袁元， 张海龙， 徐光福， 朱皓斌， 姚宁

（1.常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州213025；2.南京南瑞继保电气有限公司，南京211102）

0 引 言

边防、海岛等离网地区仍主要采用传统的柴油发电方式，运输一桶柴油，可能要消耗2～3桶柴油，运输补给不方便[1]。若建设固定基建式的微电网，则建设周期长、投资大、目标易暴露、容量或大或小，容易导致资源浪费或不够用。针对以上问题，目前常规的应对策略均有不同的缺陷。在结构上，虽有部分移动式的光伏、储能、油机一体化系统，但多集成在车辆底盘上，光伏输入功率小，不同功率等级或相同功率等级的系统难以并联运行[2-4]。在控制策略上，多采用主从控制方式，一旦主机受损，整套系统崩溃[5]；同时主从控制要求储能有足够大的容量，投资成本高、移动灵活性差，当并网运行时对微电网原有电压会产生影响[6]。也有部分系统采用了即插即用[7]、对等控制[8-9]方式，但光伏部分无法达到最大利用效率，无法实现优化调度、节能控制，经济效益低[6]。

本文结合了微电网主从控制、对等控制的长处，并创造性地提出了协调控制方式。一旦单一节点或主机受损，从机可立即竞争成为主机，可快速对受损环节实现供电补偿；同时主机统一调度各从机，以实现优化调度、节能控制；并将以上各部分分别模块化设计，可方便运输及使用，不仅适用于基建式，更适用于半永久式或移动式的场合，真正实现即插即用。将主从控制、对等控制、即插即用、模块化等四合一。既能满足特定工况下对能源补给、节能的严格要求，又能扩展直至响应10 kW级到100 kW级的功率需求，为野外、孤岛的长期供电提供了一套先进、完美的解决方案[10]。

1 整体概况

单一系统由油机、储能、光伏等3部分组成，数量各为1套，可实现最基本的功能。各种不同功率等级、不同规格的变流器可实现混合并联；且3部分之间不一定是1:1:1的关系，如光伏部分可以多配一些，以提高新能源的输入[11]。本文只讨论同一功率等级下的光储一体机、油机变流器间的并联。

1.1 三大部分

各部分均模块化设计，储运尺寸相同，贮存、运输方便。

油机部分由柴油发动机、永磁发电机、油机变流器（PCM）、油机控制器（EC）等组成。发动机为高压共轨柴油发动机，发电机为永磁中频发电机，逆变器可提供三相交流工频电源，具备并联功能。

储能部分包括电池、光储一体机（PCS）、协调控制器（HC）、空调、消防系统。空调系统用于给电池低温启机，并为电池长期工作提供一个恒定的温度。光储一体机可通过市电、光伏、油机对电池充电，反之电池也可对外输出电能。

光伏部分是对油机部分发电的有益补充，可显著降低供电油耗，由光伏板、光伏支撑机构组成。为简化布线及汇流箱、PCS的结构，一套光伏部分的各光伏支路汇流到汇流箱后，母线为一路输出[12]。

1.2 单一系统架构

HC和电池的BMS之间采用MODBUS通信。高压共轨柴油发动机为电喷机，发动机控制器与PCM之间采用CAN通信。HC、EC、PCS、PCM之间采用另一路CAN通信。动力线通过外置的配电柜汇合，分流至各路负荷。

图1 单一系统架构

1.3 主从机概念

协调控制策略下的主从机与主从控制时的主从机概念不同。HC、EC均可以是主机或从机。

主机：控制器只需要能获取地址，就可以竞争主机。主机的任务：搜集网络中所有PCS、PCM、EC、HC的信息，构建各在线设备的网络表；不在线的设备按默认值构建网络表。向总线发送网络表，监测从机的在线状态，根据控制策略调度从机。

从机（备机）：除了主机以外的已获取地址设备，也称为备机。从机的任务为搜集并存储主机发送的网络表信息，而不直接搜集其它机的信息；监测主机的在线状态并执行主机的调度。

2 控制器、变流器功能

2.1 HC功能

HC为主机时搜集系统内各储能部分、油机部分的运行状态，根据控制策略对所有部分进行控制。HC为从机时，则根据主机的指令，仅控制本部分的PCS。HC对PCS、PCM的控制指令包括启动逆变状态、停止，以及设置PCS、PCM各状态下的运行参数，如逆变输出功率、充电功率、电池保护点等。

HC还用于搜集电池系统BMS的信息，实时向PCS发送电池荷电状态，由PCS进行电池的基本兜底管理；并能根据电池状态改变PCS的运行状态，进一步实现电池的精细化管理。同时能通过与液晶显示屏HMI的通信，由HMI显示储能部分的运行信息[13]。

2.2 EC功能

EC为主机时，搜集系统内各储能部分、油机部分运行状态，根据控制策略对所有部分进行控制。EC为从机时，根据主机的指令，仅控制本部分的PCM，包括启动逆变状态、停止等。还能通过与HMI的通信，由HMI显示油机部分的运行信息。

2.3 PCS功能

PCS执行HC的控制指令，上传数据给HC、EC，满足本地及远程控制的需要。工作状态有逆变状态、充电状态、停止。可实现光伏、市电、电池等多能源输入向逆变输出的功率变换，以及实现光伏、市电、油机对电池的充电，还可与其它PCS、PCM并联。PCS上有多路光伏输入的接口，使得一套储能部分可以同时接入多套光伏部分发的电。当PCS检测到市电符合同期并网条件时，即闭合旁路开关直接接入交流母线[14]。

2.4 PCM功能

PCM执行EC的控制指令，上传数据给EC，满足本地及远程控制的需要。工作状态有启动逆变状态、停止。可实现中频交流电向工频逆变输出的功率变换，以及与其它PCS、PCM的并联。

2.5 变流器总体方案

变流器主要包括一根直流母线和一根交流母线。市电升压模块、光伏升压模块与储能电池充放电模块共用直流母线。市电有两种接入方式：1）当系统先建立电压与相位、后获得市电或者市电断电又重新接入时，系统对市电进行检测，当检测到市电符合同期并网条件时即闭合旁路开关将市电直接接入交流母线；2）当不符合同期并网条件时，市电通过市电升压模块接入直流母线，再通过逆变模块接入交流母线。光伏部分输出到光伏升压模块后连接到直流母线上，储能电池经电池充放电模块后连接到直流母线上。上述直流母线经双向整流逆变模块连接到交流母线上。当并联运行时，油机经过独立的逆变模块后也连接到交流母线上。油机部分也可以直接对设备供电，并可以通过交流母线连接到直流母线上对电池进行充电，适应不同工作场景。变流器总体方案如图2所示。

图2 变流器总体方案

3 系统控制策略

3.1 典型并联系统架构

典型网络拓扑结构由HC、PCS、EC、PCM各2套组成，即两个微电网单一系统组成，采用CAN总线和动力线连接，动力线通过外部的配电柜进行中转。实际HC、PCS和EC、PCM入网数量可为多套，且不一定是1:1的关系，如系统可以仅由HC、PCS组成。典型并联系统架构如图3所示。

图3 典型并联系统架构

3.2 主从机主权竞争

首套上电的EC或HC为主机。主机可以关闭自身的变流器，关闭后自动放弃主机。当主机持续一段时间未收到某一从机的通信时，认为该从机丢失，将其网络表改为默认状态。当从机持续一段时间未收到主机的通信时，认为主机丢失，将其网络表改为默认状态。当网络表中的设备都为从机时视为主机丢失，在线设备竞争成为主机。

3.3 一般模式

一般模式包括强力模式、经济模式、静音模式。经济模式及静音模式主要用于优化调度和节能控制。该功能仅主机激活，通过主机控制从机。

1）强力模式。所有在网储能部分、油机部分置于启动或开机状态，均并联运行，具有最佳负载保障能力。

2）经济模式。仅一套或几套在网储能部分置于启动或开机状态，其余储能部分、油机部分只完成上电模式设置，不作其它操作，具有智能化、节油的特点。

3）静音模式。所有在网油机部分置于停止状态或直接断电，而储能部分处于运行状态。此时，所有油机部分将不能被启动，储能部分并联运行，具有静音、防侦能力[15]。

油机部分和储能部分均有一般模式。当首套上电的是储能部分时，通过控制面板上的把手触发启动流程，HC向PCS发开机报文；当PCS收到CAN报文后启动，转为待供状态。HC检测到PCS待供后，向其发送合闸报文；PCS收到合闸指令后合闸带载运行。工作时，HC通过CAN给PCS、PCM发带载运行指令，HC、EC通过CAN共享光伏、市电、储能、油机各路运行信息。若首套上电的是油机部分，也类似上述的过程。

3.4 充电模式

仅储能部分有充电模式。充电模式需要判断当前储能是否具备充电条件，不满足充电条件的情况有无其它电源、系统已经过载等。若不具备充电条件，则报警终止流程。若具备充电条件，HC向PCS发送充电状态启机指令，PCS收到指令后启动并合闸充电。

3.5 应急模式

油机部分和储能部分均有应急模式，应急模式主要用于紧急情况下，必须输出功率，因此应急模式不再依赖通信。应急模式下，通过面板旋钮的硬接点启动PCS，HC和PCS之间不再互相发送报文。油机部分也类似。

3.6 关机模式

关机模式包括急停模式和全停模式，油机部分和储能部分均有关机模式。急停模式主要针对柴油机的急停操作，区别于传统的先卸载再停柴油机的方式。急停模式下，直接停止柴油机，用于柴油机有异常的运行工况下。全停模式主要用于系统出现故障，需要快速停止所有设备时。在任意设备上按全停模式，整个系统所有设备均停机。

4 实况演练

某次野外演练，单一系统运行，由油机、储能、光伏等3部分组成，数量各为1套。环境为离网无市电、储能SOC储备较高、有光伏输入，记录时间段为7:30—18:30。

4.1 储能单机运行

早上，储能部分先上电开机，按3.2节的“主从机主权竞争”原则成为主机，网络编号为005。此时油机还未接入，在线设备数量为1。由于有光伏输入，无负载，储能部分为待供状态，按3.4节的“充电模式”运行。此时光伏输入功率为4 kW，对储能电池充电，由于显示精度、零漂、损耗等原因，显示电池充电功率为-3 kW（实际接近4 kW），储能电池SOC为82%。“-”为电流的方向，含义为电池处于充电状态；如果不带符号，则含义为电池处于输出状态。

图4 储能部分单机充电界面

4.2 单一系统运行

随后，油机部分开机并接入负载。按3.2节的“主从机主权竞争”原则，油机部分成为从机（备机）。此时有2台在线设备，设备网络编号为储能部分005、油机部分006。接着，按3.3节的“一般模式”运行。由于负载较小，约7.1 kW，储能部分状态为逆变带载输出，油机部分状态为待供。

此时光伏输入仍为4 kW，不足以供应负载；储能部分提供3.1 kW的输出，储能和光伏合力带载。使用一段时间后，储能电池SOC由82%降为81%。油机部分按满功率运行的续航时间为5.7 h。

傍晚时负载断开。按3.3节的“一般模式”，储能部分由输出状态改为待供状态，仍为2台在线设备。此时光伏输入功率下降为1.4 kW，系统按3.4节的“充电模式”继续对储能电池充电，由于显示精度、零漂、损耗等原因，显示电池充电功率为-0.9 kW。由于中午照度提高，光伏输入增加及负载变化原因，一天下来，储能电池SOC由82%增加至85%。

图5 主机带载输出界面

图6 从机（备机）待供界面

图7 单一系统充电界面

5 结 论

传统野外供电能源补给困难、利用效率不高，而且污染环境、噪声大、隐蔽性差，影响人们健康与休息，也浪费了自然资源。本微电网是为缓解离网条件下供电的油料保障问题而使用的一种新型装备，可用于野外、孤岛、海水淡化等场合的长期、移动式的中大功率供电。系统各部分有多种组合方式，可按不同配比使用，各分机控制器可竞争成为主机，使用方便灵活，非常适合部署在上述离网地区[16]。