CN209913508U - 一种微电网分层协调控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型微电网领域，特别涉及一种微电网分层协调控制装置。本实用新型的分层协调控制装置包括集中控制层和就地控制层，集中控制层包括能量管理系统和微电网中央控制器，就地控制层包括本地控制器和本地受控装置，本地控制器包括并网控制器、能量控制器、电源控制器和负荷控制器，本地受控装置包括混合储能系统、混合发电系统、并网开关、第一交流接触器、第二交流接触器、第三交流接触器和多级可控可投切负荷。能量管理系统与微电网中央控制器通过以太网通信连接，微电网中央控制器作为中心节点和本地控制器通过RS485星型拓扑通信结构连接。本实用新型的分层控制装置能对微电网进行集中式协调控制，提高微电网运行稳定性，提高能量存储系统和可再生能源经济利用率。

Description

一种微电网分层协调控制装置

技术领域

本实用新型涉及微电网领域，具体涉及一种微电网分层协调控制装置。

背景技术

作为能源互联网核心结构的园区智慧能源，是中国未来能源互联网能否真正建成的基础。中国在能源互联网领域的研究与应用实践已经走在了全球的前面，能源互联网的基础物理架构将会以“泛在电力物联网”的建设初步成型。作为能源互联网核心结构的园区智慧能源是中国未来能源互联网能否真正建成的基础。

新型产业园区智慧能源系统集成多种分布式能源、储能装置、用电负荷、监控系统及保护装置等子单元。其发电系统和用电负荷具有较好的环保性和节能性，但分布式能源具有间歇性、波动性、孤岛保护等特点，分布式能源电能质量差，分布式能源设备利用率没有被充分发掘。微电网是为整合分布式发电的优势、削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响而提出的一种新的分布式能源组织方式和结构。相对于单一电源、单一储能、负荷不可控、单一电压等级的简单结构微电网，具有含有风力发电、光伏阵列、柴油发电等多种分布式发电单元，含有多能互补或多种蓄电池的混合储能系统，可控和可投切负荷的新型产业园区微电网，不仅能更好地提高微电网的经济性、环保性，还能提高主电网的韧性，可靠性以及电能质量。

但由于微电网可再生能源的高穿透率和发电间歇性，带来了许多挑战。一种能够对需求做出及时响应，并能灵活高效地协调各分布电源、混合储能和各级负载之间协作的微电网分层协调控制装置是备受期待的。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种微电网分层协调控制装置，协调控制装置包括就地控制层，就地控制层包括本地受控装置。本地受控装置包括混合储能系统、混合发电系统、并网开关、交流接触器、多级可控可投切负荷。混合储能系统由储能电池组、超级电容、第一储能双向变流器、第二储能双向变流器组成，混合发电系统包括风力发电装置、光伏发电装置、柴油发电装置，光伏发电装置包括光伏阵列和光伏并网逆变器，风力发电装置包括风力发电机和第一交-交变流器，柴油发电装置包括柴油发电机和第二交-交变流器。多级可控可投切负荷包括重要负荷、一级非重要负荷和二级非重要负荷。

微电网的交流母线通过并网开关与主电网连接，储能电池组通过第一储能双向变流器与交流母线连接，超级电容通过第二储能双向变流器与交流母线连接；光伏阵列通过光伏并网逆变器和变压器1与交流母线连接，风力发电机通过第一交-交变流器和变压器2与交流母线连接，柴油发电机通过第二交-交变流器和变压器3与交流母线连接。重要负荷通过不间断电源和第一交流接触器与交流母线连接，一级非重要负荷通过第二交流接触器与交流母线连接，二级非重要负荷通过第三交流接触器与交流母线连接。本实用新型的分层控制装置能对微电网进行集中式协调控制，提高能量存储单元和可再生能源的经济利用率，减少不可再生能源消耗。

本实用新型的技术方案是：一种微电网分层协调控制装置，就地控制层还包括本地控制器，本地控制器包括并网控制器、能量控制器、电源控制器、负荷控制器；能量控制器包括第一能量控制器、第二能量控制器；电源控制器包括第一电源控制器、第二电源控制器、第三电源控制器；负荷控制器包括第一负荷控制器、第二负荷控制器、第三负荷控制器；并网控制器包含第一采集模块，第一采集模块采集并网开关处的电压、电流和功率；第一能量控制器包含第二采集模块、第二采集模块采集第一储能双向变流器的电压、电流和功率；第二能量控制器包含第三采集模块，第三采集模块采集第二储能双向变流器的电压、电流和功率；第一电源控制器包含第四采集模块，第四采集模块采集光伏并网逆变器输出端的电压、电流和功率；第二电源控制器包含第五采集模块，第五采集模块采集第一交-交变流器输出端的电压、电流和功率；第三电源控制器包含第六采集模块，第六采集模块采集第二交-交变流器输出端的电压、电流和功率；第一负荷控制器包含第七采集模块，第七采集模块采集第一交流接触器处的电压、电流和功率；第二负荷控制器包含第八采集模块，第八采集模块采集第二交流接触器处的电压、电流和功率；第三负荷控制器包含第九采集模块，第九采集模块采集第三交流接触器处的电压、电流和功率。

根据如上所述的一种微电网分层协调控制装置，其特征在于：就地控制层本地受控装置包括混合储能系统，混合储能系统包括储能电池组、超级电容、第一储能双向变流器、第二储能双向变流器，第一能量控制器的第二采集模块采集第一储能双向变流器的电压、电流和功率，第二能量控制器的第三采集模块采集第二储能双向变流器的电压、电流和功率。

根据如上所述的一种微电网分层协调控制装置，其特征在于：就地控制层本地受控装置还包括混合发电系统，混合发电系统包括风力发电转装置、光伏发电装置、柴油发电装置，光伏发电装置包括光伏阵列和光伏并网逆变器，风力发电装置包括风力发电机和第一交-交变流器，柴油发电装置包括柴油发电机和第二交-交变流器，第一电源控制器的第四采集模块采集光伏并网逆变器输出端的电压、电流和功率，第二电源控制器的第五采集模块采集风力发电装置第一交-交变流器输出端的电压、电流和功率，第三电源控制器的第六采集模块采集柴油发电装置第二交-交变流器输出端的电压、电流和功率。

根据如上所述的一种微电网分层协调控制装置，其特征在于：就地控制层本地受控装置还包括并网开关、第一交流接触器、第二交流接触器、第三交流接触器和多级可控可投切负荷，多级可控可投切负荷包括重要负荷、一级非重要负荷和二级非重要负荷，并网控制器的第一采集模块采集并网开关处的电压、电流和功率，第一负荷控制器的第七采集模块采集第一交流接触器处的电压、电流和功率，第二负荷控制器的第八采集模块采集第二交流接触器处的电压、电流和功率，第三负荷控制器的第九采集模块采集第三交流接触器处的电压、电流和功率。

根据如上所述的一种微电网分层协调控制装置，其特征在于：所述分层协调控制装置还包括集中控制层，集中控制层包括微电网中央控制器，微电网中央控制器作为中心节点和本地控制器通过RS485星型拓扑通信结构连接。

根据如上所述的一种微电网分层协调控制装置，其特征在于：所述述分层协调控制装置集中控制层还包括能量管理系统，能量管理系统与微电网中央控制器通过以太网通信连接。

根据如上所述的一种微电网分层协调控制装置，其特征在于：微电网分层协调控制装置包括分层控制下离并网切换控制、离网功率平衡控制、编制计划曲线运行控制、低谷电价时段运行控制、高峰电价时段运行控制、无功补偿和谐波抑制控制、多类型发配用设施的最优能量调度等，其中集中控制层负责整合微电网运行的实时状态相关信息，并计算系统的安全、经济优化调度参考指令，将参考指令下发到就地控制层；就地控制层听从集中控制层的命令，完成相应受控装置动作的实施。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：一是本实用新型结构简单，设计合理，适用于新型产业园区风光柴储微电网。二是实现对微电网在并网及孤岛情况下发电、储能及负荷的控制。三是微电网可按照中央控制器的功率平衡模块控制就地控制层本地受控装置，实现孤岛模式下功率平衡，同时也能接入电网并实现优化调度功能，在安全调度的前提下，提高能量存储单元和可再生能源的经济利用率，减少不可再生能源消耗，提高新型产业园环保性、节能性和用电可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的通讯拓扑结构图。

附图标记说明：能量管理系统1、微电网中央控制器2、并网控制器31、第一采集模块311、并网开关312、第一能量控制器41、第二采集模块411、第一储能双向变流器412、第二能量控制器42、第三采集模块421、第二储能双向变流器422、第一电源控制器51、第四采集模块511、光伏并网逆变器512、第二电源控制器52、第五采集模块521、第一交-交变流器522、第三电源控制器53、第六采集模块531、第二交-交变流器532、第一负荷控制器61、第七采集模块611、第一交流接触器612、第二负荷控制器62、第八采集模块621、第二交流接触器622、第三负荷控制器63、第九采集模块631、第三交流接触器632。

具体实施方式

名词解释：

EMS：Energy Management System，能量管理系统。

MGCC：Microgrid Central Controller，微电网中央控制器。

GC：Grid Controller，并网控制器。

EC：Energy Controller，能量控制器。

SC：Source Controller，电源控制器。

LC：Load Controller，负荷控制器。

UPS：Uninterruptible Power System：不间断电源。

下面将结合具体实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：将本实用新型分层协调控制装置应用于新型产业园区微电网。如图1所示，所述新型产业园区微电网含有混合储能系统、混合发电系统、多级可控可投切负荷、交流母线、变压器、不间断电源UPS。混合储能系统由储能电池组、超级电容、第一储能双向变流器412、第二储能双向变流器422组成，混合发电系统包括风力发电系统、光伏发电系统、柴油发电系统，光伏发电系统包括光伏阵列和光伏并网逆变器512，风力发电系统包括风力发电机和第一交-交变流器522，柴油发电系统包括柴油发电机和第二交-交变流器532。多级可控可投切负荷包括重要负荷、一级非重要负荷和二级非重要负荷。

微电网的交流母线通过并网开关312与主电网连接，储能电池组通过第一储能双向变流器412与交流母线连接，超级电容通过第二储能双向变流器422与交流母线连接；光伏阵列通过光伏并网逆变器512和变压器1与交流母线连接，风力发电机通过第一交-交变流器522和变压器2与交流母线连接，柴油发电机通过第二交-交变流器532和变压器3与交流母线连接。重要负荷通过不间断电源UPS和第一交流接触器612与交流母线连接，一级非重要负荷通过第二交流接触器622与交流母线连接，二级非重要负荷通过第三交流接触器632与交流母线连接。

本实用新型的微电网分层协调控制装置包括就地控制层，就地控制层包括本地受控装置和本地控制器，本地受控装置由上述微电网中混合储能系统、混合发电系统和多级可控可投切负荷构成，本地控制器包括并网控制器31、能量控制器、电源控制器、负荷控制器；能量控制器包括第一能量控制器41、第二能量控制器42；电源控制器包括第一电源控制器51、第二电源控制器52、第三电源控制器53；负荷控制器包括第一负荷控制器61、第二负荷控制器62、第三负荷控制器63；并网控制器包含第一采集模块311，第一采集模块311采集并网开关312的电压、电流和功率；第一能量控制器41包含第二采集模块411、第二采集模块411采集第一储能双向变流器412的电压、电流和功率；第二能量控制器42包含第三采集模块421，第三采集模块421采集第二储能双向变流器422的电压、电流和功率；第一电源控制器51包含第四采集模块511，第四采集模块511采集光伏并网逆变器512输出端的电压、电流和功率；第二电源控制器52包含第五采集模块521，第五采集模块521采集第一交-交变流器522输出端的电压、电流和功率；第三电源控制器53包含第六采集模块531，第六采集模块531采集第二交-交变流器532输出端的电压、电流和功率；第一负荷控制器61包含第七采集模块611，第七采集模块611采集第一交流接触器612的电压、电流和功率；第二负荷控制器62包含第八采集模块621，第八采集模块621采集第二交流接触器622的电压、电流和功率；第三负荷控制器63包含第九采集模块631，第九采集模块631采集第三交流接触器632的电压、电流和功率。

作为本实用新型的进一步方案，还包括微电网中央控制器2，微电网中央控制器2作为中心节点与并网控制器31、第一能量控制器41、第二能量控制器42第一电源控制器51、第二电源控制器52、第三电源控制器53第一负荷控制器61、第二负荷控制器62、第三负荷控制器63通过RS485星型拓扑通信结构连接，实现微电网内部的电力发电、存储、用电的合理调配。

作为本实用新型的进一步方案，还包括能量管理系统1，能量管理系统1与微电网中央控制器2通过以太网通信，从而实现整个系统的安全、经济优化调度参考指令。

RS485和以太网组成通信系统，便于能量管理系统1、微电网中央控制器和本地控制器实现整个新型产业园区微电网的分层协调控制，本实用新型通讯拓扑结构如图2所示。

本实用新型的装置工作过程中：本地控制器的将采集模块采集到的数据进一步通过RS485发送至微电网中央控制器2，微电网中央控制器2将上述本地控制器的数据和能量管理系统1通过以太网发送下来的调度参考指令数据进行整合，将整合得到的控制指令和反馈信息反过来分别通过RS485发送到本地控制器和以太网发送到能量管理系统1，能量管理系统1负责计算整个系统的安全、经济优化调度参考指令。更进一步的描述，集中控制层负责整合微电网运行的实时状态相关信息，并计算系统的安全、经济优化调度参考指令，将参考指令下发到就地控制层；就地控制层听从集中控制层的命令，完成相应受控装置动作的实施。

本实用新型的微电网中央控制器2下发的给本地控制器的指令保证了微电网的协调运行，可包括计划离并网指令、离网功率平衡等，本地控制器功能实施方式如下：计划离并网控制，并网控制器3按照计划要求输出额定电压信号控制并网开关312的断开与闭合，实现微电网从并网状态转化成离网状态以及从离网状态转化成并网状态；离网功率平衡控制，离网功率平衡控制的核心是根据微电网内储能单元的剩余储能容量决定微电网内发电单元和负荷单元的调节方法，微网离网运行时，首要目标是保证重要负荷的供电，即第一交流接触器612的主触点呈闭合状态，否则第一负荷控制器61输出额定交流电压给第一交流接触器612线圈通电，使得第一交流接触器612的主触点呈断开状态，此时将启动不间断电源UPS；在此基础上，可有选择地保证一级非重要负荷的供电，即第二交流接触器622的主触点呈闭合状态，否则第二负荷控制器62输出额定交流电压给第二交流接触器622线圈通电，使得第二交流接触器622的主触点呈断开状态；其次保证二级非重要负荷的供电即第三交流接触器632的主触点呈闭合状态，否则第三负荷控制器63输出额定交流电压给第三交流接触器632线圈通电，使得第三交流接触器632的主触点呈断开状态，上述实施方式使得总的断电成本最小化。离网功率平衡控制可通过微电网中央控制器2向本地控制器发送协调控制指令，各本地控制器分别发送高频PWM开关驱动电压信号到第一储能双向变流器412、第二储能双向变流器422、光伏逆变器512、第一交-交变流器522、第二交-交变流器532的开关管来控制光伏发电、风力发电和柴油发电的输出功率。

对特定需要计划运行的设备，可以编制计划值或计划运行曲线，各本地控制器分别发送高频PWM开关驱动电压信号到第一储能双向变流器412、第二储能双向变流422、光伏逆变器512、第一交-交变流器522、第二交-交变流器532的开关管，控制光伏发电、风力发电和柴油发电的输出功率按照计划值或计划曲线运行。

可设定低谷电价时段控制模式，微电网中央控制器2向第一能量控制器41发送输入功率指令，能量控制器41通过发送高频PWM开关驱动电压信号到第一储能双向变流器412的开关管，控制储能电池组充电，当蓄电池电量充满后，能量控制器41停止发送开关驱动电压信号，控制第一储能双向变流器412停止给蓄电池充电，储能电池组储能装置进入待机工作模式。

可设定高峰电价时段控制模式，微电网中央控制器2向第一能量控制器41发送输出功率指令，能量控制器41通过发送高频PWM开关驱动电压信号到第一储能双向变流器412的开关管，控制储能电池组给负载供电，当储能电池组电量释放到设定的容量下限值时，微电网中央控制器2给第三电源控制器53发送更大的输出功率指令，第三电源控制器53通过发送高频PWM开关驱动电压信号到第二交-交变流器532的开关管，控制柴油机增大输出功率，或者微电网中央控制器2给第一能量控制器41发送停机指令，能量控制器41停止发送开关驱动电压信号，以保护储能电池组，保证储能电池组有一定的市电断电应急备用电能。

可设定无功补偿和谐波抑制控制，能量控制器42通过发送高频PWM开关驱动电压信号到第二储能双向变流器422的开关管控制超级电容充电或放电，可以抑制电压颠簸和闪变，改善微电网电能质量。

本实用新型分层的硬件结构体系，便于本领域人员根据分层的硬件结构对设备进行控制。其协调控制系统的上层协调控制策略涉及的软件部分是本领域技术人员可参照现有技术编程实现的，在协调控制策略合理的情况下，该控制系统的就地控制层本地受控装置实施方式之间可以灵活组合。

Claims (6)

1.一种微电网分层协调控制装置，包括就地控制层，就地控制层包括本地受控装置和本地控制器，本地控制器包括并网控制器、能量控制器、电源控制器、负荷控制器；能量控制器包括第一能量控制器、第二能量控制器；电源控制器包括第一电源控制器、第二电源控制器、第三电源控制器；其特征在于：负荷控制器包括第一负荷控制器、第二负荷控制器、第三负荷控制器；并网控制器包含第一采集模块，第一能量控制器包含第二采集模块，第二能量控制器包含第三采集模块，第一电源控制器包含第四采集模块，第二电源控制器包含第五采集模块，第三电源控制器包含第六采集模块，第一负荷控制器包含第七采集模块，第二负荷控制器包含第八采集模块，第三负荷控制器包含第九采集模块。

2.根据权利要求1所述的一种微电网分层协调控制装置，其特征在于：就地控制层的本地受控装置还包括混合储能系统，混合储能系统包括储能电池组、超级电容、第一储能双向变流器、第二储能双向变流器，第一能量控制器的第二采集模块采集第一储能双向变流器的电压、电流和功率，第二能量控制器的第三采集模块采集第二储能双向变流器的电压、电流和功率。

3.根据权利要求1所述的一种微电网分层协调控制装置，其特征在于：就地控制层的本地受控装置还包括混合发电系统，混合发电系统包括风力发电转装置、光伏发电装置、柴油发电装置，光伏发电装置包括光伏阵列和光伏并网逆变器，风力发电装置包括风力发电机和第一交-交变流器，柴油发电装置包括柴油发电机和第二交-交变流器，第一电源控制器的第四采集模块采集光伏并网逆变器输出端的电压、电流和功率，第二电源控制器的第五采集模块采集风力发电装置第一交-交变流器输出端的电压、电流和功率，第三电源控制器的第六采集模块采集柴油发电装置第二交-交变流器输出端的电压、电流和功率。

4.根据权利要求1所述的一种微电网分层协调控制装置，其特征在于：就地控制层的本地受控装置还包括并网开关、第一交流接触器、第二交流接触器、第三交流接触器和多级可控可投切负荷，多级可控可投切负荷包括重要负荷、一级非重要负荷和二级非重要负荷，并网控制器的第一采集模块采集并网开关处的电压、电流和功率，第一负荷控制器的第七采集模块采集第一交流接触器处的电压、电流和功率，第二负荷控制器的第八采集模块采集第二交流接触器处的电压、电流和功率，第三负荷控制器的第九采集模块采集第三交流接触器处的电压、电流和功率。

5.根据权利要求1所述的一种微电网分层协调控制装置，其特征在于：还包括集中控制层，集中控制层包括微电网中央控制器和能量管理系统，微电网中央控制器作为中心节点和本地控制器通过RS485星型拓扑通信结构连接，能量管理系统与微电网中央控制器通过以太网通信连接。

6.根据权利要求5所述的一种微电网分层协调控制装置，其特征在于，还包括分层控制下离并网切换控制、离网功率平衡控制、编制计划曲线运行控制、低谷电价时段运行控制、高峰电价时段运行控制、无功补偿和谐波抑制控制和多类型发配用设施的最优能量调度，其中集中控制层负责整合微电网运行的实时状态相关信息，并计算系统的安全、经济优化调度参考指令，将参考指令下发到就地控制层；就地控制层听从集中控制层的命令，完成相应受控装置动作的实施。

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