一种适用于交通系统的多能源储能供电系统稳定供电方法

技术领域

本发明涉及公路交通负荷能源保障技术领域，具体涉及一种适用于交通系统的多能源储能供电系统稳定供电方法。

背景技术

公路交通负荷以电力负荷为主，却有着传统电力负荷不具备的诸多新特性，其中冲击性、波动性表现最为明显。我国的公路系统具有总里程长、地域特征明显的固有属性，不同地域的公路所处的自然环境不同，能够利用的能源种类也不尽相同。近几年来，以电动汽车为主的新能源汽车的快速发展促使公路基础设施朝着电动化和智能化的方向快速迈进，电动化和智能化的前提是要有一套稳定高效的电力保障系统，新的保障模式、负荷特征和保需求等对公路交通负荷供电系统提出了新的要求。

公路本身的特点是带状条形分布，该特点决定了其能源需求也同样呈现带状分布，而在服务区、休息区等区域，又呈现出点化集中的特点，随着公路向祖国各地延伸，其电网状况也不尽相同，为了确保服务区、隧道等重点保障对象的电力供给，目前的解决方案多以专线架设的方式进行保障，系统建设成本高；与此同时，单一的供电线路存在供电质量差、供电不稳定等情况，需要针对公路能源保障采用新的思路进行规划建设。

新能源为交通能源保障提供了全新的解决方案，新能源可以实现就地转换，就地利用，节省了长距离线路架设带来的建设成本上升和能量损耗，同时绿色环保，对环境无污染。但是，新能源种类繁多且容量分布不均，且同样存在时空分布不均和波动性等问题，单纯的依靠新能源作为公路交通负荷的供电保障，其稳定性可能不及传统电网。

发明内容

本发明公开一种适用于交通系统的多能源储能供电系统稳定供电方法，充分利用传统电网、新能源微电网、UPS（不间断电源）和柴油发电系统等多种能源构建多能源储能供电系统，通过相互组网，结合统一控制，能够完美解决公路交通负荷能源供电系统稳定性差的难题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种适用于交通系统的多能源储能供电系统稳定供电方法，包括：

构建多能源储能供电系统，多能源储能供电系统包括能分别给公路交通专用负荷母线独立供电的大电网、微电网系统、UPS、柴油发电系统，还包括用于控制调度的能量管理系统；微电网系统包括光伏发电组件、风力发电组件、由储能电池和超级电容构成的储能系统，微电网系统内设置交流母线和直流母线，交流母线分别连接大电网和公路交通专用负荷母线，直流母线分别连接光能变换模块、储能电池变换模块、超级电容变换模块、风能变换模块，直流母线和交流母线之间连接逆变模块，微电网系统内的综合控制模块接收能量管理系统的调度指令并控制微电网系统运行；

多能源储能供电系统的稳定供电方法包括母线稳压控制和源荷协调控制；

当微电网系统运行于并网模式时，源荷协调控制方式中，公路交通专用负荷母线由大电网和微电网系统供电；母线稳压控制方式中，在综合控制模块的调度下，在同一时刻，逆变模块、储能电池变换模块、超级电容变换模块三者之中至少有两个模块运行于直流母线稳压控制模式，其中，逆变模块在直流母线稳压控制模式和交流母线下垂控制模式之间切换，储能电池变换模块和超级电容变换模块各自分别在直流母线稳压控制模式与充放电控制模式之间切换；

当微电网系统运行于离网模式时，综合控制模块基于储能系统的电量及光伏发电和风力发电的出力情况进行控制，其中，源荷协调控制方式中，为公路交通负荷供电的优先级顺序依次为：微电网系统、UPS、柴油发电系统；母线稳压控制方式中，逆变模块工作于交流母线稳压控制模式，同一时刻下，储能电池变换模块和超级电容变换模块之中至少有一个运行于直流母线稳压控制模式。

进一步，离网模式下，源荷协调控制方法具体如下：

首先，启动储能系统为公路交通专用负荷母线供电，综合控制模块实时监测储能系统的电量，当储能系统的电量下降至第一阈值时，综合控制模块启动光伏发电组件为储能系统充电，当储能系统的电量上升至第五阈值时，光伏发电组件退出发电模式；

当储能系统的电量继续下降至第二阈值时，综合控制模块启动风力发电组件为储能系统充电，当储能系统的电量高于第二阈值时，风力发电组件退出发电模式；

当储能系统的电量继续下降至第三阈值时，切断公路交通非重要负荷并启动UPS单独为重要负荷供电，当储能系统的电量上升至第六阈值时，停止UPS供电并重新闭合公路交通非重要负荷，重新由微电网系统供电；当UPS的电量下降至第四阈值时，启动柴油发电系统为公路交通专用负荷母线供电，当储能系统的电量回升至第六阈值时，停止柴油发电系统发电并重新由微电网系统供电；

上述阈值中，从大到小依次为：第五阈值、第一阈值、第六阈值、第二阈值、第三阈值。

进一步，所述第一阈值为储能系统容量的70%，第二阈值为储能系统容量的40%，第三阈值为储能系统容量的10%，第五阈值为储能系统容量的95%，第六阈值为储能系统容量的50%，第四阈值为UPS容量的10%。

进一步，所述风力发电组件的退出或投入分别设定5%的滞环控制量。

进一步，并网模式下，母线稳压控制方法具体如下：

储能电池变换模块的控制模式按如下确定：

步骤1：先判断储能电池是否需要进行充放电管理，若否，则运行于直流母线稳压控制模式，若是，则继续步骤2的判断；

步骤2：同步判断逆变模块和超级电容变换模块是否均运行于直流母线稳压控制模式，若是，则储能电池变换模块确定为充放电控制模式；若逆变模块和超级电容变换模块仅有一个运行于直流母线稳压控制模式，则储能电池变换模块确定为直流母线稳压控制模式；

超级电容变换模块的控制模式按如下确定：

步骤3：先判断直流母线电压的降幅是否超过设定的第七阈值，若是，则运行于直流母线稳压控制模式，若否，则继续步骤4的判断；

步骤4：判断超级电容是否需要进行充放电管理，若否，则超级电容变换模块运行于直流母线稳压控制模式，若是，则继续步骤5的判断；

步骤5：同步判断逆变模块和储能电池变换模块是否均运行于直流母线稳压控制模式，若是，则超级电容变换模块确定为充放电控制模式；若逆变模块和储能电池变换模块仅有一个运行于直流母线稳压控制模式，则超级电容变换模块确定为直流母线稳压控制模式；

逆变模块的控制模式按如下确定：

步骤6：同步判断超级电容变换模块和储能电池变换模块是否均运行于直流母线稳压控制模式，若是，则继续步骤7的判断，若超级电容变换模块和储能电池变换模块仅有一个运行于直流母线稳压控制模式，则逆变模块确定为直流母线稳压控制模式；

步骤7：判断综合控制模块是否下达了交流母线下垂模式的控制指令，若

是，逆变模块确定为交流母线下垂控制模式，若否，逆变模块确定为直流母线稳压控制模式。

进一步，所述直流母线电压的降幅是指当前时刻采集到的直流母线电压与前一时刻采集到的直流母线电压之差，所述第七阈值为直流母线电压下降率，下降率设定为15%。

本发明针对多能源储能构建的供电系统，采用大电网、新能源微电网、UPS和柴油发电系统四级供电保障，配合多母线稳定控制策略，可以最大限度的提升公路交通负荷的供电稳定性。

附图说明

图1为实施例中多能源储能供电系统的网络架构示意图。

具体实施方式

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。

本实施例公开了一种适用于交通系统的多能源储能供电系统以及该供电系统的稳定供电方法，结合图1所示，首先构建多能源储能供电系统， 多能源储能供电系统的供电保障设置了四级，即大电网、微电网系统、UPS和柴油发电系统，上述四级供电保障的供电优先级顺序并不相同。大电网作为交通负荷用电的主要来源，在微电网系统并网运行时，微电网系统利用光伏发电及风力发电为交通负荷提供电能补充。而UPS作为大电网和微电网系统的能源补充，当大电网和微电网系统同时发生故障时，UPS启动为公路交通的重要负荷供电。UPS还可以弥补微电网系统在运行模式切换过程中出现的电压短时中断的情况。柴油发电系统作为应急后备电源使用，当UPS的电量也不足以支撑负荷用电时，启动柴油发电系统为重要负荷供电。

微电网系统内设置了光伏发电、储能电池、超级电容、风力发电四种能源，储能电池和超级电容构成了微电网系统中的储能系统，光伏发电和风力发电构成了微电网系统中的新能源发电系统。微电网系统内设一条高压直流母线和一条高压交流母线，光伏发电组件通过光能变换模块连接直流母线，储能电池通过储能电池变换模块连接直流母线，超级电容通过超级电容变换模块连接直流母线，风力发电组件通过风能变换模块连接直流母线。交流母线与直流母线之间通过逆变模块连接。微电网系统内的各个设备通过通信线与综合控制模块连接，接受综合控制模块的统一调度管理。综合控制模块是微电网系统的运行控制中心，接收各个模块设备的实时运行数据，同时，综合控制模块通过通信线连接外部的能量管理系统，接受能量管理系统的调度指令。

微电网系统内的交流母线通过开关K1和隔离变压器1与大电网连接，微电网系统内的交流母线还通过开关K2和隔离变压器2与公路交通专用负荷母线连接。UPS和柴油发电系统分别通过通信线连接综合控制模块，UPS和柴油发电系统还分别通过通信线连接能量管理系统。UPS通过开关K8与公路交通专用负荷母线连接，柴油发电系统通过开关K9与公路交通专用负荷母线连接。公路交通专用负荷主要包括道路监控收费系统、直流充电桩、交流充电桩、新型热负荷设备、其他交流负荷等，上述用电负荷各自通过开关K3-K7连接至公路交通专用负荷母线上。

综合控制模块内部控制算法分为三个层级，第一层级是接受上级系统的调度指令，对调度指令进行初步接受确认，生成微电网系统的总体运行模式和运行策略，从而控制开关K1和K2闭合或者断开，适配当前外部电网状态和控制指令；第二层级是确认微电网系统的总体运行模式和运行策略后，通过内部的光伏变换模块控制算法、储能电池变换模块控制算法、超级电容模块控制算法以及风能变换模块控制算法生成四种模块的具体运行模式和运行调度指令并下发，控制四种模块运行在正确合理的运行模式下；第三层级是确认逆变模块的运行模式和运行策略，该层级需要对前述模块的运行反馈数据进行分析，结合当前采集到的外部电网特征信息和公路交通专用负荷的负荷特征信息，按照逆变模块内部的控制算法进行综合计算，生成逆变模块的运行控制指令，确保整个系统的负荷适配和稳定运行。

上述给出的供电系统中，储能电池在系统中起到能量存储和直流母线电压稳定的作用；风力发电和光伏发电均为不稳定的新能源，其中光伏发电具备显著的时间分布特征，夜晚无法发电。风力发电与光伏发电不同，虽然夜晚可以发电，但是波动性明显，且不受负荷需求限制，无法作为稳定的能量来源供给公路交通负荷。储能电池系统起到能量缓冲池的作用，本发明中的储能系统控制策略根据系统运行模式不同而不同，并网时储能系统接受综合控制模块的调度控制，尽可能的利用光伏发电和风力发电为储能电池充电，提高能源综合利用率，离网时储能模块主要起到直流母线稳定控制的作用。

超级电容在供电系统中起到满足冲击性公路交通负荷的供电保障；超级电容从外部特性上看和储能电池具有一定的相似之处，均为能量双向流动，可充电也可放电，在本供电系统中，超级电容的引入主要是为了解决公路交通负荷的冲击性需求。与传统的电力系统负荷不同，公路交通负荷表现出诸多的新特征，其中冲击性是其特征之一，主要变现为短时的大功率需求，主要以超大功率充电设施、公路运转运维装备维护设备为主。冲击负荷的功率需求有时可以达到正常运行时的几倍，如果使用储能电池系统去满足冲击性负荷的短时大功率需求，容易造成微电网系统内直流母线的不稳定，因此引入超级电容系统，超级电容系统充电、放电时间可以很短，瞬时功率大，是满足冲击性负载的最佳选择。短时的大功率需求会造成直流母线电压出现突降，本发明以直流母线电压降幅作为超级电容系统是否投入进行冲击性负荷用电保障的条件。

UPS在大电网和微电网系统均出现故障时，为重要公路交通负荷提供不间断电源供给；UPS最显著特点是稳定，在传统的电力系统中，UPS多被用作重要负荷的不间断供电电源来使用。在本供电系统中，UPS作为大电网和微电网同时故障时的重要负荷供电保障电源，能够确保重要负荷不断电。

柴油发电系统作为应急保障电源，在前述电源均故障时，为公路交通负荷提供应急供电保障。柴油发电系统作为供电系统内的应急保障电源，是在前述所有电源均故障时的最后应急供电保障。

对于上述给出的多能源储能供电系统的稳定供电方法设计上，本发明分别从母线稳压控制和源荷协调控制两方面进行考虑。对于母线稳压控制，主要是指对微电网系统内的高压直流母线和高压交流母线的稳压控制。微电网系统内部的高压直流母线和高压交流母线均由微电网系统内部的综合控制模块进行控制，具体分为并网和离网两种工况，下面将分别对两种工况下的运行策略展开说明。

工况一，供电系统运行于并网模式下：

现有技术中的微电网系统的控制采用单一模块即逆变模块稳定高压直流母线，并网模式下，光伏发电、风力发电、储能电池和超级电容均工作在电流源模式，采用该控制方式来稳定直流母线电压，其控制简单，但缺点是当逆变模块出现故障退出时，微电网系统无法继续维持直流母线稳定运行，供电系统需要暂时中断向外供电进行模式切换，此时为了确保公路交通负荷的供电不间断，可能需要启动UPS和柴油发电机系统进行临时的供电保障。因此，采用上述方式控制导致供电稳定性较差。

本发明设计了在并网模式下，高压直流母线由储能电池变换模块、超级电容变换模块及逆变模块共同控制的方式，能够实现模块之间的相互冗余效果，即单一模块发生故障后，仍能确保微电网系统内部的直流母线电压稳定。多模块共同控制直流母线在实现冗余效果的同时，也引入了额外的不稳定因素，即多模块之间的协调配合问题。首先，储能电池系统除了上述的直流母线稳定控制之外，仍需对储能电池进行常规的充放电管理等操作，超级电容同样存在类似的问题，要想确保其具备稳定直流母线的能力，超级电容本身同样需要常规的充放电管理和维护。

为了解决上述问题，本发明提出了改进的多模块协同控制直流母线电压的控制策略，具体描述为在同一时刻，确保至少有两个模块工作在直流母线电压稳定控制模式，另外的一个模块根据其自身当前的状态，选择最为合理的运行模式。微电网系统并网运行模式下，逆变模块在直流母线稳压控制模式和交流母线下垂控制模式之间切换，储能电池变换模块和超级电容变换模块各自分别在直流母线稳压控制模式与充放电控制模式之间切换。

并网模式下，储能电池变换模块的控制模式按如下确定：

步骤1：先判断储能电池是否需要进行充放电管理，若否，则运行于直流母线稳压控制模式，若是，则继续步骤2的判断；

步骤2：同步判断逆变模块和超级电容变换模块是否均运行于直流母线稳压控制模式，若是，则储能电池变换模块确定为充放电控制模式；若逆变模块和超级电容变换模块仅有一个运行于直流母线稳压控制模式，则储能电池变换模块确定为直流母线稳压控制模式。

并网模式下，超级电容变换模块的控制模式按如下确定：

步骤3：先判断直流母线电压的降幅是否超过设定的第七阈值，若是，则运行于直流母线稳压控制模式，若否，则继续步骤4的判断；

步骤4：判断超级电容是否需要进行充放电管理，若否，则超级电容变换模块运行于直流母线稳压控制模式，若是，则继续步骤5的判断；

步骤5：同步判断逆变模块和储能电池变换模块是否均运行于直流母线稳压控制模式，若是，则超级电容变换模块确定为充放电控制模式；若逆变模块和储能电池变换模块仅有一个运行于直流母线稳压控制模式，则超级电容变换模块确定为直流母线稳压控制模式。

上述提及的直流母线电压的降幅是指当前时刻采集到的直流母线电压与前一时刻采集到的直流母线电压之差，本实施例中的第七阈值为直流母线电压下降率，下降率设定为15%。

并网模式下，逆变模块的控制模式按如下确定：

步骤6：同步判断超级电容变换模块和储能电池变换模块是否均运行于直流母线稳压控制模式，若是，则继续步骤7的判断，若超级电容变换模块和储能电池变换模块仅有一个运行于直流母线稳压控制模式，则逆变模块确定为直流母线稳压控制模式；

步骤7：判断综合控制模块是否下达了交流母线下垂模式的控制指令，若

是，逆变模块确定为交流母线下垂控制模式，若否，逆变模块确定为直流母线稳压控制模式。

当微电网系统运行于并网模式时，源荷协调控制方式中，公路交通专用负荷母线由大电网和微电网系统供电。

工况二，供电系统运行于离网模式下：

当微电网系统运行于离网模式时，逆变模块工作于交流母线稳压控制模式，而综合控制模块根据当前的储能电池SOC、超级电容电量以及光伏发电和风力发电的出力状态确定具体的模块运行模式，待综合控制模块确定后，向光伏发电模块、风力发电模块、储能电池模块以及超级电容模块下达具体的运行模式，但需保证在同一时刻下，储能电池变换模块和超级电容变换模块之中至少有一个运行于直流母线稳压控制模式。

在离网运行时，实际交通负荷的大小以及风、光等新能源能量的匹配情况不同，会影响供电系统的稳定运行时间和微电网系统内部各模块的运行模式，因此，对于离网模式下的源荷协调控制的设置合理性非常重要。在本实施例中，对于离网模式下，公路交通负荷供电的优先级顺序依次为：微电网系统、UPS、柴油发电系统，上述不同能源的投切及退出分别按以下给出的方式进行控制：

首先，启动储能系统（即储能电池和超级电容）为公路交通专用负荷母线供电，由综合控制模块实时监测储能系统的电量变化情况。当储能系统的电量下降至第一阈值（本实施例设定为储能系统容量的70%）时，综合控制模块启动光伏发电组件为储能系统充电。光伏发电组件启动后继续检测储能系统的电量变化，当储能系统的电量继续下降至第二阈值（本实施例设定为储能系统容量的40%）时，综合控制模块开始启动风力发电组件为储能系统充电，风力发电组件的退出则是监测到储能系统的电量高于第二阈值时。为避免风力发电组件的频繁投切，对于风力发电组件的退出或投入分别设定5%的滞环控制量。在光伏发电的充电作用下，当储能电池的电量上升至第五阈值（本实施例设定为储能系统容量的95%）时，光伏发电组件退出发电模式。当储能系统的电量继续下降至第三阈值（本实施例设定为储能系统容量的10%）时，启动UPS为重要负荷供电且同时切断公路交通非重要负荷，由UPS单独为重要负荷供电。UPS启用后，由于风力发电和光伏发电持续在为储能系统充电，当储能系统的电量上升至第六阈值（本实施例设定为储能系统容量的50%）时，停止UPS供电并重新闭合公路交通非重要负荷，切回微电网系统供电模式。当UPS的电量继续下降至第四阈值（本实施例设定为UPS容量的10%）时，启动柴油发电系统为公路交通专用负荷母线紧急供电，同时继续检测储能系统的电量，当储能系统的电量回升至第六阈值时，柴油发电系统停止供电并回切到微电网系统供电模式。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。