任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要: 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。針對直流供電系統(tǒng)中不同變換器之間的協(xié)調控制難題，提出了基于直流母線電壓信息的自治協(xié)調控制策略。系統(tǒng)中各并網裝置通過判斷直流母線電壓信息自適應選擇控制模式并無縫切換，以保證直流母線電壓穩(wěn)定; 采用自適應變下垂控制方法，保證微網中各并網設備輸出功率均衡、合理，實現(xiàn)直流供電系統(tǒng)具備“即插即用"。*后仿真驗證了所提策略的有效性和正確性。

關鍵詞: 電能管理; 直流供電; 直流母線電壓; 協(xié)調控制; 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。如何實現(xiàn)直流供電系統(tǒng)中不同變換器之間的協(xié)調控制成為需解決難題之一。直流供電系統(tǒng)協(xié)調控制模式包括集中通信和分布式控制。采用集中控制時需要依賴設備運行數據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構供電可靠性較低。分布式控制時采用母線電壓作為協(xié)調控制信號，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。以分布式風電為發(fā)電單元的協(xié)調控制策略，母線電壓由每層中相應變換器控制。研究了直流微電網的協(xié)調自治方案，根據預制方案實現(xiàn)并/離網模式切換，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，本文提出了考慮電能管理的一種供電系統(tǒng)自治協(xié)調控制策略。并網裝置通過判斷微電網直流母線電壓信息自適應選擇控制模式并無縫切換，各并網設備采用自適應下垂控制，相互之間無需通信，具備“即插即用功能"。

1 供電系統(tǒng)拓撲結構

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）光伏發(fā)電單元: 光伏陣列通過 DC/DC 變換器并網，通常以*大功率跟蹤模式運行，特殊情況下，按照調度指令降功率運行。

（2） 儲能單元: 儲能電池通過雙向 DC/DC 變換器并網，并網時處于熱備用狀態(tài)，依據母線信息確定工作模式; 離網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。

（3） 并網變流器: 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，實現(xiàn)直流微網和交流主網之間的功能交換，保障系統(tǒng)功率平衡及維持母線電壓穩(wěn)定。

（4）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)。離網時需要根據負荷的重要程度進行切負荷控制，確保重要負荷的供電質量。

2 供電系統(tǒng)自適應協(xié)調控制策略

依據直流母線電壓信息將直流供電系統(tǒng)分為電網主導和切負荷四種運行模式，如圖 2 所示?？紤]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（電網主導運行模式）

當與交流電網相連，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提供，確保系統(tǒng)的功率交互平衡，系統(tǒng)工作于電網主導模式。忽略供電系統(tǒng)的損耗，該模式下交流主網提供的功率為：

2.2 模式2（儲能主導運行模式）

交流電網發(fā)生故障或負荷波動時，可能導致并網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。此時并網變流器會出現(xiàn)限功率運行，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進入變系數下垂控制模式，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 變流器處于并網待機模式。

0.5~1S光伏輸出功率減小，為了維持網內功率平衡，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。

1.5~2S：供電系統(tǒng)切換為并網運行，母線電壓恢復額定值，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。構建智能用電服務體系，推廣用戶端智能儀表、智能用電管理終端等設備用電管理解決方案，實現(xiàn)電網與用戶的雙向良性互動。用戶端急需解決的研究內容主要包括：表計，智能樓宇、智能電器、增值服務、客戶用電管理系統(tǒng)、需求側管理等課題。

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，以直觀的數據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慣，節(jié)約電能，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

4.2應用場所

（1）辦公建筑（商務辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構建筑等）；

（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)結構

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、電能等電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關故障、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，當鼠標移動到每個回路附近時，鼠標指針變?yōu)槭中危髽藛螕艨刹榭丛摶芈吩敿氹妳⒘?，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無功功率、總功率因數、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）運行報表

系統(tǒng)具有實時電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實時采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢界面中能夠自定義需要查詢的參數、zhi定時間或選擇查詢更新的記錄數據等，并通過報表方式顯示出來。用戶可以根據需要定制運行日報、月報，支持導出Excel格式文件，還可以根據用戶要求導出PDF格式文件。

5）變壓器運行監(jiān)視

系統(tǒng)對配電系統(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。

6）實時提醒

系統(tǒng)具有實時提醒功能，系統(tǒng)能夠對配電回路斷路器、隔離開關、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、功率因數越限等事件進行實時監(jiān)測，并根據事件等級發(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。

7）歷史事件查詢

系統(tǒng)能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數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）電能質量監(jiān)測

系統(tǒng)可以對整個配電系統(tǒng)范圍內的電能質量進行持續(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。

9）遙控操作

系統(tǒng)支持對斷路器、隔離開關、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及保護保測控裝置具備遙控功能等硬件設備的支持。

10）用戶權限管理

系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如配電回路名稱修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

11）通訊狀態(tài)圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構；可在線診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設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)場各設備的通訊狀態(tài)，及時維護出現(xiàn)異常的設備，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畫面信息。

13）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據，對變壓器負荷、配電回路用電量、功率因數、報警事件等進行統(tǒng)計分析。

14）APP支持

電力運維手機支持“監(jiān)控系統(tǒng)"、“設備檔案"、“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、電能質量、各種事件報警查詢，設備檔案查詢、待辦事件處理、巡檢記錄查詢等。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5 結束語

本文提出一種考慮電能管理的供電系統(tǒng)自治協(xié)調控制策略。仿真結果表明: 微網供電系統(tǒng)中各并網裝置通過判斷微網直流母線電壓信息即可自適應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，各并網設備之間無需相互通信，采用自適應變系數下垂控制，以保證微網中各并網設備輸出功率均衡、合理，快速實現(xiàn)系統(tǒng)內各變流器的功率平衡及協(xié)調控制。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)內部的自治與協(xié)調運行。

【參考文獻】

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【4】安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05

作者簡介：任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電能管理研究發(fā)展。