屏10，触摸屏10通过交换机9与控制器7连接。通过触摸屏10可以输入控制指令，该控制指令用于对铅碳电池组11的充放电状态进行控制。通过对铅碳电池组11的充放电状态的控制，实现对储能子系统1输出电压的调节。

基于以上用于海岛风光柴储微电网的控制系统，本申请还提供了一种用于海岛风光柴储微电网的控制方法，其包括以下步骤：

S1、控制关闭配电柜输出断路器51和柴发断路器62，由柴油发电机61为负荷20供电。

S2、风光储开机运行，如图2所示，其具体包括以下步骤：

S21、判断风光储输出断路器41是否断开，如果是，则控制闭合储能电操断路器14、离网启动PCS13、延时预设时间t闭合光伏电操断路器23和风机电操断路器33并启动光伏子系统2和风机子系统3，以进入风光储联合运行模式；否则，发出告警，同时光伏子系统2、风机子系统3和PCS13不开机。

S22、进入风光储联合运行模式时，根据BMS12检测到的电池直流电压判断铅碳电池组11的电量状况，进而根据铅碳电池组11的电量状况，控制光伏子系统2和风机子系统3开机或关机，其具体过程为：

如果直流电压≤V₁，则判定铅碳电池组11的电量过低，控制光伏子系统2、风机子系统3和PCS13停机，并告知维护人员；继续由柴油发电机61为负荷20供电

如果V₁＜直流电压＜V₂，则判定铅碳电池组11的电量较低，进入风光储联合运行模式，光伏子系统2和风机子系统3对铅碳电池组11进行充电。继续由柴油发电机61为负荷20供电。

如果直流电压≥V₂，则判定电池电量满足风光储联合带载运行模式，此时提醒维护人员关闭柴油发电机61，断开柴发断路器62以及闭合风光储输出断路器41，可以从柴油发电机61为负荷20供电切换为由储能子系统1、光伏子系统2和风机子系统3联合为负荷20供电。

进一步地，如果直流电压≥V₂且风光储输出断路器41未闭合，则系统未进入风光储联合带载运行模式，继续为铅碳电池组11充电，充电过程中继续对铅碳电池组11的电压进行判断，其具体过程为：

当直流电压≥V₃时，控制光伏子系统2以当前功率的一半运行，继续对铅碳电池组11进行充电，并对铅碳电池组11的电压进行判断。

当直流电压≥V₄时，控制光伏子系统2和风机子系统3关机，继续对铅碳电池组11的电压进行判断。

当直流电压≤V₅时，重新控制启动光伏子系统2和风机子系统3，进入风光储联合运行模式，循环执行步骤S22。

进一步地，如果直流电压≥V₂且风光储输出断路器41闭合，则系统进入风光储联合带载运行模式，如图3所示，根据铅碳电池组11的电压，判断系统的运行状态，其具体过程为：

当直流电压≥V₃时，控制光伏子系统2以当前功率的一半运行，此后根据铅碳电池组11的电压是否上升做出以下判断：

当直流电压≤V₅时，控制光伏子系统2和风机子系统3恢复满功率运行，即解除对输出电流的限制。

当直流电压≤V₆时，铅碳电池组11的电量不足，提醒切换柴油发电机61。

对是否切换至柴油发电机进行判断，如果切换至柴油发电机61，则系统进入风光储联合运行状态。

如果未切换至柴油发电机61，则继续对直流电压进行判断。

当直流电压≤V₁时，此时关闭光伏子系统2、风机子系统3和储能子系统1。

上述电压V₁、V₂、V₃、V₄、V₅和V₆按照从小到大的顺序为：

V₁＜V₆＜V₂＜V₅＜V₃＜V₄，电压V₁～V₆的值根据所采用的铅碳电池组11确定。

本申请用于海岛风光柴储微电网的控制系统和控制方法利用稳定的铅炭电池组结合太阳能与风能确保海岛上用电的稳定性，能够解决海岛发电利用柴油发电机与风光储联合运行期间的运行不稳定性问题。本申请能够提高风能和太阳能的利用效率，提高风光储系统的稳定性，减少柴油发电机的使用次数。

下面采用一具体实施例对本申请提供的用于海岛风光柴储微电网的控制系统和控制方法进行说明。

用于海岛风光柴储微电网的控制系统包括两套50kW的光伏子系统2、两套套10kW的风机子系统3、一套100kW的柴油发电子系统6、336只2V800Ah的铅碳电池串联而成125kW540kWh的铅碳电池组、最大50kW的用电负荷以及一套控制器。

选取阳光良好的上午，启动储能子系统1、光伏子系统2和风机子系统3。

判断风光储输出断路器41是否断开，如果是，则控制闭合储能电操断路器14、离网启动PCS13、延时10秒闭合光伏电操断路器23和风机电操断路器33并启动光伏子系统2和风机子系统3，以进入风光储联合运行模式；否则，发出告警，同时光伏子系统2、风机子系统3和PCS13不开机。

进入风光储联合运行模式时，根据BMS12检测到的电池直流电压判断铅碳电池组11的电量状况，进而根据铅碳电池组11的电量状况，控制光伏子系统2和风机子系统3开机或关机，其具体过程为：

如果直流电压≤650V，则判定铅碳电池组11的电量过低，控制光伏子系统2、风机子系统3和PCS13停机。其中，650V对应铅酸电池单体的平均电压为1.934V，此时铅酸电池处于放电状态，铅酸电池组的电量约为20％。

如果650V＜直流电压＜700V，则判定铅碳电池组11的电量较低，进入风光储联合运行模式，光伏子系统2和风机子系统3对铅碳电池组11进行充电。

如果直流电压≥700V，则判定电池电量满足风光储联合带载运行模式，此时提醒维护人员关闭柴油发电机61，断开柴发断路器62以及闭合风光储输出断路器41。其中，700V对应铅酸电池单体的平均电压为2.083V，此时铅酸电池处于充电状态，铅酸电池组的电量约为40％。

进一步地，如果直流电压≥700V且风光储输出断路器41未闭合，则系统未进入风光储联合带载运行模式，继续为铅碳电池组11充电，充电过程中继续对铅碳电池组11的电压进行判断，其具体过程为：

当直流电压≥789V时，控制光伏子系统2以当前功率的一半运行，继续对铅碳电池组11进行充电，并对铅碳电池组11的电压进行判断。其中，789V对应铅酸电池单体的平均电压为2.348V，此时铅酸电池处于充电状态，超过恒压充电平均单体电压2.30V，需要降功率充电，铅酸电池组的电量约为80％。

当直流电压≥795V时，控制光伏子系统2和风机子系统3关机，继续对铅碳电池组11的电压进行判断。其中，795V对应铅酸电池单体的平均电压为2.366V，此时铅酸电池的充电电压过高，超过恒压充电限制电压2.35V，需要停止充电。

当直流电压≤730V时，重新控制启动光伏子系统2和风机子系统3，循环执行步骤S22。其中，730V对应铅酸电池单体的平均电压为2.172V，此时铅酸电池的电压小于恒压2.3V，允许充电。

进一步地，如果直流电压≥700V且风光储输出断路器41闭合，则系统进入风光储联合带载运行模式，根据铅碳电池组11的电压，判断系统的运行状态，其具体过程为：

当直流电压≥789V时，控制光伏子系统2以当前功率的一半运行，此后根据铅碳电池组11的电压是否上升做出以下判断：

当直流电压≥795V时，控制光伏子系统2和风机子系统3关机，继续对铅碳电池组11的电压进行判断。

当直流电压≤730V时，控制光伏子系统2和风机子系统3恢复满功率运行，即解除对输出电流的限制。

当直流电压≤658V时，铅碳电池组11的电量不足，提醒切换柴油发电机61。其中，658V对应铅酸电池单体的平均电压为1.958V，此时铅酸电池处于放电状态，铅酸电池组的电量约为35％。

如果切换了柴油发电机61，则系统进入风光储联合运行状态。

如果未切换柴油发电机61，则继续对直流电压进行判断。

当直流电压≤650V时，此时关闭光伏子系统2、风机子系统3和储能子系统1。

在示例性实施例中，本申请实施例还提供了一种计算机存储介质，是计算机可读存储介质，例如，包括计算机程序的存储器，上述计算机程序可由处理器执行，以完成前述用于海岛风光柴储微电网的控制方法中的所述步骤。

上述的本申请实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本申请的实施例也可为在数据信号处理器中执行上述方法的程序代码。本申请也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列执行的多种功能。可根据本申请配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本申请揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展为不同的程序语言与不同的格式或形式。也可为不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本申请执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本申请的精神与范围。

以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本申请保护的范围。

Claims

1.一种用于海岛风光柴储微电网的控制系统，其特征在于，包括储能子系统、光伏子系统、风机子系统、第一配电柜、第二配电柜、柴油发电子系统和控制器；

2.根据权利要求1所述的用于海岛风光柴储微电网的控制系统，其特征在于，所述储能子系统包括铅碳电池组、BMS、PCS和储能电操断路器，所述铅碳电池组通过所述BMS与PCS连接，所述PCS通过储能电操断路器与所述第一配电柜连接；

3.根据权利要求1所述的用于海岛风光柴储微电网的控制系统，其特征在于，还包括触摸屏，所述触摸屏与控制器连接。

4.一种用于海岛风光柴储微电网的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

其中，V₁和V₂表示电压值。

5.根据权利要求4所述的用于海岛风光柴储微电网的控制方法，其特征在于，如果直流电压≥V₂且风光储输出断路器未闭合，则光伏子系统和风机子系统继续为铅碳电池组充电，继续对铅碳电池组的电压进行判断，其具体过程为：

6.根据权利要求4所述的用于海岛风光柴储微电网的控制方法，其特征在于，如果直流电压≥V₂且风光储输出断路器闭合，则系统进入风光储联合带载运行模式，根据铅碳电池组的电压，判断系统的运行状态，其具体过程为：

7.一种计算机存储介质，其特征在于，包括计算机程序，所述计算机程序由处理器执行，以完成权利要求4～6任一项所述用于海岛风光柴储微电网的控制方法中的步骤。