一種微電網(wǎng)自充電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李 虎,許衛(wèi)國(guó), 戴光標(biāo)

(江蘇豐海新能源工程技術(shù)有限公司， 江蘇 鹽城 224100)

目前在新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)中，微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)(EMS)、儲(chǔ)能變流器(PCS)、直流轉(zhuǎn)換器(DC/DC)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、BMS電池簇、配電系統(tǒng)、空調(diào)消防系統(tǒng)等都是新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，這些設(shè)備的啟動(dòng)和運(yùn)行都需要提供微電網(wǎng)系統(tǒng)提供控制電源，所以微電網(wǎng)控制系統(tǒng)UPS電池組的作用十分關(guān)鍵，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如果停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致微電網(wǎng)電池組電源耗盡，合理的解決方案也影響微電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性、穩(wěn)定性及廣闊的發(fā)展前景[1-2]，因此微電網(wǎng)控制系統(tǒng)自充電裝置及方法成為解決當(dāng)前問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 微電網(wǎng)主要組成

a.微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)為微電網(wǎng)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)各種發(fā)電設(shè)備、負(fù)載設(shè)備的協(xié)調(diào)、調(diào)度、管理[3]，是微電網(wǎng)技術(shù)中重要的研究?jī)?nèi)容，各種微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是層出不窮[4-5]。隨著微電網(wǎng)的不斷發(fā)展和規(guī)模的擴(kuò)大，微電網(wǎng)的能量管理將面臨控制結(jié)構(gòu)、優(yōu)化算法、通信設(shè)計(jì)等一系列需要解決的問(wèn)題。

b.儲(chǔ)能變流器

儲(chǔ)能變流器可控制蓄電池的充電和放電過(guò)程，進(jìn)行交直流的變換，在無(wú)電網(wǎng)情況下可以直接為交流負(fù)荷供電。PCS由DC/AC雙向變流器、控制單元等構(gòu)成。PCS控制器通過(guò)通信接收后臺(tái)控制指令，根據(jù)功率指令的符號(hào)及大小控制變流器對(duì)電池進(jìn)行充電或放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)有功功率及無(wú)功功率的調(diào)節(jié)。 PCS控制器通過(guò)CAN接口與BMS通信，獲取電池組狀態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)性充放電，確保電池運(yùn)行安全。

c.直流轉(zhuǎn)換器

轉(zhuǎn)換器是轉(zhuǎn)變輸入電壓，并有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器。常用于光伏發(fā)電與儲(chǔ)能電池組的中間轉(zhuǎn)換裝置，能夠最大效率提高光伏發(fā)電效率。

d.電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)智能化管理及維護(hù)各個(gè)電池單元，防止電池出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電，延長(zhǎng)電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)、同時(shí)起到新能源削峰填谷、穩(wěn)定微電網(wǎng)電壓和頻率、抑制諧波的作用[6-9]。儲(chǔ)能合理的容量選擇也對(duì)系統(tǒng)成本產(chǎn)生巨大的影響[10]，儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性也是不容忽視的問(wèn)題。

e.配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)為發(fā)電設(shè)備和負(fù)載設(shè)備建立交直流母線，起到連接和分段的作用。

f.空調(diào)消防系統(tǒng)

空調(diào)消防系統(tǒng)為微電網(wǎng)各分布系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助保護(hù)系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)控制系統(tǒng)各裝置溫度、消防系統(tǒng)保護(hù)儲(chǔ)能鋰電池簇，防止發(fā)生危險(xiǎn)事故。

2 微電網(wǎng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題

a.缺乏統(tǒng)一、規(guī)范的微電網(wǎng)體系技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一且規(guī)范的微電網(wǎng)體系技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，很大程度上影響了微電網(wǎng)技術(shù)的研究和示范工程的建設(shè)。

b.電力電子技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用水平不高。 微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與先進(jìn)的電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)緊密相關(guān)。根據(jù)微電網(wǎng)的特殊需求，需要研究電力電子技術(shù)并研制一些新型的電力電子設(shè)備。

c.微電網(wǎng)的保護(hù)控制技術(shù)尚不成熟。

d.投資及運(yùn)維成本高。儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)投資成本較高。儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置越大，效果越好，但成本越高,微電網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)及能量管理系統(tǒng)投資成本也高。在運(yùn)維成本上，也比一般電網(wǎng)要高。

結(jié)合以上問(wèn)題及海水淡化設(shè)備孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一種微電網(wǎng)自充電控制系統(tǒng)，解決微電網(wǎng)系統(tǒng)長(zhǎng)期停機(jī)后無(wú)法啟動(dòng)問(wèn)題。

3 自充電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)原理

一種基于帶自充電控制微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括微電網(wǎng)電池組、微電網(wǎng)交流開(kāi)關(guān)、微電網(wǎng)控制系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)、AC/DC模組、微電網(wǎng)自充電系統(tǒng)、DC/DC模組、BMS應(yīng)急啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、PCS儲(chǔ)能變流器、PCS控制系統(tǒng)、BMS直流開(kāi)關(guān)、BMS電池簇、BMS控制系統(tǒng)、DC/DC直流轉(zhuǎn)換器、DC/DC控制系統(tǒng)和光伏組件。

微電網(wǎng)電池組、微電網(wǎng)控制系統(tǒng)和BMS控制系統(tǒng)之間通過(guò)交流母線1連接，EMS微電網(wǎng)電池組、微電網(wǎng)交流開(kāi)關(guān)、柴油發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)、儲(chǔ)能變流器通過(guò)交流母線2連接，微電網(wǎng)交流開(kāi)關(guān)、微電網(wǎng)控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器、直流轉(zhuǎn)換器、DC/DC控制系統(tǒng)、BMS控制系統(tǒng)、BMS直流開(kāi)關(guān)、BMS電池簇、微電網(wǎng)自充電系統(tǒng)、BMS應(yīng)急啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)和柴油發(fā)電機(jī)通過(guò)通信母線連接，柴油發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)通過(guò)交流母線3將柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)和柴油發(fā)電機(jī)連接，柴油發(fā)電機(jī)通過(guò)交流母線4與AC/DC模組連接，光伏組件通過(guò)直流母線1與直流轉(zhuǎn)換器連接，直流轉(zhuǎn)換器通過(guò)直流母線2將 BMS應(yīng)急啟動(dòng)開(kāi)關(guān)、BMS直流開(kāi)關(guān)、DC/DC控制系統(tǒng)和儲(chǔ)能變流器連接，BMS直流開(kāi)關(guān)通過(guò)直流母線3與BMS電池簇連接，BMS應(yīng)急啟動(dòng)開(kāi)關(guān)通過(guò)直流母線4將BMS電池簇和DC/DC模組連接，所述DC/DC模組通過(guò)直流母線6與微電網(wǎng)自充電系統(tǒng)連接，微電網(wǎng)自充電系統(tǒng)通過(guò)直流母線5與AC/DC模組連接。以上各組成部分構(gòu)成了一個(gè)帶自充電控制系統(tǒng)的孤島光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)。具體系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

a.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)選用西門子200SMART系列PLC 、西門子SMART系列觸摸屏、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī) ，各類輸入輸出模塊，中間繼電器、UPS電壓互感器等，PLC自帶MODBUS TCP/IP通信協(xié)議可與微電網(wǎng)內(nèi)其他系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控控制。

b.直流側(cè)硬件設(shè)計(jì)

直流側(cè)硬件包含BMS電池簇、DC/DC開(kāi)關(guān)電源、直流開(kāi)關(guān)、直流側(cè)電壓互感器，直流保險(xiǎn)端子等，可實(shí)現(xiàn)直流側(cè)充放電控制。

c.交流側(cè)硬件設(shè)計(jì)

交流側(cè)硬件包含、柴油發(fā)電機(jī)組、AC/DC開(kāi)關(guān)電源、交流開(kāi)關(guān)、交流側(cè)電壓互感器，交流保險(xiǎn)端子等，可實(shí)現(xiàn)交流側(cè)充放電控制。關(guān)于柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組作為自充電系統(tǒng)供電電源的可行性已有論述[11]。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

a.PLC與微電網(wǎng)內(nèi)各系統(tǒng) MODBUS TCP/IP通信

西門子200SMART PLC基于工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和微電網(wǎng)內(nèi)各分布系統(tǒng)通過(guò)MODBUS TCP/IP通信，系統(tǒng)混合組網(wǎng)已有研究應(yīng)用[12]，通過(guò)通信可讀取BMS電池簇及微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)UPS電池的電壓、電流狀態(tài)，也可以通過(guò)系統(tǒng)外部的電流、電壓互感器獲取2個(gè)系統(tǒng)電池狀態(tài)，BMS電池管理系統(tǒng)、EMS能量管理系統(tǒng)成為微電網(wǎng)自充電系統(tǒng)的MODBUS TCP/IP從站，要實(shí)現(xiàn)MODBUS RTU通信，需要使用STEP 7-Micro/WIN SMART PLC軟件(指令庫(kù))。MODBUS TCP主從站通信指定變量地址為40000至49999，變量為讀寫屬性，掉電保持。

b.HMI畫面設(shè)計(jì)

HMI畫面可以顯示系統(tǒng)控制流程、顯示狀態(tài)及控制操作，通過(guò)畫面可以根據(jù)需要設(shè)定自己需要自動(dòng)控制充放電的電壓等參數(shù)、通過(guò)交流側(cè)或者直流側(cè)自動(dòng)監(jiān)控控制微電網(wǎng)系統(tǒng)UPS電池組實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電功能，圖2為微電網(wǎng)自充電系統(tǒng)流程圖。

圖2 微電網(wǎng)自充電系統(tǒng)流程

c.直流側(cè)流程實(shí)現(xiàn)方式

通過(guò)BMS電池簇連接直流母線4給DC/DC模組供電，直流母線6將DC/DC模組電源送到微電網(wǎng)自充電系統(tǒng)，通過(guò)通信母線微電網(wǎng)自充電系統(tǒng)控制BMS應(yīng)急啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，BMS應(yīng)急啟動(dòng)開(kāi)關(guān)通過(guò)直流母線2將BMS電池簇的電源送到PCS儲(chǔ)能變流器，PCS儲(chǔ)能變流器通過(guò)交流母線2將電源送到EMS微電網(wǎng)電池組，微電網(wǎng)自充電系統(tǒng)與PCS系統(tǒng)、EMS微電網(wǎng)控制系統(tǒng)通過(guò)通信母線交換數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制EMS微電網(wǎng)電池組充電，圖3為直流側(cè)自充電系統(tǒng)流程。

d.交流側(cè)流程實(shí)現(xiàn)方式

通過(guò)交流母線3將柴油發(fā)電機(jī)電源送至柴油發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)、柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)交流母線4把柴油發(fā)電機(jī)電源送到AC/DC模組，通過(guò)直流母線3把AC/DC模組的電送到微電網(wǎng)自充電系統(tǒng)，通過(guò)通信母線、微電網(wǎng)自充電系統(tǒng)控制柴油發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)，通過(guò)交流母線2將柴油發(fā)電機(jī)電源送至EMS微電網(wǎng)電池組，微電網(wǎng)自充電系統(tǒng)與EMS微電網(wǎng)控制系統(tǒng)、柴油發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制EMS微電網(wǎng)電池組充電，圖4為交流側(cè)自充電系統(tǒng)流程。

圖3 直流側(cè)自充電系統(tǒng)流程

圖4 交流側(cè)自充電系統(tǒng)流程

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了微電網(wǎng)的系統(tǒng)功能及存在問(wèn)題，通過(guò)結(jié)合孤島微電網(wǎng)海水淡化工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一種微電網(wǎng)自充電控制系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件編程設(shè)計(jì)及交直流流程實(shí)現(xiàn)方式分析，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用方法。

系統(tǒng)在微電網(wǎng)系統(tǒng)待機(jī)的情況下運(yùn)行，避免大功率負(fù)載造成對(duì)自充電系統(tǒng)的沖擊；同時(shí)要斷開(kāi)光伏組件等外圍新能源系統(tǒng)，保證系統(tǒng)充電電壓的穩(wěn)定。還需要根據(jù)系統(tǒng)情況選擇交直流充電方式以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。該設(shè)計(jì)與應(yīng)用方法保證了微電網(wǎng)系統(tǒng)的斷電后再啟動(dòng)的持續(xù)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于孤島新能源微電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展具有較高的應(yīng)用推廣意義。