發明專利｜一種智能直流微電網系統及控制方法

2017-11-13 21:04:49 北極星輸配電網整理　點擊量：評論 (0)

摘要：本發明公開的一種智能直流微電網系統及控制方法，屬于電力系統新能源發電領域。本發明公開的一種智能直流微電網系統，包括電源模塊、負荷模塊、儲能模塊、并網控制器、智能直流微電網連接功率電路、智能直

摘要：本發明公開的一種智能直流微電網系統及控制方法，屬于電力系統新能源發電領域。本發明公開的一種智能直流微電網系統，包括電源模塊、負荷模塊、儲能模塊、并網控制器、智能直流微電網連接功率電路、智能直流微電網通信總線、智能直流微電網預測和優化控制模塊、監控模塊。本發明還公開用于上述的一種智能直流微電網系統的控制方法，以及用于上述的一種智能直流微電網系統實現即插即用的控制方法。本發明要解決的技術問題是實現充分發揮微電網分布式控制的優點，從而提高微電網可靠性，并改善微電網雙向信息通訊能力和系統可擴展性。

申請人：北京理工大學

發明人：馬中靜陸志成段宏邵云峰楊楠汪小娟

1 .一種智能直流微電網系統，其特征在于：包括電源模塊(1)、負荷模塊(2)、儲能模塊(3)、并網控制器(4)、智能直流微電網連接功率電路(5)、智能直流微電網通信總線(6)、智能直流微電網預測和優化控制模塊、監控模塊(7);所述的電源模塊(1)、負荷模塊(2)、儲能模塊(3)、并網控制器(4)、智能直流微電網連接功率電路(5)、智能直流微電網通信總線(6)、智能直流微電網預測和優化控制模塊、監控模塊(7)數量為一個及以上;

所述的電源模塊(1)用于向智能直流微電網系統提供電能，包括分布式電源(11)及與其相連的最大功率跟蹤器(12);所述的最大功率跟蹤器(12)集成有電壓電流傳感器模塊、微控制器模塊、CAN總線通信模塊和故障處理模塊;

所述的負荷模塊(2)包括負荷(21)、變換器(22)，變換器(22)與負荷(21)相連;所述的變換器(22)集成有電壓電流傳感器模塊、微控制器模塊、CAN總線通信模塊和故障處理模塊;所述的負荷(21)指任選不可控負荷或可控負荷之一，所述的變換器(22)指任選DC/DC變換器或DC/AC變換器之一;

所述的儲能模塊(3)用于通過電能儲存或釋放調節智能直流微電網系統功率平衡，包括蓄電池(31)、超級電容(31)等儲能裝置和雙向DC/DC變換器(32)，雙向DC/DC變換器(32)分別與蓄電池、超級電容等儲能裝置相連;所述的雙向DC/DC變換器(32)集成有電壓電流傳感器模塊、微控制器模塊、CAN總線通信模塊和故障處理模塊;

所述的并網控制器(4)選用雙向DC/AC控制器，用于調節直流微電網系統的功率平衡，并且用于智能直流微電網系統并網或孤島運行狀態的控制;所述的雙向DC/AC控制器集成有電壓電流傳感器模塊、微控制器模塊、CAN總線通信模塊和故障處理模塊;

所述的智能直流微電網連接功率電路(5)用于智能直流微電網系統電源模塊(1)、負荷模塊(2)、儲能模塊(3)和并網控制器(4)之間的連接，并用于智能直流微電網系統電源模塊(1)、負荷模塊(2)、儲能模塊(3)和并網控制器(4)之間的電能傳輸;

所述智能直流微電網通信總線(6)用于電源模塊(1)、負荷模塊(2)、儲能模塊(3)、并網控制器(4)、智能直流微電網預測和優化控制模塊和監控模塊(7)之間的高速雙向信息通信;

所述智能直流微電網預測和優化控制模塊用于預測和優化電源模塊(1)、負荷模塊(2)和儲能模塊(3)運行狀態;所述智能直流微電網預測和優化控制模塊使用預測和優化算法得到實時控制指令和預測控制指令，并通過智能直流微電網通信總線(6)發送給電源模塊(1)、負荷模塊(2)和儲能模塊(3);所述監控模塊(7)包括監控硬件和監控軟件，硬件根據使用需求任意選擇PC機或者服務器;軟件包括智能直流微電網預測和優化控制模塊算法和智能直流微電網系統監控人機交互軟件平臺。

2.如權利要求1所述的一種智能直流微電網系統，其特征在于：所述的最大功率跟蹤器(12)、變換器(22)、雙向DC/AC控制器和雙向DC/DC變換器(32)均集成有電壓電流感器模塊、微控制器模塊、故障處理模塊，用于直流微電網電能質量控制、故障動作等暫態控制，充分發揮智能直流微電網系統分布式控制的優勢，并且能夠提高直流微電網可靠性;所述的最大功率跟蹤器(12)、變換器(22)、雙向DC/AC控制器和雙向DC/DC變換器(32)均集成有CAN總線通信模塊，集成的CAN總線通信模塊通過直流微電網通信總線(6)相連接，能夠改善智能直流微電網系統的雙向信息通信能力和系統的擴展性;所述智能直流微電網預測和優化控制模塊生成的優化指令包括實時指令和預測指令;通信正常時，智能直流微電網系統根據實時指令運行;當通信故障時，智能直流微電網系統能根據預測指令繼續運行，改善傳統直流微電網可靠性。

3.如權利要求1或2所述的一種智能直流微電網系統，其特征在于：所述CAN總線通信模塊主動與監控模塊(7)校對時鐘，所有的最大功率跟蹤器(12)、變換器(22)、雙向DC/AC控制器(4)和雙向DC/DC變換器(32)與監控模塊保持時鐘一致;同時CAN總線通信具有良好的雙向通信能力、簡單易擴展，有利于智能直流微電網系統的雙向信息通信和系統的擴展。

4.如權利要求1或2所述的一種智能直流微電網系統，其特征在于：所述智能直流微電網預測和優化控制模塊用于生成控制直流微電網潮流優化的預測優化指令和實時優化指令;所述潮流優化基于日用電價格最低的優化算法，達到用電價格最低的目的，或者優選基于智能直流微電網系統運行總損耗最小的優化算法，達到節約能源，提高能源利用率的目的。

5.如權利要求1或2所述的一種智能直流微電網系統，其特征在于：還包括過壓保護裝置、過流保護裝置和短路保護裝置。

6.用于權利要求1至5任意一項所述的一種智能直流微電網系統的控制方法，其特征在于：包括如下步驟，步驟一：智能直流微電網預測和優化控制模塊獲取外部信息和智能直流微電網系統的電源模塊(1)、負荷模塊(2)、儲能模塊(3)和并網控制器的模塊運行實時信息;

步驟二：智能直流微電網預測和優化控制模塊使用預測和優化控制算法生成預測優化指令和實時優化指令，并通過CAN總線通信模塊下發給電源模塊(1)、負荷模塊(2)和儲能模塊(3);CAN總線通信具有良好的雙向通信能力、簡單易擴展，有利于智能直流微電網系統的雙向信息通信和系統的擴展;

步驟三：檢測智能直流微電網系統通信狀態;智能直流微電網系統通信正常可用時，電源模塊(1)、負荷模塊(2)和儲能模塊(3)接受并執行實時控制指令，同時接收并存儲預測控制指令;智能直流微電網系統通信異常時，電源模塊(1)、負荷模塊(2)和儲能模塊(3)提取已儲存的預測控制指令，并按照預測控制指令運行，同時報警并等待通信恢復;智能直流微電網系統通信異常使用已儲存的預測控制指令能夠提高智能直流微電網系統的可靠性;

步驟四：電源模塊(1)、負荷模塊(2)、儲能模塊(3)和并網控制器分別在實時控制指令的控制下獨立運行，實現分布式控制的優點，能夠提高智能直流微電網系統的可靠性;

步驟五：電源模塊(1)、負荷模塊(2)、儲能模塊(3)和并網控制器自身集成的電壓電流傳感器測量得到模塊運行實時信息，并傳輸給智能直流微電網預測和優化控制模塊;

步驟六：重復上述步驟一到步驟五，使智能直流微電網系統實現持續可靠、高效和安全地運行。

7.如權利要求6所述的一種智能直流微電網系統的控制方法，其特征在于：所述的并網控制器不接受智能直流微電網預測和優化控制模塊的控制信息而獨立運行，用于補償因為計算誤差和外部擾動引起的功率不平衡，并用于智能直流微電網系統的并網運行狀態或孤島運行狀態的控制。

8.如權利要求6所述的一種智能直流微電網系統實現的控制方法，其特征在于：所述的智能直流微電網預測和優化控制模塊使用預測和優化控制算法優選基于日用電價格最低的優化算法，達到用電價格最低的目的，或者優選基于智能直流微電網系統運行總損耗最小的優化算法，達到節約能源，提高能源利用率的目的。

9.如權利要求6所述的一種智能直流微電網系統的控制方法，其特征在于：所述的電源模塊(1)、負荷模塊(2)、儲能模塊(3)具有即插即用(Plug-and-Play)功能。

10.如權利要求9所述的一種智能直流微電網系統的控制方法，其特征在于：實現即插即用(Plug-and-Play)的控制方法包括如下步驟，

步驟1：新接入的模塊接入上述的智能直流微電網系統，包括功率電路的接入和通信電路的接入;

步驟2：控制器對CAN總線通信進行初始化，配置CAN總線通訊節點模塊的地址，特征碼信息;

步驟3：新接入的模塊主動向監控模塊(7)發送時鐘校對請求，并下一周期接受監控模塊(7)的時鐘信息，完成與監控模塊(7)的時鐘校對，保持整個智能直流微電網系統時鐘一致;

步驟4：新接入的模塊向智能直流微電網預測和優化控制模塊發送設備信息;

步驟5：新接入的模塊進行功率電路初始化，完成故障繼電器開關自檢和電容預充電;

步驟6：基本初始化完成后，開始接受預測控制指令和實時控制指令;

步驟7：新接入的模塊按照控制指令運行;

步驟8：重復步驟6和步驟7，新接入的設備進入正常運行狀態。

技術領域

本發明屬于電力系統新能源發電領域，微電網系統領域，特別涉及一種智能直流微電網系統及控制方法。

背景技術

微電網系統主要包括電源模塊、負荷模塊、儲能模塊和必要的通信與控制模塊組成。微電網系統的發電單元多使用清潔的可再生能源，符合國家智能電網戰略的要求，因此發展十分迅速。微電網與傳統大電網相比，具有低電壓、低成本、低污染、高效率的特點。并且微電網可以并網運行和孤島運行，能夠改善能源結構，提高能源利用率。同時相比于交流微電網而言，直流微電網具有結構簡單，控制方便等優點，具有更大的發展潛力。

直流微電網是分布式電源模塊及相關負荷模塊、儲能模塊按照一定拓撲結構(如總線結構、環形母線結構等)組成的網絡，但是目前的直流微電網多采用集中控制的方法，無法凸顯直流微電網分布式的特點。并且集中式控制依賴于可靠的信息通信技術，但目前的直流微電網系統通信技術的可靠性不足以滿足微電網長期穩定運行的需求。

國家智能電網戰略同時要求實現高速的雙向信息通信。目前大部分直流微電網平臺多采用RS232或者RS485串行總線。RS232和RS485都有一些明顯的缺點，包括通信距離短、總線利用率低、不易擴展等。