一种小型多机并联微电网供电系统的设计研究

文/杨晓峰 张克渠

本文提供了一种能够管理、控制并网连接至市电主网或柴油发电机的多种小功率多机并联微电网供电系统的设计方案，该微电网系统方案可以保证在单机故障或者维修时系统能够持续运行，供电稳定，结构简单，操作方便，成本低廉。

1.引言。

微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网能够在无法接入市电主网的偏远地区独立运行，也可以与主网并网运行，可为海岛、山区等偏远地区居民和部队等提供用电保障。本文提出了设计一种以风、光、柴、储为主要能源的多机并联多能互补微电网系统，采用共交流母线运行方式，运行模式由并网运行、并网转离网运行、离网转并网运行以及孤岛运行这四种运行模式组成。可充分利用风、光等新能源模块多余电能，保证在单机故障或者维修时系统能够持续运行，具有供电稳定，结构简单，操作方便，成本低廉的特点。

2.系统组成。

目前绝大多数的微电网系统多采用功率比较大的单一的双向储能变流器，一旦变流器运行时出现故障的话，微电网系统将整体瘫痪，失去供电能力。

多机并联微电网供电系统由光伏单元、风力发电单元、柴油机发电组单元、锂电池储能单元及能量管理单元等子单元组成。在系统结构上，考虑到系统设备的易扩展性，采用多组变流器交流母线并联运行的方案，单台储能变流器采用2KW固定模块。该系统由2套光伏发电单元和2套风力发电单元组成，其中每组光伏发电子单元包括光伏板、储能电池和一组2kW光储变流器,每组风机发电子单元包括风力发电机、储能电池和一组2kW风储变流器，每个子单元能够独立的运行并给负载供电，也可以实现交流母线并机运行后同时给负载供电，与此同时微电网系统可以利用并离网切换装置实现系统与柴油发电机组并网运行。每个子单元单机容量为2kW，微电网系统输出的电压等级为单项AC220V。光伏发电采用单晶硅发电单元，最大化的提升光能的利用效率；配置一台8kW的柴油发电机组作为系统应急电源保障，可以与微电网系统实现并网功能，还可实现紧急情况下的供电应急保障；变流器（PCS）采用改进型的虚拟同步（VSG）技术实现多模组并机运行的方式；能量管理系统（EMS）采用逻辑门限控制策略和智能型控制策略相结合，系统包括能量管理系统、能量规划器、将通信方式分为以CAN总线和串口RS-485两种，实现多能源的调度，负载合理分配，优化控制，提高微电网的能源利用效率。具体如图1所示。

系统中，EMS主要作用是实时对储能电池电量、光伏系统发电功率、风机发电功率进行监控，当监测到光伏与风机发电实时功率较低且此时储能电池电量低于系统设定值时，能量管理系统会自动控制启动柴油发电机组并网带负载并以设定功率给电池小功率充电，在充电过程中，当电池电量达到预设值时，EMS会自动切除柴油发电机组，由储能电池、光伏、风机的电量给负载供电。变流器实行多模块并联运行的优势在于，当其中任意变流器模块运行出现故障时，并不影响其他变流器模块的运行，只是微电网系统的额度容量降低并继续供电，这样的方法能够使供电系统更加的稳定可靠。

图1 系统架构图

3.EMS控制设计。

微电网系统同时具备并网型微电网和独立型微电网运行功能，通过EMS控制策略保证微电网在并网状态、离网状态和并离网暂态切换状态可靠运行。EMS作为微电网系统的主控制器，主要实现以下几个功能（1）运行数据读取：将各设备运行参数进行采集；（2）微源状态监控：对各个微源的运行状态及发电功率进行监控，并结合储能的状况进行能量管理控制命令的下发；(3)负荷监控:对用电功率、电流及电压等参数进行监控，根据各能源的荷电量进行系统指令的控制；(4)能量管理:综合实时负载、各微源以及系统的运行状态进行指令的控制。EMS与各个变流器以及电池管理系统（BMS）之间采用的是CAN接口通讯，EMS与仪表通过Modbus-RTU协议由RS485串行接口实现通信，变流器和变流器以及并网切换装置之间采用CAN总线的方式连接，采用CAN总线通信的方式也是为了方便变流器多模块并机可扩展性的运行模式的便捷性和可操作性，具体通讯图如图2所示。

图2 微电网系统通信架构图

4.结语。

具备并网功能的离网型多机并联微电网系统保障了用电的便捷性，多模组并联型的小型储能变流器提高了系统的可靠性以及可扩展性，在柴油发电机组接口处增加双电源控制开关，这样既能引入柴油发电机组同时又可以在市电与柴油发电机组同时拥有的情况下选择接入市电并网运行，丰富了微电网系统的功能。