CN104022528B - 一种基于多元复合储能的微网系统协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多元复合储能的微网系统协调控制方法，该方法包括：添加飞轮储能单元以平抑电压输出波动；所述微网系统并网运行时，电池储能单元和飞轮储能单元平抑分布式发电单元输出波动；所述微网系统离网运行时，电池储能单元和柴油发电机交替充当微网系统的主电源；所述微网系统进行并离网切换时，飞轮储能单元和柴油发电机提供功率支持。通过本发明提供的方法，提高可再生能源利用率，实现电网最优运行；平抑光伏输出的瞬时大功率波动和长时间尺度波动；协调控制各分布式发电设备，保证各设备能够及时、准确、快速的协同动作。

Description

一种基于多元复合储能的微网系统协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种微网系统控制方法，具体讲涉及一种基于多元复合储能的微网系统协调控制方法。

背景技术

随着工业化、城镇化加速发展和经济全球化不断深入，能源越来越受到全社会的广泛关注，能源安全、环境保护和应对气候变化的要求日益严峻和突出，。优化能源结构，实行能源多元化、清洁化发展，大力改善和调整能源结构，有效保证能源供给，已是刻不容缓、迫在眉睫。积极寻求和大力发展可再生能源发电和新能源发电，具有非常深远的现实意义和历史意义。在此背景下，以太阳能为主的微网技术近年来得到了较快发展，而且在未来很长时间内都将处于快速发展期。以分布式发电为基础组建的微电网在结构和运行控制上更为灵活多样，而且靠近负荷侧，也成为重要的可再生能源利用形式。然而，太阳能等可再生能源受自然条件的影响很大，发电功率具有间歇性和随机性的特点，与传统的火电或水电相比，电源在发电出力平稳性、容量可信度方面存在较多问题。并且，相关的研究表明，微网在结构和运行机理上与传统电网有较大不同，传统电网具有较大的机械惯性和扰动抵抗能力，小扰动下具有良好的运行稳定性。而微网的微源大多以逆变器、小容量同步发电机或异步发电机作为并网接口，系统惯性很小，对扰动作用的动态性能和稳定性差。风电和光伏输出功率的间歇性和随机性变化，负荷的随机投切与三相不平衡、离网和并网过程等会导致微网电压和频率发生闪变和波动，运行稳定性降低，甚至失稳。

在微网中配置储能，通过特定的控制策略，可以提高系统在扰动作用下的动态性能和应对动态冲击的能力，实现瞬时能量平衡，进而提高运行稳定性，改善电能质量，其效果相当于增加系统的惯性。近年来，已开始探索将储能应用于风电和光伏等可再生发电系统，通过对蓄电池和飞轮储能的控制，以提高分布式发电系统输出功率的稳定性，减少电压波动。分布式的可再生能源发电很难作为独立电源，需要配置柴油机和蓄电池等作为备用或补偿，或者直接接入电网，以电网作为能量支撑。随着分布式可再生能源发电的快速发展及其并网渗透率提高，给电网带来了越来越多的稳定性和电能质量问题，制约了可再生能源的进一步发展，因此，储能技术在微网中的应用就显得更为重要。

电池类储能自损耗小，储能时间长，但循环寿命小，响应速度慢，只能作为负荷调节或紧急备用电源。飞轮、超级电容器、超导磁储能响应速度快，输出功率大，但储能过程中自损耗较大，不适用于长时间储能。按当前的技术水平，飞轮、超级电容器、超导磁储能的成本均较高，要实现大容量在技术上也有一定的困难，一般仅适用于微网中的动态功率补偿以平滑功率、稳定电压或作为短时间的紧急备用电源。为满足微网的技术需求，微网中的多元复合储能应以能实现大容量的电池类储能为基础，并配合具有快速响应特性的飞轮储能、超导磁储能或超级电容器。

多元复合储能尚未能在微网中得到普遍应用，而是否采用多元复合储能与微网中的负荷特性和电源特性有关。如果微网中同时含有对供电可靠性要求很高的敏感负荷和输出功率波动性很大的新能源，多元复合储能技术就会成为必要。在微网中同时应用具有大容量储能特性和具有快速功率响应特性的多种储能技术时，由于不同储能形式对应不同需求，其可独立控制。但是，如果多种储能方式能实现协调控制，将可使微网获得更好的技术性能和更高的经济指标。这是因为虽然电池类储能对于响应系统动态特性几乎是无能为力，但飞轮、超导磁储能、超级电容器可以在一定程度上实现负荷调节，充当紧急电源。多种储能的协调控制可优化系统结构、降低设备冗余度，提高反应能力。

从以上技术发展现状看，基于多元复合储能的微网将会成为微网的未来一个主要存在形式之一。由于微网在结构和运行方式上灵活多变，多元复合储能应用于微网还存在着一系列的基础理论和关键技术问题，包括储能的作用机理、规划和控制方法等，亟需系统的研究、开发、示范和评估。微网具有并网和孤岛两种典型运行模式，本发明提供了一种基于多元复合储能的微网系统协调控制方法，以充分发挥多元复合储能的控制柔性，在微网并网运行、孤岛运行，以及两种运行模式的切换过程中发挥重要的作用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于多元复合储能的微网系统协调控制方法。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于多元复合储能的微网系统协调控制方法，所述微网系统包括：电池储能单元、分布式发电单元、柴油发电机、双向DC/DC变换器、滤波器、负载、隔离变压器和电网电路；其特征在于，所述方法包括：

添加飞轮储能单元平抑电压输出波动；

所述微网系统并网运行时，电池储能单元和飞轮储能单元平抑分布式发电单元输出波动；

所述微网系统离网运行时，电池储能单元和柴油发电机交替充当微网系统的主电源；

所述微网系统进行并离网切换时，飞轮储能单元和柴油发电机提供功率支持。

优选地，电池储能单元和飞轮储能单元平抑分布式发电单元输出波动包括：当检测到分布式发电单元出力存在大波动时，启动飞轮储能单元进行平抑；当检测到分布式发电单元出力存在小波动时，启动电池储能单元进行平抑；所述大波动是分布式发电单元需补充的能量大于电池储能单元当前能够释放的能量时的波动；所述小波动是分布式发电单元需补充的能量小于电池储能单元当前能够释放的能量时的波动；所述分布式发电单元需补充的能量是为保证分布式发电单元的平滑输出而补充的。

优选地，所述启动电池储能单元进行平抑包括：若电池储能单元的SOC值大于或等于0.8，则禁止储能电池充电，强制储能电池向电网放电，电池储能单元系统的SOC值小于或等于0.5时，恢复正常控制；若电池储能单元的SOC值小于或等于0.2，则禁止储能电池放电，强制电网向储能电池充电，储能系统的SOC值大于或等于0.5时，恢复正常控制。

优选地，所述交替充当微网系统的主电源包括：当蓄电池组充电达到上限时，则转为电池储能单元做主电源模式；当蓄电池组荷电状态值低于临界转换值时，则开启柴油发电机作为主电源供电，同时对电池储能单元进行充电。

优选地，所述交替充当微网系统的主电源包括：电池储能单元做主电源模式中，蓄电池组荷电状态值升至上限值时，通过控制分布式发电出力使电池储能单元仅工作于放电状态且放电功率在设定范围内；蓄电池组荷电状态值降至下限值时，通过控制分布式发电出力使电池储能单元仅工作于充电状态且充电功率在设定范围内。

优选地，所述飞轮储能单元和柴油发电机提供功率支持包括：网侧失电，则将微网系统与主网断开连接，微网系统转入独立运行状态，由飞轮储能单元提供功率支撑；若在1.5秒内，电网重合闸成功，则延时2秒，微网系统与电网电压同步后重新连接微网系统与主网；若超过1.5秒网侧未恢复供电，则启动柴油发电机。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

微电网并网运行时，电池储能和飞轮储能联合平抑光伏输出波动，提高可再生能源利用率，实现电网最优运行。利用飞轮储能系统的快速响应能力和功率密度高特点，来平抑光伏输出的瞬时大功率波动；利用电池储能系统的高能量密度特点来平抑光伏输出的长时间尺度波动。微电网离网运行时，根据主电源形式的不同，离网运行分为两种模式：柴油发电机做主电源模式和储能系统做主电源模式。微电网在并离网切换时，充分利用飞轮储能响应速度快和功率密度高的特点，为微电网提供短时支撑，保证并联网过程的顺利进行。

附图说明

图1本实施例中基于多元复合储能的光伏微网分层监控管理系统拓扑结构图；

图2本实施例中基于多元复合储能的光伏微网拓扑结构图。

图3本实施例中储能系统平滑控制策略流程图；

图4本实施例中基于多元复合储能的光伏微网并网运行控制流程图；

图5本实施例中基于多元复合储能的光伏微网离网运行控制流程图；

图6本实施例中并离网切换时飞轮及柴油发电机混合储能系统控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的目的是在考虑微网中存在的多分布式电源的基础上，提出一种可以维持微网安全稳定运行的协调控制策略。在含有多分布式发电设备的微型电网中，协调控制各分布式发电设备，保证各设备能够及时、准确、快速的协调动作。

以光伏微网系统为例，图1为基于多元复合储能的光伏微网分层监控管理系统拓扑结构。微电网监控管理系统从配电网调度层、微电网集中控制层、分布式电源和负荷就地控制层三个层面进行综合管理和控制。其中上层配电网调度层主要从配电网的安全、经济运行的角度协调调度微电网，使微电网相对于大电网表现为单一的受控单元，微电网接受上级配电网的调节控制命令。中间微电网集中控制层集中管理分布式电源和各类负荷，在微电网并网运行时负责实现微电网价值的最大化并优化微电网运行，在离网运行时调节分布式电源出力和各类负荷的用电情况实现微电网的稳态安全运行。下层分布式电源控制器和负荷控制器，负责微电网的暂态功率平衡和低频减载，实现微电网暂态时的安全运行。图2为基于多元复合储能的光伏微网拓扑结构图；如图所示，本实施例涉及的微电网系统的拓扑结构包括光伏发电系统、电池储能系统、飞轮储能系统、柴油发电机、双向DC/DC变换器、LC滤波器以及负载和电网电路。

本实施例所述的电池储能系统配置的监控系统监控范围覆盖温度、电流、电池容量等各方面。对于储能系统的各主要运行部位的温度，采用高精度温度传感器实时测量系统温度，以保证系统运行平稳高效。放电电流以及充电电流的测量也是实时的，系统同时实时监控电压量值，以保证系统运行在最佳状态下，延长系统使用时间。所有的监控数据均由子系统数据综合之后通过通讯总线系统将监控数据实时传输给微电网监控管理系统。最长每隔5分钟存储一次光伏重要运行数据，包括环境数据。为了保证蓄电池的最大使用寿命，需要在运行一段时间内对蓄电池进行人工维护，在控制策略中设置全充全放模式，人工操作先开启柴发对蓄电池组进行“预充-快充-均充-浮充”四段式标准充电直至全充完成，再控制蓄电池组始终处于放电状态直到全放完成，以此来尽量提高蓄电池的循环使用寿命。

本实施例所述的微网监控管理系统，采用分层管理的控制策略。微电网监控管理系统从配电网调度层、微电网集中控制层、分布式电源和负荷就地控制层三个层面进行综合管理和控制。其中上层配电网调度层主要从配电网的安全、经济运行的角度协调调度微电网，使微电网相对于大电网表现为单一的受控单元，微电网接受上级配电网的调节控制命令。中间微电网集中控制层集中管理分布式电源和各类负荷，在微电网并网运行时负责实现微电网价值的最大化并优化微电网运行，在离网运行时调节分布式电源出力和各类负荷的用电情况实现微电网的稳态安全运行。下层分布式电源控制器和负荷控制器，负责微电网的暂态功率平衡和低频减载，实现微电网暂态时的安全运行。

本实施例涉及的微网系统中的各分布式电源，采用合理的协调控制策略，保证各分布式电源能够正确、及时、合理的动作，从而保证微电网的安全稳定运行。具体如下：

(1)光伏、柴发、储能协调能量管理研究

制定光伏系统、电池储能、柴油发电机联合分层协调管理策略，保证光伏/储能微电网的稳定运行。并网运行时，储能平抑光伏输出波动，保证光伏系统的友好接入；离网运行时，由储能系统做主电源，储能变流器采用V/f控制提供电压和频率支撑；当蓄电池组SOC值越限时开启柴油发电机作为主电源，联合光伏系统为负载供电，多余的电能对蓄电池组进行充电。

(2)飞轮、电池储能间协调控制策略研究

并网运行时，电池储能和飞轮储能联合平抑光伏输出波动，提高可再生能源利用率，实现电网最优运行。光伏系统采用MTTP控制，保证光伏系统的最大出力。但光伏系统的出力受各种自然因素影响，因此光伏系统的出力具有波动性，需要利用储能系统进行平抑波动。利用飞轮储能系统的快速响应能力和功率密度高特点，来平抑光伏输出的瞬时大功率波动，即在监测系统检测到分布式发电系统出力存在大波动(为保证分布式发电系统输出平滑所需补充的能量大于电池储能系统当前所能释放的能量时的波动)时，启动飞轮储能系统对大波动进行平抑，保证整个系统的安全稳定运行。利用电池储能系统的高能量密度特点来平抑光伏输出的长时间尺度波动，即监测系统将小波动(为保证分布式发电系统输出平滑所需补充的能量小于电池储能系统当前所能释放的能量时的波动)信号传输给储能系统，储能系统根据收到波动信号对系统出力给予平抑，在此种运行模式下，若电池储能系统的SOC大于等于0.8，那么控制系统将禁止储能电池继续充电，强制电池储能系统向电网放电，当储能系统的SOC小于等于0.5时，恢复正常控制；若电池储能系统的SOC小于等于0.2，那么控制系统将禁止储能电池继续放电，强制电网向储能电池冲电，当储能系统的SOC大于等于0.5时，恢复正常控制。

图3为电池储能系统平滑控制策略流程图。主要步骤包括：

步骤一：光伏发电系统输出的有功P经滤波器滤波生成信号P+；

步骤二：新生成的信号P+与信号P-(P-＝P)做差，生成的信号作为电池储能系统的给定信号。

这样实际运行中，系统对外的出力为电池储能系统所发出的功率P*与光伏发电系统的出力P(P-＝P)之和，即整个系统对外的出力为滤波器的平滑输出。

图4为基于多元复合储能的光伏微网并网运行控制流程图。主要步骤包括：

步骤一：首先，在并网运行时，光伏系统工作在MTTP工作点，保证对光伏出力的充分利用；

步骤二：与此同时，投入电池储能系统，用以平抑光伏输出的小波动，保证光伏系统的友好接入；

步骤三：运行中通过对负载功率进行监测，当负载侧存在大功率波动时，利用飞轮储能系统响应速度快和功率密度大的特点，平滑系统出力。

并网工作过程中同时要对储能系统的端电压/SOC进行监测，当储能系统的端电压/SOC达到临界值时，通过相应的控制策略保证储能系统的安全稳定运行。

(3)本实施例所涉及的基于多元复合储能的光伏微网系统，在主网故障或失电时，其工作在离网运行状态，储能系统与柴油发电机轮流作为主电源进行工作。

图5为基于多元复合储能的光伏微网离网运行控制流程图。离网运行时根据主电源的不同，分为两种离网工作模式。具体如下：

模式一：柴发做主电源模式。

在此模式下，柴油发电机作为系统主电源，产生恒定的电压和频率支撑系统运行；储能系统根据实际工况进行充/放电，直到蓄电池组荷电状态(State of Charge,SOC)值/端电压达到限值。考虑柴发最小运行功率和额定功率等限制，可通过控制光伏出力来保证柴发运行在设定的合理范围内。当蓄电池组充电达到上限时，则转为储能系统做主电源模式运行。单台柴油发电机最佳负荷率大约为75％，既包含一定功率裕量，经济性也相对较高。最低负载要求通常在30％左右，低于此值，柴油发电机单位功率耗油量会较大，同时影响柴油发电机的运行寿命。通过测量、监控和控制，合理调整接入的柴油发电机的台数，保证微网的经济、稳定和安全运行。

模式二：储能系统做主电源模式。

当储能系统做主电源时，柴发关闭以避免非同期并列运行，储能双向变流器采用V/f控制为交流母线提供电压和频率支撑，其功率输出自动补偿光伏出力与负荷之间的差额。基于蓄电池组SOC值/端电压的储能优化控制，要求在光伏出力充足而使蓄电池组SOC值/端电压升至上限值时，通过控制光伏出力来保证储能系统仅工作于放电状态且放电功率在设定范围内。在蓄电池组SOC值/端电压降至下限值时，通过控制光伏出力来保证储能系统仅工作于充电状态且充电功率在设定范围内。正常运行时，优化控制策略尽量使储能系统处于固定的工作状态，避免充电状态和放电状态的频繁切换。当蓄电池组SOC值/端电压低于临界转换值时，开启柴油发电机作为主电源供电，改变PCS控制策略对蓄电池组进行充电，即转换为柴油发电机做主电源模式。

(4)并离网切换时，飞轮及柴油发电机混合储能系统的协调控制策略：

图6为并离网切换时飞轮及柴油发电机混合储能系统控制流程图。如图所示，微网在连接主网正常运行时，飞轮做为能量缓冲器。网侧失电，则将微网与主网断开连接，微网转入独立运行状态，暂时由飞轮提供功率支撑。若在1.5s(重合闸典型时间)内，电网重合闸成功，则延时2s，微网与电网电压同步后重新连接微网与主网。若超过重合闸时间网侧仍未恢复供电，则由控制器启动柴油发电机。柴油发电机的启动并稳定输出电压的典型时间约16s，在这段时间内，由飞轮储能提供功率支撑。柴油发电机启动成功后，延时2s，待并网逆变器与柴油发电机电压同步后合闸。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于多元复合储能的微网系统协调控制方法，所述微网系统包括：电池储能单元、分布式发电单元、柴油发电机、双向DC/DC变换器、滤波器、负载、隔离变压器和电网电路；其特征在于，所述方法包括：

添加飞轮储能单元平抑电压输出波动；

所述微网系统并网运行时，电池储能单元和飞轮储能单元平抑分布式发电单元输出波动；

所述微网系统离网运行时，电池储能单元和柴油发电机交替充当微网系统的主电源；

所述微网系统进行并离网切换时，飞轮储能单元和柴油发电机提供功率支持；

所述电池储能单元和飞轮储能单元平抑分布式发电单元输出波动包括：当检测到分布式发电单元出力存在大波动时，启动飞轮储能单元进行平抑；当检测到分布式发电单元出力存在小波动时，启动电池储能单元进行平抑；所述大波动是分布式发电单元需补充的能量大于电池储能单元当前能够释放的能量时的波动；所述小波动是分布式发电单元需补充的能量小于电池储能单元当前能够释放的能量时的波动；所述分布式发电单元需补充的能量是为保证分布式发电单元的平滑输出而补充的；

所述启动电池储能单元进行平抑包括：若电池储能单元的SOC值大于或等于0.8，则禁止储能电池充电，强制储能电池向电网放电，电池储能单元系统的SOC值小于或等于0.5时，恢复正常控制；若电池储能单元的SOC值小于或等于0.2，则禁止储能电池放电，强制电网向储能电池充电，储能系统的SOC值大于或等于0.5时，恢复正常控制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交替充当微网系统的主电源包括：当蓄电池组充电达到上限时，则转为电池储能单元做主电源模式；当蓄电池组荷电状态值低于临界转换值时，则开启柴油发电机作为主电源供电，同时对电池储能单元进行充电。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交替充当微网系统的主电源包括：电池储能单元做主电源模式中，蓄电池组荷电状态值升至上限值时，通过控制分布式发电出力使电池储能单元仅工作于放电状态且放电功率在设定范围内；蓄电池组荷电状态值降至下限值时，通过控制分布式发电出力使电池储能单元仅工作于充电状态且充电功率在设定范围内。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞轮储能单元和柴油发电机提供功率支持包括：网侧失电，则将微网系统与主网断开连接，微网系统转入独立运行状态，由飞轮储能单元提供功率支撑；若在1.5秒内，电网重合闸成功，则延时2秒，微网系统与电网电压同步后重新连接微网系统与主网；若超过1.5秒网侧未恢复供电，则启动柴油发电机。