一種小型多機并聯微電網供電系統的設計研究

文/楊曉峰 張克渠

本文提供了一種能夠管理、控制并網連接至市電主網或柴油發電機的多種小功率多機并聯微電網供電系統的設計方案，該微電網系統方案可以保證在單機故障或者維修時系統能夠持續運行，供電穩定，結構簡單，操作方便，成本低廉。

1.引言。

微電網是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置、負荷、監控和保護裝置等組成的小型發配電系統。微電網能夠在無法接入市電主網的偏遠地區獨立運行，也可以與主網并網運行，可為海島、山區等偏遠地區居民和部隊等提供用電保障。本文提出了設計一種以風、光、柴、儲為主要能源的多機并聯多能互補微電網系統，采用共交流母線運行方式，運行模式由并網運行、并網轉離網運行、離網轉并網運行以及孤島運行這四種運行模式組成。可充分利用風、光等新能源模塊多余電能，保證在單機故障或者維修時系統能夠持續運行，具有供電穩定，結構簡單，操作方便，成本低廉的特點。

2.系統組成。

目前絕大多數的微電網系統多采用功率比較大的單一的雙向儲能變流器，一旦變流器運行時出現故障的話，微電網系統將整體癱瘓，失去供電能力。

多機并聯微電網供電系統由光伏單元、風力發電單元、柴油機發電組單元、鋰電池儲能單元及能量管理單元等子單元組成。在系統結構上，考慮到系統設備的易擴展性，采用多組變流器交流母線并聯運行的方案，單臺儲能變流器采用2KW固定模塊。該系統由2套光伏發電單元和2套風力發電單元組成，其中每組光伏發電子單元包括光伏板、儲能電池和一組2kW光儲變流器,每組風機發電子單元包括風力發電機、儲能電池和一組2kW風儲變流器，每個子單元能夠獨立的運行并給負載供電，也可以實現交流母線并機運行后同時給負載供電，與此同時微電網系統可以利用并離網切換裝置實現系統與柴油發電機組并網運行。每個子單元單機容量為2kW，微電網系統輸出的電壓等級為單項AC220V。光伏發電采用單晶硅發電單元，最大化的提升光能的利用效率；配置一臺8kW的柴油發電機組作為系統應急電源保障，可以與微電網系統實現并網功能，還可實現緊急情況下的供電應急保障；變流器（PCS）采用改進型的虛擬同步（VSG）技術實現多模組并機運行的方式；能量管理系統（EMS）采用邏輯門限控制策略和智能型控制策略相結合，系統包括能量管理系統、能量規劃器、將通信方式分為以CAN總線和串口RS-485兩種，實現多能源的調度，負載合理分配，優化控制，提高微電網的能源利用效率。具體如圖1所示。

系統中，EMS主要作用是實時對儲能電池電量、光伏系統發電功率、風機發電功率進行監控，當監測到光伏與風機發電實時功率較低且此時儲能電池電量低于系統設定值時，能量管理系統會自動控制啟動柴油發電機組并網帶負載并以設定功率給電池小功率充電，在充電過程中，當電池電量達到預設值時，EMS會自動切除柴油發電機組，由儲能電池、光伏、風機的電量給負載供電。變流器實行多模塊并聯運行的優勢在于，當其中任意變流器模塊運行出現故障時，并不影響其他變流器模塊的運行，只是微電網系統的額度容量降低并繼續供電，這樣的方法能夠使供電系統更加的穩定可靠。

圖1 系統架構圖

3.EMS控制設計。

微電網系統同時具備并網型微電網和獨立型微電網運行功能，通過EMS控制策略保證微電網在并網狀態、離網狀態和并離網暫態切換狀態可靠運行。EMS作為微電網系統的主控制器，主要實現以下幾個功能（1）運行數據讀?。簩⒏髟O備運行參數進行采集；（2）微源狀態監控：對各個微源的運行狀態及發電功率進行監控，并結合儲能的狀況進行能量管理控制命令的下發；(3)負荷監控:對用電功率、電流及電壓等參數進行監控，根據各能源的荷電量進行系統指令的控制；(4)能量管理:綜合實時負載、各微源以及系統的運行狀態進行指令的控制。EMS與各個變流器以及電池管理系統（BMS）之間采用的是CAN接口通訊，EMS與儀表通過Modbus-RTU協議由RS485串行接口實現通信，變流器和變流器以及并網切換裝置之間采用CAN總線的方式連接，采用CAN總線通信的方式也是為了方便變流器多模塊并機可擴展性的運行模式的便捷性和可操作性，具體通訊圖如圖2所示。

圖2 微電網系統通信架構圖

4.結語。

具備并網功能的離網型多機并聯微電網系統保障了用電的便捷性，多模組并聯型的小型儲能變流器提高了系統的可靠性以及可擴展性，在柴油發電機組接口處增加雙電源控制開關，這樣既能引入柴油發電機組同時又可以在市電與柴油發電機組同時擁有的情況下選擇接入市電并網運行，豐富了微電網系統的功能。