微電網示范案例的控制策略

趙亮亮，趙瑞霞，滕 飛，李 江

(中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司，北京 100011)

0 引言

我國碳達峰-碳中和的戰(zhàn)略目標背景下，風力發(fā)電和光伏發(fā)電作為綠色電力，因選址靈活、布置便利、度電成本越來越低等特點，相對于其他綠色電力更具競爭力和適應性。為此，本文以某集團整合的多能源微電網示范項目為例進行分析，以供參考。

某集團多能源系統(tǒng)示范項目利用北京某地會議中心的屋面布置了風力發(fā)電機和光伏板，將鍋爐房二層的換熱間改造成儲能裝置和多能源監(jiān)控設施的中央控制室，并在酒店禮堂內布置了數(shù)據(jù)顯示屏?？紤]到產品整合、示范效果、實地選址以及氣象資源等綜合因素，微電網示范項目最終規(guī)模確定為4臺5kW水平軸風力發(fā)電機、20kW光伏發(fā)電系統(tǒng)、40kW(3h)儲能單元、10kW基本用電負載和30kW可變負載。

1 微電網的控制系統(tǒng)設計

1.1 控制系統(tǒng)架構

微電網的總配電柜(架構圖參見圖1)匯集了風力發(fā)電機進線、光伏發(fā)電進線、40kW(3h)鋰電儲能系統(tǒng)進線、10kW基本負載饋線、30kW可調負載饋線以及與市政電網相連的總開關。其中，10kW基本負載包括澡水循環(huán)泵、照明及空調、設備控制電源。30kW可調負載由可控硅調控器控制鍋爐水箱的電加熱器承擔。鍋爐間二層的中央控制室內布置了光伏逆變器、總配電柜、儲能系統(tǒng)、PLC中央控制柜等重要設備。風力發(fā)電機控制箱和風機匯電箱在會議中心的樓頂，在樓頂處設置了遠端IO箱。

圖1 中央PLC架構圖

為了實現(xiàn)微電網的監(jiān)控，控制系統(tǒng)分三種形式與重要設備進行控制、測量、保護或報警信息等數(shù)據(jù)交換。控制系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分類和處理后，將信息分別展示在中央PLC的HMI和展廳的大屏幕上。

(1)中央PLC通過Modbus-TCP與儲能系統(tǒng)的PCS模塊相連，通過Modbus與BMS模塊和光伏逆變器相連，遠端IO通過Modbus與風力發(fā)電機的控制器相連，通過通訊方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

(2)中央PLC通過硬接線與總配電柜的斷路器、接觸器控制回路相連，遠端IO通過硬接線與風機匯電柜的微型斷路器控制回路相連，從而實現(xiàn)對主電路和熱水循環(huán)泵的啟?？刂?。

(3)中央PLC和遠端IO通過Modbus與風機匯電柜、總配電柜的多功能儀表進行通訊，對電流、電壓、功率、電量進行采集。圖2所示為PLC數(shù)據(jù)交換和信息傳遞示意圖。

圖2 PLC數(shù)據(jù)交換和信息傳遞示意圖

1.2 光伏逆變器和風機控制器的控制

圖1中的光伏逆變器的直流輸入端由直流輸入，輸出端連接至交流電網。光伏逆變器并網發(fā)電并網過程如下：(1)合上交流側斷路器和直流側斷路器，逆變器進入啟動中狀態(tài)；(2)當直流輸入電壓超過220V維持1min，逆變器準備并網；(3)逆變器進行并網前的自檢，不斷檢測光伏陣列是否有足夠的能量進行并網發(fā)電等，直到確認滿足并網工作所需的所有條件后，開始連接電網，進入并網發(fā)電狀態(tài)；(4)并網發(fā)電過程中，逆變器以最大功率跟蹤(MPPT)方式使光伏陣列輸出的能量最大。

并網逆變器的脫離電網過程與并網發(fā)電過程一樣，光伏逆變器發(fā)現(xiàn)并網運行條件不滿足時，則進入孤網狀態(tài)。

1.3 儲能系統(tǒng)PCS的控制

雙向變流器(PCS)是實現(xiàn)交直流電能雙向變換連接的裝置，在微電網中有著重要作用。當處于微電網能量管控時，能實現(xiàn)對電網負荷的“削峰填谷”和快速的二次調頻；當電網需要補充無功時，能作為配網靜止無功發(fā)生器使用，提供無功功率支撐；當與就地負荷和間歇式分布式能源(風電、光伏)組成微電網時，能夠為微電網內的負荷提供穩(wěn)定的電壓和頻率。雙向變流器(PCS)具備保護變流器及電池安全的功能、具備自檢功能、具備通訊接口便于接入監(jiān)控系統(tǒng)或者外部的控制系統(tǒng)；提供調試軟件能完成故障錄波、定值整定、開入開出測試。圖3所示為PCS雙向變流原理圖。

圖3 PCS雙向變流與原理圖

(1)PCS并網運行

第1步，遙控合閘交流斷路器。如電池狀態(tài)正常，繼續(xù)下步操作；第2步，遙控“信號復歸”， 無“故障指示”；第3步，遙控“變流器”的功率設定，下發(fā)需要的功率值。正為放電、負為充電；第4步，遙控“變流器待機(熱備)”，15s后，遙測查看，接觸器是否在合位。如在合位，繼續(xù)下一步；第5步，遙控“變流器并網啟動”，PCS按第3步下發(fā)的功率值進行并充放電；第6步，此時如需改變功率大小及充放電方式，只需執(zhí)行第3步即可。

(2)PCS孤網運行

第1步，遙控合閘交流斷路器。如電池狀態(tài)正常，繼續(xù)下步操作；第2步，遙控“信號復歸”， 無“故障指示”；第3步，遙控“變流器待機(熱備)”，15s后，遙測查看，接觸器是否在合位。如在合位，繼續(xù)下一步；第4步，遙控“變流器孤網啟動”；第5步，檢查PCS電壓三相電壓是否正常，如正常，PCS孤網啟動正常；第6步，隨后PCS依據(jù)孤網能夠帶載情況，對電池進行充電或放電，功率依據(jù)孤網的負載而定。

(3)PCS并網與孤網的轉換

第1步，遙控“變流器待機(熱備)”，此時PCS停止工作；第2步，遙控“變流器并網啟動”或者“變流器孤網啟動”；第3步，如果此時為變流器并網運行，則遙控功率設定，下發(fā)需要的功率值。正為放電、負為充電。

(4)PCS停機的三種情況

第1種，當系統(tǒng)運行正常，只停止對電池充放電操作或孤網運行操作，可遙控“變流器待機”，此時PCS停止工作，但斷路器仍處于合位。第2種，遙控“變流器停機”則進行PCS停機操作，PCS停止運行，儲能系統(tǒng)內的所有斷路器完成分閘操作；要5min后再進行PCS相關操作。第3種，如發(fā)生緊急情況，遙控“急?！?，PCS停止運行，所有斷路器進行分操作。停機后，要5min后再進行PCS相關操作。

1.4 斷路器和接觸器的控制

總配電柜和風機匯電柜的塑殼斷路器和微型斷路器，分別采用MT模塊和RCA模塊實現(xiàn)PLC的常保持信號實現(xiàn)斷路器的分合閘操作，控制原理圖見圖4～5。

圖4 RCA控制原理圖

圖5 MT控制原理圖

RCA和MT的控制回路，均采用的是220V交流控制。為了保證主電路失去電力的情況，仍然能夠對主電路進行監(jiān)視和控制，控制回路采用UPS供電進行供電。相對于斷路器的遠方操控，電動機控制原理相對比較傳統(tǒng)，也同樣采用PLC的常保持觸點實現(xiàn)電動機的啟?？刂?，如圖6所示。

圖6 電動機控制原理圖

2 微電網的控制策略和邏輯

2.1 微電網的運行模式

考慮到該微電網以孤網運行為主的特點，控制系統(tǒng)按自動和手動兩種模式進行編程，運行時以自動模式為主。

(1)自動模式

1)孤網運行的條件。當處于并網模式的系統(tǒng)運行狀況變化至“鋰電池電量大于等于80%(SOC>=80%)且鋰電池單體最低電壓大于等于3.2V(BMS_LV>=3.2V)。”滿足此條件，微電網系統(tǒng)切換到孤網模式下運行。

2)并網運行條件。當處于孤網模式的系統(tǒng)運行狀況變化至以下三種任意狀態(tài)時，系統(tǒng)切換至并網模式下運行：第1種狀態(tài)，鋰電池電量小于等于35%(SOC<=35%)且發(fā)電設備輸出功率小于等于3kW；第2種狀態(tài)，鋰電池單體最低電壓小于等于2.9v(BMS_LV<=2.9V)且鋰電池電量小于等于50%(SOC<=50%)，狀態(tài)存在15S；第3種狀態(tài)，鋰電池SOC小于等于30%。

(2)手動模式

運行模式通過中央PLC控制柜的開關手動轉換至手動模式位置時，系統(tǒng)中風機、光伏、電機的斷路器、熱電阻功率控制器、儀器儀表等均在控制、調節(jié)、監(jiān)視和測量之中。

2.2 控制策略和邏輯

控制總策略的基本原則是最大限度利用風光的綠色能源，具體是：系統(tǒng)開始啟動時，先給鋰電池系統(tǒng)充電。充滿后，切斷市電。當風光條件好時，風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)先后同期并入微電網，向基本負載供電，同時向鋰電池充電儲能；理電池能量充足可以對負載供電時，由微電網系統(tǒng)向可調負載供電。當風光條件不好時，切斷發(fā)電系統(tǒng)或保持發(fā)電系統(tǒng)處于孤網狀態(tài)，鋰電池放電向基本負載供電。當放電至電池下限時，將基本負載轉由大電網供電。根據(jù)微電網的運行模式以及控制總策略，該系統(tǒng)整個發(fā)電控制流程如圖7所示。

圖7 控制邏輯方框圖

第1步，開機后自動運行并網充電，先以5kW功率充5min，然后以20kW功率充電；第2步，充電到電池電量到80%且單體最低電壓達到3.2V后，PCS停止充電，待機，切斷市電，母線無電，光伏和風機停止發(fā)電，PLC和PCS控制系統(tǒng)靠儲能系統(tǒng)中的小容量UPS維持；第3步，PCS孤網運行啟動，母線帶電，光伏逆變器和風機啟動，系統(tǒng)在孤網運行(若發(fā)電量充足則開啟水箱加熱器：電池電量90%時，全開加熱器；電量50%時，關加熱器；50%～90%之間，減去3kW用于充電，其余開加熱器)；第4步，系統(tǒng)孤網運行，電量降低30%或單體最低電壓降到2.9V時，PCS待機，母線無電，光伏和風機停止發(fā)電，其他設備靠UPS維持；第5步，接通市電，母線帶電，光伏和風機啟動，PCS并網啟動，自動運行第一步，開始循環(huán)。

整個控制方案的具體實現(xiàn)由PLC控制系統(tǒng)完成，PLC系統(tǒng)通過通訊對風力發(fā)電機系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)中的PCS一級負荷側配電系統(tǒng)進行控制、監(jiān)視和測量，通過硬接線與風機匯流柜和負荷側配電柜進行控制和監(jiān)視。控制系統(tǒng)可以對微電網系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，并將系統(tǒng)的運行信息數(shù)據(jù)通過大屏幕展示給參觀者。

3 240h試運行曲線及控制分析

現(xiàn)以階段2為例，即5月25日中午12∶00至6月4日中午12∶00，共計240h,監(jiān)控系統(tǒng)按每隔3min進行采樣，現(xiàn)將數(shù)據(jù)按1.45h為間隔，提取165個采樣點繪制出圖5的240h試運行期間運行曲線。圖5中橫軸為采樣點，主縱軸為采樣數(shù)據(jù)(注：鋸齒型時間曲線，鋸齒底為0點，鋸齒頂為23∶00，24∶00中取了15個點)。

圖9 240h試運行期間運行曲線

通過240h試運行曲線，結合微電網的控制策略，可分析到如下幾點。

(1)試運行中，鋰電池儲能系統(tǒng)總共兩次并入市政電網，分別是在第113個采樣點(B點)和第164個采樣點(C點)。這兩次均是由于鋰電池的電池電量≤35%且發(fā)電設備輸出功率≤3kW，系統(tǒng)自動切換至并網模式，由市電為儲能系統(tǒng)充電并為微電網內的負載供電。當鋰電池的電池電量≥80%且鋰電池單體最低電壓≥3.1V時，微電網系統(tǒng)再次切換至孤網運行。

(2)試運行中，鋰電池儲能在第1次充電之前，盡管風光發(fā)電單元能正常運行，但鋰電池儲能系統(tǒng)的電量仍呈下降趨勢。即使不遇到第90個采樣點的陰天，鋰電池最終也需要市電進行充電。這說明風光系統(tǒng)為儲能系統(tǒng)提供的最低3kW的充電保證偏小或者充電的策略需要改變。

3)試運行中，儲能系統(tǒng)的單電池溫度控制在24℃～27℃之間，單電池的最高和最低電壓也在3.4～3.8V之間的充放電狀態(tài)之中，屬于正常工作狀態(tài)。

4 結束語