適用于偏遠區(qū)域的一種智能化微電網系統(tǒng)設計

袁元， 張海龍， 徐光福， 朱皓斌， 姚寧

（1.常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州213025；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211102）

0 引 言

邊防、海島等離網地區(qū)仍主要采用傳統(tǒng)的柴油發(fā)電方式，運輸一桶柴油，可能要消耗2～3桶柴油，運輸補給不方便[1]。若建設固定基建式的微電網，則建設周期長、投資大、目標易暴露、容量或大或小，容易導致資源浪費或不夠用。針對以上問題，目前常規(guī)的應對策略均有不同的缺陷。在結構上，雖有部分移動式的光伏、儲能、油機一體化系統(tǒng)，但多集成在車輛底盤上，光伏輸入功率小，不同功率等級或相同功率等級的系統(tǒng)難以并聯(lián)運行[2-4]。在控制策略上，多采用主從控制方式，一旦主機受損，整套系統(tǒng)崩潰[5]；同時主從控制要求儲能有足夠大的容量，投資成本高、移動靈活性差，當并網運行時對微電網原有電壓會產生影響[6]。也有部分系統(tǒng)采用了即插即用[7]、對等控制[8-9]方式，但光伏部分無法達到最大利用效率，無法實現(xiàn)優(yōu)化調度、節(jié)能控制，經濟效益低[6]。

本文結合了微電網主從控制、對等控制的長處，并創(chuàng)造性地提出了協(xié)調控制方式。一旦單一節(jié)點或主機受損，從機可立即競爭成為主機，可快速對受損環(huán)節(jié)實現(xiàn)供電補償；同時主機統(tǒng)一調度各從機，以實現(xiàn)優(yōu)化調度、節(jié)能控制；并將以上各部分分別模塊化設計，可方便運輸及使用，不僅適用于基建式，更適用于半永久式或移動式的場合，真正實現(xiàn)即插即用。將主從控制、對等控制、即插即用、模塊化等四合一。既能滿足特定工況下對能源補給、節(jié)能的嚴格要求，又能擴展直至響應10 kW級到100 kW級的功率需求，為野外、孤島的長期供電提供了一套先進、完美的解決方案[10]。

1 整體概況

單一系統(tǒng)由油機、儲能、光伏等3部分組成，數(shù)量各為1套，可實現(xiàn)最基本的功能。各種不同功率等級、不同規(guī)格的變流器可實現(xiàn)混合并聯(lián)；且3部分之間不一定是1:1:1的關系，如光伏部分可以多配一些，以提高新能源的輸入[11]。本文只討論同一功率等級下的光儲一體機、油機變流器間的并聯(lián)。

1.1 三大部分

各部分均模塊化設計，儲運尺寸相同，貯存、運輸方便。

油機部分由柴油發(fā)動機、永磁發(fā)電機、油機變流器（PCM）、油機控制器（EC）等組成。發(fā)動機為高壓共軌柴油發(fā)動機，發(fā)電機為永磁中頻發(fā)電機，逆變器可提供三相交流工頻電源，具備并聯(lián)功能。

儲能部分包括電池、光儲一體機（PCS）、協(xié)調控制器（HC）、空調、消防系統(tǒng)?？照{系統(tǒng)用于給電池低溫啟機，并為電池長期工作提供一個恒定的溫度。光儲一體機可通過市電、光伏、油機對電池充電，反之電池也可對外輸出電能。

光伏部分是對油機部分發(fā)電的有益補充，可顯著降低供電油耗，由光伏板、光伏支撐機構組成。為簡化布線及匯流箱、PCS的結構，一套光伏部分的各光伏支路匯流到匯流箱后，母線為一路輸出[12]。

1.2 單一系統(tǒng)架構

HC和電池的BMS之間采用MODBUS通信。高壓共軌柴油發(fā)動機為電噴機，發(fā)動機控制器與PCM之間采用CAN通信。HC、EC、PCS、PCM之間采用另一路CAN通信。動力線通過外置的配電柜匯合，分流至各路負荷。

圖1 單一系統(tǒng)架構

1.3 主從機概念

協(xié)調控制策略下的主從機與主從控制時的主從機概念不同。HC、EC均可以是主機或從機。

主機：控制器只需要能獲取地址，就可以競爭主機。主機的任務：搜集網絡中所有PCS、PCM、EC、HC的信息，構建各在線設備的網絡表；不在線的設備按默認值構建網絡表。向總線發(fā)送網絡表，監(jiān)測從機的在線狀態(tài)，根據控制策略調度從機。

從機（備機）：除了主機以外的已獲取地址設備，也稱為備機。從機的任務為搜集并存儲主機發(fā)送的網絡表信息，而不直接搜集其它機的信息；監(jiān)測主機的在線狀態(tài)并執(zhí)行主機的調度。

2 控制器、變流器功能

2.1 HC功能

HC為主機時搜集系統(tǒng)內各儲能部分、油機部分的運行狀態(tài)，根據控制策略對所有部分進行控制。HC為從機時，則根據主機的指令，僅控制本部分的PCS。HC對PCS、PCM的控制指令包括啟動逆變狀態(tài)、停止，以及設置PCS、PCM各狀態(tài)下的運行參數(shù)，如逆變輸出功率、充電功率、電池保護點等。

HC還用于搜集電池系統(tǒng)BMS的信息，實時向PCS發(fā)送電池荷電狀態(tài)，由PCS進行電池的基本兜底管理；并能根據電池狀態(tài)改變PCS的運行狀態(tài)，進一步實現(xiàn)電池的精細化管理。同時能通過與液晶顯示屏HMI的通信，由HMI顯示儲能部分的運行信息[13]。

2.2 EC功能

EC為主機時，搜集系統(tǒng)內各儲能部分、油機部分運行狀態(tài)，根據控制策略對所有部分進行控制。EC為從機時，根據主機的指令，僅控制本部分的PCM，包括啟動逆變狀態(tài)、停止等。還能通過與HMI的通信，由HMI顯示油機部分的運行信息。

2.3 PCS功能

PCS執(zhí)行HC的控制指令，上傳數(shù)據給HC、EC，滿足本地及遠程控制的需要。工作狀態(tài)有逆變狀態(tài)、充電狀態(tài)、停止?？蓪崿F(xiàn)光伏、市電、電池等多能源輸入向逆變輸出的功率變換，以及實現(xiàn)光伏、市電、油機對電池的充電，還可與其它PCS、PCM并聯(lián)。PCS上有多路光伏輸入的接口，使得一套儲能部分可以同時接入多套光伏部分發(fā)的電。當PCS檢測到市電符合同期并網條件時，即閉合旁路開關直接接入交流母線[14]。

2.4 PCM功能

PCM執(zhí)行EC的控制指令，上傳數(shù)據給EC，滿足本地及遠程控制的需要。工作狀態(tài)有啟動逆變狀態(tài)、停止。可實現(xiàn)中頻交流電向工頻逆變輸出的功率變換，以及與其它PCS、PCM的并聯(lián)。

2.5 變流器總體方案

變流器主要包括一根直流母線和一根交流母線。市電升壓模塊、光伏升壓模塊與儲能電池充放電模塊共用直流母線。市電有兩種接入方式：1）當系統(tǒng)先建立電壓與相位、后獲得市電或者市電斷電又重新接入時，系統(tǒng)對市電進行檢測，當檢測到市電符合同期并網條件時即閉合旁路開關將市電直接接入交流母線；2）當不符合同期并網條件時，市電通過市電升壓模塊接入直流母線，再通過逆變模塊接入交流母線。光伏部分輸出到光伏升壓模塊后連接到直流母線上，儲能電池經電池充放電模塊后連接到直流母線上。上述直流母線經雙向整流逆變模塊連接到交流母線上。當并聯(lián)運行時，油機經過獨立的逆變模塊后也連接到交流母線上。油機部分也可以直接對設備供電，并可以通過交流母線連接到直流母線上對電池進行充電，適應不同工作場景。變流器總體方案如圖2所示。

圖2 變流器總體方案

3 系統(tǒng)控制策略

3.1 典型并聯(lián)系統(tǒng)架構

典型網絡拓撲結構由HC、PCS、EC、PCM各2套組成，即兩個微電網單一系統(tǒng)組成，采用CAN總線和動力線連接，動力線通過外部的配電柜進行中轉。實際HC、PCS和EC、PCM入網數(shù)量可為多套，且不一定是1:1的關系，如系統(tǒng)可以僅由HC、PCS組成。典型并聯(lián)系統(tǒng)架構如圖3所示。

圖3 典型并聯(lián)系統(tǒng)架構

3.2 主從機主權競爭

首套上電的EC或HC為主機。主機可以關閉自身的變流器，關閉后自動放棄主機。當主機持續(xù)一段時間未收到某一從機的通信時，認為該從機丟失，將其網絡表改為默認狀態(tài)。當從機持續(xù)一段時間未收到主機的通信時，認為主機丟失，將其網絡表改為默認狀態(tài)。當網絡表中的設備都為從機時視為主機丟失，在線設備競爭成為主機。

3.3 一般模式

一般模式包括強力模式、經濟模式、靜音模式。經濟模式及靜音模式主要用于優(yōu)化調度和節(jié)能控制。該功能僅主機激活，通過主機控制從機。

1）強力模式。所有在網儲能部分、油機部分置于啟動或開機狀態(tài)，均并聯(lián)運行，具有最佳負載保障能力。

2）經濟模式。僅一套或幾套在網儲能部分置于啟動或開機狀態(tài)，其余儲能部分、油機部分只完成上電模式設置，不作其它操作，具有智能化、節(jié)油的特點。

3）靜音模式。所有在網油機部分置于停止狀態(tài)或直接斷電，而儲能部分處于運行狀態(tài)。此時，所有油機部分將不能被啟動，儲能部分并聯(lián)運行，具有靜音、防偵能力[15]。

油機部分和儲能部分均有一般模式。當首套上電的是儲能部分時，通過控制面板上的把手觸發(fā)啟動流程，HC向PCS發(fā)開機報文；當PCS收到CAN報文后啟動，轉為待供狀態(tài)。HC檢測到PCS待供后，向其發(fā)送合閘報文；PCS收到合閘指令后合閘帶載運行。工作時，HC通過CAN給PCS、PCM發(fā)帶載運行指令，HC、EC通過CAN共享光伏、市電、儲能、油機各路運行信息。若首套上電的是油機部分，也類似上述的過程。

3.4 充電模式

僅儲能部分有充電模式。充電模式需要判斷當前儲能是否具備充電條件，不滿足充電條件的情況有無其它電源、系統(tǒng)已經過載等。若不具備充電條件，則報警終止流程。若具備充電條件，HC向PCS發(fā)送充電狀態(tài)啟機指令，PCS收到指令后啟動并合閘充電。

3.5 應急模式

油機部分和儲能部分均有應急模式，應急模式主要用于緊急情況下，必須輸出功率，因此應急模式不再依賴通信。應急模式下，通過面板旋鈕的硬接點啟動PCS，HC和PCS之間不再互相發(fā)送報文。油機部分也類似。

3.6 關機模式

關機模式包括急停模式和全停模式，油機部分和儲能部分均有關機模式。急停模式主要針對柴油機的急停操作，區(qū)別于傳統(tǒng)的先卸載再停柴油機的方式。急停模式下，直接停止柴油機，用于柴油機有異常的運行工況下。全停模式主要用于系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要快速停止所有設備時。在任意設備上按全停模式，整個系統(tǒng)所有設備均停機。

4 實況演練

某次野外演練，單一系統(tǒng)運行，由油機、儲能、光伏等3部分組成，數(shù)量各為1套。環(huán)境為離網無市電、儲能SOC儲備較高、有光伏輸入，記錄時間段為7:30—18:30。

4.1 儲能單機運行

早上，儲能部分先上電開機，按3.2節(jié)的“主從機主權競爭”原則成為主機，網絡編號為005。此時油機還未接入，在線設備數(shù)量為1。由于有光伏輸入，無負載，儲能部分為待供狀態(tài)，按3.4節(jié)的“充電模式”運行。此時光伏輸入功率為4 kW，對儲能電池充電，由于顯示精度、零漂、損耗等原因，顯示電池充電功率為-3 kW（實際接近4 kW），儲能電池SOC為82%?！?”為電流的方向，含義為電池處于充電狀態(tài)；如果不帶符號，則含義為電池處于輸出狀態(tài)。

圖4 儲能部分單機充電界面

4.2 單一系統(tǒng)運行

隨后，油機部分開機并接入負載。按3.2節(jié)的“主從機主權競爭”原則，油機部分成為從機（備機）。此時有2臺在線設備，設備網絡編號為儲能部分005、油機部分006。接著，按3.3節(jié)的“一般模式”運行。由于負載較小，約7.1 kW，儲能部分狀態(tài)為逆變帶載輸出，油機部分狀態(tài)為待供。

此時光伏輸入仍為4 kW，不足以供應負載；儲能部分提供3.1 kW的輸出，儲能和光伏合力帶載。使用一段時間后，儲能電池SOC由82%降為81%。油機部分按滿功率運行的續(xù)航時間為5.7 h。

傍晚時負載斷開。按3.3節(jié)的“一般模式”，儲能部分由輸出狀態(tài)改為待供狀態(tài)，仍為2臺在線設備。此時光伏輸入功率下降為1.4 kW，系統(tǒng)按3.4節(jié)的“充電模式”繼續(xù)對儲能電池充電，由于顯示精度、零漂、損耗等原因，顯示電池充電功率為-0.9 kW。由于中午照度提高，光伏輸入增加及負載變化原因，一天下來，儲能電池SOC由82%增加至85%。

圖5 主機帶載輸出界面

圖6 從機（備機）待供界面

圖7 單一系統(tǒng)充電界面

5 結 論

傳統(tǒng)野外供電能源補給困難、利用效率不高，而且污染環(huán)境、噪聲大、隱蔽性差，影響人們健康與休息，也浪費了自然資源。本微電網是為緩解離網條件下供電的油料保障問題而使用的一種新型裝備，可用于野外、孤島、海水淡化等場合的長期、移動式的中大功率供電。系統(tǒng)各部分有多種組合方式，可按不同配比使用，各分機控制器可競爭成為主機，使用方便靈活，非常適合部署在上述離網地區(qū)[16]。