一种微电网自充电控制系统的设计及应用

李 虎,许卫国, 戴光标

(江苏丰海新能源工程技术有限公司， 江苏 盐城 224100)

目前在新能源微电网系统中，微电网能源管理系统(EMS)、储能变流器(PCS)、直流转换器(DC/DC)、电池管理系统(BMS)、BMS电池簇、配电系统、空调消防系统等都是新能源微电网系统的关键设备，这些设备的启动和运行都需要提供微电网系统提供控制电源，所以微电网控制系统UPS电池组的作用十分关键，现场设备如果停机时间较长，就会导致微电网电池组电源耗尽，合理的解决方案也影响微电网系统的经济性、安全性、稳定性及广阔的发展前景[1-2]，因此微电网控制系统自充电装置及方法成为解决当前问题的关键技术之一。

a.微电网能量管理系统

微电网能量管理系统为微电网系统的核心部分，负责各种发电设备、负载设备的协调、调度、管理[3]，是微电网技术中重要的研究内容，各种微电网控制系统的设计也是层出不穷[4-5]。随着微电网的不断发展和规模的扩大，微电网的能量管理将面临控制结构、优化算法、通信设计等一系列需要解决的问题。

b.储能变流器

储能变流器可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。PCS由DC/AC双向变流器、控制单元等构成。PCS控制器通过通信接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。

PCS控制器通过CAN接口与BMS通信，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。

c.直流转换器

转换器是转变输入电压，并有效输出固定电压的电压转换器。常用于光伏发电与储能电池组的中间转换装置，能够最大效率提高光伏发电效率。

d.电池管理系统

电池管理系统主要实现智能化管理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态、同时起到新能源削峰填谷、稳定微电网电压和频率、抑制谐波的作用[6-9]。储能合理的容量选择也对系统成本产生巨大的影响[10]，储能系统的安全性也是不容忽视的问题。

e.配电系统

配电系统为发电设备和负载设备建立交直流母线，起到连接和分段的作用。

f.空调消防系统

空调消防系统为微电网各分布系统及储能系统辅助保护系统，空调系统控制系统各装置温度、消防系统保护储能锂电池簇，防止发生危险事故。

a.缺乏统一、规范的微电网体系技术标准和规范。国内尚无统一且规范的微电网体系技术标准和规范，很大程度上影响了微电网技术的研究和示范工程的建设。

b.电力电子技术在微电网中的应用水平不高。

微电网技术的发展与先进的电力电子技术、计算机控制技术、通信技术紧密相关。根据微电网的特殊需求，需要研究电力电子技术并研制一些新型的电力电子设备。

c.微电网的保护控制技术尚不成熟。

d.投资及运维成本高。储能系统建设投资成本较高。储能系统容量配置越大，效果越好，但成本越高,微电网监控平台及能量管理系统投资成本也高。在运维成本上，也比一般电网要高。

结合以上问题及海水淡化设备孤岛微电网系统的设计经验，设计一种微电网自充电控制系统，解决微电网系统长期停机后无法启动问题。

3.1 系统原理

一种基于带自充电控制微电网的控制系统，系统包括微电网电池组、微电网交流开关、微电网控制系统、柴油发电机控制系统、柴油发电机、柴油发电机开关、AC/DC模组、微电网自充电系统、DC/DC模组、BMS应急启动开关、PCS储能变流器、PCS控制系统、BMS直流开关、BMS电池簇、BMS控制系统、DC/DC直流转换器、DC/DC控制系统和光伏组件。

微电网电池组、微电网控制系统和BMS控制系统之间通过交流母线1连接，EMS微电网电池组、微电网交流开关、柴油发电机开关、储能变流器通过交流母线2连接，微电网交流开关、微电网控制系统、控制系统、储能变流器、直流转换器、DC/DC控制系统、BMS控制系统、BMS直流开关、BMS电池簇、微电网自充电系统、BMS应急启动开关、柴油发电机控制系统、柴油发电机开关和柴油发电机通过通信母线连接，柴油发电机开关通过交流母线3将柴油发电机控制系统和柴油发电机连接，柴油发电机通过交流母线4与AC/DC模组连接，光伏组件通过直流母线1与直流转换器连接，直流转换器通过直流母线2将 BMS应急启动开关、BMS直流开关、DC/DC控制系统和储能变流器连接，BMS直流开关通过直流母线3与BMS电池簇连接，BMS应急启动开关通过直流母线4将BMS电池簇和DC/DC模组连接，所述DC/DC模组通过直流母线6与微电网自充电系统连接，微电网自充电系统通过直流母线5与AC/DC模组连接。以上各组成部分构成了一个带自充电控制系统的孤岛光储微电网系统。具体系统原理如图1所示。

图1 系统原理

3.2 系统硬件设计

a.控制系统设计

控制系统选用西门子200SMART系列PLC 、西门子SMART系列触摸屏、工业以太网交换机 ，各类输入输出模块，中间继电器、UPS电压互感器等，PLC自带MODBUS TCP/IP通信协议可与微电网内其他系统通信，实现系统监控控制。

b.直流侧硬件设计

直流侧硬件包含BMS电池簇、DC/DC开关电源、直流开关、直流侧电压互感器，直流保险端子等，可实现直流侧充放电控制。

c.交流侧硬件设计

交流侧硬件包含、柴油发电机组、AC/DC开关电源、交流开关、交流侧电压互感器，交流保险端子等，可实现交流侧充放电控制。关于柴油发电机机组作为自充电系统供电电源的可行性已有论述[11]。

3.3 系统软件设计

a.PLC与微电网内各系统 MODBUS TCP/IP通信

西门子200SMART PLC基于工业以太网交换机和微电网内各分布系统通过MODBUS TCP/IP通信，系统混合组网已有研究应用[12]，通过通信可读取BMS电池簇及微电网能源管理系统UPS电池的电压、电流状态，也可以通过系统外部的电流、电压互感器获取2个系统电池状态，BMS电池管理系统、EMS能量管理系统成为微电网自充电系统的MODBUS TCP/IP从站，要实现MODBUS RTU通信，需要使用STEP 7-Micro/WIN SMART PLC软件(指令库)。MODBUS TCP主从站通信指定变量地址为40000至49999，变量为读写属性，掉电保持。

b.HMI画面设计

HMI画面可以显示系统控制流程、显示状态及控制操作，通过画面可以根据需要设定自己需要自动控制充放电的电压等参数、通过交流侧或者直流侧自动监控控制微电网系统UPS电池组实现自动充电功能，图2为微电网自充电系统流程图。

图2 微电网自充电系统流程

c.直流侧流程实现方式

通过BMS电池簇连接直流母线4给DC/DC模组供电，直流母线6将DC/DC模组电源送到微电网自充电系统，通过通信母线微电网自充电系统控制BMS应急启动开关，BMS应急启动开关通过直流母线2将BMS电池簇的电源送到PCS储能变流器，PCS储能变流器通过交流母线2将电源送到EMS微电网电池组，微电网自充电系统与PCS系统、EMS微电网控制系统通过通信母线交换数据，自动控制EMS微电网电池组充电，图3为直流侧自充电系统流程。

d.交流侧流程实现方式

通过交流母线3将柴油发电机电源送至柴油发电机开关、柴油发电机控制系统，通过交流母线4把柴油发电机电源送到AC/DC模组，通过直流母线3把AC/DC模组的电送到微电网自充电系统，通过通信母线、微电网自充电系统控制柴油发电机开关，通过交流母线2将柴油发电机电源送至EMS微电网电池组，微电网自充电系统与EMS微电网控制系统、柴油发电机控制系统交换数据，自动控制EMS微电网电池组充电，图4为交流侧自充电系统流程。

图3 直流侧自充电系统流程

图4 交流侧自充电系统流程

本文主要介绍了微电网的系统功能及存在问题，通过结合孤岛微电网海水淡化工程设计经验，设计一种微电网自充电控制系统。通过系统结构原理、硬件设计、软件编程设计及交直流流程实现方式分析，介绍了系统的设计与应用方法。

系统在微电网系统待机的情况下运行，避免大功率负载造成对自充电系统的冲击；
同时要断开光伏组件等外围新能源系统，保证系统充电电压的稳定。还需要根据系统情况选择交直流充电方式以保证系统的安全稳定运行。该设计与应用方法保证了微电网系统的断电后再启动的持续、安全、稳定运行，对于孤岛新能源微电网系统的发展具有较高的应用推广意义。