柴油發電機和蓄電池組構成的獨立微電網的製作方法
2023-12-10 22:22:22
本發明涉及微電網及其供電控制，具體為柴油發電機和蓄電池組構成的獨立微電網。
技術背景
目前，在我國大電網末端以及一些遠離電網的偏遠地區，依然存在著嚴重的供電問題。在這些地區的供電設備單一，多數地區只能採用柴油發電機與分布電源進行供電。但這種供電方式的電源之間無法互相聯繫並只能供應部分負荷，電能質量較差；而且負載輕重不穩定時，嚴重影響柴油發電機的供電效率，甚至會增加耗油量，浪費資源。
傳統柴油發電機組供電系統選擇多臺中小容量的機組組合使用，根據實際負荷需求和所需要的備用容量，確定開啟臺數。多臺柴油發電機並列運行時，負荷分配可以按比例分配方式進行分配，即出力之比等於容量之比，也可以按平均分配的方式分配。當負荷需求下降時，則可以切除部分柴油機組，儘可能使剩餘機組滿載運行。
但柴油發電機組在任何情況下都應滿足其最大、最小運行時間的限制。如果柴油發電機實際運行時間小於其最小運行時間限制要求的話，該臺機組就會頻繁處於啟停狀態，會嚴重影響柴油發電機組的壽命，而且也會增加柴油消耗量；如果實際運行時間超過其最大運行時間的話，機組會由於長時間過載而處於發熱、過流的狀態，也會影響其壽命。
單臺柴油發電機組也有最大、最小額定運行功率的限制。當實際負荷需求低於其最小額定運行功率限制值，如果按最小額定運行功率限制值運行時，柴油發電機多發出來的功率就會是一種浪費；而如果在低於最小限制值運行時，柴油發電機的耗油量幾乎接近於滿載。同樣的，當實際負荷需求高於其最大額定運行功率限制但又沒有超過兩臺柴油發電機的功率之和時，如果按負荷需求運行，就需要多開一臺機組，造成浪費；但如果超過最大額定運行功率限制運行時，機組又會處於過載發熱而影響壽命。
技術實現要素：
本發明針對現有柴油發電機組存在的以上問題，提出了一種柴油發電機和蓄電池組構成的獨立微電網。在柴油發電機組供電系統中配置蓄電池組，作為柴油發電機組的補充電源。考慮了所配置柴油發電機單機容量的大小、多臺柴油發電機組的組合啟停方式、蓄電池組的充放電功率以及柴油發電機組自身的最大、最小運行時間限制等問題。
本發明是採用如下技術方案實現的：柴油發電機和蓄電池組構成的獨立微電網，包括多臺柴油發電機和蓄電池組。每臺柴油發電機分別有各自單獨的機組控制器dcn，其內部含有處理器，處理器的輸入連接用於採集交流母線電壓、電流的交流母線機組測量模塊，用於採集所控柴油發電機的電壓、電流、運行時間tm（時鐘的計時）、轉速nm的柴油發電機測量模塊，用於採集交流母線及所控柴油發電機電壓相位差的相位檢測模塊（併網時要求相位一致）；機組控制器dcn的處理器有轉速調節輸出端、電壓調節輸出端，同時連接包括斷路器的機組執行模塊，其內各斷路器的觸點dkm分別連接於各柴油發電機和交流母線之間；蓄電池組也擁有自己獨立的控制器bc，其內部包含的處理器輸入端連接用於採集交流母線電壓、電流的交流母線電池測量模塊，用於採集蓄電池組剩餘電量soc的蓄電池組測量模塊；蓄電池組控制器bc的處理器有逆變器控制信號的輸出端，同時連接包括斷路器的電池執行模塊，其內斷路器的觸點bk連接於蓄電池組逆變器和交流母線之間；機組控制器dcn和蓄電池組控制器bc均通過上位機總線模塊連接於上位機通訊總線上，最後實現與上位機處理器通訊；上位機處理器連接包括斷路器的負荷執行模塊，交流母線分別經負荷執行模塊內的各斷路器的觸點lkn與不同重要等級的負荷連接。
所述獨立微電網的協調控制方法是包括如下步驟：所述方法中變量p1—p6分別表示淨負荷功率p1、考慮備用容量的淨負荷功率p2、蓄電池最大應充電功率p3、蓄電池最大應放電功率p4、柴油發電機在剩餘的最大運行時間內的最大輸出功率p5和柴油發電機在剩餘的最小運行時間內的最大輸出功率p6。
在當前小時步長t內，以實際淨負荷的10%作為備用容量ptr，若實際淨負荷表示為pt1，則考慮備用容量後的淨負荷表示為pt2，其中：pt2=pt1+ptr。
開始時，各個機組控制器dcn和蓄電池組控制器bc的處理器首先由小到大依次加載確定各自的控制器編號，並經過上位機通訊總線模塊向上位機通訊總線發送各控制器所控柴油發電機及蓄電池組的編號（編號最大者為蓄電池組的編號），啟動至少一臺柴油發電機，上位機上電開始工作：
（1）將蓄電池組投入至交流母線上；首個小時步長內，各個機組控制器dcn和蓄電池組控制器bc採集相應的信息，並發送至上位機通訊總線上；
（2）上位機計算當前小時步長t（非首個小時步長）內的任一時刻的淨負荷功率pt1，並計算考慮備用容量的淨負荷功率pt2，pt2=(1+10%)pt1；
（3）調取上一個小時步長t-1內柴油發電機運行臺數nt-1；上一個小時步長t-1內未滿足最小運行時間的柴油發電機臺數nt-11；
（4）計算當前小時步長t內蓄電池最大應充電功率pt3、蓄電池最大應放電功率pt4，設蓄電池總功率為p；若soc≥95%，則pt3=0，否則pt3=p*(1-soc)；若soc≤5%，則pt4=0，否則pt4=p*soc；
（5）判斷在當前小時步長t內，考慮備用容量的淨負荷功率pt2和蓄電池最大應充電功率pt3之和是否大於等於上一小時步長t-1內未滿足最小運行時間的所有柴油發電機在剩餘的最大運行時間內的最大輸出功率pt-15的總和；如果不滿足則關閉上一小時步長t-1內所有已滿足最小運行時間的柴油發電機，跳轉至步驟（10）；如果滿足則進行步驟（6）；
（6）判斷在當前小時步長t內，考慮備用容量的淨負荷功率pt2和蓄電池最大應充電功率pt3之和是否大於等於上一小時步長t-1內所有正在運行的柴油發電機的在剩餘的最大運行時間內的最大輸出功率pt-15的總和；如果不滿足則關閉一臺上一小時步長t-1內已滿足最小運行時間的柴油發電機，重複步驟（6），直至第一次滿足本步驟條件；如果滿足則進行步驟（7）；
（7）判斷在當前小時步長t內，考慮備用容量的淨負荷功率pt2是否大於等於上一小時步長t-1內所有正在運行的柴油發電機的在剩餘的最大運行時間內的最大輸出功率pt-15的總和；如果不滿足則關閉一臺上一小時步長t-1內已滿足最小運行時間的柴油發電機，重複步驟（7），直至第一次滿足本步驟條件，並進行步驟（8）；如果滿足則進行步驟（8）；
（8）判斷在當前小時步長t內，考慮備用容量的淨負荷功率pt2是否大於等於所有正在運行的柴油發電機的在剩餘的最大運行時間內的最大輸出功率pt5的總和與蓄電池組的最大應放電功率pt4之和；如果不滿足則跳轉至步驟（12）；如果滿足則進行步驟（9）；
（9）判斷在當前小時步長t內所有正在運行的柴油發電機總臺數nt是否等於柴油發電機的總臺數m；如果不滿足則投入一臺柴油發電機，重複步驟（8）；如果滿足則按重要等級由低到高切除一個負荷，重複步驟（8）；
（10）判斷當前小時步長t內正在運行的柴油發電機在剩餘的最大運行時間內的最大輸出功率pt5之和是否大於當前淨負荷功率pt1與蓄電池最大充電功率pt3之和；如果滿足則保持各柴油發電機運行狀態，並對蓄電池進行充電，跳轉至步驟（12）；如果不滿足則進行步驟（11）；
（11）判斷當前小時步長t內正在運行的柴油發電機在剩餘的最大運行時間內的最大輸出功率pt5之和是否大於當前淨負荷功率pt1；如果滿足，則正在運行的柴油發電機既可以滿足淨負荷的功率需求，又可以給蓄電池充電，進行步驟（12）；如果不滿足，則跳轉至步驟（6）；
（12）當前小時步長t內的計算結束，等待準備進行下一個小時步長t+1內的計算。
本發明的協調控制方法總體上為：上位機處理器以一個小時為運行時間步長，通過各個機組控制器dcn和蓄電池組控制器bc反饋到上位機通訊總線上的信息得到上一個小時步長t-1內已開啟的柴油發電機的臺數及其各自運行時間、蓄電池的最大應充放電功率，並根據當前小時步長t內實際淨負荷pt1的大小，經過計算後確定當前小時步長t內應開啟或關閉的柴油發電機臺數以及蓄電池的最大應充放電功率，並向各個機組控制器dcn和蓄電池組控制器bc下達執行命令。
本發明在常規柴油發電機供電系統中增加了蓄電池組、上位機通訊模塊、上位機通訊總線以及上位機處理器部分。上位機處理器接受各控制器傳到總線上的狀態信息，並根據這些信息作出判斷和發出命令，指示各個機組控制器、蓄電池組控制器以及負荷執行模塊對所控線路的斷路器、逆變器作出動作指令。
本發明採用每臺機組控制器單獨控制一臺柴油發電機，各發電機之間採用上位機總線控制的方式。當負載增加或者減少時，只需要相應的增加或者減少之前總線上的控制器數量和交流母線上柴油發電機的數量；同時各控制器重新加載各自所控機組的參數即可。
本發明通過合理的硬體組合和獨特的軟體（協調控制方法）控制，極大地提高了獨立微電網的運行經濟性，並很好地平衡了運行可靠性或運行壽命與運行經濟性之間的矛盾，是一種非常理想的獨立微電網，具有良好的推廣應用前景。
附圖說明
圖1為整體控制結構圖；
圖2為上位機處理器結構圖；
圖3為柴油發電機控制器結構圖；
圖4為蓄電池組控制器結構圖；
圖5、6、7為本發明協調控制方法的流程圖。
具體實施方式
柴油發電機和蓄電池組構成的獨立微電網，包括多臺柴油發電機和蓄電池組。每臺柴油發電機分別有各自單獨的機組控制器dcn，其內部含有處理器，處理器的輸入連接用於採集交流母線電壓、電流的交流母線機組測量模塊，用於採集所控柴油發電機的電壓、電流、運行時間tm（時鐘的計時）、轉速nm的柴油發電機測量模塊，用於採集交流母線及所控柴油發電機電壓相位差的相位檢測模塊（併網時要求相位一致）；機組控制器dcn的處理器有轉速調節輸出端、電壓調節輸出端，同時連接包括斷路器的機組執行模塊，其內各斷路器的觸點dkm分別連接於各柴油發電機和交流母線之間；蓄電池組也擁有自己獨立的控制器bc，其內部包含的處理器輸入端連接用於採集交流母線電壓、電流的交流母線電池測量模塊，用於採集蓄電池組剩餘電量soc的蓄電池組測量模塊；蓄電池組控制器bc的處理器有逆變器控制信號的輸出端，同時連接包括斷路器的電池執行模塊，其內斷路器的觸點bk連接於蓄電池組逆變器和交流母線之間；機組控制器dcn和蓄電池組控制器bc均通過上位機總線模塊連接於上位機通訊總線上，最後實現與上位機處理器通訊；上位機處理器連接包括斷路器的負荷執行模塊，交流母線分別經負荷執行模塊內的各斷路器的觸點lkn（圖1中以n等於3為例）與不同重要等級的負荷連接。
所述獨立微電網的協調控制方法是包括如下步驟：開始時，各個機組控制器dcn和蓄電池組控制器bc的處理器首先由小到大依次加載確定各自的控制器編號，並經過上位機通訊總線模塊向上位機通訊總線發送各控制器所控柴油發電機及蓄電池組的編號（編號最大者為蓄電池組的編號），啟動至少一臺柴油發電機，上位機上電開始工作：
（1）將蓄電池組投入至交流母線上；首個小時步長內，各個機組控制器dcn和蓄電池組控制器bc採集相應的信息，並發送至上位機通訊總線上；
（2）上位機計算當前小時步長t（非首個小時步長）內的任一時刻的淨負荷功率pt1，並計算考慮備用容量的淨負荷功率pt2，pt2=(1+10%)pt1；
（3）調取上一個小時步長t-1內柴油發電機運行臺數nt-1；上一個小時步長t-1內未滿足最小運行時間的柴油發電機臺數nt-11；
（4）計算當前小時步長t內蓄電池最大應充電功率pt3、蓄電池最大應放電功率pt4，設蓄電池總功率為p；若soc≥95%，則pt3=0，否則pt3=p*(1-soc)；若soc≤5%，則pt4=0，否則pt4=p*soc；
（5）判斷在當前小時步長t內，考慮備用容量的淨負荷功率pt2和蓄電池最大應充電功率pt3之和是否大於等於上一小時步長t-1內未滿足最小運行時間的所有柴油發電機在剩餘的最大運行時間內的最大輸出功率pt-15的總和；如果不滿足則關閉上一小時步長t-1內所有已滿足最小運行時間的柴油發電機，跳轉至步驟（10）；如果滿足則進行步驟（6）；
（6）判斷在當前小時步長t內，考慮備用容量的淨負荷功率pt2和蓄電池最大應充電功率pt3之和是否大於等於上一小時步長t-1內所有正在運行的柴油發電機的在剩餘的最大運行時間內的最大輸出功率pt-15的總和；如果不滿足則關閉一臺上一小時步長t-1內已滿足最小運行時間的柴油發電機，重複步驟（6），直至第一次滿足本步驟條件；如果滿足則進行步驟（7）；
（7）判斷在當前小時步長t內，考慮備用容量的淨負荷功率pt2是否大於等於上一小時步長t-1內所有正在運行的柴油發電機的在剩餘的最大運行時間內的最大輸出功率pt-15的總和；如果不滿足則關閉一臺上一小時步長t-1內已滿足最小運行時間的柴油發電機，重複步驟（7），直至第一次滿足本步驟條件，並進行步驟（8）；如果滿足則進行步驟（8）；
（8）判斷在當前小時步長t內，考慮備用容量的淨負荷功率pt2是否大於等於所有正在運行的柴油發電機的在剩餘的最大運行時間內的最大輸出功率pt5的總和與蓄電池組的最大應放電功率pt4之和；如果不滿足則跳轉至步驟（12）；如果滿足則進行步驟（9）；
（9）判斷在當前小時步長t內所有正在運行的柴油發電機總臺數nt是否等於柴油發電機的總臺數m；如果不滿足則投入一臺柴油發電機，重複步驟（8）；如果滿足則按重要等級由低到高切除一個負荷，重複步驟（8）；
（10）判斷當前小時步長t內正在運行的柴油發電機在剩餘的最大運行時間內的最大輸出功率pt5之和是否大於當前淨負荷功率pt1與蓄電池最大充電功率pt3之和；如果滿足則保持各柴油發電機運行狀態，並對蓄電池進行充電，跳轉至步驟（12）；如果不滿足則進行步驟（11）；
（11）判斷當前小時步長t內正在運行的柴油發電機在剩餘的最大運行時間內的最大輸出功率pt5之和是否大於當前淨負荷功率pt1；如果滿足，則正在運行的柴油發電機既可以滿足淨負荷的功率需求，又可以給蓄電池充電，進行步驟（12）；如果不滿足，則跳轉至步驟（6）；
（12）當前小時步長t內的計算結束，等待準備進行下一個小時步長t+1內的計算。
其中，當需要投入或關閉柴油發電機時，是由上位機處理器向上位機通訊總線發出命令，各機組控制器接收到該命令後，控制其機組執行模塊中的斷路器動作，實現柴油發電機的投入或關閉。當蓄電池組需要投入或切除時，是由上位機處理器向上位機通訊總線發出命令，蓄電池組控制器接收到該命令後，控制其電池執行模塊中的斷路器動作，實現蓄電池組的的投入或切除。當蓄電池組需要充電或放電時，是由上位機處理器向上位機通訊總線發出命令，蓄電池組控制器接收到該命令後，其處理器通過輸出相應的逆變信號控制逆變器，實現蓄電池組的的充電或放電。上位機處理器通過控制其負荷執行模塊內的斷路器，實現不同重要等級負荷的切除。這些控制過程應該都屬常規的控制過程。上位處理器對並列運行的各柴油發電機進行常規的按比例或平均負荷分配，儘可能使運行機組滿載運行；通過機組控制器的處理器的電壓調節輸出端對柴油發電機進行電壓調節；並進行常規的轉速調節，即根據採集的轉速信號nm並通過轉速調節輸出端，對柴油發電機的轉速進行調節，使運行的柴油發電機轉速趨於相同。