CN117811058A - 一种微电网并离网切换方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电网并离网切换领域，特别涉及一种微电网并离网切换方法及系统。所述方法包括：根据切换前电网电压参数计算得到下垂控制模式的初始控制参数，由恒功率控制模式转为下垂控制模式，完成微电网由并网运行切换到离网运行；根据切换前电网电压参数计算得到下垂控制模式的控制期望参数，对微电网参数进行调节，直到微电网参数满足目标要求，由下垂控制模式转为恒功率控制模式，完成微电网由离网运行切换到并网运行。所述系统包括微电网；所述微电网通过串联的电网并网开关和微电网并网开关与电网连接；所述微电网的储能装置中设置有控制器；所述控制器用于对微电网实现并离网切换。本发明实现了微电网与大电网的主动式并离网切换。

Description

一种微电网并离网切换方法及系统

技术领域

本发明涉及微电网并离网切换领域，特别涉及一种微电网并离网切换方法及系统。

背景技术

1.1背景技术

分布式能源的快速发展使得微电网作为一种有效的电能组织形式被提出。作为大电网的补充，微电网可作为一个独立可控单元能够实现自主运行，完成控制、保护和能量管理等功能，能够充分发挥分布式能源的优势。

微电网有并网模式和离网模式，目前两种模式切换主要为被动切换，需要由监控系统给微电网下发切换指令，储能系统根据指令转变工作模式，后监控系统再断开/闭合并网开关。此种方式切换时间可控、便于管理，但当电网出现异常或微电网内新能源发电不足时，会出现切换不及时导致微电网停运，给用户带来不便。

1.2与本发明相关的现有技术一

1.2.1现有技术一的技术方案

公开号为CN115085261A的中国发明公布了一种储能并网变流器主动并离网切换控制方法及系统：该方案并网切换离网的控制方法包括：分段柴油发电机与电网的连接后再进入停机过程；将储能并网变流器的输出角度由锁相环角度切换至按照预设步进量递增的角度；取消储能并网变流器的交流电流闭环控制方式，加入交流电压闭环控制方式，储能并网变流器进入离网工作模式。该方案离网切换到并网的控制方法包括：根据储能并网变流器的相位调整柴油发电机相位，再柴油发电机的相位和储能并网变流器的相位差低于角度阈值时闭合柴油发电机的分断与电网的连接。取消储能并网变流器的交流电压闭环控制方式，加入交流电流闭环控制方式；储能并网变流器的输出角度切换至锁相环角度。

1.2.2现有技术一的缺点

该技术方案所述系统只包括储能、柴发和负载，离网运行无法长期运行；目前微电网多采用多柴发并联模式，负载较低时切除部分柴发即可，因此本方案应用场景有限；本方案所述离网转并网需要调整柴发相位，并不适用于交流系统为大电网的情况。

1.3与本发明相关的现有技术二

1.3.1现有技术二的技术方案

公开号为CN108448607A的中国发明公布了一种微电网电池储能系统的并离网切换方法和装置：该方案并离网切换装置根据PQ控制(恒功率控制)模式下并网点电压的正负序分量和逆变器输出电流的正负序分量计算电流内环的电流值和电压值，以控制逆变器输出功率；并网转离网瞬间，VF控制(恒频恒压控制)模式采用状态跟随方法，并通过增加的功率补偿控制环节将电网输出功率转移到逆变器上；离网运行时，VF控制模式下的电压外环对系统提供电压和频率支撑。

1.3.2现有技术二的缺点

该方案并网转离网瞬间需要将电网输出到并网点的电流为零，实际中系统并不能完全满足这个条件；而且若交流系统为柴油发电机，该方案很容易出现柴油发电机逆功率的情况，影响柴发寿命；该方案并未提及离网转并网方法；综上，该方案适用性有限。

1.4与本发明相关的现有技术三

1.4.1现有技术三的技术方案

公开号为CN114498744A的中国发明公布了一种微网系统并离网切换控制的方法及设备：公开了一种微网系统并离网切换控制的方法及设备，用于根据微网系统内部各设备的特性，确保并离网切换过程中微网系统的稳定性和经济性。当微网系统接收到切换指令时，获取所述微网系统的运行状态；若所述运行状态是所述切换指令对应的切换前状态，且所述微网系统满足预设切换条件，则根据所述微网系统内各个设备的调控优先级，为各个所述设备分配所述微网系统的联络线功率；将分配后的所述微网系统的所述运行状态切换到所述切换指令对应的切换后状态。

1.4.2现有技术三的缺点

该方案需要根据设备优先级调整联络线功率，离网运行时联络线功率无法调整；并离网切换需要接收切换指令，在电网异常时无法进行主动切换，适用性有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种微电网并离网切换方法及系统，能够有效的提高微电网的利用率。

为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现。

本发明提出了一种微电网并离网切换方法，所述方法包括：

根据切换前电网电压参数计算得到下垂控制模式的初始控制参数，由恒功率控制模式转为下垂控制模式，完成微电网由并网运行切换到离网运行；

根据切换前电网电压参数计算得到下垂控制模式的控制期望参数，对微电网参数进行调节，直到微电网参数满足目标要求，由下垂控制模式转为恒功率控制模式，完成微电网由离网运行切换到并网运行。

作为上述技术方案的改进之一，所述微电网包括：储能装置、分布式电源和负荷。

作为上述技术方案的改进之一，所述方法还包括：微电网启动运行；具体包括：

当电网电压正常时，微电网采用并网启动方式启动，进入并网运行；

当电网电压为零时，微电网采用离网启动方式启动，进入离网运行。

作为上述技术方案的改进之一，所述当电网电压正常时，微电网采用并网启动方式启动，具体包括：

检测电网电压，当电网电压的幅值不大于第一设定幅值阈值或频率不为第一设定频率阈值时，给出异常警告；当电网电压的幅值大于第一设定幅值阈值且频率为第一设定频率阈值时，检测微电网电压；

当微电网电压的幅值不大于第一设定幅值阈值或频率不为第一设定频率阈值时，给出异常警告；当微电网电压的幅值大于第一设定幅值阈值且频率为第一设定频率阈值时，依次启动储能装置和分布式电源。

作为上述技术方案的改进之一，所述当电网电压为零时，微电网采用离网启动方式启动，具体包括：

断开微电网并网开关，并对开关状态进行检测，当开关未断开时，给出异常警告；当开关断开时，检测微电网电压；

当微电网电压的幅值不小于第二设定幅值阈值时，给出异常警告；当微电网电压的幅值小于第二设定幅值阈值时，以恒频恒压控制方式启动储能装置，为微电网提供稳定电压；

再次检测微电网电压，当微电网电压的幅值不大于第一设定幅值阈值或频率不为第一设定频率阈值时，给出异常警告；当微电网电压的幅值大于第一设定幅值阈值且频率为第一设定频率阈值时，依次启动分布式电源；启动完成后，储能装置由恒频恒压控制模式转为下垂控制模式，离网启动完成。

作为上述技术方案的改进之一，所述方法还包括：微电网运行后，检测电网电压，并根据第一设定幅值阈值和第一设定频率阈值判断是否需要进行并离网切换；具体包括：

微电网并网运行时，检测到电网电压的幅值不大于第一设定幅值阈值、频率偏移大于等于设定频率偏移阈值或锁相环输出异常时，进行由并网运行切换到离网运行；

微电网离网运行时，检测到电网电压的幅值大于第一设定幅值阈值、频率偏移小于设定频率偏移阈值时，进行由离网运行切换到并网运行；

作为上述技术方案的改进之一，所述根据切换前电网电压参数计算得到下垂控制模式的初始控制参数，具体包括：

根据电网电压异常前的电压、自身输出的有功功率、无功功率计算下垂控制的初始电压值和频率值。

作为上述技术方案的改进之一，所述根据切换前电网电压参数计算得到下垂控制模式的控制期望参数，对微电网参数进行调节，直到微电网参数满足目标要求，具体包括：

计算出电网电压的幅值和频率；

根据电网电压的幅值和频率确定下垂控制模式的幅值期望值和频率期望值；

根据幅值期望值和频率期望值对微电网的电压幅值和频率进行闭环控制调节，直到满足目标要求，其中，调节过程中采用同期并网；同期并网过程中，电压为无差调节，采用电压闭环控制，通过调节电压期望值U_exp使微电网电压幅值与电网电压一致；频率调节为有差调节，微电网频率为电网频率加上一个偏差。

作为上述技术方案的改进之一，所述根据幅值期望值和频率期望值对微电网的电压幅值和频率进行闭环控制调节，计算公式为：

其中，f₀'为下垂频率初始值，U₀'为下垂电压初始值，f_amp为微电网频率，U_amp为微电网电压幅值，P_amp为储能系统实时有功功率，Q_amp为储能系统实时无功功率，k_p为频率下垂系数，k_q为电压幅值下垂系数；

所述微电网频率f_micro为电网频率f_sys加上一个偏差，计算方法如下：

f_micro＝f_sys+1/T

T为要求的同期时间限制。

本发明还提出了一种微电网并离网切换系统，所述系统包括微电网；所述微电网通过串联的电网并网开关和微电网并网开关与电网连接；

所述微电网的储能装置中设置有控制器；所述控制器用于对微电网实现并离网切换。

本发明与现有技术相比优点在于：

1、本发明实现了微电网与大电网的主动式并离网切换，减少了大电网故障时微电网的停运时间、提高了微电网的利用率；

2、本发明储能系统根据模式转换前状态计算转换后控制参数实现了工作模式的平稳转换，减小了工作模式转换对储能系统的冲击；

3、本发明的功率调节控制，有效的减小了微电网并网开关断开瞬间对微电网的冲击、提高了转换的成功率。

附图说明

图1是本发明微电网并网启动流程图；

图2是本发明离网启动流程；

图3(a)和图3(b)为下垂控制示意图，其中，图3(a)为有功频率下垂控制示意图，图3(b)为无功电压下垂控制示意图；

图4为本发明并网转离网流程示意图；

图5为本发明离网转并网流程示意图；

图6为下垂控制框图；

图7是系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

本发明所述方法微电网启动方式分为并网启动和离网启动，系统没电时采用离网启动方式、系统电压正常时采用并网启动方式，微电网运行后根据系统状态进行工作模式转换，具体步骤如下：

1.并网启动

电网电压Usys正常时微电网采用并网启动方式，图1为本发明微电网并网启动流程。

收到并网启动命令后，首先检测电网状态；若电网电压Usys幅值大于额定值的85％、频率为50Hz时进入下一环节，否则给出告警、提示系统电压异常；

闭合微电网并网开关PCC2，检测微电网状态；微电网电压Umicro幅值大于额定值的85％、频率为50Hz时进入下一环节，否则给出告警、提示微电网电压异常；

依次启动储能系统、光伏发电系统、风力发电系统；

启动并网电功率跟踪功能，在微电网允许范围内使并网点功率流入微电网、功率不超过储能系统功率的5％。

检测到电网电压Usys幅值低于额定值85％或频率偏移超过2Hz或锁相环输出异常时进入3.并网转离网环节。

2.离网启动

电网电压Usys为零时微电网采用离网启动方式，图2为本发明离网启动流程。

收到离网启动命令后，首先由储能系统断开微电网并网开关PCC2，检测开关状态，若开关确已断开则进入下一环节，否则给出告警，提示开关异常；

检测微电网状态，若Umicro幅值小于额定值的5％则进入下一环节，否则各处告警、提示微电网电压异常；

启动储能系统。以恒频恒压方式启动储能系统，为微电网提供稳定电压；

检测微电网状态，若微电网电压Umicro幅值大于额定电压85％、频率偏差小于2Hz则进入下一环节，否则给出告警、提示储能系统异常；

依次启动光伏发电系统、风力发电系统共同为负载供电；

微电网启动完成后，储能系统由恒频恒压控制模式转为下垂控制模式，离网启动完成；图3(a)和图3(b)为下垂控制示意图，其中，图3(a)为有功频率下垂控制示意图，图3(b)为无功电压下垂控制示意图；

离网运行时若检测到电网电压Usys幅值大于额定值的85％、频率偏差小于2Hz或接收到离网转并网指令时则进入4.离网转并网环节；

3.并网转离网

并网运行时检测到系统电压Usys幅值低于额定值的5％、频率偏差大于2Hz时进入并网转离网环节，离网运行时储能系统作为微电网主电源，风机、光伏工作模式不变。图4为本发明并网转离网流程示意图。

储能系统根据系统电压异常前的电压、自身输出的有功功率、无功功率计算下垂控制的初始电压值和频率值；

储能系统由PQ模式转为下垂控制模式；

断开微电网并网开关PCC2，检测开关状态，若开关确已断开则并网转离网结束；否则储能系统、光伏发电系统、风力发电系统停机，同时给出开关异常告警信息；

并网运行转离网运行后，若检测到电网电压Usys幅值大于额定值的85％、频率偏差小于2Hz或接收到离网转并网指令时则进入4.离网转并网环节；

4.离网转并网

离网转并网由储能系统调节微电网电压、频率和相位并完成同期并网功能，图5为本发明离网转并网流程示意图。

储能系统计算出系统电压Usys的幅值和频率；

根据系统电压的幅值和频率确定下垂控制幅值期望Uexp和频率的期望fexp；

频率电压调节。本发明所采用的下垂公式为：

其中f₀'为下垂频率初始值，U₀'为下垂电压初始值，f_amp为微电网频率，U_amp为微电网电压幅值，P_amp为储能系统实时有功功率，Q_amp为储能系统实时无功功率，k_p为频率下垂系数，k_q为电压幅值下垂系数；根据期望采用闭环控制调节f₀'和U₀'，达到调节微电网幅值和频率的目标；控制框图如图6。

同期并网。同期过程中，电压为无差调节，采用电压闭环控制，通过调节电压期望值U_exp使微电网电压幅值与电网电压一致；为保证顺利并网，本方法中的频率调节为有差调节，微电网频率为电网频率加上一个偏差，此偏差设定原则：1)在频率保护范围之内；2)同期时间限制；计算方法如下：

f_micro＝f_sys+1/T

T为要求的同期时间限制。

满足同期条件后，由储能系统闭合微电网并网开关PCC2；若开关闭合进入下一步骤，否则给出告警提示开关异常；

工作模式转换。微电网并网开关PCC2闭合后，储能系统由下垂控制模式转为PQ控制模式，并网转离网结束。

实施例2

图7为本发明所述系统框图，由光储能系统、光伏发电系统、风力发电系统、负荷组成；其中PCC1为电网并网开关、PCC2为微电网并网开关、Usys为电网电压、Umicro为微电网电压。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种微电网并离网切换方法，所述方法包括：

根据切换前电网电压参数计算得到下垂控制模式的初始控制参数，由恒功率控制模式转为下垂控制模式，完成微电网由并网运行切换到离网运行；

根据切换前电网电压参数计算得到下垂控制模式的控制期望参数，对微电网参数进行调节，直到微电网参数满足目标要求，由下垂控制模式转为恒功率控制模式，完成微电网由离网运行切换到并网运行。

2.根据权利要求1所述的微电网并离网切换方法，其特征在于，所述微电网包括：储能装置、分布式电源和负荷。

3.根据权利要求2所述的微电网并离网切换方法，其特征在于，所述方法还包括：微电网启动运行；具体包括：

当电网电压正常时，微电网采用并网启动方式启动，进入并网运行；

当电网电压为零时，微电网采用离网启动方式启动，进入离网运行。

4.根据权利要求3所述的微电网并离网切换方法，其特征在于，所述当电网电压正常时，微电网采用并网启动方式启动，具体包括：

检测电网电压，当电网电压的幅值不大于第一设定幅值阈值或频率不为第一设定频率阈值时，给出异常警告；当电网电压的幅值大于第一设定幅值阈值且频率为第一设定频率阈值时，检测微电网电压；

当微电网电压的幅值不大于第一设定幅值阈值或频率不为第一设定频率阈值时，给出异常警告；当微电网电压的幅值大于第一设定幅值阈值且频率为第一设定频率阈值时，依次启动储能装置和分布式电源。

5.根据权利要求3所述的微电网并离网切换方法，其特征在于，所述当电网电压为零时，微电网采用离网启动方式启动，具体包括：

断开微电网并网开关，并对开关状态进行检测，当开关未断开时，给出异常警告；当开关断开时，检测微电网电压；

当微电网电压的幅值不小于第二设定幅值阈值时，给出异常警告；当微电网电压的幅值小于第二设定幅值阈值时，以恒频恒压控制方式启动储能装置，为微电网提供稳定电压；

再次检测微电网电压，当微电网电压的幅值不大于第一设定幅值阈值或频率不为第一设定频率阈值时，给出异常警告；当微电网电压的幅值大于第一设定幅值阈值且频率为第一设定频率阈值时，依次启动分布式电源；启动完成后，储能装置由恒频恒压控制模式转为下垂控制模式，离网启动完成。

6.根据权利要求3所述的微电网并离网切换方法，其特征在于，所述方法还包括：微电网运行后，检测电网电压，并根据第一设定幅值阈值和第一设定频率阈值判断是否需要进行并离网切换；具体包括：

微电网并网运行时，检测到电网电压的幅值不大于第一设定幅值阈值、频率偏移大于等于设定频率偏移阈值或锁相环输出异常时，进行由并网运行切换到离网运行；

微电网离网运行时，检测到电网电压的幅值大于第一设定幅值阈值、频率偏移小于设定频率偏移阈值时，进行由离网运行切换到并网运行。

7.根据权利要求1所述的微电网并离网切换方法，其特征在于，所述根据切换前电网电压参数计算得到下垂控制模式的初始控制参数，具体包括：

根据电网电压异常前的电压、自身输出的有功功率、无功功率计算下垂控制的初始电压值和频率值。

8.根据权利要求1所述的微电网并离网切换方法，其特征在于，所述根据切换前电网电压参数计算得到下垂控制模式的控制期望参数，对微电网参数进行调节，直到微电网参数满足目标要求，具体包括：

计算出电网电压的幅值和频率；

根据电网电压的幅值和频率确定下垂控制模式的幅值期望值和频率期望值；

根据幅值期望值和频率期望值对微电网的电压幅值和频率进行闭环控制调节，直到满足目标要求，其中，调节过程中采用同期并网；同期并网过程中，电压为无差调节，采用电压闭环控制，通过调节电压期望值U_exp使微电网电压幅值与电网电压一致；频率调节为有差调节，微电网频率为电网频率加上一个偏差。

9.根据权利要求8所述的微电网并离网切换方法，其特征在于，所述根据幅值期望值和频率期望值对微电网的电压幅值和频率进行闭环控制调节，计算公式为：

其中，f₀'为下垂频率初始值，U₀'为下垂电压初始值，f_amp为微电网频率，U_amp为微电网电压幅值，P_amp为储能系统实时有功功率，Q_amp为储能系统实时无功功率，k_p为频率下垂系数，k_q为电压幅值下垂系数；

所述微电网频率f_micro为电网频率f_sys加上一个偏差，计算方法如下：

f_micro＝f_sys+1/T

T为要求的同期时间限制。

10.一种微电网并离网切换系统，其特征在于，所述系统包括微电网；所述微电网通过串联的电网并网开关和微电网并网开关与电网连接；

所述微电网的储能装置中设置有控制器；所述控制器用于对微电网实现并离网切换。