基于電能管理的供電系統自治協(xié)調控制與應用

摘 要: 直流供電系統以便于光伏發(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(xiàn)電壓信息的自治協(xié)調控制策略。系統中各并網(wǎng)裝置通過(guò)判斷直流母線(xiàn)電壓信息自適應選擇控制模式并無(wú)縫切換，以保證直流母線(xiàn)電壓穩定; 采用自適應變下垂控制方法，保證微網(wǎng)中各并網(wǎng)設備輸出功率均衡、合理，實(shí)現直流供電系統具備“即插即用"。*后仿真驗證了所提策略的有效性和正確性。

關(guān)鍵詞: 電能管理; 直流供電; 直流母線(xiàn)電壓; 協(xié)調控制; 自治控制

引 言

直流供電系統可實(shí)現分布式光伏和直流負荷的直流接入，無(wú)頻率穩定性問(wèn)題，有利于系統穩定運行。如何實(shí)現直流供電系統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(shí)需要依賴(lài)設備運行數據的實(shí)時(shí)采集對各控制器下發(fā)控制指令。某個(gè)節點(diǎn)的信號異常嚴重時(shí)會(huì )使系統崩潰，因此這種類(lèi)型的控制結構供電可靠性較低。分布式控制時(shí)采用母線(xiàn)電壓作為協(xié)調控制信號，各控制單元可以實(shí)現獨立控制，但是無(wú)法保證各裝置輸出功率動(dòng)態(tài)均衡。以分布式風(fēng)電為發(fā)電單元的協(xié)調控制策略，母線(xiàn)電壓由每層中相應變換器控制。研究了直流微電網(wǎng)的協(xié)調自治方案，根據預制方案實(shí)現并/離網(wǎng)模式切換，但是在切換過(guò)程中無(wú)法實(shí)現無(wú)縫對接，需要進(jìn)行修正。

為解決上述問(wèn)題，提升供電系統能效品質(zhì)，本文提出了考慮電能管理的一種供電系統自治協(xié)調控制策略。并網(wǎng)裝置通過(guò)判斷微電網(wǎng)直流母線(xiàn)電壓信息自適應選擇控制模式并無(wú)縫切換，各并網(wǎng)設備采用自適應下垂控制，相互之間無(wú)需通信，具備“即插即用功能"。

1、供電系統拓撲結構

圖 1 為典型的直流供電系統拓撲，包含以下 4 個(gè)部分。

圖1 光儲直流供電系統電路拓撲

（1）光伏發(fā)電單元: 光伏陣列通過(guò) DC/DC 變換器并網(wǎng)，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(guò)雙向 DC/DC 變換器并網(wǎng)，并網(wǎng)時(shí)處于熱備用狀態(tài)，依據母線(xiàn)信息確定工作模式; 離網(wǎng)時(shí)采用電壓控制模式，基于下垂控制策略維持母線(xiàn)電壓穩定。

（3） 并網(wǎng)變流器: 光伏、儲能等直流發(fā)電單元通過(guò)雙向 DC/AC 變流器并入電網(wǎng)，實(shí)現直流微網(wǎng)和交流主網(wǎng)之間的功能交換，保障系統功率平衡及維持母線(xiàn)電壓穩定。

（4）負荷單元: 直流負荷直接或通過(guò) DC/DC 變流器接入供電系統。離網(wǎng)時(shí)需要根據負荷的重要程度進(jìn)行切負荷控制，確保重要負荷的供電質(zhì)量。

2、供電系統自適應協(xié)調控制策略

依據直流母線(xiàn)電壓信息將直流供電系統分為電網(wǎng)和切負荷四種運行模式，如圖 2 所示?？紤]系統的電能優(yōu)化和管理，為避免采用集中控制，基于無(wú)互聯(lián)通信的控制策略如圖 3 所示。

圖2 供電系統基于母線(xiàn)電壓的切換控制方法

圖 3 不同運行模式供電系統控制策略

2.1 模式1（電網(wǎng)運行模式）

當與交流電網(wǎng)相連，本地分布式發(fā)電無(wú)法支撐負荷運行時(shí)，所缺功率由交流電網(wǎng)提供，確保系統的功率交互平衡，系統工作于電網(wǎng)模式。忽略供電系統的損耗，該模式下交流主網(wǎng)提供的功率為：

2.2 模式2（儲能運行模式）

交流電網(wǎng)發(fā)生故障或負荷波動(dòng)時(shí)，可能導致并網(wǎng)變流器進(jìn)入限流狀態(tài)或故障停機，此時(shí)系統進(jìn)入儲能運行模式，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(xiàn)電壓穩定。根據直流母線(xiàn)電壓幅值將模式2分為2-1和2-2兩種情況，對應儲能系統充電和放電兩種工作狀態(tài)。

2.3 模式3（ 光伏發(fā)電單元運行模式）

當分布式光伏發(fā)電的輸出功率過(guò)大，超過(guò)了并網(wǎng)變流器的容量及本地負荷的用電需求，此時(shí)儲能電池的 SOC 達到*高限值，或儲能單元以*大功率充電，系統仍然無(wú)法正常運行，此時(shí)限制分布式發(fā)電的出力，用來(lái)穩定直流母線(xiàn)電壓。

2.4 模式4（切負荷模式）

此運行模式下，系統提供的*大功率小于負荷需求。為保障供電系統安全，需要根據負荷的重要層次，依次切除次要負荷，實(shí)現供電系統安全穩定運行。

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仿真模型，系統包含鐵鋰電池、*級電容、光伏、直流負荷以及并網(wǎng)變流器 5 種功率交互裝置。

3.1 仿真場(chǎng)景1

直流供電系統由模式1切換至模式2-2仿真波形如圖 5 所示?？梢园l(fā)現:

0~0.5S： 供電系統并網(wǎng)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(xiàn)電壓。

0.5~1S： 投入儲能進(jìn)行恒功率充電，根據下垂特性，母線(xiàn)電壓有所降低。

1~1.5S： 儲能逐漸充電完成，負荷功率變大，DC/AC 變流器輸出功率變大，母線(xiàn)電壓繼續降低。

1.5~2S：光伏輸出出現波動(dòng)，功率降為 15 kW，儲能輸出功率維持功率平衡。此時(shí)并網(wǎng)變流器會(huì )出現限功率運行，進(jìn)入模式2-2電壓變化區間，檢測到母線(xiàn)電壓變化后儲能電池自適應進(jìn)入變系數下垂控制模式，為維持供電系統穩定需增加儲能出力。

圖 5 場(chǎng)景1下仿真波形

3.2 仿真場(chǎng)景2

直流供電系統由模式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:

0~0.5S：供電系統獨立運行，儲能維持母線(xiàn)電壓恒定，光伏輸出功率30kW，負荷30kW，DC/AC 變流器處于并網(wǎng)待機模式。

0.5~1S光伏輸出功率減小，為了維持網(wǎng)內功率平衡，儲能變大輸出功率，母線(xiàn)電壓有一定的降低。

1~1.5S： 光伏輸出進(jìn)一步減小，儲能無(wú)法提供更多的功率，切除部分次要負荷，以維持母線(xiàn)電壓在正常運行范圍內。

1.5~2S：供電系統切換為并網(wǎng)運行，母線(xiàn)電壓恢復額定值，之前切除的負荷重新投入，儲能暫時(shí)退出運行，在有功率剩余時(shí)再進(jìn)行充電。

4、安科瑞電能管理系統

4.1概述

用戶(hù)端消耗著(zhù)整個(gè)電網(wǎng)百分之八十的電能，用戶(hù)端智能化用電管理對用戶(hù)可靠、節約用電有十分重要的意義。構建智能用電服務(wù)體系，推廣用戶(hù)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(shí)現電網(wǎng)與用戶(hù)的雙向良性互動(dòng)。用戶(hù)端急需解決的研究?jì)热葜饕ǎ罕碛?，智能樓宇、智能電器、增值服?wù)、客戶(hù)用電管理系統、需求側管理等課題。

Acrel-3000WEB電能管理解決方案通過(guò)對用戶(hù)端用電情況進(jìn)行細分和統計，以直觀(guān)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(diǎn)或不合理的耗能習慣，節約電能，為用戶(hù)進(jìn)一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。

4.2應用場(chǎng)所

（1）辦公建筑（商務(wù)辦公、大型公共建筑等）；

（2）商業(yè)建筑（商場(chǎng)、金融機構建筑等）；

（3）旅游建筑（賓館飯店、娛樂(lè )場(chǎng)所等）；

（4）科教文衛建筑（文化、教育、科研、醫用衛生、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(chǎng)、車(chē)站、碼頭建筑等）。

4.3系統結構

4.4系統功能

1）實(shí)時(shí)監測

系統人機界面友好，以配電一次圖的形式直觀(guān)顯示配電線(xiàn)路的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測各回路電壓、電流、功率、功率因數、電能等電參數信息，動(dòng)態(tài)監視各配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、地刀等合、分狀態(tài)，以及有關(guān)故障、告警等信號。

2）電能統計報表

系統以豐富的報表支撐計量體系的完整性。系統具備定時(shí)抄表匯總統計功能，用戶(hù)可以查詢(xún)自系統正常運行以來(lái)任意時(shí)間段內各配電節點(diǎn)的用電情況，即該節點(diǎn)進(jìn)線(xiàn)用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。該功能使得用電可視透明，并在用電誤差偏大時(shí)可分析追溯，維護計量體系的正確性。

3）詳細電參量查詢(xún)

在配電一次圖中，當鼠標移動(dòng)到每個(gè)回路附近時(shí)，鼠標指針變?yōu)槭中?，鼠標單擊可查看該回路詳細電參量，包括三相電流、三相電壓、三相總有功功率、總無(wú)功功率、總功率因數、正向有功電能，并可以查看24小時(shí)相電流趨勢曲線(xiàn)及24小時(shí)電壓趨勢曲線(xiàn)。

4）運行報表

系統具有實(shí)時(shí)電力參數和歷史電力參數的存儲和管理功能，所有實(shí)時(shí)采集的數據、順序事件記錄等均可保存到數據庫，在查詢(xún)界面中能夠自定義需要查詢(xún)的參數、時(shí)間或選擇查詢(xún)更新的記錄數據等，并通過(guò)報表方式顯示出來(lái)。用戶(hù)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(hù)要求導出PDF格式文件。

5）變壓器運行監視

系統對配電系統總進(jìn)線(xiàn)、主變壓器、重要負荷出線(xiàn)的運行狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監視，用曲線(xiàn)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(shí)掌握運行水平和用電需求，確保供電可靠。

6）實(shí)時(shí)提醒

系統具有實(shí)時(shí)提醒功能，系統能夠對配電回路斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀分、合動(dòng)作等遙信變位，保護動(dòng)作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數越限等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并根據事件等級發(fā)出告警。系統提醒時(shí)自動(dòng)彈出實(shí)時(shí)提醒窗口，并發(fā)出聲音提醒。

7）歷史事件查詢(xún)

系統能夠對遙信變位，保護動(dòng)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(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和提醒進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

8）電能質(zhì)量監測

系統可以對整個(gè)配電系統范圍內的電能質(zhì)量進(jìn)行持續性的監測，運行維護人員可以通過(guò)諧波分析棒圖、報表掌握進(jìn)線(xiàn)、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(shí)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測功能的電力儀表，不需要可刪除。

9）遙控操作

系統支持對斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀等進(jìn)行分、合遙控操作。系統具有嚴格的保護和操作權限管理功能，對于每次遙控操作，系統自動(dòng)生成操作記錄，記錄內容包含操作人、操作時(shí)間、操作類(lèi)型等。實(shí)現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(hù)權限管理

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

11）通訊狀態(tài)圖

系統支持實(shí)時(shí)監視接入系統的各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構；可在線(xiàn)診斷設備通訊狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò )異常時(shí)能自動(dòng)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(shí)時(shí)掌握現場(chǎng)各設備的通訊狀態(tài)，及時(shí)維護出現異常的設備，保證系統的穩定運行。

12）畫(huà)面監控

畫(huà)面監控展示了當前實(shí)時(shí)畫(huà)面（畫(huà)面直播），選中某一個(gè)變配電站，即可查看該變配電站內畫(huà)面信息。

13）用戶(hù)報告

用戶(hù)報告頁(yè)面主要用于對選定的變配電站自動(dòng)匯總一個(gè)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(jìn)行統計分析。

14）APP支持

電力運維手機支持“監控系統"、“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(xiàn)、溫濕度、同比、環(huán)比、電能質(zhì)量、各種事件報警查詢(xún)，設備檔案查詢(xún)、待辦事件處理、巡檢記錄查詢(xún)等。

4.5系統硬件配置

5、結束語(yǔ)

本文提出一種考慮電能管理的供電系統自治協(xié)調控制策略。仿真結果表明: 微網(wǎng)供電系統中各并網(wǎng)裝置通過(guò)判斷微網(wǎng)直流母線(xiàn)電壓信息即可自適應選擇控制模式并無(wú)縫切換，能夠保證直流母線(xiàn)電壓穩定; 同時(shí)，各并網(wǎng)設備之間無(wú)需相互通信，采用自適應變系數下垂控制，以保證微網(wǎng)中各并網(wǎng)設備輸出功率均衡、合理，快速實(shí)現系統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(guò)控制實(shí)現供電系統內部的自治與協(xié)調運行。

【參考文獻】

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【3】周中.智能電網(wǎng)用戶(hù)端電力監控與電能管理系統 產(chǎn)品選型及解決方案[M] .北京：機械工業(yè)出版社，2012.

【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05

作者簡(jiǎn)介：魏健輝，女，現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。