用户侧光储微电网中央控制器研制-北极星储能网

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摘要：用户侧光储型微电网是最大化分布式光伏发电系统就地消纳利用水平的有效方式,研究用户侧光储型微电网的中央控制器,对推动智能微电网建设、电力市场改革和国家新能源政策推广具有重要意义。为提高微电网控制器集成度及降低设备成本,针对不同用户的用电需求,基于分层多时间尺度通信方式研制了光储型微电网中央控制器,集成了黑启动、无缝切换、功率预测、运行优化控制与能效管理等功能模块,并通过实验验证所提策略的正确性。所研制的中央控制器为用户侧微电网的并网接入提供了低成本高效率的解决方案,对推动用户侧光储微电网的大规模应用具有重要意义。

作者简介：

1.许志荣、郑成立、彭嘉俊：华南理工大学电力学院,广东省广州市 510640

2. 杨苹：广东省绿色能源技术重点实验室(华南理工大学),广东省广州市 511458

3. 陈奇芳新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学),北京市昌平区 102206

4.黄锦成广东智造能源科技研究有限公司,广东省广州市 511458

0 引言

现代工业飞速发展,传统化石能源日渐枯竭,为满足人类对能源的需求,发展绿色清洁的可再生能源成为世界各国的能源发展战略和技术方向[1-2]。新能源分布式接入电网,有利于就地分散利用以及提高用户供电可靠性[3-4]。在用户侧积极发展和规模化接入分布式光伏电源的趋势下,构建运行模式灵活、响应用户侧用电管理需求和用能质量高的微电网,是实现新能源就地消纳利用,发挥分布式光伏发电系统效能的有效方式[5-7]。随着国家新能源政策的推广、智能电网的建设以及电力市场改革的推进,微电网的建设与应用日臻重要[8-12]。

微电网是由分布式电源、负荷、储能装置和控制装置构成的小型独立发配电系统,既可作为可控单元与配电网联网运行,也可与配电网断开独立运行[13-14]。在微电网的发展初期,侧重于研究与微电网建设可行性分析、规划设计、底层设备运行控制等相关的内容与关键技术,其中大多数涉及微电网控制策略及其装置的研发[15-19],并通过示范工程对控制装置的功能进行可行性验证,但是仍然存在很多问题[20-22]。因缺乏统一的行业技术规范,不同微电网示范工程及系统对控制器的需求标准不一,重点体现在通信方式、接口技术、计量方式、控制策略等与微电网系统规划、造价、建设、运行相关的关键技术上,而定制化的微电网控制器产品产量少成本高,不利于大规模推广应用。因此很有必要通过微电网关键技术的集成和创新,在遵循或制定行业技术规范的基础上,研发低成本、高集成、标准化的中央控制器为用户侧微电网提供低成本、高效率的解决方案。

针对当前微电网控制器所存在的问题及集成化功能需求,本着降低设备成本、提高系统标准化水平的目标,研制了一种集运行控制与能效优化管理于一体的光储型智能微电网中央控制器：基于分层级多时间尺度通信架构,实现对底层设备的数据实时采集,为后台监控提供信息来源;基于分层多时间尺度控制模型,实现微电网作为分布式能源的有效管理形式,对于分布式能源的就地消纳利用具有积极重要的作用。

1 用户侧光储微电网

光储型微电网由分布式光伏电源、储能、负荷以及中央控制器等设备构成,微电网公共母线通过静态开关在PCC点与配电网进行连接。

1.1 结构与组成

本文采用的用户侧光储型微电网拓扑结构如图1所示。当微电网系统并网运行时,光伏以最大功率出力或限功率运行,储能电池用于平滑光伏输出功率的波动;当大电网发生故障或停电事故时系统可切换至离网运行状态,储能电池工作在V/F(电压/频率)控制模式下,充当系统主电源,用以支撑微电网系统电压和频率,光伏电源以最大功率出力或限功率运行,为系统内负荷供电,充分体现了微电网结构与运行的灵活性和复杂性。

图1 光储型微电网拓扑

1.2 系统控制方式

针对用户侧微电网的特点以及大规模推广应用的需求,本文采用基于分层结构的微电网协调控制策略。按照响应速度、时间尺度和通信需求,分为3层,如图2所示。

图2 用户侧光储型微电网控制系统

第1层为本地控制层。用于负荷、光伏发电系统和储能系统等底层单体设备的控制,具有短时、快速等特点。

第2层为集中控制层。用于维持用户侧微电网电压和频率的稳定,以保障用户侧微电网安全、稳定和满足功率限制需求等,与本地控制相比具有依赖通信、响应时间长等特点。

第3层为配电网调度层。负责配网与微电网之间的协调控制,基于电压或频率调节制定配电网功率需求,并依据有关约束条件协调各微电网出力,其响应时间尺度在数分钟级别,对通信可靠性要求较高。

1.3 通信架构

微电网的运行控制和管理模式不同于常规电网,它更加依赖于信息的采集与传输,同时微电网设备的响应特性对通信的实时性和可靠性要求更高。为保证控制的实时性,要求中央控制器对下层设备的通信采用以太网通信。部分底层设备(负荷、开关)不具备以太网通信功能,采用RS485通信或CAN通信。

针对光储型微电网,本文采用一种分层级多时间尺度通信架构,将通信系统分为调度层、终端层和底层,如图3所示。微电网中央控制器(microgrid central controller,MGCC)与调度机构能量管理系统(energy management system,EMS)之间、MGCC与光伏、储能之间采用以太网通信,MGCC与负荷、开关之间采用RS485或CAN通信。