摘 要: 針對直流供電系統(tǒng)中不同變換器之間的協(xié)調(diào)控制難題,提出了基于直流母線電壓信息的自治協(xié)調(diào)控制策略。系統(tǒng)中各并網(wǎng)裝置通過判斷直流母線電壓信息自適應(yīng)選擇控制模式并無縫切換,以保證直流母線電壓穩(wěn)定; 采用自適應(yīng)變下垂控制方法,保證微網(wǎng)中各并網(wǎng)設(shè)備輸出功率均衡、合理,實現(xiàn)直流供電系統(tǒng)具備“即插即用”。直流供電系統(tǒng)以便于光伏發(fā)電、儲能和直流負荷接入等優(yōu)勢成為新研究方向,然后仿真驗證了所提策略的有效性和正確性。
關(guān)鍵詞: 電能管理; 直流供電; 直流母線電壓; 協(xié)調(diào)控制; 自治控制
0 引 言
直流供電系統(tǒng)可實現(xiàn)分布式光伏和直流負荷的直流接入,無頻率穩(wěn)定性問題,有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行。安科瑞電氣廠家直供13+77-+44//30-992采用集中控制時需要依賴設(shè)備運行數(shù)據(jù)的實時采集對各控制器下發(fā)控制指令。某個節(jié)點的信號異常嚴重時會使系統(tǒng)崩潰,因此這種類型的控制結(jié)構(gòu)供電可靠性較低。分布式控制時采用母線電壓作為協(xié)調(diào)控制信號,各控制單元可以實現(xiàn)獨立控制,但是無法保證各裝置輸出功率動態(tài)均衡。以分布式風(fēng)電為發(fā)電單元的協(xié)調(diào)控制策略,母線電壓由每層中相應(yīng)變換器控制。研究了直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)自治方案,根據(jù)預(yù)制方案實現(xiàn)并/離網(wǎng)模式切換,但是在切換過程中無法實現(xiàn)無縫對接,需要進行修正。
為解決上述問題,提升供電系統(tǒng)能效品質(zhì),本文提出了考慮電能管理的一種供電系統(tǒng)自治協(xié)調(diào)控制策略。并網(wǎng)裝置通過判斷微電網(wǎng)直流母線電壓信息自適應(yīng)選擇控制模式并無縫切換,各并網(wǎng)設(shè)備采用自適應(yīng)下垂控制,相互之間無需通信,具備“即插即用功能”。
1 供電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
圖 1 為典型的直流供電系統(tǒng)拓撲,包含以下 4 個部分。
圖1 光儲直流供電系統(tǒng)電路拓撲
(1)負荷單元: 直流負荷直接或通過 DC/DC 變流器接入供電系統(tǒng)。離網(wǎng)時需要根據(jù)負荷的重要程度進行切負荷控制,確保重要負荷的供電質(zhì)量。
(2)光伏發(fā)電單元: 光伏陣列通過 DC/DC 變換器并網(wǎng),通常以*大功率跟蹤模式運行,特殊情況下,按照調(diào)度指令降功率運行。
(3) 并網(wǎng)變流器: 光伏、儲能等直流發(fā)電單元通過雙向 DC/AC 變流器并入電網(wǎng),實現(xiàn)直流微網(wǎng)和交流主網(wǎng)之間的功能交換,保障系統(tǒng)功率平衡及維持母線電壓穩(wěn)定。
(4)儲能單元:安科瑞電氣廠家直供13+77-+44/+/30-9+92 儲能電池通過雙向 DC/DC 變換器并網(wǎng),并網(wǎng)時處于熱備用狀態(tài),依據(jù)母線信息確定工作模式; 離網(wǎng)時采用電壓控制模式,基于下垂控制策略維持母線電壓穩(wěn)定。
2 供電系統(tǒng)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制策略
依據(jù)直流母線電壓信息將直流供電系統(tǒng)分為電網(wǎng)主導(dǎo)和切負荷四種運行模式,如圖 2 所示。考慮系統(tǒng)的電能優(yōu)化和管理,為避免采用集中控制,基于無互聯(lián)通信的控制策略如圖 3 所示。
圖2 供電系統(tǒng)基于母線電壓的切換控制方法
圖 3 不同運行模式供電系統(tǒng)控制策略
2.1 模式1(電網(wǎng)主導(dǎo)運行模式)
當與交流電網(wǎng)相連,本地分布式發(fā)電無法支撐負荷運行時,所缺功率由交流電網(wǎng)提供,確保系統(tǒng)的功率交互平衡,系統(tǒng)工作于電網(wǎng)主導(dǎo)模式。忽略供電系統(tǒng)的損耗,該模式下交流主網(wǎng)提供的功率為:
2.2 模式2(儲能主導(dǎo)運行模式)
交流安科瑞電氣廠家直供13+77-+44/+/30-9+92電網(wǎng)發(fā)生故障或負荷波動時,可能導(dǎo)致并網(wǎng)變流器進入限流狀態(tài)或故障停機,此時系統(tǒng)進入儲能主導(dǎo)運行模式,儲能單元需具備較大的能量裕度,可以充電或者放電,維持母線電壓穩(wěn)定。根據(jù)直流母線電壓幅值將模式2分為2-1和2-2兩種情況,對應(yīng)儲能系統(tǒng)充電和放電兩種工作狀態(tài)。
2.3 模式3( 光伏發(fā)電單元主導(dǎo)運行模式)
當分布式光伏發(fā)電的輸出功率過大,超過了并網(wǎng)變流器的容量及本地負荷的用電需求,此時儲能電池的 SOC 達到*高限值,或儲能單元以*大功率充電,系統(tǒng)仍然無法正常運行,此時限制分布式發(fā)電的出力,用來穩(wěn)定直流母線電壓。
2.4 模式4(切負荷模式)
此運行模式下,系統(tǒng)提供的*大功率小于負荷需求。為保障供電系統(tǒng)安全,需要根據(jù)負荷的重要層次,依次切除次要負荷,實現(xiàn)供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
3 仿真驗證
為驗證所提控制策略,基于 PSCAD 軟件搭建直流供電系統(tǒng)仿真模型,系統(tǒng)包含鐵鋰電池、超級電容、光伏、直流負荷以及并網(wǎng)變流器 5 種功率交互裝置。
3.1 仿真場景1
直流供電系統(tǒng)由模式1切換至模式2-2仿真波形如圖 5 所示??梢园l(fā)現(xiàn):
0~0.5S: 供電系統(tǒng)并網(wǎng)運行,儲能處于備用狀態(tài),光伏輸出功率30 kW,負荷30 kW,本地功率基本平衡,DC/AC 變流器輸出功率很小,由 DC/AC 變流器控制母線電壓。
0.5~1S: 投入儲能進行恒功率充電,根據(jù)下垂特性,母線電壓有所降低。
1~1.5S: 儲能逐漸充電完成,負荷功率增大,DC/AC 變流器輸出功率增大,母線電壓繼續(xù)降低。
1.5~2S:光伏輸出出現(xiàn)波動,功率降為 15 kW,儲能輸出功率維持功率平衡。此時并網(wǎng)變流器會出現(xiàn)限功率運行,安科瑞電氣廠家直供13+77-+44/+/30-9+92進入模式2-2電壓變化區(qū)間,檢測到母線電壓變化后儲能電池自適應(yīng)進入變系數(shù)下垂控制模式,為維持供電系統(tǒng)穩(wěn)定需增加儲能出力。
圖 5 場景1下仿真波形
3.2 仿真場景2
直流供電系統(tǒng)由模式2-1切換至模式4再恢復(fù)至模式1,仿真波形如圖 6 所示??梢园l(fā)現(xiàn):
0~0.5S:供電系統(tǒng)獨立運行,儲能維持母線電壓恒定,光伏輸出功率30kW,負荷30kW,DC/AC 變流器處于并網(wǎng)待機模式。
0.5~1S光伏輸出功率減小,為了維持網(wǎng)內(nèi)功率平衡,儲能增大輸出功率,母線電壓有一定的降低。
1~1.5S: 光伏輸出進一步減小,儲能無法提供更多的功率,切除部分次要負荷,以維持母線電壓在正常運行范圍內(nèi)。
1.5~2S:供電系統(tǒng)切換為并網(wǎng)運行,母線電壓恢復(fù)額定值,之前切除的負荷重新投入,儲能暫時退出運行,在有功率剩余時再進行充電。
4 安科瑞電能管理系統(tǒng)
4.1概述
用戶端消耗著整個電網(wǎng)百分之八十的電能,用戶端智能化用電管理對用戶可靠、節(jié)約用電有十分重要的意義。安科瑞電氣廠家直供13+77-+44/+/30-9+92構(gòu)建智能用電服務(wù)體系,推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設(shè)備用電管理解決方案,實現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內(nèi)容主要包括:表計,智能樓宇、智能電器、增值服務(wù)、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理等課題。
Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過對用戶端用電情況進行細分和統(tǒng)計,以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各分項用電的使用消耗情況,便于找出高耗能點或不合理的耗能習(xí)慣,節(jié)約電能,為用戶進一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。
4.2應(yīng)用場所
(1)辦公建筑(商務(wù)辦公、大型公共建筑等);
(2)商業(yè)建筑(商場、金融機構(gòu)建筑等);
(3)旅游建筑(賓館飯店、娛樂場所等);
(4)科教文衛(wèi)建筑(文化、教育、科研、醫(yī)用衛(wèi)生、體育建筑等);
(5)通信建筑(郵電、通信、廣播、電視等);
(6)交通運輸建筑(機場、車站、碼頭建筑等)。
4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.4系統(tǒng)功能
1)實時監(jiān)測
系統(tǒng)人機界面友好,以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài),實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能等電參數(shù)信息,動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關(guān)、地刀等合、分狀態(tài),以及有關(guān)故障、告警等信號。
2)電能統(tǒng)計報表
系統(tǒng)以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統(tǒng)具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能,用戶可以查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況,即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。該功能使得用電可視透明,并在用電誤差偏大時可分析追溯,維護計量體系的正確性。
3)詳細電參量查詢
在配電一次圖中,安科瑞電氣廠家直供13+77-+44/+/30-9+92當鼠標移動到每個回路附近時,鼠標指針變?yōu)槭中?,鼠標單擊可查看該回路詳細電參量,包?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1601389.html">三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、正向有功電能,并可以查看24小時相電流趨勢曲線及24小時電壓趨勢曲線。
4)實時提醒
系統(tǒng)具有實時提醒功能,系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娀芈窋嗦菲?、隔離開關(guān)、接地刀分、合動作等遙信變位,保護動作、事故跳閘,以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件進行實時監(jiān)測,并根據(jù)事件等級發(fā)出告警。系統(tǒng)提醒時自動彈出實時提醒窗口,并發(fā)出聲音提醒。
5)電能質(zhì)量監(jiān)測
系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量進行持續(xù)性的監(jiān)測,運行維護人員可以通過諧波分析棒圖、報表掌握進線、變壓器、重要回路的電壓、電流諧波畸變率、諧波含量、電壓不平衡度等,及時采取相應(yīng)的措施,降低諧波損耗,減少因諧波造成的異常和事故(該功能需要選配帶諧波監(jiān)測功能的電力儀表,不需要可刪除。
6)運行報表
系統(tǒng)具有實時電力參數(shù)和歷史電力參數(shù)的存儲和管理功能,所有實時采集的數(shù)據(jù)、順序事件記錄等均可保存到數(shù)據(jù)庫,在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數(shù)、指定時間或選擇查詢更新的記錄數(shù)據(jù)等,并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據(jù)需要定制運行日報、月報,支持導(dǎo)出Excel格式文件,還可以根據(jù)用戶要求導(dǎo)出PDF格式文件。
7)歷史事件查詢
系統(tǒng)能夠?qū)b信變位,保護動作、事故跳閘,以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)越限等事件記錄進行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)事件和提醒進行歷史追溯,查詢統(tǒng)計、事故分析。
8)APP支持
電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)”、“設(shè)備檔案”、“待辦事項”、“巡檢記錄”和“缺陷記錄”五大模塊,支持一次圖、需量、用電量、視頻、曲線、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢,設(shè)備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。
9)遙控操作
系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關(guān)、接地刀等進行分、合遙控操作。系統(tǒng)具有嚴格的保護和操作權(quán)限管理功能,對于每次遙控操作,系統(tǒng)自動生成操作記錄,記錄內(nèi)容包含操作人、操作時間、操作類型等。實現(xiàn)該功能需要斷路器本身具有電操機構(gòu)及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設(shè)備的支持。
10)用戶報告
用戶報告頁面主要用于對選定的變配電站自動匯總一個月的運行數(shù)據(jù),對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數(shù)、報警事件等進行統(tǒng)計分析。
11)通訊狀態(tài)圖
系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通訊狀態(tài),能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);可在線診斷設(shè)備通訊狀態(tài),發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。從而方便運行維護人員實時掌握現(xiàn)場各設(shè)備的通訊狀態(tài),及時維護出現(xiàn)異常的設(shè)備,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
12)畫面監(jiān)控
畫面監(jiān)控展示了當前實時畫面(畫面直播),選中某一個變配電站,即可查看該變配電站內(nèi)畫面信息。
13)用戶權(quán)限管理
系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行,設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作(如配電回路名稱修改等)??梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限,為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
14)變壓器運行監(jiān)視
系統(tǒng)對安科瑞電氣廠家直供13+77-+44/+/30-9+92配電系統(tǒng)總進線、主變壓器、重要負荷出線的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視,用曲線顯示電流、變壓器運行溫度、有功需量、有功功率、視在功率、變壓器負荷率等運行趨勢,分析變壓器負荷率及損耗,方便運行維護人員及時掌握運行水平和用電需求,確保供電可靠。
5 結(jié)束語
本文提出一種考慮電能管理的供電系統(tǒng)自治協(xié)調(diào)控制策略。仿真結(jié)果表明: 微網(wǎng)供電系統(tǒng)中各并網(wǎng)裝置通過判斷微網(wǎng)直流母線電壓信息即可自適應(yīng)選擇控制模式并無縫切換,能夠保證直流母線電壓穩(wěn)定; 同時,各并網(wǎng)設(shè)備之間無需相互通信,采用自適應(yīng)變系數(shù)下垂控制,以保證微網(wǎng)中各并網(wǎng)設(shè)備輸出功率均衡、合理,快速實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各變流器的功率平衡及協(xié)調(diào)控制。在不增加硬件成本的情況下,僅通過控制實現(xiàn)供電系統(tǒng)內(nèi)部的自治與協(xié)調(diào)運行。
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