风光柴储型孤岛微电网控制方法及系统

技术领域

本发明属于微电网技术领域，具体地说，本发明涉及一种风光柴储型孤岛微电网控制方法。

背景技术

现有的微电网协调控制方法包括在并网状态、离网状态下以及转换过程中的微电网控制，涉及分布式电源和负荷控制，并且控制方法需要兼顾安全、稳定、经济性。

在现有的微电网协调控制方法中，专门针对孤岛微电网协调控制方法较少，且相关控制方法主要从调频、调压角度展开。关于孤岛型微电网功率控制方法，仅提供了大概的控制方法，对于风、光发电控制以及储能充放电控制的具体措施研究较少。储能电池充放电约束条件大多仅考虑了荷电量约束条件，而忽略了电压的约束条件。

此外，在现有技术中，针对风光柴储型孤岛型微网的柴油发电机的控制方法一般是根据分布式电源输出功率与负荷之间的关系来控制柴油发电机重复启停。这种控制方法的缺点在于，柴油发电机在空载启动后，再并入微网母线，在并网瞬间需要满足柴油发电机与微网母线之间的电压和频率的同步要求，否则会出现微电网母线电压震荡。

发明内容

本发明目的在于提供一种针对孤岛微电网的控制方法，能够保证孤岛微电网长期稳定、经济运行，为海岛及牧区等偏远地区提供电力解决方案。本发明根据风力发电、光伏发电的特点，提供具体风力发电、光伏发电的控制方法；对于储能电池的充放电条件不仅考虑荷电量约束，同时还考虑电池输出电压约束，以减小对储能电池损耗；根据系统功率情况，适时进行负荷管理；并且根据柴油发电机的故障情况，对储能系统进行控制，以进一步保证孤岛微电网稳定运行。

根据本发明的一个方面，提供一种风光柴储型孤岛微电网系统，所述微电网系统包括分别连接至微电网母线的风力发电系统、光伏发电系统、柴油发电机系统、储能系统以及负荷。所述系统还包括控制器，被配置为：对风力发电系统、光伏发电系统和柴油发电机系统的总输出功率与负荷功率进行比较，基于所述总输出功率与负荷功率的比较结果，通过对储能系统的荷电量和输出电压进行约束以延长储能系统的寿命。当所述柴油发电机系统正常运行时，控制所述柴油发电机系统持续运行，且对柴油发电机系统进行最小运行功率约束控制。

在孤岛微电网系统中，所述控制器还可被配置为：当所述总输出功率和储能系统的放电功率之和小于负荷功率时，切除部分负荷；当所述总输出功率大于负荷功率和储能系统的充电功率之和时，对风力发电系统和光伏发电系统进行限功率控制。

在孤岛微电网系统中，当所述柴油发电机系统正常运行时，所述柴油发电机系统可工作于U/f模式以作为孤岛微电网的电压和频率支撑，并且风力发电系统、光伏发电系统和储能系统可工作于PQ模式。

在孤岛微电网系统中，对风力发电系统和光伏发电系统进行限功率控制时，可首先限制光伏发电系统的功率。

在孤岛微电网系统中，当所述柴油发电机系统出现故障时，所述柴油发电机系统可停止运行，所述储能系统的工作模式可转为U/f模式，作为孤岛微电网的电压和频率支撑。

在孤岛微电网系统中，对所述储能系统的约束包括：当所述总输出功率大于负荷功率时，可限制电池的荷电状态小于0.9倍的荷电状态最大值，并且储能电池的电压小于最大电压。

对所述储能系统的约束还包括：当储能系统的充电功率超过最大充电功率时，可对风力发电系统和光伏发电系统进行限功率控制。

在孤岛微电网系统中，对所述储能系统的约束可包括：当所述总输出功率小于负荷功率时，限制电池的荷电状态大于1.1倍的荷电状态最小值，并且储能电池的电压大于最小电压。

对所述储能系统的约束还包括：当储能系统的放电功率超过最大放电功率时，切除部分负荷。

根据本发明的另一方面，提供一种风光柴储型孤岛微电网系统的控制装置，所述微电网系统包括分别连接至微电网母线的风力发电系统、光伏发电系统、柴油发电机系统、储能系统以及负荷。所述控制装置包括：总功率控制模块，对风力发电系统、光伏发电系统和柴油发电机系统的总输出功率与负荷功率进行比较；储能系统约束模块，基于所述总输出功率与负荷功率的比较结果，通过对储能系统的荷电量和输出电压进行约束以延长储能系统的寿命；以及柴油发电机控制模块，当所述柴油发电机系统正常运行时，控制所述柴油发电机系统持续运行，且对柴油发电机系统进行最小运行功率约束控制。

所述柴油发电机控制模块还可用于当所述总输出功率和储能系统的放电功率之和小于负荷功率时，切除部分负荷；当所述总输出功率大于负荷功率和储能系统的充电功率之和时，对风力发电系统和光伏发电系统进行限功率控制。

在所述控制装置中，当所述柴油发电机系统正常运行时，所述柴油发电机系统可工作于U/f模式以作为孤岛微电网的电压和频率支撑，并且风力发电系统、光伏发电系统和储能系统可工作于PQ模式。

在所述控制装置中，对风力发电系统和光伏发电系统进行限功率控制时，可首先限制光伏发电系统的功率。

在所述控制装置中，当所述柴油发电机系统出现故障时，所述柴油发电机系统可停止运行，所述储能系统的工作模式可转为U/f模式，作为孤岛微电网的电压和频率支撑。

在所述控制装置中，对所述储能系统的约束包括：当所述总输出功率大于负荷功率时，可限制电池的荷电状态小于0.9倍的荷电状态最大值，并且储能电池的电压小于最大电压。

在所述控制装置中，对所述储能系统的约束还包括：当储能系统的充电功率超过最大充电功率时，可对风力发电系统和光伏发电系统进行限功率控制。

在所述控制装置中，对所述储能系统的约束可包括：当所述总输出功率小于负荷功率时，限制电池的荷电状态大于1.1倍的荷电状态最小值，并且储能电池的电压大于最小电压。

在控制装置中，对所述储能系统的约束还包括：当储能系统的放电功率超过最大放电功率时，可切除部分负荷。

根据本发明的另一方面，提供一种风光柴储型孤岛微电网系统的控制方法，所述微电网系统包括分别连接至微电网母线的风力发电系统、光伏发电系统、柴油发电机系统、储能系统以及负荷。所述方法包括：对风力发电系统、光伏发电系统和柴油发电机系统的总输出功率与负荷功率进行比较；以及基于所述总输出功率与负荷功率的比较结果，通过对储能系统的荷电量和输出电压进行约束以延长储能系统的寿命。当所述柴油发电机系统正常运行时，控制所述柴油发电机系统持续运行，且对柴油发电机系统进行最小运行功率约束控制。

所述方法还可包括：当所述总输出功率和储能系统的放电功率之和小于负荷功率时，切除部分负荷；当所述总输出功率大于负荷功率和储能系统的充电功率之和时，对风力发电系统和光伏发电系统进行限功率控制。

所述方法还可包括：当所述柴油发电机系统正常运行时，控制柴油发电机系统工作于U/f模式以作为孤岛微电网的电压和频率支撑，并且控制风力发电系统、光伏发电系统和储能系统工作于PQ模式。

所述方法还可包括，对所述风力发电系统和光伏发电系统进行限功率控制时，首先限制光伏发电系统的功率。

所述方法还可包括，当所述柴油发电机系统出现故障时，控制所述柴油发电机系统停止运行，且所述储能系统的工作模式转为U/f模式，作为孤岛微电网的电压和频率支撑。

所述控制方法中，可对所述储能系统的约束包括：当所述总输出功率大于负荷功率时，限制电池的荷电状态小于0.9倍的荷电状态最大值，并且储能电池的电压小于最大电压。

对所述储能系统的约束还包括：当储能系统的充电功率超过最大充电功率时，可对风力发电系统和光伏发电系统进行限功率控制。

所述控制方法中，对所述储能系统的约束可包括：当所述总输出功率小于负荷功率时，限制电池的荷电状态大于1.1倍的放电最大值，并且储能电池的电压大于最小电压。

对所述储能系统的约束还包括：当储能系统的放电功率超过最大放电功率时，可切除部分负荷。

根据本发明的另一方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。当所述计算机程序在被处理器执行时实现上述的孤岛微电网系统的控制方法。

附图说明

图1是根据本发明的孤岛微电网系统的拓扑结构图。

图2是根据本发明的控制方法的流程图。

图3是根据本发明的风力发电和光伏发电限功率策略的流程图。

图4是根据本发明的柴油发电机故障时储能系统作为U/f源的控制方法的流程图。

图5是根据本发明的微电网的各分布式电源和负荷输出功率的曲线图。

图6是根据本发明的控制器输出的光伏发电、风力发电、储能功率给定指令图。

图7是根据本发明的控制器的切负荷指令图。

图8是根据本发明的柴油发电机故障时孤岛微电网各分布式电源的输出功率和负荷的曲线图。

图9是根据本发明的柴油发电机故障时控制器输出的光伏发电、风力发电功率给定的指令图。

图10是根据本发明的柴油发电机故障时控制器输出的切负荷的指令图。

具体实施方式

提供以下具体实施方式以帮助读者获得对在此所描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开内容之后，在此所描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改及等同物将是显而易见的。例如，在此所描述的操作的顺序仅仅是示例，其并不限于在此所阐述的顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可做出在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略本领域中已知的特征的描述。为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

微电网(Micro-Grid)也称为微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控装置和保护装置等组成的小型发配电系统。孤岛微电网是指不与大电网相连的微电网。

图1是根据本发明的孤岛微电网系统拓扑结构图。

如图1所示，根据本发明的实施例的孤岛微电网由风力发电系统(例如，风机)、光伏发电系统(例如，光伏电池)、柴油发电机系统、储能系统(例如，储能电池)、微网母线及一个或更多个负荷组成。在图1中，风力发电系统、光伏发电系统、柴油发电机系统、储能系统、及负荷均通过断路器F1至F6与微电网母线连接。此外，所述孤岛微电网中还可包括控制系统，例如，控制器或控制装置(未示出)。

以下对本发明涉及的变量进行统一定义。

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

SOC(t)：储能电池荷电状态；

SOC

U

U

P

风力发电系统、光伏发电系统、柴油发电机系统、储能系统称为分布式电源。当微电网正常运行时，柴油发电机系统工作于U/f模式(恒压恒频)作为孤岛微电网电压、频率支撑，而风力发电系统、光伏发电系统和储能系统工作于PQ模式(恒功率)。当柴油发电机系统出现故障时，柴油发电机停止运行，储能系统的工作模式转为U/f模式以作为孤岛微电网的电压和频率支撑。

孤岛微电网运行时，柴油发电机作为稳定的电源，支撑孤岛微电网运行的电压和频率。基于风、光发电的随机性、波动性特点和孤岛系统功率平衡的特性，优先控制储能系统来平抑风力发电和光伏发电的波动和维持系统功率平衡。本发明主要针对远离电网的海岛、牧区等偏远地区孤岛微电网的控制方法，这些地区长期处于离网情况下，不希望柴油机重复启停，因此需要控制柴油机长期运行以保障系统稳定性。

为实现孤岛模式下微电网的稳定、经济运行，本发明采用中心控制和本地控制相结合的控制技术。微电网的控制器可统一协调控制各分布式电源和负荷以维持孤岛微电网稳定运行。控制策略可包括：

1、由于风力资源和光伏资源为可再生资源，在各种用于发电的能源中，优先利用风力发电和光伏发电对负荷供电；

2、考虑风力发电和光伏发电的间歇性、随机性特点，通过对储能系统充放电进行控制来平抑风力发电和光伏发电的功率波动；

3、鉴于柴油发电机运行稳定的特点，将柴油发电机作为孤岛微电网的恒定U/f源；

4、对负荷进行重要性分级控制，优先保证重要负荷的供电稳定。

此外，在控制方法中，以孤岛微电网稳定、经济运行为目标，设计约束条件包括：

功率平衡约束条件：

P

柴油发电机最小运行功率约束条件：

P

储能电池荷电量约束条件：

SOC

储能电池直流电压约束条件：

U

储能系统充放电功率约束条件：

P

此外，发电功率P

储能系统控制是整个控制方法的中心环节，风力发电和光伏发电限功率控制、负荷控制均与储能控制相关联，储能系统控制对储能电池荷电状态SOC和输出电压的约束，延长了储能电池寿命。

根据本发明的实施例，风光柴储型孤岛微电网系统的控制装置可以以模块形式配置，控制装置可包括总功率控制模块、储能系统约束模块和柴油发电机控制模块。

总功率控制模块可判断柴油发电机最小发电功率P

储能系统约束模块可基于所述总输出功率与负荷功率的比较结果，通过对储能系统的荷电量和输出电压进行约束以延长储能系统的寿命。总功率控制模块优先控制储能系统充电，来吸收多余发电量。

储能系统约束模块判断此时储能电池是否满足充电条件，充电条件为荷电量SOC和输出电压是否低于最大值。例如，限制电池的荷电状态小于0.9倍的荷电状态最大值，并且储能电池的电压小于最大电压。

1.1)若储能系统满足充电条件则对其进行充电控制。同时，当多余的差额功率P

1.2)若储能系统不满足充电条件，则储能系统不工作，即储能功率给定P

进行风、光限功率控制时，总功率控制模块优先限光伏发电功率，当用电功率减去柴油发电机功率(P

当发电功率之和P

2.1)若储能系统满足放电条件则对其进行放电控制。

当欠缺的差额功率P

当差额功率P

2.2)若储能系统不满足放电条件，则储能系统约束模块控制储能系统不工作，即储能功率给定P

当所述柴油发电机系统正常运行时，柴油发电机控制模块可控制所述柴油发电机系统持续运行，且对柴油发电机系统进行最小运行功率约束控制，即保证柴油发电机运行在最小功率以上。

根据本发明的实施例，柴油发电机控制模块还可用于当总输出功率和储能系统的放电功率之和小于负荷功率时，切除部分负荷；当所述总输出功率大于负荷功率和储能系统的充电功率之和时，总功率控制模块对风力发电系统和光伏发电系统进行限功率控制。

当柴油发电机故障时，储能系统约束模块控制储能系统由PQ控制模式切换到U/f控制模式，作为该孤岛微电网电压、频率支撑。

总功率控制模块还可对风力发电系统、光伏发电系统和柴油发电机系统的总输出功率与负荷功率进行比较。判断风机最大发电功率P

储能系统约束模块还可基于所述总输出功率与负荷功率的比较结果，判断此时储能电池是否满足放电条件，即荷电量SOC和输出电压是否低于最小值。

3.1)当储能系统满足放电条件时，判断缺少的差额功率P

3.2)当储能系统不满足放电条件时，进行切负荷策略。

当风机最大发电功率P

4.1)当储能系统不满足充电条件时，进行风光限功率控制。

4.2)当储能系统满足充电条件时，判断多余风光功率是否大于储能系统最大充电功率，当大于时进行风光限功率控制，否则储能系统自动控制其充电。

图2是根据本发明的控制方法的流程图。根据本发明的实施例，控制方法可包括以下步骤：

在步骤100，判断柴油发电机最小运行功率、风机最大发电功率、光伏最大发电功率之和的总功率P

在步骤200，分别判断光伏发电、风力发电功率是否运行在最大发电功率，若不是则令控制器输出的光伏发电功率给定、风力发电功率给定分别等于其最大发电功率，即P

在步骤300，判断储能电池是否满足放电条件。所述放电条件限制储能电池的荷电状态SOC(t)大于1.1倍的荷电状态最小值SOC

在步骤400，判断差额功率P

回到步骤100，当总功率P

在步骤600，判断风力发电和光伏发电功率是否盈余，即，差额功率P

图3是根据本发明的风力发电和光伏发电限功率策略610的流程图。

根据本发明的实施例，进行风力发电和光伏发电限功率控制时，优先限光伏发电功率。在步骤611，判断用电功率(即，负荷功率的在储能系统提供输出之后的部分)减去柴油发电机功率(P

本方法主要通过对储能电池控制、风光限功率控制以及负荷控制来实现保证孤岛微电网稳定运行，通过对柴油发电机最小运行功率约束控制实现其经济性运行，通过对储能电池荷电量、输出电压约束来延长储能电池寿命。当柴油发电机故障时，可控制储能系统由PQ控制模式切换到U/f控制模式，作为该孤岛微电网电压、频率支撑，同时控制方法切换到图4的控制模式，以保证孤岛微电网长期稳定运行。

图4是根据本发明的柴油发电机故障时储能系统作为U/f源的控制方法的流程图。当柴油发电机故障时，控制器控制储能系统由PQ控制模式切换到U/f控制模式以作为孤岛微电网的电压、频率支撑。

参照图4，在步骤410，判断发电功率P

在步骤420，分别判断光伏发电、风力发电功率是否小于最大发电功率，若小于最大发电功率则令控制器输出的光伏发电功率给定P

在步骤430，判断此时储能电池是否满足放电条件。放电条件判断储能电池的荷电状态SOC(t)小于等于1.1倍的荷电状态最小值SOC

在步骤440，判断差额功率P

回到步骤410，当发电功率P

当储能系统不满足充电条件时，进行风光限功率控制以使风力发电和光伏发电的输出功率之和与负载功率相平衡；当储能系统满足充电条件时，转到步骤460，判断多余的风光功率是否大于储能系统最大充电功率，当大于时进行风光限功率控制，否则自动控制储能系统充电。

图5是根据本发明的微电网的各分布式电源和负荷输出功率的曲线图。如图5中所示，在负载功率曲线P_load变化时，储能系统中的锂电池输出功率曲线P_li、柴油发电系统功率曲线P_diesel、光伏发电系统功率曲线P_PV和风力发电系统功率曲线P_wind随之变化。

图6是根据本发明的控制器输出的光伏发电、风力发电、储能功率给定指令图。如图6所示，通过调节光伏发电功率给定曲线ppvref、储能输出功率给定曲线pb1ref和风力发电功率给定曲线pwtref实现系统的稳定运行。

图7是根据本发明的控制器的切负荷指令图。如图7所示，从负荷指令曲线D_LOAD曲线可以看出，系统的调节范围超出光伏发电系统、风力发电系统、储能系统和柴油发电系统的调节范围，在15秒时间点之后，控制器发出切负荷指令。

图8是根据本发明的柴油发电机故障时孤岛微电网各分布式电源的输出功率和负荷的曲线图。图9是根据本发明的柴油发电机故障时控制器输出的光伏发电、风力发电功率给定的指令图。图10是根据本发明的柴油发电机故障时控制器输出的切负荷的指令图。在柴油发电系统停止运行时，从图9中可以看到光伏发电、风力发电、储能功率给定的指令曲线图的变化。在图10中，系统的调节范围超出光伏发电系统、风力发电系统和储能系统的调节范围后，控制器发出切负荷指令。

本控制方法是一个整体，各控制部分之间是相互联系的。在每个实施例中的特征或方面的描述将被认为可适用于其他实施例中的类似特征或方面。

根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行根据本发明的风光柴储型孤岛微电网控制方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。

根据本发明的示例性实施例还提供一种计算机设备。该计算机设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本发明的风光柴储型孤岛微电网控制方法的计算机程序。

本发明通过储能系统充放电控制，协调了风、光发电功率间歇性、随机性特点造成孤岛微电网功率大幅波动问题，最大化利用可再生能源。本发明通过对风、光发电功率控制，保证柴油发电机运行在最小功率运行，提高柴油发电机运行经济性。本发明通过对不重要负荷控制，保证微网系统发电功率不满足系统需求时系统稳定，保证重要负荷供电可靠性。当柴油发电机故障情况，本发明控制储能系统转为孤岛系统U/f源，同时提供满足该模式下控制方法实现对系统稳定控制，大大提高孤岛微电网系统稳定性。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行修改和变型，这些修改和变型也应在本发明权利要求的保护范围内。