直流微电网控制系统的设计

上海电气输配电集团 上海 200042

1 设计背景

直流微电网是以直流配电的形式,通过一条公共直流母线将所有微电源连接起来的独立可控系统,可以就地提供能量[1]。与交流微电网相比,直流微电网具有不需要无功功率、频率和相位控制的优点,利于直流分布式电源、储能设备及直流负荷的接入,并且能够降低系统的功率损耗和控制复杂度[2-3]。

交直流微电网网络结构包括直流微电网、交直流混合微电网、直流背靠背变流器交流环网等。如图1所示交直流微电网系统,通过两个静态开关KB1和KB2与大电网连接,进行能量交换。笔者基于交直流微电网试验平台,设计了直流微电网控制系统。

2 直流微电网工作原理

直流母线开关闭合,变流器P1或P2工作,交流母线设备停运,直流母线设备投运,形成直流微电网,此时进行直流微电网各种试验,对负荷特性、系统控制等进行研究。考虑直流母线供电的可靠性、多种分布式能源及负荷接入的灵活性,采用多母线结构,某段直流母线发生故障时,直流母线开关可以快速动作,隔离故障区域[4]。

图1 交直流微电网系统

直流微电网可以并网运行,也可以离网运行。并网运行时,直流微电网与大电网之间公共连接点的固态开关闭合,直流微电网与大电网进行功率交换,直流微电网内的电压和频率由大电网维持。离网运行又称孤网运行,离网运行时,直流微电网与主网配电网系统断开,即公共连接点固态开关断开,由分布式能源、储能设备独立为负荷供电[5]。在直流微电网中,控制系统除可以手动控制操作外,还具有一键启动功能。

3 直流微电网控制系统结构

如图2所示,直流微电网控制系统的结构可以分为三层:能量管理层、中央控制层和就地控制层[6]。

能量管理层具有运行优化和调度、数据加工、管理及存储功能。

中央控制层一般包括中央控制器与人机交互界面。中央控制器与风力发电机变流器、光伏发电变流器、储能变流器、负荷变流器等就地控制器通信,采集各个设备的运行数据,包括设备运行状态、电压、电流、功率等,控制各个设备的启停、模式切换,实现故障报警,并执行能量管理层的调度指令,使整个系统的正常运转。通过人机交互界面可以查看各个设备的实时运行状况、故障信息,能够对某些参数进行设定。在手动模式下,可以按流程进行整个系统的启停操作。

图2 直流微电网控制系统结构

就地控制器包括风力发电机变流器、光伏发电变流器、储能变流器、负荷变流器。就地控制器接收中央控制器的指令,控制风力发电机、光伏发电设备及储能装置的运行模式,实现过程控制、安全保护、数据采集等功能。

4 直流微电网运行模式

直流微电网稳定运行时的模式有停运、并网和离网三种,离网模式又称孤岛模式。

由于分布式能源发电系统及负荷数量较多,各模式之间存在过渡过程,包括停运转并网、停运转离网、并网转离网、离网转并网、并网转停运、离网转停运。其中,停运至离网的过程又称为黑启动。

直流微电网还有一个特殊模式,称为人工调试模式。各个运行模式之间的跳转流程如图3所示。

图3 直流微电网运行模式跳转流程

4.1 停运模式

直流微电网系统初始化结束后,进入停运模式。在停运模式下,可以一键并网运行,也可以黑启动进入离网模式或进入调试模式。在调试模式下,只有专业人员有权限操作,且所有设备及开关均可以手动打开或关闭。

4.2 并网模式

并网模式指直流微电网通过公共连接点与配电网相连,与大电网进行功率交换。当直流微电网内负荷大于分布式电源发电量时,直流微电网从大电网吸收部分电能。反之,当直流微电网内负荷小于分布式电源发电量时,直流微电网向大电网输出多余电量。直流微电网并网运行时,直流微电网内的电压和频率由大电网来维持。

在并网模式下,直流微电网有四种工作状态。

(1) 自动运行状态。各个设备自动运行,不产生干涉,电网电压和频率由大电网支撑,功率自由在大电网与直流微电网之间流动。

(2) 经济运行状态。能量管理系统根据经济运行算法下发各分布式设备的功率设定指令,各分布式设备及负荷控制器接收下发的指令。

(3) 节能减排状态。能量管理系统根据节能减排算法下发各分布式设备的功率设定指令,各分布式设备接收下发的指令。

(4) 公共连接点潮流限值状态。从大电网经公共连接点流向直流微电网的功率受限制,采用公共连接点潮流限值算法。在这一状态下,直流微电网的输出和输入功率可以设定,控制系统协调各分布式设备的出力及负荷的投切,进而满足输出和输入的目标功率。

四种工作状态中,第2、第3种工作状态接受能量管理系统的调度,第4种状态属于微电网控制系统的功能。

4.3 离网模式

在离网模式下,直流微电网控制系统采用主从控制策略[7]。储能电池作为主电源,运行在恒压模式,输出稳定的电压和频率,同时实时监控并协调各个分布式电源的功率,在必要时切除次要负荷[8]。

4.4 过渡过程

如前所述,各模式之间的过渡过程包括停运转并网、停运转离网、并网转离网、离网转并网、并网转停运、离网转停运。一般而言,分布式电源设备种类及数量较多,负荷种类也多种多样,在系统启动或者停运过程中,需要按照一定的次序进行通断电、启停或模式切换操作,因此设计了过渡过程。在过渡过程中,人机交互界面不可操作。

5 变流器控制原理

笔者设计的直流微电网控制系统采用变流器控制。在直流微电网与交流电网并网运行时,交流电源与直流电源的能量交换由变流器实现。变流器采用脉宽调制技术,通过两电平拓扑结构实现交流转直流、直流转交流、直流背靠背多电源转换工作。变流器接收上位机远程控制操作指令,并具有参数与数据的保存功能。变流器配备触摸屏,能够实现就地控制。变流器还具有功率双向流动及维持母线电压稳定的作用,在微电网与外电网需要同期并网时,调整交流母线电压的幅值和频率[9]。

在直流微电网系统中,变流器P1、P2可以工作在交流/直流恒压模式、直流/交流恒压模式、并网模式及待机模式。系统在停运状态并网启动时,交流侧电压为400 V,直流侧电压为0 V,变流器以交流/直流恒压模式启动运行。系统运行后,直流侧输出稳定的直流电压。

直流微电网系统并网转离网运行时,交直流侧都有电压,变流器以交流/直流恒压模式运行。直流微电网系统先转为并网模式运行,然后停机,再进入离网模式运行[10]。

直流微电网系统离网转并网运行时,直流侧有电压,交流侧电压为0 V,变流器以直流/交流恒压模式运行。直流微电网系统并网运行时,交流侧输出稳定的交流电压。此时,变流器直流侧和交流侧均有电压,可以通过更改所设置的有功功率来改变能量流动方向和功率大小。这一过程又称为同期并网。

6 直流微电网控制系统功能

6.1 储能控制

在直流微电网系统中,直流母线下接两台储能装置——磷酸铁锂储能电池和超级电容,分别通过变流器P5、P8与直流母线连接。

连接磷酸铁锂储能电池的变流器P5可以工作在恒压模式、恒功率模式及待机模式。在恒压模式下,直流侧母线输出电压可以自动维持稳定。在恒功率模式下,可以对磷酸铁锂电池进行充放电操作。在待机模式下,可以根据磷酸铁锂储能电池剩余电量自动调节充放电状态。直流微电网系统配置标准工业通信口,接收中央控制器的指令,按指令进行模式切换及充放电操作。

变流器P5和磷酸铁锂电池构成直流微电网的储能系统,主要功能是实现直流微电网的功率平衡和支撑直流母线电压。当直流微电网处于自动运行状态时,储能系统运行于待机模式,自我调节充放电状态。当直流微电网处于公共连接点潮流限值状态时,储能系统运行于恒功率模式,维持功率平衡。当直流微电网处于离网模式时,储能系统作为主电源运行于恒压模式,支撑直流母线电压。当直流微电网失压时,储能系统先以恒压模式启动,支撑直流母线电压,然后逐步启动直流微电网系统内的各设备,实现黑启动[11]。

变流器P8和超级电容构成直流微电网的能量波动缓冲系统。直流微电网系统内部的功率失衡表现为电压失衡,变流器P8工作于待机模式,能够根据电网电压与超级电容电压自动调节充放电状态。直流母线电压高于610 V时,变流器P8对超级电容强制充电。母线电压低于590 V时,变流器P8对超级电容强制放电。直流微电网系统配置标准工业通信口,接受中央控制器的指令,按指令进行充放电操作。对于特殊情况,超级电容过压时只放电不充电,欠压时只充电不放电。

直流微电网并网启动时,根据超级电容的电压情况进行充放电操作。待充电完成后,发出充电完成指令。若提前发出充电完成指令,则充放电无效。若在充电完成前发出待机指令,则系统根据电网电压及超级电容电压情况进行自动充放电调节。相对于电池储能系统,超级电容系统反应更迅速,可以更有效地抑制系统电压剧烈波动。

6.2 光伏控制

变流器P4与光伏发电设备构成直流微电网的光伏发电系统,采用全桥逆变,整流生成平滑直流电流,连接至直流母线,接收中央控制器指令,按指令进行发电与控制。光伏发电系统的运行模式为最大功率跟踪模式。

6.3 风力发电控制

变流器P3与风力发电机构成直流微电网的风力发电系统,接收中央控制器指令,按指令进行发电与控制。

风力发电系统启动时,要求交流侧和直流侧都为带电状态,即风力发电机和直流母线有稳定电压,且母线上有负荷,用于消耗能量。风力发电系统默认的启动模式为并网启动,在启动前和启动后均可根据需要调节功率。需要注意的是,功率必须设置为正,否则能量从直流侧进入交流侧,会对风力发电机造成冲击。

6.4 负荷控制

直流负荷和交流负荷分别通过变流器P6、P7连接直流母线。直流微电网系统在功率受限或离网运行时,会对直流母线下的负荷进行投切控制。对两者的优先级进行排序,分为重要负荷和次要负荷,首先保证重要负荷的供电,在必要时切除次要负荷。

6.5 一键启动

直流微电网系统在停运状态下,进行并网或者离网启动时,可以实现一键启动,即在人机交互界面操作面板上,选择启动的设备列表及次序,点击并网按钮,各个设备会依次自动启动。设备的一键启动次序需要较高权限,一般操作人员只可选择设备列表,启动次序为默认。

6.6 同期并网

直流微电网系统与外电网进行同期并网时,变流器P1或P2交流侧与交流母线相连,对交流母线的电压和频率进行调整。此时变流器运行于直流/交流恒压模式,即用直流电压稳定交流电压。中央控制器对电网侧和母线电压进行测量,计算出电压幅值比和相位差,发出幅值和频率调整指令。直流微电网系统接收调整指令后,对交流电压的幅值和频率进行调整,以使母线电压对电网电压实现追随。在满足同期并网的要求时,系统静态开关KB1闭合,变流器进入待机模式封闭脉冲,然后运行于并网模式[10]。

7 结束语

笔者基于交直流微电网试验平台,设计了一套直流微电网控制系统。与交流微电网控制系统相比,直流微电网控制系统不需要考虑频率及无功功率控制。基于控制系统,直流微电网系统可以运行于并网模式和离网模式,并且能够相互切换,具有一键启动、黑启动、同期并网等功能。所设计的直流微电网控制系统为整个直流微电网项目的建成奠定了基础。