能量管理系统

微电网能量管理系统1微电网的典型结构图1微电网结构图图1为微电网的结构图[1][2]，它通过隔离变压器、静态开关和大电网相连接。微电网中绝大部分的微电源都采用电力电子变换器和负载相连接，使其控制灵活。微电网内部有三条馈线，其中馈线A和B上连接有敏感负荷和一般负荷，根据用电负荷的不同需求情况，微电源安装在馈线上的不同位置，而没有集中安装在公共馈线处，这种接入形式可以减少线路损耗和提供馈线末端电压支撑。馈线C上接入一般负荷，没有安装专门的微电源，而直接由电网供电。每个微电源出口处都配有断路器，同时具备功率和电压控制器，在能量管理系统的控制下，调整各自功率输出以调节馈线潮流。当监测到大电网出现电压扰动等电能质量问题或供电中断时，隔离开关S1动作，微电网转入孤岛运行模式，以保证微电网内重要敏感负荷的不间断供电，同时各微电源在能量管理系统的的控制下，调整功率输出，保证微电网正常运行。对于馈线Ａ、Ｂ、Ｃ上的一般负荷，系统则会根据微电网功率平衡的需求，将其切除。2负荷分类、要求及接入设备功能2.1负荷分类与要求根据负荷对电力需求的特性可将负荷分为基本两大类[3]：敏感负荷：对这一级负荷断电，将造成人身事故、设备损坏，将生产废品，使生产秩序长期不能恢复，人民生活发生紊乱等。这是这是敏感负荷中的重要负荷。由于供电中断会造成大量减产、人民生活会受到较大影响的用户负荷，这是敏感负荷中的比较重要的负荷。一般负荷（非敏感负荷）：敏感负荷以外的属于一般负荷。可视为一个可控的负荷参与微电网的能量调度，并且在适当的时候（孤网模式时）可中断其供电，以此确保敏感负荷的正常供电。要求：敏感负荷。保证不间断供电以及较高的供电质量。并由独立电源供电。非敏感负荷对供电方式无特殊要求。2.2负荷接入设备功能(1)负荷通断控制在正常情况下，敏感负荷与一般负荷均应正常供电，当微电网系统因事故出现功率缺额或运行在孤岛模式，应采取切断一般负荷，确保敏感负荷的正常供电。(2)负荷保护具有自动跳闸和电动合闸功能，可切断故障电流，发挥保护作用。(3)微电网功率平衡控制－自动低频减载[4]当微电网系统因事故出现功率缺额时，其频率将随之急剧下降，自动低频减载装置的任务是迅速断开相应数量的一般负荷，使系统频率在不低于某一允许值的情况下，达到有功功率的平衡，以确保微电网系统安全运行。(4)负荷监测提供微电网线路负荷的实时数据包括负荷功率，线路电流情况。对所有线路进行监控，对大负荷及超负荷提供预警和报警信号。3微电源分类、特点、工作方式及接入设备功能3.1微电源分类与特点[5]光伏电池无废气排放、无化石燃料消耗，采用与建筑物集成在一起的模块可联合生产低温热能为房间供暖。但输出的功率由光能决定，因此是断续的，不能与负荷完全匹配，因此常常需要蓄电池或其他辅助系统。一般光伏电池发电模块拥有最大功率点跟踪(MPPT)功能、电池板监测和保护功能、逆变并网等功能，以保证光伏电池能够可靠、安全地运行。微型燃气轮机，具有体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单可以统一调度。微型燃气轮机模块具有气体温度、压力、流量测量、燃料供给、燃料注入控制、热量处理、转速监控，气体污染物监测、功率调节及并网等功能。具有电力电子转换和控制接口的微型燃气轮机可跟随电网的电压和频率变化，主要起负荷跟踪和削峰填谷的作用。它的另一个作用是完成基本的有功功率控制的同时，可调节系统输出的无功功率，实现电压调节和功率因数的调整。因此是目前最成熟、最具有商业竞争力的分布式电源之一。3.2微电源典型工作方式(1)光伏电池具有MPPT和定电压两种工作方式。当工作在MPPT工作方式且无功功率可调时遵循Q-V下垂特性。当工作在定电压工作方式时遵循P-f下垂特性。(2)微型燃气轮机可工作在功率可调的运行方式或定功率的运行方式。当工作在功率可调的方式时遵循P-f下垂特性和Q-V下垂特性。在此工作方式下，微型燃气轮机可作为具有自适应调节功能的调节电源，快速跟踪负荷有功功率和无功功率的变化。当工作在定功率的方式时按照设定值输出有功功率和无功功率。3.3微电源接入设备功能由于光伏电池电压等级低，需采用DC-DC中的Boost电路升压至合适的电压等级，然后通过逆变把直流电变换为标准的交流电，供给负荷或并入电网。即经过DC-DC-AC变换接入微电网。并可根据系统稳定运行要求自动切换工作方式的功能。微型燃气轮机为不稳定的交流电源，需要先变为直流电，然后通过逆变技术变成标准的交流电，供给负荷或并入电网，即经过AC-DC-AC变换接入微电网。并可根据系统稳定运行要求自动切换工作方式的功能。3.4微电源控制功能微电源的基本控制由微电源控制器完成，主要功能包括微电源自身的调节功能即微电源机组工作方式的切换。能量调节功能包括有功/无功控制、电压/频率调节、孤岛模式下负荷分配/电压、频率调节等。3.4.1微电源工作方式的切换根据微电网负荷用电需求并结合微电源控制策略切换微电源的工作方式。(1)对于光伏电池在MPPT和定电压模式之间切换。(2)微型燃气轮机可工作在定功率与功率可调的模式两种方式下。在功率可调时可工作低位运行和高位运行两种方式下。(3)储能装置根据蓄电池的荷电状况以及此时的负荷是需求，蓄电池可工作在充电模式与放电模式。3.4.2能量调节功能(1)有功功率调节在并网运行模式时，系统的频率是固定，微电源发送分配好的有功功率，在孤网运行模式下，通过快速的电力电子装置，根据P-f下垂特性，调节微电源的输出有功功率使功率输出与负荷需求保持平衡。(2)无功功率调节在并网运行模式下，能量控制器监测负荷和无功的变化，通过储能装置进行无功调节，并补偿无功，维持系统功率平衡。在孤网运行模式下，应具备三个功能⑴根据预先设定的Q-V特性阻止末端电压偏压；⑵参与特定负荷线路的电压调整；⑶根据负荷设定的功率因数补偿无功。电压调节：通过调节微电源电压的幅值，相角，与系统要求相匹配，而且负荷和微电网的功率因数可得到控制。功率因数调节：当电动机启停时负载的功率因数是变化的，可以影响到微电网的电压稳定。通过调节微电源无功输出使负载的功率因数保持在预先设定的工作点。对分布式电源的控制除了满足以上要求外，微电源自身还应具有以下功能：(1)通信功能接受能量管理系统的调度，同时上传自身的各种状态信息。(2)辅助的电能质量改善功能微电源在自身不对电网造成污染的前提下，能在一定程度上对电网进行谐波抑制和不平衡补偿等。(3)保护功能微电网内部有数量众多的分布式电源，且它们之间的距离短，这就造成了短路电流的急剧增大，而传统的继电保护装置因时效性难以起到应有的保护作用，严重威胁了电力电子设备的安全，所以分布式电源自身必须具备各种可靠的保护功能(如过压、过流及故障等)。4储能装置分类、特点、工作方式及接入设备功能4.1储能装置的分类与特点[5]铅酸蓄电池尽管能量密度小，但功率密度高、放电时间长、由于技术成熟性价比高，因此成为当今使用最为广泛的蓄电池。当蓄电池作为调节电源时，每次调度之前应先检查蓄电池的剩余容量，若负荷低谷时蓄电池容量已经达到90%以上，则不给蓄电池充电;若剩余容量低于20%则暂时不用蓄电池，将它作为负载进行充电(负荷高峰时不充电)一直到容量达到80%以上为止，否则作为电源参加经济调度。4.2典型工作方式蓄电池可工作在功率可调的运行方式或定功率的运行方式。当工作在功率可调的方式时遵循P-f下垂特性和Q-V下垂特性。在此工作方式下，蓄电池组可作为具有自适应调节功能的调节电源，快速跟踪负荷有功功率和无功功率的变化。当工作在定功率的方式时按照设定值输出有功功率和无功功率。4.3装置接入设备功能蓄电池为直流电源，由于他们的电压等级低，需采用DC-DC中的Boost电路升压至合适的电压等级，然后通过逆变把直流电变换为标准的交流电，供给负荷或并入电网。即经过DC-DC-AC变换接入微电网。蓄电池控制器具有对蓄电池电压、电流、储能的监控功能，还有充放电功能和启停限定功能。蓄电池充电时，能量管理系统主要监视蓄电池的充电状态、综合健康度和安全中断标准。主要监测的参数有：电压、电流和温度。当对蓄电池的所有状态检查完成后。蓄电池的充电定时器开始启动。如果检测到蓄电池超过临界安全值，则充电暂停，如果故障持续时间超过一定的值，则停止对蓄电池充电。并可根据系统稳定运行要求自动切换工作方式的功能。5系统运行目标与策略5.1联网模式下的运行目标与策略在正常情况下，微电网并网运行，由大电网提供刚性的电压和频率支撑，内部微电源工作在电压源或电流源状态，在能量管理系统控制下，调整各自的功率输出。微电网和大电网共同承担内部负荷。并网运行时，微电网能量管理的协调方案为：(1)光伏发电一直保持MPPT模式；(2)检测储能装置的荷电状况以确定是否充电。当检测到蓄电池未充满时应充电，若充满就停止充电。能量控制器检测负荷和无功的变化。在联网模式时，蓄电池不参与供电。仅通过储能装置进行无功调节，并补偿无功，维持功率平衡，维持系统稳定的作用。(3)微型燃气轮机在联网模式时不参与供电。(4)微电网能量管理器将增加与各级微电源之间的通信协调工作。并网运行发生故障时，由于微电源的分布式特性，可由微电源能量管理系统迅速定位故障点位置。当故障点在微电网内部时，由微电网能量管理控制器通过综合各微电源的信息给出相应调整；当故障点在微电网外部时，通过主网调度中心与各高级调度中心相互通信以确定故障严重程度。如超出自身调节能力，相应微电网可选择与主网断开，进入孤岛运行，这样可同时保证主网与微电网的安全稳定运行。5.2孤岛模式下的运行目标与策略[6][7][8]当大电网出现电压骤升、骤降、不平衡和谐波等电能质量问题或有计划检修时，微电网转入孤岛运行模式，此时的电压和频率由内部各微电源负责调节。负荷和微电源地投切常用来维持功率平衡以此确保微电网的电压和相角的恒定。因此控制策略必须确保敏感负荷的正常供电。微电网能量管理的协调方案为：⑴应切除可中断负荷确保微电网对敏感负荷的可靠供电，保证敏感负荷的正常工作；⑵光伏发电尽量一直保持MPPT模式（若需要可工作在电压限制模式）；⑶根据储能装置的运行状况，管理微型燃气轮机的投切和发电容量。当储能装置吸收部分能量时，切除部分微型燃气轮机，当储能装置释放能量时，投入部分微型燃气轮机来供电；⑷能量控制器检测负荷和无功的变化，通过微型燃气轮机或储能装置进行P、Q调节，并无功补偿，维持功率平衡，保证供电质量。在孤网模式下各微电源协调控制策略：(1)光伏电池应保持MPPT模式，当光伏电池输出大于负荷消耗且蓄电池充满时，应工作在定电压模式。(2)蓄电池储能为0，光伏输出持续增加但小于负荷消耗时，蓄电池停止运行。光伏输出超过微电网负荷消耗，蓄电池未充满。蓄电池充电。光伏输出小于负荷消耗时或光伏输出为零，蓄电池有储能，应工作在放电模式。(3)当光伏输出超过微电网负荷消耗，应工作在低输出运行模式。当负荷需求持续增加，光伏电池和蓄电池已不能满足负荷用电需求，微型燃气轮机则增加输出功率。光伏发电结束且储能装置储能为零，则完全由微型燃机轮机供电。5.3PCC接入监控设备的功能与要求微电网PCC的各种状态信息包括系统电压、电流、有功、无功、频率、功率因数等参数以及各个微电源的状态信息能上传给能量管理系统，能量管理系统根据这些参数制定控制方案，发布命令。6微电网能量管理系统的功能与实现方法微电网能量管理系统具有数据综合处理、方案制定、命令发布及与微电网并网功能，主要包括对微电源的控制、储能装置管理、负荷管理、来电自动并网、断电或故障自动进入孤岛运行的控制功能等[9]。(1)方案制定、命令发布经过通信上传的PCC点，各微电源控制器，断路器，负荷节点的各种参数，经过综合数据处理，制定微电源的投切、工作方式切换、功率输出等调节，断路器的通断等控制策略。然后把这些设定值与控制命令发送各调节装置。维持微电网的正常运行。(2)对微电源的控制功能根据能量管理系统的控制命令改变微电源的工作方式，并且按照发送的设定值调节微电源的功率输出。能量管理系统检测调节电源的输出特