基于分布式能源的微电网黑启动系统及其黑启动方法
【专利摘要】本发明涉及微电网及控制领域，具体涉及并公开了基于分布式能源的微电网黑启动系统。基于分布式能源的微电网黑启动系统，包括微电网管理系统、黑启动主参考微电源、变流器，还包括模式转换开关K3、信号采集器、控制器和功率锁存器；控制器包括第一U/f控制器和P/Q控制器，第一U/f控制器和变流器通过开关K1连接，P/Q控制器和变流器通过开关K2连接，功率锁存器和P/Q控制器通过模式转换开关K3连接。本发明还公布了基于上述黑启动系统的黑启动方法。本发明的基于分布式能源的微电网黑启动系统及其黑启动方法，通过功率锁定的模式切换与预同步策略，能够快速稳定地实现微电网的黑启动，黑启动过程中系统稳定性得到了大幅提高。
【专利说明】
基于分布式能源的微电网黑启动系统及其黑启动方法
技术领域
[0001]本发明涉及微电网及其控制领域，具体涉及一种基于分布式能源的微电网黑启动系统及其黑启动方法。
【背景技术】
[0002]微电网(MG)是一种将分布式能源(即微电源)、储能装置、负荷以及控制装置等汇集而成的小型发配电系统，可直接接在用户侧。微电网中的微电源一般通过变流器(如逆变器等)接入微电网，对微电源的控制即为对其变流器的控制。微电网既可与大电网(即配电网)联网运行，又可以孤岛方式运行，在满足本地用户对电能质量和供电安全要求的同时，可减少大量分布式能源渗入对电力系统的影响，具有较高的灵活性和可调度性。
[0003]微电网黑启动，就是指在整个微电网因外部或内部故障停运进入全黑状态后，不依靠大电网或其他微电网的帮助，仅通过启动微电网内部具有黑启动能力的微电源(简称:黑启动主参考微电源或者黑启动源)，进而带动微电网内无黑启动能力的微电源，逐步扩大系统的恢复范围，最终实现整个微电网的重新启动。传统大电网在发生系统瘫痪全黑时，由于大电网系统复杂，在黑启动过程中的发电机自励磁、空载线路充电过电压和恢复初期小系统并列运行稳定性等问题，多采用I个黑启动电源启动I台被启动机组的简单黑启动方案。因此，传统大电网黑启动的研究多着重于黑启动策略的评估方法，引入新的方法开发黑启动决策支持系统，提高黑启动方案的适应性等。但是，微电网系统相对较小，结构简单，再加上微电源的多样性和多元性，使得微电网的黑启动在黑启动源的选择、黑启动方案的制定等方面与大电网有着很大的区别。随着分布式能源的接入对传统电网结构的改变，电网黑启动的研究也逐步涉及到有分布式能源的电网、有分布式能源的微电网的黑启动研究，利用分布式能源的优良特性，对大电网黑启动、微电网黑启动提供相应的支持。
[0004]相对稳定的分布式能源主要有内燃机、微型燃气轮机、燃料电池、太阳能、风能等发电系统。基于分布式能源的微电网中由于分布式能源种类较多、性能多样，作为微电网的黑启动微电源时难免会带来启动时振荡大不平稳、各个微电源之间难以协调等等问题，如能解决该问题将明显提高微电网的运行稳定性。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种基于分布式能源的微电网黑启动系统，该微电网黑启动系统基于功率锁定的模式切换能够实现黑启动的平稳运行，很好的协调微电网中微电源的输出功率，保证微电网高效、稳定地运行。
[0006]本发明还提供了一种利用基于分布式能源的微电网黑启动系统的黑启动方法，该方法操作简单，能够保证微电网高效、稳定地运行。
[0007]—种基于分布式能源的微电网黑启动系统，包括微电网管理系统(MGCC)、黑启动主参考微电源、用于将黑启动主参考微电源接入微电网的变流器，其特征在于，还包括由微电网管理系统控制的模式转换开关K3、用于采集黑启动主参考微电源电压和电流信号的信号采集器、以及用于接收信号采集器信号的控制器和功率锁存器;所述控制器包括第一u/f控制器和P/Q控制器，第一 U/f控制器和变流器通过开关Kl连接，P/Q控制器和变流器通过开关K2连接，功率锁存器和P/Q控制器通过模式转换开关K3连接。
[0008]所述微电网黑启动系统工作时:启动黑启动主参考微电源，在MGCC中预先设定一个黑启动主参考微电源的输出功率、输出电流，分别称为预置输出功率、预置输出电流，MGCC控制模式转换开关K3与MGCC连接将预置输出功率、预置输出电流输入到P/Q控制器。MGCC控制模式转换开关K3切换为模式转换开关K3与功率锁存器连接，利用信号采集器采集黑启动主参考微电源主电路的电压和电流幅值信号并将采集到的电压和电流幅值信号同时输入到两个控制器:第一U/f控制器和P/Q控制器以及功率锁存器中，根据功率公式P=UI计算实时功率值作为P/Q控制器的参考功率;系统切换至U/f控制方式时，开关Kl闭合，开关K2打开，由功率锁存器计算的实时功率值作为参考功率，同时运行P/Q控制器，以保证两个控制器状态一致;系统切换至P/Q控制方式时，开关Kl打开，开关K2闭合，由功率锁存器计算切换前黑启动主参考微电源的输出功率并锁存，为切换后的P/Q控制器提供参考功率值，使模式切换后黑启动主参考微电源输出功率、输出电流分别与预置输出功率、预置输出电流一致，两个控制器的状态在切换前后保证一致，避免了模式切换振荡大的问题。
[0009]与现有微电网黑启动系统相比，本发明利用功率锁存器实现U/f控制器与P/Q控制器的切换，解决了 U/f控制器与P/Q控制器状态不匹配导致的模式切换振荡大的问题。这样就保证了黑启动主参考微电源平稳快速启动。
[0010]作为优选，所述功率锁存器选用16位数据锁存器。可提高功率计算值的准确性和计算精度。
[0011]作为优选，所述微电网黑启动系统，还包括待同步微电源的并联预同步单元，用于使并联的待同步微电源与黑启动主参考微电源的幅值相同、相位相同和频率相同。待同步微电源的并联预同步单元的设置可以大幅度降低并联时带来的冲击和波动，增加并网的成功率。
[0012]作为优选，所述待同步微电源的并联预同步单元包括:与所述变流器依次连接的电感L和负荷，一端连接在电感L和负荷之间且另一端接地的电容C，与黑启动主参考微电源并联的自带第二U/f控制器的待同步微电源，由微电网管理系统控制的模式转换开关K4，以及基于3/2变换原理的电压dq变换器;所述电压dq变换器一端连接在电容C和负荷之间且另一端通过模式转换开关K4依次与第二U/f控制器、待同步微电源连接。
[0013]在待同步微电源与黑启动主参考微电源并联前，待同步微电源的参考值由MGCC计算得出(电压预置信号)。在待同步微电源需要与主参考微电源并联时，MGCC通过指令控制开关K4与电压dq变换器的输出接通得到实时反馈的主参考微电源的同步电压信号，第二 U/f控制器为待同步微电源自身的控制器，由此来实现与主参考微电源的同步运行，然后在两微电源稳定运行后再实施合闸并联。电压dq变换器能够将三相电转换成两相电，使后续的控制变得简单，且使待同步微电源与主参考微电源的同步速度更快。
[0014]一种利用基于分布式能源的微电网黑启动系统的黑启动方法，包括步骤:
(1)黑启动开始:采用微电网管理系统切断微电网中所有微电源及负荷；
(2)选择黑启动主参考微电源，判断黑启动主参考微电源是否正常;如不正常则更换另一黑启动主参考微电源，直至选择到正常的黑启动主参考微电源;如正常则执行启动步骤:先采用第一 u/f控制器以U/f控制方式启动黑启动主参考微电源，接着接通重要和敏感负荷回路供电，然后将黑启动主参考微电源采用电压控制切换为用P/Q控制器的PQ控制方式;黑启动主参考微电源正常启动，黑启动完成。
[0015]采用基于功率锁存的模式切换方法，使模式切换前后的黑启动主参考微电源的输出功率与输出电流保持不变，控制器状态在切换前后保持一致，从而解决了两个控制器状态不匹配导致的模式切换振荡大的问题。这样就保证了黑启动主参考微电源平稳快速启动。
[0016]作为优选，还包括步骤:(3)将微电网中其他可接入的微电源与步骤(2 )中正常启动的黑启动主参考微电源并联运行。
[0017]在传统大电网中，电力恢复和黑启动都是人工按照既定的程序进行手动操作的。微电网黑启动有串行恢复和并行恢复2种方法，其中同时启动多个黑启动微电源的并行恢复方法，恢复速度快，运行灵活，更符合微电网的结构特性。
[0018]作为优选，步骤(3)中，所述其他可接入的微电源与步骤(2)中正常启动的黑启动主参考微电源并联运行的步骤，包括:将其他可接入的微电源与步骤(2)中正常启动的黑启动主参考微电源预同步，预同步完成后，同步的微电源切换为PQ控制模式。
[0019]其他可接入的微电源(待同步微电源)与步骤(2)中正常启动的黑启动主参考微电源这两个微电源的并联运行需要幅值相同、相位相同、频率相同，而其中以相位相同尤为重要。为使两个微电源能顺利实现并联，就必须对待同步微电源进行预同步操作，在并联前，待同步微电源的参考值根据自身的U/f控制器提供，在需要进行并联时候，先由MGCC的控制开关K4将参考值转换为由主参考微电源实时提供，以此来实现与主参考源的同步运行，然后在两个微电源稳定运行后再实现合闸并联，这样可以大幅降低并联运行瞬间带来的电力冲击，增加并联的成功率。
[0020]作为优选，步骤(2)中，所述黑启动主参考微电源的选择顺序依据分布式能源的稳定输出能力依次选用。考虑到黑启动主参考微电源需要在一段时间内能独立、稳定带负荷运行，一些能源供给具有较大波动或受较多因素影响的微电源是不适合作为黑启动主参考微电源的，如光伏微电源、风力发电微电源;而能源供给稳定且微电源动态性能好的微型燃气轮机、柴油发电机、燃料电池及大容量储能单元是黑启动主参考微电源的首选。
[0021]作为优选，所述黑启动主参考微电源的选择顺序依次为柴油发电机、储能逆变器、UPS。所述黑启动主参考微电源的选择顺序依据黑启动微电源的能源供给稳定性和微电源动态性能由强至弱依次选用。
[0022]本发明应用在微电网的应用设计，微电网的自动控制领域，可以用于低压400V微电网的领域。
[0023]本发明所述的基于分布式能源的微电网黑启动系统及其黑启动方法，基于功率锁定的模式切换与预同步策略，能够快速稳定地实现微电网的黑启动，黑启动过程中系统的稳定性得到了大幅提高。
【附图说明】
[0024]图1为本发明微电网黑启动系统的结构示意图。
[0025]图2为本发明微电网黑启动系统的预同步单元结构示意图。
[0026]图3为本发明微电网黑启动系统的黑启动方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图1-3与实施例对本发明作进一步详细描述。
[0028]本发明采用智能仪表外接电压和电流互感器的方式测量三相线路的瞬时电流、电压、有功功率、功率因数等主要的电气参数。
[0029]一种基于分布式能源的微电网黑启动系统，如附图1所示，包括微电网管理系统7、黑启动主参考微电源1、用于将黑启动主参考微电源I接入微电网的变流器6，其特征在于，还包括由微电网管理系统7控制的模式转换开关K38、用于采集黑启动主参考微电源I电压和电流信号的信号采集器2、以及用于接收信号采集器信号的控制器18和功率锁存器3;所述控制器18包括第一 U/f控制器4和P/Q控制器5，第一 U/f控制器4和变流器6通过开关K19连接，P/Q控制器5和变流器6通过开关K210连接，功率锁存器3和P/Q控制器5通过模式转换开关K38连接。
[0030]所述功率锁存器3选用16位数据锁存器。
[0031]如附图2所示，所述微电网黑启动系统，还包括待同步微电源17的并联预同步单元，用于使并联的待同步微电源17与黑启动主参考微电源I的幅值相同、相位相同和频率相同。
[0032]待同步微电源17的并联预同步单元包括:与所述变流器6依次连接的电感LII和负荷14，一端连接在电感Lll和负荷13之间且另一端接地的电容C12，与黑启动主参考微电源I并联的自带第二U/f控制器16的待同步微电源17，由微电网管理系统7控制的模式转换开关K415，以及基于3/2变换原理的电压dq变换器14;所述电压dq变换器14一端连接在电容C12和负荷13之间且另一端通过模式转换开关K415依次与第二U/f控制器16、待同步微电源17连接。
[0033]—种利用上述基于分布式能源的微电网黑启动系统的黑启动方法，如附图3所示，包括步骤:
(1)黑启动开始:采用微电网管理系统切断微电网中所有微电源及负荷；
(2)选择黑启动主参考微电源I，判断黑启动主参考微电源I是否正常;如不正常则更换另一黑启动主参考微电源I，直至选择到正常的黑启动主参考微电源I;如正常则执行启动步骤:先采用第一U/f控制器4以U/f控制方式启动黑启动主参考微电源I，接着接通重要和敏感负荷回路供电，然后将黑启动主参考微电源I采用电压控制切换为用P/Q控制器5的PQ控制方式;黑启动主参考微电源I正常启动，黑启动完成。
[0034](3)将微电网中的待同步微电源17与步骤(2)中正常启动的黑启动主参考微电源I并联运行。
[0035]步骤(3)中，所述待同步微电源17与步骤(2)中正常启动的黑启动主参考微电源I并联运行的步骤，包括:将待同步微电源17与黑启动主参考微电源I预同步，预同步完成后，同步的微电源切换为PQ控制模式。
[0036]步骤(2)中，所述黑启动主参考微电源I的选择顺序依据分布式能源的稳定输出能力依次选用柴油发电机、储能逆变器、UPS。如果柴油发电机正常则选择柴油发电机，如不正常，则选择储能逆变器，如果储能逆变器也不正常，则选择UPS，启动设备自检报警显示。
[0037]综上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围，凡依本申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。
【主权项】
1.一种基于分布式能源的微电网黑启动系统，包括微电网管理系统、黑启动主参考微电源、用于将黑启动主参考微电源接入微电网的变流器，其特征在于，还包括由微电网管理系统控制的模式转换开关K3、用于采集黑启动主参考微电源电压和电流信号的信号采集器、以及用于接收信号采集器信号的控制器和功率锁存器;所述控制器包括第一U/f控制器和P/Q控制器，第一 U/f控制器和变流器通过开关Kl连接，P/Q控制器和变流器通过开关K2连接，功率锁存器和P/Q控制器通过模式转换开关K3连接。2.根据权利要求1所述的微电网黑启动系统，其特征在于，所述功率锁存器选用16位数据锁存器。3.根据权利要求1所述的微电网黑启动系统，其特征在于，所述微电网黑启动系统，还包括待同步微电源的并联预同步单元，用于使并联的待同步微电源与黑启动主参考微电源的幅值相同、相位相同和频率相同。4.根据权利要求1所述的微电网黑启动系统，其特征在于，所述待同步微电源的并联预同步单元包括:与所述变流器依次连接的电感L和负荷，一端连接在电感L和负荷之间且另一端接地的电容C，与黑启动主参考微电源并联的自带第二U/f控制器的待同步微电源，由微电网管理系统控制的模式转换开关K4，以及基于3/2变换原理的电压dq变换器;所述电压dq变换器一端连接在电容C和负荷之间且另一端通过模式转换开关K4依次与第二U/f控制器、待同步微电源连接。5.—种利用权利要求1-4任一项所述的基于分布式能源的微电网黑启动系统的黑启动方法，其特征在于，包括步骤: (1)黑启动开始:采用微电网管理系统切断微电网中所有微电源及负荷； (2)选择黑启动主参考微电源，判断黑启动主参考微电源是否正常；如不正常则更换另一黑启动主参考微电源，直至选择到正常的黑启动主参考微电源;如正常则执行启动步骤:先采用第一 U/f控制器以U/f控制方式启动黑启动主参考微电源，接着接通重要和敏感负荷回路供电，然后将黑启动主参考微电源采用电压控制切换为用P/Q控制器的PQ控制方式;黑启动主参考微电源正常启动，黑启动完成。6.根据权利要求5所述的黑启动方法，其特征在于，还包括步骤:(3)将微电网中其他可接入的微电源与步骤(2)中正常启动的黑启动主参考微电源并联运行。7.根据权利要求6所述的黑启动方法，其特征在于，步骤(3)中，所述其他可接入的微电源与步骤(2)中正常启动的黑启动主参考微电源并联运行的步骤，包括:将其他可接入的微电源与步骤(2)中正常启动的黑启动主参考微电源预同步，预同步完成后，同步的微电源切换为PQ控制模式。8.根据权利要求5所述的黑启动方法，其特征在于，步骤(2)中，所述黑启动主参考微电源的选择顺序依据分布式能源的稳定输出能力依次选用。9.根据权利要求8所述的黑启动方法，其特征在于，所述黑启动主参考微电源的选择顺序依次为柴油发电机、储能逆变器、UPS。
【文档编号】H02J3/38GK106026176SQ201610540071
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】王斌
【申请人】常州天合光能有限公司, 天合光能（常州）科技有限公司