微電網(wǎng)示范案例的控制策略

趙亮亮，趙瑞霞，滕 飛，李 江

(中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100011)

0 引言

我國(guó)碳達(dá)峰-碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)背景下，風(fēng)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(lái)越低等特點(diǎn)，相對(duì)于其他綠色電力更具競(jìng)爭(zhēng)力和適應(yīng)性。為此，本文以某集團(tuán)整合的多能源微電網(wǎng)示范項(xiàng)目為例進(jìn)行分析，以供參考。

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

1 微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

微電網(wǎng)的總配電柜(架構(gòu)圖參見(jiàn)圖1)匯集了風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)線、光伏發(fā)電進(jìn)線、40kW(3h)鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)線、10kW基本負(fù)載饋線、30kW可調(diào)負(fù)載饋線以及與市政電網(wǎng)相連的總開(kāi)關(guān)。其中，10kW基本負(fù)載包括澡水循環(huán)泵、照明及空調(diào)、設(shè)備控制電源。30kW可調(diào)負(fù)載由可控硅調(diào)控器控制鍋爐水箱的電加熱器承擔(dān)。鍋爐間二層的中央控制室內(nèi)布置了光伏逆變器、總配電柜、儲(chǔ)能系統(tǒng)、PLC中央控制柜等重要設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制箱和風(fēng)機(jī)匯電箱在會(huì)議中心的樓頂，在樓頂處設(shè)置了遠(yuǎn)端IO箱。

圖1 中央PLC架構(gòu)圖

為了實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的監(jiān)控，控制系統(tǒng)分三種形式與重要設(shè)備進(jìn)行控制、測(cè)量、保護(hù)或報(bào)警信息等數(shù)據(jù)交換?？刂葡到y(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)Modbus-TCP與儲(chǔ)能系統(tǒng)的PCS模塊相連，通過(guò)Modbus與BMS模塊和光伏逆變器相連，遠(yuǎn)端IO通過(guò)Modbus與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制器相連，通過(guò)通訊方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

(2)中央PLC通過(guò)硬接線與總配電柜的斷路器、接觸器控制回路相連，遠(yuǎn)端IO通過(guò)硬接線與風(fēng)機(jī)匯電柜的微型斷路器控制回路相連，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路和熱水循環(huán)泵的啟?？刂啤?/p>

(3)中央PLC和遠(yuǎn)端IO通過(guò)Modbus與風(fēng)機(jī)匯電柜、總配電柜的多功能儀表進(jìn)行通訊，對(duì)電流、電壓、功率、電量進(jìn)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(fēng)機(jī)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(wǎng)。光伏逆變器并網(wǎng)發(fā)電并網(wǎng)過(guò)程如下：(1)合上交流側(cè)斷路器和直流側(cè)斷路器，逆變器進(jìn)入啟動(dòng)中狀態(tài)；(2)當(dāng)直流輸入電壓超過(guò)220V維持1min，逆變器準(zhǔn)備并網(wǎng)；(3)逆變器進(jìn)行并網(wǎng)前的自檢，不斷檢測(cè)光伏陣列是否有足夠的能量進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電等，直到確認(rèn)滿足并網(wǎng)工作所需的所有條件后，開(kāi)始連接電網(wǎng)，進(jìn)入并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)；(4)并網(wǎng)發(fā)電過(guò)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(wǎng)逆變器的脫離電網(wǎng)過(guò)程與并網(wǎng)發(fā)電過(guò)程一樣，光伏逆變器發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行條件不滿足時(shí)，則進(jìn)入孤網(wǎng)狀態(tài)。

1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)PCS的控制

雙向變流器(PCS)是實(shí)現(xiàn)交直流電能雙向變換連接的裝置，在微電網(wǎng)中有著重要作用。當(dāng)處于微電網(wǎng)能量管控時(shí)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的“削峰填谷”和快速的二次調(diào)頻；當(dāng)電網(wǎng)需要補(bǔ)充無(wú)功時(shí)，能作為配網(wǎng)靜止無(wú)功發(fā)生器使用，提供無(wú)功功率支撐；當(dāng)與就地負(fù)荷和間歇式分布式能源(風(fēng)電、光伏)組成微電網(wǎng)時(shí)，能夠?yàn)槲㈦娋W(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷提供穩(wěn)定的電壓和頻率。雙向變流器(PCS)具備保護(hù)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(diào)試軟件能完成故障錄波、定值整定、開(kāi)入開(kāi)出測(cè)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(wǎng)運(yùn)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(hào)復(fù)歸”， 無(wú)“故障指示”；第3步，遙控“變流器”的功率設(shè)定，下發(fā)需要的功率值。正為放電、負(fù)為充電；第4步，遙控“變流器待機(jī)(熱備)”，15s后，遙測(cè)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(wǎng)啟動(dòng)”，PCS按第3步下發(fā)的功率值進(jìn)行并充放電；第6步，此時(shí)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(wǎng)運(yùn)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(hào)復(fù)歸”， 無(wú)“故障指示”；第3步，遙控“變流器待機(jī)(熱備)”，15s后，遙測(cè)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(wǎng)啟動(dòng)”；第5步，檢查PCS電壓三相電壓是否正常，如正常，PCS孤網(wǎng)啟動(dòng)正常；第6步，隨后PCS依據(jù)孤網(wǎng)能夠帶載情況，對(duì)電池進(jìn)行充電或放電，功率依據(jù)孤網(wǎng)的負(fù)載而定。

(3)PCS并網(wǎng)與孤網(wǎng)的轉(zhuǎn)換

第1步，遙控“變流器待機(jī)(熱備)”，此時(shí)PCS停止工作；第2步，遙控“變流器并網(wǎng)啟動(dòng)”或者“變流器孤網(wǎng)啟動(dòng)”；第3步，如果此時(shí)為變流器并網(wǎng)運(yùn)行，則遙控功率設(shè)定，下發(fā)需要的功率值。正為放電、負(fù)為充電。

(4)PCS停機(jī)的三種情況

第1種，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行正常，只停止對(duì)電池充放電操作或孤網(wǎng)運(yùn)行操作，可遙控“變流器待機(jī)”，此時(shí)PCS停止工作，但斷路器仍處于合位。第2種，遙控“變流器停機(jī)”則進(jìn)行PCS停機(jī)操作，PCS停止運(yùn)行，儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)的所有斷路器完成分閘操作；要5min后再進(jìn)行PCS相關(guān)操作。第3種，如發(fā)生緊急情況，遙控“急停”，PCS停止運(yùn)行，所有斷路器進(jìn)行分操作。停機(jī)后，要5min后再進(jìn)行PCS相關(guān)操作。

1.4 斷路器和接觸器的控制

總配電柜和風(fēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)PLC的常保持信號(hào)實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘操作，控制原理圖見(jiàn)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?qū)χ麟娐愤M(jìn)行監(jiān)視和控制，控制回路采用UPS供電進(jìn)行供電。相對(duì)于斷路器的遠(yuǎn)方操控，電動(dòng)機(jī)控制原理相對(duì)比較傳統(tǒng)，也同樣采用PLC的常保持觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的啟?？刂疲鐖D6所示。

圖6 電動(dòng)機(jī)控制原理圖

2 微電網(wǎng)的控制策略和邏輯

2.1 微電網(wǎng)的運(yùn)行模式

考慮到該微電網(wǎng)以孤網(wǎng)運(yùn)行為主的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)按自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式進(jìn)行編程，運(yùn)行時(shí)以自動(dòng)模式為主。

(1)自動(dòng)模式

1)孤網(wǎng)運(yùn)行的條件。當(dāng)處于并網(wǎng)模式的系統(tǒng)運(yùn)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(wǎng)系統(tǒng)切換到孤網(wǎng)模式下運(yùn)行。

2)并網(wǎng)運(yùn)行條件。當(dāng)處于孤網(wǎng)模式的系統(tǒng)運(yùn)行狀況變化至以下三種任意狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)切換至并網(wǎng)模式下運(yùn)行：第1種狀態(tài)，鋰電池電量小于等于35%(SOC<=35%)且發(fā)電設(shè)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(dòng)模式

運(yùn)行模式通過(guò)中央PLC控制柜的開(kāi)關(guān)手動(dòng)轉(zhuǎn)換至手動(dòng)模式位置時(shí)，系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)、光伏、電機(jī)的斷路器、熱電阻功率控制器、儀器儀表等均在控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視和測(cè)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(fēng)光的綠色能源，具體是：系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，先給鋰電池系統(tǒng)充電。充滿后，切斷市電。當(dāng)風(fēng)光條件好時(shí)，風(fēng)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(wǎng)，向基本負(fù)載供電，同時(shí)向鋰電池充電儲(chǔ)能；理電池能量充足可以對(duì)負(fù)載供電時(shí)，由微電網(wǎng)系統(tǒng)向可調(diào)負(fù)載供電。當(dāng)風(fēng)光條件不好時(shí)，切斷發(fā)電系統(tǒng)或保持發(fā)電系統(tǒng)處于孤網(wǎng)狀態(tài)，鋰電池放電向基本負(fù)載供電。當(dāng)放電至電池下限時(shí)，將基本負(fù)載轉(zhuǎn)由大電網(wǎng)供電。根據(jù)微電網(wǎng)的運(yùn)行模式以及控制總策略，該系統(tǒng)整個(gè)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(kāi)機(jī)后自動(dòng)運(yùn)行并網(wǎng)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(dá)到3.2V后，PCS停止充電，待機(jī)，切斷市電，母線無(wú)電，光伏和風(fēng)機(jī)停止發(fā)電，PLC和PCS控制系統(tǒng)靠?jī)?chǔ)能系統(tǒng)中的小容量UPS維持；第3步，PCS孤網(wǎng)運(yùn)行啟動(dòng)，母線帶電，光伏逆變器和風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，系統(tǒng)在孤網(wǎng)運(yùn)行(若發(fā)電量充足則開(kāi)啟水箱加熱器：電池電量90%時(shí)，全開(kāi)加熱器；電量50%時(shí)，關(guān)加熱器；50%～90%之間，減去3kW用于充電，其余開(kāi)加熱器)；第4步，系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行，電量降低30%或單體最低電壓降到2.9V時(shí)，PCS待機(jī)，母線無(wú)電，光伏和風(fēng)機(jī)停止發(fā)電，其他設(shè)備靠UPS維持；第5步，接通市電，母線帶電，光伏和風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，PCS并網(wǎng)啟動(dòng)，自動(dòng)運(yùn)行第一步，開(kāi)始循環(huán)。

整個(gè)控制方案的具體實(shí)現(xiàn)由PLC控制系統(tǒng)完成，PLC系統(tǒng)通過(guò)通訊對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)中的PCS一級(jí)負(fù)荷側(cè)配電系統(tǒng)進(jìn)行控制、監(jiān)視和測(cè)量，通過(guò)硬接線與風(fēng)機(jī)匯流柜和負(fù)荷側(cè)配電柜進(jìn)行控制和監(jiān)視?？刂葡到y(tǒng)可以對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將系統(tǒng)的運(yùn)行信息數(shù)據(jù)通過(guò)大屏幕展示給參觀者。

3 240h試運(yùn)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(jì)240h,監(jiān)控系統(tǒng)按每隔3min進(jìn)行采樣，現(xiàn)將數(shù)據(jù)按1.45h為間隔，提取165個(gè)采樣點(diǎn)繪制出圖5的240h試運(yùn)行期間運(yùn)行曲線。圖5中橫軸為采樣點(diǎn)，主縱軸為采樣數(shù)據(jù)(注：鋸齒型時(shí)間曲線，鋸齒底為0點(diǎn)，鋸齒頂為23∶00，24∶00中取了15個(gè)點(diǎn))。

圖9 240h試運(yùn)行期間運(yùn)行曲線

通過(guò)240h試運(yùn)行曲線，結(jié)合微電網(wǎng)的控制策略，可分析到如下幾點(diǎn)。

(1)試運(yùn)行中，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)總共兩次并入市政電網(wǎng)，分別是在第113個(gè)采樣點(diǎn)(B點(diǎn))和第164個(gè)采樣點(diǎn)(C點(diǎn))。這兩次均是由于鋰電池的電池電量≤35%且發(fā)電設(shè)備輸出功率≤3kW，系統(tǒng)自動(dòng)切換至并網(wǎng)模式，由市電為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電并為微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載供電。當(dāng)鋰電池的電池電量≥80%且鋰電池單體最低電壓≥3.1V時(shí)，微電網(wǎng)系統(tǒng)再次切換至孤網(wǎng)運(yùn)行。

(2)試運(yùn)行中，鋰電池儲(chǔ)能在第1次充電之前，盡管風(fēng)光發(fā)電單元能正常運(yùn)行，但鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電量仍呈下降趨勢(shì)。即使不遇到第90個(gè)采樣點(diǎn)的陰天，鋰電池最終也需要市電進(jìn)行充電。這說(shuō)明風(fēng)光系統(tǒng)為儲(chǔ)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(yùn)行中，儲(chǔ)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(jié)束語(yǔ)