CN115313626A - 一种微电网监控系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微电网控制技术领域，具体涉及一种微电网监控系统及方法。具有光伏系统、电池系统、控制系统、发电系统和可控负载开关设备系统。本发明专用于控制在直流耦合拓扑中没有用于储能系统的专用直流变流器的微电网系统。目标是在保持DC总线电压和向交流负载可靠供电的同时，尽量减少对化石燃料发电机的依赖。

Description

一种微电网监控系统及方法
技术领域
本发明属于微电网控制技术领域，具体涉及一种微电网监控系统及方法。
背景技术
在气候变化和全球形势严峻的背景下，世界各地的突发天气事故不仅影响发达经济体，同样也影响较小的经济体，尤其是那些远离电网、无法接入或计划接入电网的偏远社区。这些偏远社区需要电力系统网络的柔性支持，来保障正常生活。本发明涉及的可再生能源微电网搭配储能的解决方案，正是为了解决这些地区的供电问题。这种方案可实现在最小限度的政府补助和国际资助下，使得这些偏远地区的配电网络满足的自供应。目前，10-500kW的微电网，正迅速应用在对天气变化敏感的岛屿国家。
本发明所介绍的是一种用于自带光伏、柴油机和可控交流负载(临界或非临界)的无变流器电池微电网监控控制器设计。离网微电网中央控制器的主要目的是在恶劣天气和负载波动的情况下平衡功率，最小化燃料成本，最大化延长电池寿命以及维持DC总线电压。近年来，针对微电网、有源配电并网系统(启发式和优化型)的监控控制器设计进行了许多研究。但这些控制器无论通过模拟还是试验都发现存在研发成本高、难以可视化等问题，不适用于无变流器微电网储能系统。而本发明提出的是一种带有启发性或者说是决定性的控制器，它专用于控制在直流耦合拓扑中没有用于储能系统的专用直流变流器的微电网系统。目标是在保持DC总线电压和向交流负载可靠供电的同时，尽量减少对化石燃料发电机的依赖。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种微电网监控系统及方法。
实现本发明目的的技术方案是：一种微电网监控系统，具有光伏系统、电池系统、控制系统、发电系统和可控负载开关设备系统；
所述控制系统包括依次通信连接的监控控制器、本地控制器、DC/AC双向转换器；所述DC/AC双向转换器电力连接DC总线和AC总线；所述控制系统用于控制光伏系统、电池系统、控制系统、发电系统的运行；
所述光伏系统和控制系统之间通信连接，并且电力连接至DC总线；所述光伏系统受控制系统控制，用于向电池系统和/或可控负载开关设备系统供电；
所述电池系统和控制系统之间通信连接，并且和光伏系统通信连接；所述电池系统电力连接至DC总线，所述电池系统受控制系统控制，用于储存电能，或者向可控负载开关设备系统供电；
所述发电系统和控制系统之间通信连接，并且电力连接至AC总线；所述发电系统受控制系统控制，向可控负载开关设备系统供电；
所述可控负载开关设备系统和控制系统之间通信连接，并且电力连接至AC总线；所述可控负载开关设备系统受控制系统控制，用于向外接设备供电。
进一步的，所述DC总线上电力连接有保护柜。
进一步的，所述光伏系统包括光伏发电单元和降压-升压DC/DC转换器；所述光伏发电单元通过降压-升压DC/DC转换器和控制系统通信连接，并且连接至DC总线。
进一步的，所述电池系统包括电池组和BMS；所述电池组通过BMS和控制系统通信连接，并且和光伏系统连接。
进一步的，所述发电系统包括燃油发电机和发电机组控制器；所述燃油发电机通过发电机组控制器和控制系统通信连接，并且分别和AC总线、可控负载开关设备系统连接。
一种微电网监控方法，采用上述的微电网监控系统，包括以下步骤：
S1.唤醒系统、持续检查输入：检查辐照度水平、DC总线电压、电池状态、发电机状态、负载标志；
S2.转换状态：根据预定义的总线电压(Vdcmin、Vdcmax)、辐照度(Irradmin、Irradmax)和SOC限制(SoCmin、SoCmax)，状态将相应转换；
S3.转换至模式一：当实际SOC值大于最大值且DC总线电压也大于其最大允许值时，启动模式切换为模式一，此时，电池组断开，控制系统将通过断开保护柜中的断路器来隔离电池组，光伏系统将为负载供电；
转换至模式二：当SOC低于最小值时，启动模式可以转换到模式二，此时，将使用光伏系统为电池组充电，从而提高DC总线电压；
转换至模式三：当DC总线电压较低且电池组有足够的电量为负载提供能量时，可以通过启动模式和模式二切换为模式三，此时，光伏系统和电池系统同时向负载供电；
转换至模式四：当太阳辐照度较低且电池组有足够的SOC值以支持夜间负载时，模式二可以转换到模式四，此时，光伏系统不可用，电池系统放电以向负载供电；
转换至模式五：当异常事件发生时，例如发电机故障、低燃料状态或在较低的毛利率下运行时，切换为模式五，此时电池系统断开，光伏系统也处于非活动状态；
转换至模式六：当系统运行在过载条件和辐照度水平足以为电池系统充电时，系统从模式三或模式二切换为模式六，断开非关键负载并在稳定后重新连接；
转换至模式七：在SOC最低且没有太阳能的最坏情况下，系统将切换到模式七，发电系统将为交流负载供电，逆变器断路器以及电池断路器关闭；
系统自闭：当发电机故障或达到最低燃料限制，系统将关闭以防止任何损坏并相应地发出警报。
进一步的，所述辐照度水平为用户定义的低和高，辐照度水平对应于DC总线电压范围；所述DC总线电压为用户定义的低和高电压电平；所述电池状态从BMS数据测量；所述发电机状态从发电机控制器测量；所述负载标志为电压、电流、开关设备传感器的开关状态。
采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：
(1)本发明专用于控制在直流耦合拓扑中没有用于储能系统的专用直流变流器的微电网系统。目标是在保持DC总线电压和向交流负载可靠供电的同时，尽量减少对化石燃料发电机的依赖。
(2)本发明对于完全隔离的小型电网，这种无需额外电池转换器的方法具有成本效益。从启发式EMS策略可以看出，基于降压-升压DC/DC转换器、电池管理系统BMS和DC/AC双向转换器之间的通信控制电池充电/放电。系统将使用当前技术以尽可能低的前期成本优化运行系统。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明系统转换流程图。
具体实施方式
实施例1
见图1，本发明具有光伏系统1、电池系统2、控制系统3、发电系统4和可控负载开关设备系统5；光伏系统1包括光伏发电单元11和降压-升压DC/DC转换器12；光伏发电单元11通过降压-升压DC/DC转换器12和控制系统3通信连接，并且连接至DC总线。电池系统2包括电池组21和BMS22；电池组21通过BMS22和控制系统3通信连接，并且和光伏系统1连接。发电系统4包括燃油发电机41和发电机组控制器42；燃油发电机41通过发电机组控制器42和控制系统3通信连接，并且分别和AC总线、可控负载开关设备系统5连接。
控制系统3包括依次通信连接的监控控制器31、本地控制器32、DC/AC双向转换器33；DC/AC双向转换器33电力连接DC总线和AC总线；控制系统3用于控制光伏系统1、电池系统2、控制系统3、发电系统4的运行；
光伏系统1和控制系统3之间通信连接，并且电力连接至DC总线；光伏系统1受控制系统3控制，用于向电池系统2和/或可控负载开关设备系统5供电；
电池系统2和控制系统3之间通信连接，并且和光伏系统1通信连接；电池系统2电力连接至DC总线，电池系统2受控制系统3控制，用于储存电能，或者向可控负载开关设备系统5供电；
发电系统4和控制系统3之间通信连接，并且电力连接至AC总线；发电系统4受控制系统3控制，向可控负载开关设备系统5供电；
可控负载开关设备系统5和控制系统3之间通信连接，并且电力连接至AC总线；可控负载开关设备系统5受控制系统3控制，用于向外接设备供电。
DC总线上电力连接有保护柜6。
实施例2
见图2，本实施例为一种微电网监控方法，采用实施例1的微电网监控系统，包括以下步骤：
S1.唤醒系统、持续检查输入：检查辐照度水平、DC总线电压、电池状态、发电机状态、负载标志；
S2.转换状态：根据预定义的总线电压(Vdcmin、Vdcmax)、辐照度(Irradmin、Irradmax)和SOC限制(SoCmin、SoCmax)，状态将相应转换；所述辐照度水平为用户定义的低和高，辐照度水平对应于DC总线电压范围；所述DC总线电压为用户定义的低和高电压电平；所述电池状态从BMS数据测量；发电机状态从发电机控制器测量；负载标志为电压、电流、开关设备传感器的开关状态。
当系统以启动模式启动时，系统关闭状态将为零，负载关闭状态将处于活动状态，光伏系统1的最大功率点跟踪处于非活动状态，并且系统交流电压控制标志在进入条件下处于活动状态。
EMS将监控DC总线电压和电池系统2充电状态，如果充电状态低于最小值，则转换到模式二进行电池充电，如果大于最小值或DC总线电压低于最小值，则系统将转换到模式三进行电池放电。退出启动模式后，PCS放电标志设置为激活状态。
S3.转换至模式一：当实际SOC值大于最大值且DC总线电压也大于其最大允许值时，启动模式切换为模式一，此时，电池组21断开，控制系统3将通过断开保护柜6中的断路器来隔离电池组21，光伏系统1将为负载供电；如果DC总线电压下降到较低的值，则系统将退出该状态并转换到模式三以进行电池系统2放电。光伏系统1保持直流电压，并且MPPT在模式一下无效。
转换至模式二：当SOC低于最小值时，启动模式可以转换到模式二，电池系统2将由光伏系统1充电，并且PVMPPT在此模式下也处于活动状态。此时，将使用光伏系统1为电池组21充电，从而提高DC总线电压；当DC总线电压较高且太阳辐照度也高于最小值时，模式三可以转换为模式二。当太阳辐照度足够时，模式五可以转换为模式二。当太阳辐照度较高且SOC值低于最小值时，模式六可以转换为模式二。当夜间太阳辐照度不足以使电池系统2放电时，模式二可以转换为模式四。
转换至模式三：当DC总线电压较低且电池组21有足够的电量为负载提供能量时，可以通过启动模式和模式二切换为模式三，此时，光伏系统1和电池系统2同时向负载供电；当DC总线电压和SOC值较低时，模式一和模式六可以转换为模式三。如果辐照度高于最小值，模式四可以转换到模式三，与光伏系统1一起对电池系统2进行放电。夜间，当太阳辐照度为零，DOC和DC总线电压下降时，模式三可以切换到模式七，启动燃油发电机41以支持负载。
转换至模式四：当太阳辐照度较低且电池组21有足够的SOC值以支持夜间负载时，模式二可以转换到模式四，此时，此时，光伏系统1不可用，电池系统2放电以向负载供电；如果SOC达到下限，则系统打开柴油发电机并转换到模式七。
转换至模式五：当异常事件发生时，例如发电机故障、低燃料状态或在较低的毛利率下运行时，切换为模式五，此时电池系统2断开，光伏系统1也处于非活动状态；
转换至模式六：当系统运行在过载条件和辐照度水平足以为电池系统2充电时，系统从模式三或模式二切换为模式六，断开非关键负载并在稳定后重新连接；光伏系统1在太阳能PVMPPT上运行并在负载断路器关闭时为电池系统充电，并且只有在复位标志进入激活状态并且电池有足够的电量时才激活。
转换至模式七：在SOC最低且没有太阳能的最坏情况下，系统将切换到模式七，发电系统4将为交流负载供电，逆变器断路器以及电池断路器关闭；当电池组21的SOC较低时，模式四可以转换到模式七。此外，如果太阳辐照度恢复到正常水平，则模式七切换到模式二，由光伏系统1为电池系统2充电。
系统自闭：当燃油发电机41故障或达到最低燃料限制，系统将关闭以防止任何损坏并相应地发出警报。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微电网监控系统，其特征在于：具有光伏系统(1)、电池系统(2)、控制系统(3)、发电系统(4)和可控负载开关设备系统(5)；
所述控制系统(3)包括依次通信连接的监控控制器(31)、本地控制器(32)、DC/AC双向转换器(33)；所述DC/AC双向转换器(33)电力连接DC总线和AC总线；所述控制系统(3)用于控制光伏系统(1)、电池系统(2)、控制系统(3)、发电系统(4)的运行；
所述光伏系统(1)和控制系统(3)之间通信连接，并且电力连接至DC总线；所述光伏系统(1)受控制系统(3)控制，用于向电池系统(2)和/或可控负载开关设备系统(5)供电；
所述电池系统(2)和控制系统(3)之间通信连接，并且和光伏系统(1)通信连接；所述电池系统(2)电力连接至DC总线，所述电池系统(2)受控制系统(3)控制，用于储存电能，或者向可控负载开关设备系统(5)供电；
所述发电系统(4)和控制系统(3)之间通信连接，并且电力连接至AC总线；所述发电系统(4)受控制系统(3)控制，向可控负载开关设备系统(5)供电；
所述可控负载开关设备系统(5)和控制系统(3)之间通信连接，并且电力连接至AC总线；所述可控负载开关设备系统(5)受控制系统(3)控制，用于向外接设备供电。
2.根据权利要求1所述的微电网监控系统，其特征在于：所述DC总线上电力连接有保护柜(6)。
3.根据权利要求1或2所述的微电网监控系统，其特征在于：所述光伏系统(1)包括光伏发电单元(11)和降压-升压DC/DC转换器(12)；所述光伏发电单元(11)通过降压-升压DC/DC转换器(12)和控制系统(3)通信连接，并且连接至DC总线。
4.根据权利要求1或2所述的微电网监控系统，其特征在于：所述电池系统(2)包括电池组(21)和BMS(22)；所述电池组(21)通过BMS(22)和控制系统(3)通信连接，并且和光伏系统(1)连接。
5.根据权利要求1或2所述的微电网监控系统，其特征在于：所述发电系统(4)包括燃油发电机(41)和发电机组控制器(42)；所述燃油发电机(41)通过发电机组控制器(42)和控制系统(3)通信连接，并且分别和AC总线、可控负载开关设备系统(5)连接。
6.一种微电网监控方法，采用权利要求1或2所述的微电网监控系统，其特征在于：包括以下步骤：
S1.唤醒系统、持续检查输入：检查辐照度水平、DC总线电压、电池状态、发电机状态、负载标志；
S2.转换状态：根据预定义的总线电压(Vdcmin、Vdcmax)、辐照度(Irradmin、Irradmax)和SOC限制(SoCmin、SoCmax)，状态将相应转换；
S3.转换至模式一：当实际SOC值大于最大值且DC总线电压也大于其最大允许值时，启动模式切换为模式一，此时，电池组(21)断开，控制系统(3)将通过断开保护柜(6)中的断路器来隔离电池组(21)，光伏系统(1)将为负载供电；
转换至模式二：当SOC低于最小值时，启动模式可以转换到模式二，此时，将使用光伏系统(1)为电池组(21)充电，从而提高DC总线电压；
转换至模式三：当DC总线电压较低且电池组(21)有足够的电量为负载提供能量时，可以通过启动模式和模式二切换为模式三，此时，光伏系统(1)和电池系统(2)同时向负载供电；
转换至模式四：当太阳辐照度较低且电池组(21)有足够的SOC值以支持夜间负载时，模式二可以转换到模式四，此时，光伏系统(1)不可用，电池系统(2)放电以向负载供电；
转换至模式五：当异常事件发生时，例如发电机故障、低燃料状态或在较低的毛利率下运行时，切换为模式五，此时电池系统(2)断开，光伏系统(1)也处于非活动状态；
转换至模式六：当系统运行在过载条件和辐照度水平足以为电池系统(2)充电时，系统从模式三或模式二切换为模式六，断开非关键负载并在稳定后重新连接；
转换至模式七：在SOC最低且没有太阳能的最坏情况下，系统将切换到模式七，发电系统(4)将为交流负载供电，逆变器断路器以及电池断路器关闭；
系统自闭：当发电机故障或达到最低燃料限制，系统将关闭以防止任何损坏并相应地发出警报。
7.根据权利要求6所述的微电网监控方法，其特征在于：所述辐照度水平为用户定义的低和高，辐照度水平对应于DC总线电压范围；所述DC总线电压为用户定义的低和高电压电平；所述电池状态从BMS数据测量；所述发电机状态从发电机控制器测量；所述负载标志为电压、电流、开关设备传感器的开关状态。
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