適用于偏遠(yuǎn)區(qū)域的一種智能化微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁元， 張海龍， 徐光福， 朱皓斌， 姚寧

（1.常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)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(wǎng)地區(qū)仍主要采用傳統(tǒng)的柴油發(fā)電方式，運(yùn)輸一桶柴油，可能要消耗2～3桶柴油，運(yùn)輸補(bǔ)給不方便[1]。若建設(shè)固定基建式的微電網(wǎng)，則建設(shè)周期長(zhǎng)、投資大、目標(biāo)易暴露、容量或大或小，容易導(dǎo)致資源浪費(fèi)或不夠用。針對(duì)以上問(wèn)題，目前常規(guī)的應(yīng)對(duì)策略均有不同的缺陷。在結(jié)構(gòu)上，雖有部分移動(dòng)式的光伏、儲(chǔ)能、油機(jī)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(jí)或相同功率等級(jí)的系統(tǒng)難以并聯(lián)運(yùn)行[2-4]。在控制策略上，多采用主從控制方式，一旦主機(jī)受損，整套系統(tǒng)崩潰[5]；同時(shí)主從控制要求儲(chǔ)能有足夠大的容量，投資成本高、移動(dòng)靈活性差，當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)對(duì)微電網(wǎng)原有電壓會(huì)產(chǎn)生影響[6]。也有部分系統(tǒng)采用了即插即用[7]、對(duì)等控制[8-9]方式，但光伏部分無(wú)法達(dá)到最大利用效率，無(wú)法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度、節(jié)能控制，經(jīng)濟(jì)效益低[6]。

本文結(jié)合了微電網(wǎng)主從控制、對(duì)等控制的長(zhǎng)處，并創(chuàng)造性地提出了協(xié)調(diào)控制方式。一旦單一節(jié)點(diǎn)或主機(jī)受損，從機(jī)可立即競(jìng)爭(zhēng)成為主機(jī)，可快速對(duì)受損環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)供電補(bǔ)償；同時(shí)主機(jī)統(tǒng)一調(diào)度各從機(jī)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度、節(jié)能控制；并將以上各部分分別模塊化設(shè)計(jì)，可方便運(yùn)輸及使用，不僅適用于基建式，更適用于半永久式或移動(dòng)式的場(chǎng)合，真正實(shí)現(xiàn)即插即用。將主從控制、對(duì)等控制、即插即用、模塊化等四合一。既能滿足特定工況下對(duì)能源補(bǔ)給、節(jié)能的嚴(yán)格要求，又能擴(kuò)展直至響應(yīng)10 kW級(jí)到100 kW級(jí)的功率需求，為野外、孤島的長(zhǎng)期供電提供了一套先進(jìn)、完美的解決方案[10]。

1 整體概況

單一系統(tǒng)由油機(jī)、儲(chǔ)能、光伏等3部分組成，數(shù)量各為1套，可實(shí)現(xiàn)最基本的功能。各種不同功率等級(jí)、不同規(guī)格的變流器可實(shí)現(xiàn)混合并聯(lián)；且3部分之間不一定是1:1:1的關(guān)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(jí)下的光儲(chǔ)一體機(jī)、油機(jī)變流器間的并聯(lián)。

1.1 三大部分

各部分均模塊化設(shè)計(jì)，儲(chǔ)運(yùn)尺寸相同，貯存、運(yùn)輸方便。

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

儲(chǔ)能部分包括電池、光儲(chǔ)一體機(jī)（PCS）、協(xié)調(diào)控制器（HC）、空調(diào)、消防系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)用于給電池低溫啟機(jī)，并為電池長(zhǎng)期工作提供一個(gè)恒定的溫度。光儲(chǔ)一體機(jī)可通過(guò)市電、光伏、油機(jī)對(duì)電池充電，反之電池也可對(duì)外輸出電能。

光伏部分是對(duì)油機(jī)部分發(fā)電的有益補(bǔ)充，可顯著降低供電油耗，由光伏板、光伏支撐機(jī)構(gòu)組成。為簡(jiǎn)化布線及匯流箱、PCS的結(jié)構(gòu)，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(gòu)

HC和電池的BMS之間采用MODBUS通信。高壓共軌柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為電噴機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力線通過(guò)外置的配電柜匯合，分流至各路負(fù)荷。

圖1 單一系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 主從機(jī)概念

協(xié)調(diào)控制策略下的主從機(jī)與主從控制時(shí)的主從機(jī)概念不同。HC、EC均可以是主機(jī)或從機(jī)。

主機(jī)：控制器只需要能獲取地址，就可以競(jìng)爭(zhēng)主機(jī)。主機(jī)的任務(wù)：搜集網(wǎng)絡(luò)中所有PCS、PCM、EC、HC的信息，構(gòu)建各在線設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)表；不在線的設(shè)備按默認(rèn)值構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)表。向總線發(fā)送網(wǎng)絡(luò)表，監(jiān)測(cè)從機(jī)的在線狀態(tài)，根據(jù)控制策略調(diào)度從機(jī)。

從機(jī)（備機(jī)）：除了主機(jī)以外的已獲取地址設(shè)備，也稱為備機(jī)。從機(jī)的任務(wù)為搜集并存儲(chǔ)主機(jī)發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)表信息，而不直接搜集其它機(jī)的信息；監(jiān)測(cè)主機(jī)的在線狀態(tài)并執(zhí)行主機(jī)的調(diào)度。

2 控制器、變流器功能

2.1 HC功能

HC為主機(jī)時(shí)搜集系統(tǒng)內(nèi)各儲(chǔ)能部分、油機(jī)部分的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)控制策略對(duì)所有部分進(jìn)行控制。HC為從機(jī)時(shí)，則根據(jù)主機(jī)的指令，僅控制本部分的PCS。HC對(duì)PCS、PCM的控制指令包括啟動(dòng)逆變狀態(tài)、停止，以及設(shè)置PCS、PCM各狀態(tài)下的運(yùn)行參數(shù)，如逆變輸出功率、充電功率、電池保護(hù)點(diǎn)等。

HC還用于搜集電池系統(tǒng)BMS的信息，實(shí)時(shí)向PCS發(fā)送電池荷電狀態(tài)，由PCS進(jìn)行電池的基本兜底管理；并能根據(jù)電池狀態(tài)改變PCS的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電池的精細(xì)化管理。同時(shí)能通過(guò)與液晶顯示屏HMI的通信，由HMI顯示儲(chǔ)能部分的運(yùn)行信息[13]。

2.2 EC功能

EC為主機(jī)時(shí)，搜集系統(tǒng)內(nèi)各儲(chǔ)能部分、油機(jī)部分運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)控制策略對(duì)所有部分進(jìn)行控制。EC為從機(jī)時(shí)，根據(jù)主機(jī)的指令，僅控制本部分的PCM，包括啟動(dòng)逆變狀態(tài)、停止等。還能通過(guò)與HMI的通信，由HMI顯示油機(jī)部分的運(yùn)行信息。

2.3 PCS功能

PCS執(zhí)行HC的控制指令，上傳數(shù)據(jù)給HC、EC，滿足本地及遠(yuǎn)程控制的需要。工作狀態(tài)有逆變狀態(tài)、充電狀態(tài)、停止。可實(shí)現(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(shí)現(xiàn)光伏、市電、油機(jī)對(duì)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(chǔ)能部分可以同時(shí)接入多套光伏部分發(fā)的電。當(dāng)PCS檢測(cè)到市電符合同期并網(wǎng)條件時(shí)，即閉合旁路開(kāi)關(guān)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(jù)給EC，滿足本地及遠(yuǎn)程控制的需要。工作狀態(tài)有啟動(dòng)逆變狀態(tài)、停止。可實(shí)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(chǔ)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(dāng)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(shí)，系統(tǒng)對(duì)市電進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到市電符合同期并網(wǎng)條件時(shí)即閉合旁路開(kāi)關(guān)將市電直接接入交流母線；2）當(dāng)不符合同期并網(wǎng)條件時(shí)，市電通過(guò)市電升壓模塊接入直流母線，再通過(guò)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(chǔ)能電池經(jīng)電池充放電模塊后連接到直流母線上。上述直流母線經(jīng)雙向整流逆變模塊連接到交流母線上。當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，油機(jī)經(jīng)過(guò)獨(dú)立的逆變模塊后也連接到交流母線上。油機(jī)部分也可以直接對(duì)設(shè)備供電，并可以通過(guò)交流母線連接到直流母線上對(duì)電池進(jìn)行充電，適應(yīng)不同工作場(chǎng)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(gòu)

典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由HC、PCS、EC、PCM各2套組成，即兩個(gè)微電網(wǎng)單一系統(tǒng)組成，采用CAN總線和動(dòng)力線連接，動(dòng)力線通過(guò)外部的配電柜進(jìn)行中轉(zhuǎn)。實(shí)際HC、PCS和EC、PCM入網(wǎng)數(shù)量可為多套，且不一定是1:1的關(guān)系，如系統(tǒng)可以僅由HC、PCS組成。典型并聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 典型并聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 主從機(jī)主權(quán)競(jìng)爭(zhēng)

首套上電的EC或HC為主機(jī)。主機(jī)可以關(guān)閉自身的變流器，關(guān)閉后自動(dòng)放棄主機(jī)。當(dāng)主機(jī)持續(xù)一段時(shí)間未收到某一從機(jī)的通信時(shí)，認(rèn)為該從機(jī)丟失，將其網(wǎng)絡(luò)表改為默認(rèn)狀態(tài)。當(dāng)從機(jī)持續(xù)一段時(shí)間未收到主機(jī)的通信時(shí)，認(rèn)為主機(jī)丟失，將其網(wǎng)絡(luò)表改為默認(rèn)狀態(tài)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)表中的設(shè)備都為從機(jī)時(shí)視為主機(jī)丟失，在線設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)成為主機(jī)。

3.3 一般模式

一般模式包括強(qiáng)力模式、經(jīng)濟(jì)模式、靜音模式。經(jīng)濟(jì)模式及靜音模式主要用于優(yōu)化調(diào)度和節(jié)能控制。該功能僅主機(jī)激活，通過(guò)主機(jī)控制從機(jī)。

1）強(qiáng)力模式。所有在網(wǎng)儲(chǔ)能部分、油機(jī)部分置于啟動(dòng)或開(kāi)機(jī)狀態(tài)，均并聯(lián)運(yùn)行，具有最佳負(fù)載保障能力。

2）經(jīng)濟(jì)模式。僅一套或幾套在網(wǎng)儲(chǔ)能部分置于啟動(dòng)或開(kāi)機(jī)狀態(tài)，其余儲(chǔ)能部分、油機(jī)部分只完成上電模式設(shè)置，不作其它操作，具有智能化、節(jié)油的特點(diǎn)。

3）靜音模式。所有在網(wǎng)油機(jī)部分置于停止?fàn)顟B(tài)或直接斷電，而儲(chǔ)能部分處于運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，所有油機(jī)部分將不能被啟動(dòng)，儲(chǔ)能部分并聯(lián)運(yùn)行，具有靜音、防偵能力[15]。

油機(jī)部分和儲(chǔ)能部分均有一般模式。當(dāng)首套上電的是儲(chǔ)能部分時(shí)，通過(guò)控制面板上的把手觸發(fā)啟動(dòng)流程，HC向PCS發(fā)開(kāi)機(jī)報(bào)文；當(dāng)PCS收到CAN報(bào)文后啟動(dòng)，轉(zhuǎn)為待供狀態(tài)。HC檢測(cè)到PCS待供后，向其發(fā)送合閘報(bào)文；PCS收到合閘指令后合閘帶載運(yùn)行。工作時(shí)，HC通過(guò)CAN給PCS、PCM發(fā)帶載運(yùn)行指令，HC、EC通過(guò)CAN共享光伏、市電、儲(chǔ)能、油機(jī)各路運(yùn)行信息。若首套上電的是油機(jī)部分，也類似上述的過(guò)程。

3.4 充電模式

僅儲(chǔ)能部分有充電模式。充電模式需要判斷當(dāng)前儲(chǔ)能是否具備充電條件，不滿足充電條件的情況有無(wú)其它電源、系統(tǒng)已經(jīng)過(guò)載等。若不具備充電條件，則報(bào)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(jī)指令，PCS收到指令后啟動(dòng)并合閘充電。

3.5 應(yīng)急模式

油機(jī)部分和儲(chǔ)能部分均有應(yīng)急模式，應(yīng)急模式主要用于緊急情況下，必須輸出功率，因此應(yīng)急模式不再依賴通信。應(yīng)急模式下，通過(guò)面板旋鈕的硬接點(diǎn)啟動(dòng)PCS，HC和PCS之間不再互相發(fā)送報(bào)文。油機(jī)部分也類似。

3.6 關(guān)機(jī)模式

關(guān)機(jī)模式包括急停模式和全停模式，油機(jī)部分和儲(chǔ)能部分均有關(guān)機(jī)模式。急停模式主要針對(duì)柴油機(jī)的急停操作，區(qū)別于傳統(tǒng)的先卸載再停柴油機(jī)的方式。急停模式下，直接停止柴油機(jī)，用于柴油機(jī)有異常的運(yùn)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(shè)備時(shí)。在任意設(shè)備上按全停模式，整個(gè)系統(tǒng)所有設(shè)備均停機(jī)。

4 實(shí)況演練

某次野外演練，單一系統(tǒng)運(yùn)行，由油機(jī)、儲(chǔ)能、光伏等3部分組成，數(shù)量各為1套。環(huán)境為離網(wǎng)無(wú)市電、儲(chǔ)能SOC儲(chǔ)備較高、有光伏輸入，記錄時(shí)間段為7:30—18:30。

4.1 儲(chǔ)能單機(jī)運(yùn)行

早上，儲(chǔ)能部分先上電開(kāi)機(jī)，按3.2節(jié)的“主從機(jī)主權(quán)競(jìng)爭(zhēng)”原則成為主機(jī)，網(wǎng)絡(luò)編號(hào)為005。此時(shí)油機(jī)還未接入，在線設(shè)備數(shù)量為1。由于有光伏輸入，無(wú)負(fù)載，儲(chǔ)能部分為待供狀態(tài)，按3.4節(jié)的“充電模式”運(yùn)行。此時(shí)光伏輸入功率為4 kW，對(duì)儲(chǔ)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(shí)際接近4 kW），儲(chǔ)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(hào)，則含義為電池處于輸出狀態(tài)。

圖4 儲(chǔ)能部分單機(jī)充電界面

4.2 單一系統(tǒng)運(yùn)行

隨后，油機(jī)部分開(kāi)機(jī)并接入負(fù)載。按3.2節(jié)的“主從機(jī)主權(quán)競(jìng)爭(zhēng)”原則，油機(jī)部分成為從機(jī)（備機(jī)）。此時(shí)有2臺(tái)在線設(shè)備，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)編號(hào)為儲(chǔ)能部分005、油機(jī)部分006。接著，按3.3節(jié)的“一般模式”運(yùn)行。由于負(fù)載較小，約7.1 kW，儲(chǔ)能部分狀態(tài)為逆變帶載輸出，油機(jī)部分狀態(tài)為待供。

此時(shí)光伏輸入仍為4 kW，不足以供應(yīng)負(fù)載；儲(chǔ)能部分提供3.1 kW的輸出，儲(chǔ)能和光伏合力帶載。使用一段時(shí)間后，儲(chǔ)能電池SOC由82%降為81%。油機(jī)部分按滿功率運(yùn)行的續(xù)航時(shí)間為5.7 h。

傍晚時(shí)負(fù)載斷開(kāi)。按3.3節(jié)的“一般模式”，儲(chǔ)能部分由輸出狀態(tài)改為待供狀態(tài)，仍為2臺(tái)在線設(shè)備。此時(shí)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(duì)儲(chǔ)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(fù)載變化原因，一天下來(lái)，儲(chǔ)能電池SOC由82%增加至85%。

圖5 主機(jī)帶載輸出界面

圖6 從機(jī)（備機(jī)）待供界面

圖7 單一系統(tǒng)充電界面

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)野外供電能源補(bǔ)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(fèi)了自然資源。本微電網(wǎng)是為緩解離網(wǎng)條件下供電的油料保障問(wèn)題而使用的一種新型裝備，可用于野外、孤島、海水淡化等場(chǎng)合的長(zhǎng)期、移動(dòng)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(jī)控制器可競(jìng)爭(zhēng)成為主機(jī)，使用方便靈活，非常適合部署在上述離網(wǎng)地區(qū)[16]。