CN205212448U - 一种适用于光储微电网的黑启动系统 - Google Patents

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郑群儒
许志荣
曾智基
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Abstract

本实用新型公开了一种适用于光储微电网的黑启动系统。系统包括控制层、监测层和通讯层，控制层由微电网中央控制器MGCC和下层控制器组成，下层控制器包括负荷控制器、光伏控制器和储能控制器；监测层由监测装置即电流互感器、电压互感器以及功率计组成；下层控制器与监测层连接，下层控制器与微电网中央控制器之间通过通讯层通信，通讯层由通信端口和通信网络组成。本实用新型提出了一种基于串行恢复的光储微电网黑启动系统，适用于对不同拓扑类型的光储微电网进行黑启动控制，具有结构简单、稳定、快速的优点，能使微电网在离网状态下恢复内部电压和频率稳定和负荷的供电。

Description

一种适用于光储微电网的黑启动系统
技术领域
本实用新型涉及电网技术领域，具体涉及一种适用于光储微电网的黑启动系统。
背景技术
近些年来，随着经济的快速发展，能源的需求急剧增加，而分布式发电(DistributedGeneration，DG)技术以其能源利用率高，污染小等特点受到了广泛的关注，微电网作为其技术支持也受到同样的关注。微电网系统将分布式电源、负荷、储能装置以及控制系统结合在一起，形成一个小型的电力系统。微电网将分布式电源与本地负荷组成一个整体，通过控制策略降低了分布式电源并网对大电网的影响。微电网和大电网可以互为支撑，同时微电网的灵活性使其既能够联网运行又可以孤岛运行，保证了供电可靠性。
然而微电网系统不可避免因某些事故进入断电停运状态，这将造成重要负荷断电并引起经济损失，因此微电网系统必须具有孤岛状态下的黑启动能力。微电网的黑启动是指在微电网因故障停运进入孤岛状态后，先启动系统中具有自启动能力的储能单元作为主电源，再带动无启动能力的微电源，逐步扩大系统的恢复范围，最终实现整个系统的恢复。黑启动是微电网系统安全稳定运行的最后一道防线。
经对现有技术文献的检索发现，(一种风光水互补型微电网黑启动控制方法，中国专利号：201410201098.7)提出了一种适用于风光水互补型微电网黑启动控制方法，该方法通过采集微电网基础数据，根据这些参数选出备选微电网黑启动方案，然后在对备选方案逐一仿真计算，在此基础上生成可行方案。然而黑启动电源仍然采用传统的柴油机组，对不含有柴油机组的光储微电网并不适用。而且上述专利需要具备强大的数据处理能力，对中央控制器的要求也比较高，这对于小型的微电网系统并不适用。
本黑启动系统由微电网中央控制器、储能控制器、光伏控制器和负荷控制器等控制器以及监测装置、通信网络组成。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对用户侧微电网，提供一种适用于光储微电网的黑启动系统，
本实用新型通过如下技术方案实现。
一种适用于光储微电网的黑启动系统，包括控制层、监测层和通讯层，控制层由微电网中央控制器MGCC(MicrogridControlCentersystem)和下层控制器组成，下层控制器包括负荷控制器、光伏控制器和储能控制器；监测层由监测装置即电流互感器、电压互感器以及功率计组成；下层控制器与监测层连接，下层控制器与微电网中央控制器之间通过通讯层通信，通讯层由通信端口和通信网络组成。
进一步地，光储微电网的负荷、光伏发电系统和储能装置各自的监测装置与相应的下层控制器连接，将光储微电网的负荷、光伏发电系统和储能装置的电气量信息先传输给下层控制器，再通过下层控制器经通讯层向MGCC传输负荷、光伏发电系统和储能装置的实时电气量信息；MGCC与光储微电网的并/离网控制开关通过通信总线连接，以控制光储微电网处于并网运行状态或者离网运行状态。
进一步地，MGCC与负荷控制器、光伏控制器和储能控制器通过通信总线进行连接；负荷控制器、光伏控制器和储能控制器通过通信总线上传负荷、光伏发电系统和储能装置的电气信息给MGCC；MGCC通过通信总线向下层控制器下达相应指令，以控制负荷、光伏发电系统和储能装置的运行状态。
进一步地，负荷控制器、光伏控制器和储能控制器分别与负荷开关、光伏发电系统开关和储能装置开关连接，以控制相应开关的开合状态；光伏控制器和储能控制器还分别与光伏发电系统逆变器和储能装置逆变器相连接，以控制微电源的输出功率。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：本实用新型使用储能作为黑启动主电源，与常见的使用柴油发电机作为黑启动主电源相异，储能作为黑启动主电源，响应快速，运行稳定，绿色环保；本实用新型所述的黑启动充分注重光伏发电系统的利用，增强了电源的备用率，提高了系统的稳定性；整个黑启动不需要大数据处理，对控制器要求相对较低，低成本高效率，有利于微电网的推广。
附图说明
图1是一种实施例的光储微电网离网黑启动方法的主流程图。
图2a是光储微电网黑启动仿真的电路拓扑图。
图2b为光储微电网离网黑启动系统拓扑图。
图3是一种典型工况下光储微电网黑启动的仿真结果波形图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步详细的说明，但本实用新型的实施方式不限于此(以下实施例若有涉及软件部分，均是本领域技术人员可参照现有技术编程实现的)。
如图2b，一种适用于光储微电网的黑启动系统，包括控制层、监测层和通讯层，控制层由微电网中央控制器MGCC(MicrogridControlCentersystem)和下层控制器组成，下层控制器包括负荷控制器、光伏控制器和储能控制器；监测层由监测装置即电流互感器、电压互感器以及功率计组成；下层控制器与监测层连接，下层控制器与微电网中央控制器之间通过通讯层通信，通讯层由通信端口和通信网络组成。光储微电网的负荷、光伏发电系统和储能装置各自的监测装置与相应的下层控制器连接，将光储微电网的负荷、光伏发电系统和储能装置的电气量信息先传输给下层控制器，再通过下层控制器经通讯层向MGCC传输负荷、光伏发电系统和储能装置的实时电气量信息；MGCC与光储微电网的并/离网控制开关通过通信总线连接，以控制光储微电网处于并网运行状态或者离网运行状态。MGCC与负荷控制器、光伏控制器和储能控制器通过通信总线进行连接；负荷控制器、光伏控制器和储能控制器通过通信总线上传负荷、光伏发电系统和储能装置的电气信息给MGCC；MGCC通过通信总线向下层控制器下达相应指令，以控制负荷、光伏发电系统和储能装置的运行状态。负荷控制器、光伏控制器和储能控制器分别与负荷开关、光伏发电系统开关和储能装置开关连接，以控制相应开关的开合状态；光伏控制器和储能控制器还分别与光伏发电系统逆变器和储能装置逆变器相连接，以控制微电源的输出功率。
以下仅仅作为一种实施例，如图1所示是光储微电网黑启动方法的主流程，具体流程分析如下所示：
①MGCC检查微电网是否满足黑启动条件。具体判断依据是：
a)并/离网控制开关处于断开状态；
b)所有负荷和微电源侧的控制开关处于断开状态；
c)微电网交流母线上的电压和频率均为0；
d)具有黑启动能力的储能装置能够正常工作；
e)微电网具有储能单元且备用容量充足。
②MGCC择优选择微电网中的一台储能装置作为黑启动主电源。在满足下述具体选择依据的情况下，选择SOC(StateofCharge，荷电状态)大、额定充放电功率大的储能装置作为主电源：
a)具有调压调频能力，以保证微电网在离网情况下母线电压和频率保持稳定；
b)具备足够备用容量；
c)具备充足发电容量。
③MGCC向储能控制器和光伏控制器发送模式控制信号。向主电源侧的储能控制器发送V/f控制信号，向其他微电源侧的控制器发送PQ控制信号。然后，MGCC向主电源侧的储能控制器发送启动和投入信号，向其他微电源控制发送待机信号。
④MGCC根据采集到的电气量信息，判断电压和频率的稳定条件：
f n m i n < f < f n m a x U n min < U < U n m a x
其中f是微电网母线的实际频率，fnmax是微电网规定频率的上限值，fnmin是微电网规定频率的下限值。U是微电网母线的实际电压，Unmax是微电网规定电压的上限值，Unmin是微电网规定电压的下限值。若频率和电压在以上范围内，则为稳定。
⑤MGCC判断下述的负荷投入条件，如满足，则向PQ可调储能装置侧的储能控制器发送功率调节信号，在PQ可调储能装置完成有功功率的调节之后，MGCC向相应的负荷控制器发送负荷投入信号，负荷开关闭合后，负荷完成投入。
K L j &CenterDot; P Lj + P net &le; &Sigma; P Bat , max
PLj表示将要投入负荷j的功率，Pnet表示系统的净功率，净功率的定义为负荷总有功功率与光伏发电系统总有功功率的差值，KLj是负荷j投入时候的冲击系数，PBat,max表示各类储能装置的最大输出功率；
⑥MGCC检验下述的MPPT类光伏发电系统的投入条件，如满足，MGCC向PQ可调储能装置侧的储能控制器发送功率调节信号，在PQ可调储能装置完成有功功率的调节之后，MGCC向MPPT类光伏系统侧的光伏控制器发送光伏系统投入信号，光伏开关闭合后，MPPT类光伏发电系统完成投入。
Ppv,mppt+∑PBat,min≤∑PL
Ppv,mppt表示以MPPT类光伏发电系统输出功率，PBat,min表示各类储能装置的最小输出功率；
⑦MGCC检验下述的PQ类光伏发电系统的投入条件，如满足，MGCC向PQ可调储能装置侧的储能控制器发送功率调节信号，在PQ可调储能装置完成有功功率的调节之后，MGCC向PQ类光伏系统侧的光伏控制器发送光伏系统投入信号，光伏开关闭合后，PQ类光伏发电系统完成投入。
Ppv,mppt+Ppv,pq+∑PBat,min≤∑PL
其中，Ppv,pq表示PQ类光伏发电系统输出功率；
⑧MGCC检验是否还有未投入的负荷以及微电源，如果有则返回步骤⑤，若无，则进入步骤⑨
⑨MGCC结束黑启动控制流程，退出黑启动控制模式，进入离网运行控制模式。
为了验证本实用新型所提出的光储微电网黑启动方法，本文设置了一种典型工况进行仿真验证。光储微电网黑启动仿真的电路拓扑图如图2a所示，测试系统为单层结构，系统由光伏发电系统、储能装置和负荷组成。其中，光伏发电系统由额定容量为30kW的MPPT类型1台和额定容量为30kW的PQ类型2台组成，储能装置由1台90kW的主电源和1台30kW的辅助电源组成，负荷为3台额定容量为50kW的静态负荷。
如下所示是典型工况的初始条件：
光照：1000W/m2
温度：25℃；
光伏发电系统1：类型:PQ类，容量：30kW；
光伏发电系统2：类型:PQ类，容量：30kW；
光伏发电系统3：类型:MPPT类，容量：30kW；
储能装置1：容量：90kW，SOC：65％；
储能装置2：容量：30kW，SOC：60％；
负荷1：容量50kW静态负荷；
负荷2：容量50kW静态负荷；
负荷3：容量50kW静态负荷；
黑启动仿真波形如图3所示，其中(a)是光伏发电系统的输出功率波形；
(b)是储能装置的输出功率波形；(c)是负荷的功率波形；(d)是微电网母线电压波形；(e)是微电网母线频率波形。
MGCC检测到微电网满足黑启动条件后，选择能量状态与容量更优的储能装置1担任系统黑启动主电源，并向储能控制器1发送V/f控制信号和投入信号，使储能装置1采用V/f控制模式启动并投入微电网。MGCC向储能控制器发送PQ控制信号和待机信号，使得储能装置2采用PQ控制模式启动，并处于待机状态。
在1.2s时，主电源储能装置1建立了稳定的系统电压和频率，此时MGCC检测到负荷1满足负荷投入条件，MGCC向储能控制器2发送功率调节信号，在调节储能装置2的出力后，MGCC向负荷控制器1发送负荷投入信号，负荷开关1闭合，负荷1投入。
在3.4s时，MGCC检测到负荷2满足负荷投入条件，MGCC向储能控制器2发送功率调节信号，在调节储能装置2的出力后，MGCC向负荷控制器2发送负荷投入信号，负荷开关2闭合，负荷2投入。
在投入负荷1和负荷2后，负荷3不再满足负荷投入条件。MGCC继而判断光伏发电系统是否满足投入条件。在4.3s时，MGCC判断到光伏发电系统3满足MPPT类光伏发电系统的投入条件，MGCC向储能控制器2发送功率调节信号，在调节储能装置2的出力后，MGCC向光伏控制器3发送光伏系统投入信号，光伏开关3闭合，光伏发电系统3投入。
在5.0s时，MGCC检测到光伏发电系统1满足PQ类光伏发电系统的投入条件，MGCC向储能控制器2发送功率调节信号，在调节储能装置2的出力后，MGCC向光伏控制器1发送光伏投入信号，光伏开关1闭合，投入光伏发电系统1，光伏发电系统的投入增大了系统容量。
在7.9s时，MGCC判断负荷3满足负荷投入条件，MGCC向储能控制器2发送功率调节信号，在调节储能装置2的出力后，MGCC向负荷控制器3发送负荷投入信号，负荷开关3闭合，负荷3投入。
在8.5s时，MGCC判断光伏发电系统2满足PQ类光伏发电系统投入条件，MGCC向储能控制器2发送功率调节信号，在调节储能装置2的出力后，MGCC向光伏控制器2发送光伏系统投入信号，光伏开关2闭合，光伏发电系统2投入。
图3的波形图详细地表述了微电网黑启动的过程，(a)中曲线pvMppt为MPPT类光伏系统的工作状态，曲线pvPQ1、曲线pvPQ2为2个PQ类光伏系统的工作状态；(b)中曲线pBAT1为作为主电源的储能系统即储能装置1的工作状态，曲线pBAT2为储能装置2的工作状态；(c)中曲线pLD1、曲线pLD2、曲线pLD3分别为负荷1、负荷2、负荷3的工作状态；(d)中曲线Vnet为微电网系统的母线电压状态；(e)中曲线fnet为微电网系统母线频率的状态。
至此，所有负荷恢复供电，并且所有微电源成功投入，系统电压和频率满足运行要求，微电网黑启动成功。MGCC退出黑启动控制模式，进入离网运行控制模式。

Claims (4)

1.一种适用于光储微电网的黑启动系统，其特征在于，包括控制层、监测层和通讯层，控制层由微电网中央控制器微电网中央控制器和下层控制器组成，下层控制器包括负荷控制器、光伏控制器和储能控制器；监测层由监测装置即电流互感器、电压互感器以及功率计组成；下层控制器与监测层连接，下层控制器与微电网中央控制器之间通过通讯层通信，通讯层由通信端口和通信网络组成。
2.根据权利要求1所述的黑启动系统，其特征在于：
光储微电网的负荷、光伏发电系统和储能装置各自的监测装置与相应的下层控制器连接，将光储微电网的负荷、光伏发电系统和储能装置的电气量信息先传输给下层控制器，再通过下层控制器经通讯层向微电网中央控制器传输负荷、光伏发电系统和储能装置的实时电气量信息；微电网中央控制器与光储微电网的并/离网控制开关通过通信总线连接，以控制光储微电网处于并网运行状态或者离网运行状态。
3.根据权利要求1所述的黑启动系统，其特征在于：微电网中央控制器与负荷控制器、光伏控制器和储能控制器通过通信总线进行连接；负荷控制器、光伏控制器和储能控制器通过通信总线上传负荷、光伏发电系统和储能装置的电气信息给微电网中央控制器；微电网中央控制器通过通信总线向下层控制器下达相应指令，以控制负荷、光伏发电系统和储能装置的运行状态。
4.根据权利要求1所述的黑启动系统，其特征在于：负荷控制器、光伏控制器和储能控制器分别与负荷开关、光伏发电系统开关和储能装置开关连接，以控制相应开关的开合状态；光伏控制器和储能控制器还分别与光伏发电系统逆变器和储能装置逆变器相连接，以控制微电源的输出功率。
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