一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统及方法
阅读说明：本技术 一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统及方法 (Off-grid type light storage diesel power supply system and method for avoiding frequent switching of operation modes ) 是由 宋政湘 常小强 武晨煜 肖秋瑶 王建华 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统及方法,通过对传统离网型供电系统中柴油发电机并网方式和调度方法进行改进,实现了柴油发电机并入或退出时离网型供电系统各部分始终保持同一种运行模式,避免了双向DC/AC在不同运行模式之间的切换,解决了微电网中模式的无缝切换难题,同时也能够保证供电系统具有较好的电能质量。(The invention discloses an off-grid type light storage diesel power supply system and method for avoiding frequent switching of operation modes, which improve a diesel generator grid-connected mode and a scheduling method in a traditional off-grid type power supply system, realize that all parts of the off-grid type power supply system always keep the same operation mode when a diesel generator is merged in or quits, avoid the switching of a bidirectional DC/AC between different operation modes, solve the problem of seamless switching of modes in a microgrid, and simultaneously ensure that the power supply system has better electric energy quality.)
技术领域
本发明属于微电网运行控制领域，具体涉及一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统及方法。
背景技术
近些年里，随着能源和环境问题的不断突出，光伏、风电等分布式电源的利用成为了节能减排的重要手段。由于光伏发电具有严重的波动性和随机性，若直接接入大电网，则会对电网造成较大的冲击，引起电网频率和电压的波动。微电网作为一种集分布式电源、储能系统、负荷于一体的供电系统，可以有效缓解分布式电源对电网的冲击，提高分布式电源的并网率。微电网主要包括并网型微电网和离网型微电网，并网型微电网需要与电网相连，利用电网维持微电网系统的电压和频率，系统中的储能系统主要用来光滑分布式电源的波动。离网型微电网不需要依靠大电网，通常利用系统中的储能系统或者柴油发电机来维持微电网的电压和频率。相比于并网型微电网，离网型微电网在偏远地区、特殊供电要求场所、高速服务站等更具实用性。
目前关于离网型光储柴微电网的研究很多，但大部分研究中离网型光储柴微电网的运行方式都可归结为一种，即在电池电量正常时，由储能系统维持微电网的电压和功率平衡，柴油发电机不投入运行；在电池电量低时，启动并投入柴油发电机，由柴油发电机作为主电源来维持系统的电压和频率，此时电池作为负载进行充电。该种运行方式中，系统的主电源在储能系统和柴油发电机中交替更换，导致微电网中交直流母线间的双向DC/AC和储能系统的PCS需要切换不同的控制策略。由于双向DC/AC和PCS属于电力电子型功率变换器，不同控制策略间的切换会导致微电网电压和频率的波动，影响电能质量。另一方面，柴油发电机在作为主电源时微电网中的功率平衡由柴油发电机承担，当负载突然增大时，需要增大柴油发电机的输出功率，但其调速系统具有滞后性，导致无法迅速增加输出功率，使得系统频率下降；相反因柴油发电机无法及时降低输出功率而会使得系统频率上升。这种由柴油发电机造成的频率上下波动随着负载的增大而更加明显。
储能系统具有功率的双向流动，并且功率响应非常快，可以很好地解决柴油发电机滞后性严重的问题。但是储能系统的安装容量有限，支撑微电网电压的时间有限，传统的做法就是在电池电量低时将主电源切换为柴油发电机或者电网，一方面可以利用柴油发电机和电网可以维持微电网的电压，另一方面可以给电池充电。正如上文所说那样，主电源在切换过程中会导致微电网的电压和频率波动、产生大量的谐波。因此，本发明从保证微电网储能电池的电量和避免主电源切换两个方面入手，解决传统微电网运行时微源复杂的模式切换问题。
发明内容
本发明针对现有的离网型微电网中柴油发电机接入与退出需要频繁更换微电网运行模式的问题，提供了一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统及方法，减少因运行模式的频繁切换而导致系统频率与电压的波动，从保证微电网储能电池的电量和避免主电源切换两个方面入手，解决传统微电网运行时微源复杂的模式切换问题。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统，包括光伏系统、储能系统、柴油发电机、负载及控制系统；
其中，光伏系统和储能系统连接在750V的直流母线上，柴油发电机接在三相380V的交流母线上，且交直流母线间通过一个双向的DC/AC相连；
负载分为交流负载和直流负载，交流负载接到交流母线上，直流负载接到直流母线上；
控制系统用于监视光伏系统、储能系统、柴油发电机和负载的功率大小，当储能系统电量不足时，控制柴油发电机启动并以特定的功率运行。
本发明进一步的改进在于，光伏系统中的功率变换器采用MPPT控制和限功率控制、储能系统中的功率变换器PCS采用双向恒压控制、双向DC/AC采用交流侧恒压恒频控制。
本发明进一步的改进在于，柴油发电机与微电网之间通过柴油发电机功率变换器连接。
本发明进一步的改进在于，柴油发电机功率变换器结构上是一个背靠背AC/AC变换器，背靠背AC/AC变换器中靠近柴油发电机侧的VSG采用恒压控制，且电压等级为650V；背靠背AC/AC变换器中靠近微电网侧的VSG采用PQ控制。
本发明进一步的改进在于，当储能电池SOCL≤SOC(t)≤SOCH时，光伏系统以下简称：光伏，以MPPT模式运行，柴油发电机不启动；
当储能电池SOCmin≤SOC(t)≤SOCL时，光伏以MPPT模式运行，获取光伏未来两小时的出力预测，并与负荷预测值进行对比，若两小时内光伏能够满足负荷，则柴油发电机不启动，否则启动柴油发电机，柴油发电机采用软接入的方式并网；
当储能电池SOCH≤SOC(t)≤SOCmax时，光伏进入限功率模式，柴油发电机不启动；
其中，SOC(t)为储能电池的荷电状态，SOCL为储能电池可大功率放电时对应的荷电状态下限，SOCH为储能电池可大功率充电时对应的荷电状态上限，SOCmin为储能电池荷电状态下限，SOCmax为储能电池荷电状态上限。
本发明进一步的改进在于，SOCL取30％，SOCH取80％。
本发明进一步的改进在于，柴油发电机软接入并网时，接入前，设置柴油发电机有功和无功功率的初始参考值，有功功率初始参考值设置为柴油发电机额定功率的10％，而无功功率参考值可设置为0；接入后，当SOC≤SOCH时，柴油发电机并网运行，并网运行期间，当电池充电功率Pb_c(t)≤0.5Pbmax时，柴油发电机的有功功率参考值递增ΔP，即Pref(t+1)＝Pref(t)+ΔP，而无功功率参考值直接取为交流无功负荷的大小，即Qref(t+1)＝Qload(t)；当电池充电功率Pb_c(t)＞0.5Pbmax时，保持前一时刻的有功参考值不变，而无功参考值仍然取为交流无功负荷的大小，即Pref(t+1)＝Pref(t)、Qref(t+1)＝Qload(t)；当SOC＞SOCH时，柴油发电机采用软退出的方式退出。
本发明进一步的改进在于，柴油发电机软退出时，先使柴油发电机功率变换器的有功功率参考值从当前值逐渐减小到0，最后再将柴油发电机关闭。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统，通过采用一个背靠背PQ控制的功率变换器将柴油发电机视为一个功率源，从而避免柴油发电机接入与退出过程中交直流母线间双向DC/AC频繁切换运行模式的问题，使得微电网控制方法更加简单。
进一步的，本发明提出的离网型光储柴供电系统在整个运行过程中都是储能电池作为系统的主电源，由于储能电池功率响应速度比柴油发电机的快，更加能够保证整个系统的电能质量。
进一步的，PQ控制的柴油发电机功率变换器更加便于对柴油发电机输出功率的控制，可以实现柴油发电机的软接入与软退出，解决了传统柴油发电机带载接入与退出时可能出现的电压波动问题。
本发明提出的一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统的调度方法，充分考虑了储能电池的充放电能力，并预留了SOC缓冲区间，即[SOCmin,SOCL]和[SOCH,SOCmax]，不仅可以确保储能电池安全稳定运行，还能保证储能电池使用寿命。
进一步的，本发明提出的柴油发电机调度方法允许负荷在柴油发电机并网运行期间在[-50％Pbmax,50％Pbmax]范围内变化，且负荷在该范围内变化时，通信系统的时延不会造成系统电压的波动，即该调度方法保证了柴油发电机PQ控制运行时具有与VF控制时的相似效果。
综上所述，本发明不仅可以避免微电网运行模式无缝切换的难题，还能保证系统具有更优的电能质量，在小型供电系统中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统结构图；
图2为柴油发电机功率变换器结构图；
图3为柴油发电机功率变换器中柴油发电机侧VSG控制框图(VF控制)；
图4为柴油发电机功率变换器中微电网侧VSG控制框图(PQ控制)；
图5为一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统调度方法流程图；
图6为一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统中柴油发电机调度方法流程图；
图7为本发明实施例中搭建的一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统仿真图；
图8为本发明实施例中交直流母线电压仿真结果图，其中从上往下依次是光照强度曲线、柴油发电机有功参考值曲线、交流母线三相电压曲线和直流母线电压曲线；
图9为本发明实施例中功率仿真结果图，其中从上往下依次是光伏功率曲线、柴油发电机有功参考值曲线、直流母线往交流母线传输的功率曲线(负值表示交流侧往直流侧传输功率)和电池荷电状态曲线。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
请参阅附图1，本发明提供的一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统，包含有光伏系统、储能系统、柴油发电机、负载及控制系统五部分，其中光伏系统和储能系统连接在750V的直流母线上，柴油发电机接在三相380V的交流母线上，且交直流母线间通过一个双向的DC/AC相连。控制系统是该离网型供电系统的核心，负责各部分电气量的收集和控制指令的下发。在结构上，一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统中柴油发电机是通过一个背靠背的AC/AC功率变换器与交流母线相接，这与传统离网型微电网中柴油发电机直接接入交流母线不同；在运行模式上，一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统中的MPPT、PCS、双向DC/AC在柴油发电机接入与退出前后均采用一种控制方式，避免了传统离网型微电网中各功率变换器复杂的运行模式设计及不同运行模式之间的无缝切换问题。
具体的，光伏功率变换器、储能PCS和双向DC/AC的结构设计与传统微电网中的结构一致。其中，光伏功率变换器采用boost升压电路，MPPT算法采用扰动观察法，且光伏具有限功率运行模式；储能PCS采用功率可双向流动的buck-boost升降压电路，控制方法采用恒压控制，即采用外环直流母线电压内环电感电流的控制方法，直流母线参考电压为750V。双向DC/AC采用三相桥式电路，使用基于四象限的交流侧恒压控制(VF控制)方法。因此，直流母线的电压由储能PCS维持，交流母线的电压和频率由双向DC/AC维持。通常，柴油发电机不接入系统，只有当储能电池电量低且光伏出力小时，才投入柴油发电机。柴油发电机投入后经背靠背的AC/AC控制为一个功率源，只提供功率，而不影响交流母线电压，柴油发电机投入前后交流母线的电压均由双向DC/AC控制，即双向DC/AC不需要改变控制方法和切换运行模式。
进一步的，柴油发电机功率变换器AC/AC的结构拓扑见附图2。其中，Vabc端子接柴油发电机，Uabc端子接微电网交流母线。靠近柴油发电机端的VSC采用VF控制，目的在于为VSC2提供一个稳定的直流输入。VSC2采用PQ控制，旨在将柴油发电机控制为一个功率源，避免了柴油发电机接入与退出前后双向DC/AC运行模式的切换，同时可以通过调节Pref和Qref的大小实现柴油发电机的软接入与软退出，避免因柴油发电机突然接入或退出而影响电能质量。柴油发电机功率变换器控制原理图见附图3和附图4。
具体的，本发明提供的一种避免频繁切换运行模式的离网型光储柴供电系统，采用的调度方法见图5，具体执行如下：：
当储能电池SOCL≤SOC(t)≤SOCH时，光伏运行在MPPT模式，柴油发电机不启动。此时电池电量正常，既可以充电又可以放电，不管是光伏还是负载功率发生变化时，电池均能维持系统的功率平衡。在此运行场景下，系统中的功率分配由各模块的控制方法决定，控制系统只起监督作用。
当储能电池SOCmin≤SOC(t)≤SOCL时，光伏以MPPT模式运行，获取光伏未来两小时的出力预测，并与负荷预测值进行对比，若两小时内光伏能够满足负荷，则柴油发电机不启动，否则启动柴油发电机。柴油发电机采用软接入的方式并网，软接入方法如下：
接入前，需要设置柴油发电机有功和无功功率的初始参考值。有功功率初始参考值较小，通常可以设置为柴油发电机额定功率的10％，而无功功率参考值可设置为0。接入后，当SOC≤SOCH时，柴油发电机并网运行，并网运行期间，柴油机的调度方法见图6，当电池充电功率Pb_c(t)≤0.5Pbmax时，柴油发电机的有功功率参考值递增ΔP，即Pref(t+1)＝Pref(t)+ΔP，而无功功率参考值直接取为交流无功负荷的大小，即Qref(t+1)＝Qload(t)。当电池充电功率Pb_c(t)＞0.5Pbmax时，保持前一时刻的有功参考值不变，而无功参考值仍然取为交流无功负荷的大小，即Pref(t+1)＝Pref(t)、Qref(t+1)＝Qload(t)。当SOC＞SOCH时，柴油发电机准备退出。退出时也采用软退出的方式，即有功功率参考值从当前值逐渐减小到0，避免功率突减给微电网带来电压、电流波动及谐波增加。
当储能电池SOCH≤SOC(t)≤SOCmax时，光伏进入限功率模式，柴油发电机不启动。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
最后利用Matlab/Simulink搭建了本发明所提出的离网型供电系统，仿真图参见附图7，仿真结果参见附图8和附图9。仿真过程中设置光照强度呈阶梯型变化，柴油发电机有功功率参考值从零增加到5000W，维持一段时间后再从5000W降到0，以此来模拟柴油发电机的软接入与软退出。在这样的设置下，从附图8可以看出交直流母线电压维持恒定，其中直流电压750V，交流母线电压380V50Hz；从附图9可以看出在柴油发电机功率逐渐增大的过程中直流母线向交流负载传输的功率逐渐减少，最后变为由交流侧向储能电池供电，即实现了由PQ控制的柴油发电机向电池充电的目的。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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