適用于偏遠區域的一種智能化微電網系統設計

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、海島等離網地區仍主要采用傳統的柴油發電方式，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，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難以并聯運行[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，無法實現優化調度、節能控制，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，并創造性地提出了協調控制方式。一旦單一節點或主機受損，從機可立即競爭成為主機，可快速對受損環節實現供電補償；同時主機統一調度各從機，以實現優化調度、節能控制；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

單一系統由油機、儲能、光伏等3部分組成，數量各為1套，可實現最基本的功能。各種不同功率等級、不同規格的變流器可實現混合并聯；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。

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。

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

儲能部分包括電池、光儲一體機（PCS）、協調控制器（HC）、空調、消防系統。空調系統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 單一系統架構

HC和電池的BMS之間采用MODBUS通信。高壓共軌柴油發動機為電噴機，發動機控制器與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 單一系統架構

1.3 主從機概念

協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。向總線發送網絡表，監測從機的在線狀態，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送的網絡表信息，而不直接搜集其它機的信息；監測主機的在線狀態并執行主機的調度。

2 控制器、變流器功能

2.1 HC功能

HC為主機時搜集系統內各儲能部分、油機部分的運行狀態，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、停止，以及設置PCS、PCM各狀態下的運行參數，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BMS的信息，實時向PCS發送電池荷電狀態，由PCS進行電池的基本兜底管理；并能根據電池狀態改變PCS的運行狀態，進一步實現電池的精細化管理。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，搜集系統內各儲能部分、油機部分運行狀態，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、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執行HC的控制指令，上傳數據給HC、EC，滿足本地及遠程控制的需要。工作狀態有逆變狀態、充電狀態、停止。可實現光伏、市電、電池等多能源輸入向逆變輸出的功率變換，以及實現光伏、市電、油機對電池的充電，還可與其它PCS、PCM并聯。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執行EC的控制指令，上傳數據給EC，滿足本地及遠程控制的需要。工作狀態有啟動逆變狀態、停止。可實現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。

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 系統控制策略

3.1 典型并聯系統架構

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入網數量可為多套，且不一定是1:1的關系，如系統可以僅由HC、PCS組成。典型并聯系統架構如圖3所示。

圖3 典型并聯系統架構

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。當從機持續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。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化調度和節能控制。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，均并聯運行，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，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、節油的特點。

3）靜音模式。所有在網油機部分置于停止狀態或直接斷電，而儲能部分處于運行狀態。此時，所有油機部分將不能被啟動，儲能部分并聯運行，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啟動流程，HC向PCS發開機報文；當PCS收到CAN報文后啟動，轉為待供狀態。HC檢測到PCS待供后，向其發送合閘報文；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發送充電狀態啟機指令，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，區別于傳統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出現故障，需要快速停止所有設備時。在任意設備上按全停模式，整個系統所有設備均停機。

4 實況演練

某次野外演練，單一系統運行，由油機、儲能、光伏等3部分組成，數量各為1套。環境為離網無市電、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，在線設備數量為1。由于有光伏輸入，無負載，儲能部分為待供狀態，按3.4節的“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；如果不帶符號，則含義為電池處于輸出狀態。

圖4 儲能部分單機充電界面

4.2 單一系統運行

隨后，油機部分開機并接入負載。按3.2節的“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節的“一般模式”運行。由于負載較小，約7.1 kW，儲能部分狀態為逆變帶載輸出，油機部分狀態為待供。

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航時間為5.7 h。

傍晚時負載斷開。按3.3節的“一般模式”，儲能部分由輸出狀態改為待供狀態，仍為2臺在線設備。此時光伏輸入功率下降為1.4 kW，系統按3.4節的“充電模式”繼續對儲能電池充電，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 單一系統充電界面

5 結 論

傳統野外供電能源補給困難、利用效率不高，而且污染環境、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[16]。