CN101969281B - 基于共直流母线的电池储能与光伏发电的协调控制和优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开电池储能与光伏发电共直流母线在并网和独立运行方式下的协调控制和优化方法。该方法支持各种类型蓄电池和光伏电池板经DC/DC换流器共直流母线的随意组合接入，蓄电池支路自动智能充放电管理，光伏电池板支路最大功率跟踪管理，各支路完全独立控制，实现优化管理。直流母线汇集的能量通过后级DC/AC换流器与电网或独立负载进行能量交互。DC/AC换流器在并网运行时，采用电网电压定向矢量控制和电压空间矢量脉宽调制方法，有功无功完全解耦控制；独立运行时，采用V/f控制，为交流母线提供恒定的电压和频率参考。实验结果表明本发明能实现光伏储能的协调互补控制和自主优化管理，具有很好的通用性、实用性和应用前景。

Description

基于共直流母线的电池储能与光伏发电的协调控制和优化方法

技术领域

本发明属于分布式发电领域的电源控制技术领域，适用于储能光伏的协调互补控制和优化管理。

背景技术

太阳能天生具有间歇性、不稳定性和不可控性等缺点。储能技术能平抑这种间歇式能源的波动性，使其负荷特性趋于可控制的“电网友好型”。同时，储能技术已被视为电网运行过程中“采-发-输-配-用-储”六大环节中的重要组成部分。针对我国电力系统的现实需要，并从国家发展战略、国家中长期科技规划和城市电网可持续发展大计划综合考虑，国家电网公司于2007年提出了“能源转换关键技术研究---储能关键技术研究”框架，并进行了周密部署，“十一五”期间将以电力储能技术前期研究和共性问题研究为基础，以先进储能装置和电网接入系统关键技术的研究为主攻方向，以示范工程为成果展示平台，以前瞻性研究为储能技术可持续发展的驱动力，通过自主创新掌握电力储能系统的核心技术，并推动实际工程的应用。

目前储能电池与分布式电源配合时，主要在交流侧实现并网控制，各系统完全独立，硬件成本高，协调控制复杂。特别是当考虑到分布式电源和负荷所具有的分散性、以及不同类型的分布式电源与储能装置的不同组合方式时，其不同控制策略的协调和切换尤为复杂，不易实现。

事实上，多数分布式电源都为直流性质电源，如光伏电源、蓄电池、超级电容器和直驱式风电等，完全具备将直流电源通过相应的换流器汇集到同一直流母线，然后再经统一的大容量DC/AC换流器变换为交流电的事实基础。多分布式电源的交流并网控制要比直流并网控制复杂，特别是在面对离网运行模式下的功率均衡问题时，所以，多直流源能量汇总---统一交直流变换的集中式方案不但能降低整个系统装置硬件成本，亦能使系统协调控制相对简单，提高系统的可靠性。

同时在光伏、蓄电池接入具备硬件通用的前提下，实现两者不同接入组合方式的协调控制和优化管理，在满足用户不同场合需求、给用户最大范围使用灵活性的同时，也为产品系列化、标准化提供了技术前提，减少生产维护成本。

发明内容

为了解决现有技术中多分布式电源接入成本高、协调控制复杂的问题，本发明提出了一种基于共直流母线的电池储能与光伏在并网和独立运行方式下的协调控制和优化方法，该方法支持不同类型储能电池与光伏电池板的灵活接入，各支路完全独立控制优化管理，支持并网和独立运行方式。

本发明的具体实现方案如下：

一种基于共直流母线的电池储能与光伏发电在并网和独立运行方式下的协调控制和优化管理方法，该方法支持不同类型储能电池与光伏电池板的灵活接入，各储能电池DC/DC支路、各光伏电池板DC/DC支路完全独立控制优化管理，支持并网和独立运行方式，各储能电池、各光伏电池板经各自的DC/DC支路将直流能量汇集到直流母线，然后通过后级的DC/AC换流器与交流电网并网或独立带载运行；其特征在于，所述方法包括：

(1)通过相应控制字，实现对各储能电池DC/DC支路以及各光伏电池板DC/DC支路灵活接入，即储能电池、光伏电池板能够任意混合接入或部分接入；

(2)所述储能电池充电采用最大化配置的预充、快充、均充和浮充四段式充电策略，预充、快充和浮充为恒流限压控制，均充为恒压限流控制。对于不同特性的储能电池，通过定值设定来选择不同的充电曲线，如四段式充电方式主要针对铅酸蓄电池，而锂电池主要为恒流限压充电；放电方式包括恒电流放电或恒功率放电两种，可根据使用需求选定；

(3)对所述光伏电池板采用最大功率跟踪(MPPT)控制方法，所述控制方法包括定步长和变步长两种跟踪方式，或在与其他分布式电源配合的场合下可依据系统需求限输出功率控制。通过对储能电池的充放电控制，能平抑光伏发电的不稳定性和不可预见性，减小光伏发电对电网的干扰；

(4)当装置与交流电网并网运行时，后级DC/AC逆变器采用电网电压定向矢量控制，双闭环结构，外环为电压环，内环为电流环，基于dq坐标下实现P、Q解耦控制和直流母线电压控制；采用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法控制后级DC/AC逆变器开关器件的通断；

(5)当前级DC/DC变换器有储能电池接入时，装置可以脱离交流电网，独立带负载运行。独立逆变时，后级DC/AC逆变器为交流母线提供恒定的电压和频率参考，采用V/f控制，采用电压的有效值闭环控制来实现后级DC/AC逆变器出口经滤波器后的端电压幅值和频率保持恒定。

本发明具有以下技术效果：

本发明实现了储能电池和光伏发电不同接入组合方式的协调控制和优化管理，具有很大的通用性、实用性和灵活性，能满足用户不同应用场合的需求，给用户最大范围的使用灵活性，尤其适用于含多种分布式电源的微网系统。同时，本发明软硬件均模块化，为产品系列化、标准化提供了技术前提，减少生产维护成本。

附图说明

图1DC/DC+DC/AC两级式三相换流器主回路示意图；

图2单支路DC/DC结构示意图；

图3BOOST电路结构示意图；

图4BUCK电路结构示意图；

图5恒流放电控制原理示意图；

图6恒功率放电控制原理示意图；

图7恒流充电控制原理示意图；

图8直流源端电压控制原理示意图；

图9直流母线电压控制原理示意图；

图10DC/AC并网控制原理示意图；

图11离网DC/AC控制原理示意图。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施案例对本发明的技术方案进一步详细表述。

图1为DC/DC+DC/AC两级式三相换流器主回路示意图，DC/DC采用三桥臂模块单元，三桥臂单元的上下桥臂中点处分别经高频电抗器与分布式直流电源(本实施案例中为储能电池和光伏电池板)相连，三路独立DC/DC支路并联后接至直流母线。DC/AC采用传统三相桥式结构，经LCL滤波回路后与交流电网相连或独立带载运行。

如图2所示为每个单DC/DC支路结构示意图，当电路需要工作功率流向为正的状态时，IGBT S2处于PWM工作状态(IGBT S1关断)，此时电路为BOOST升压电路，等效电路如图3所示；当电路需要工作功率流向为负的状态时，IGBT S1处于PWM工作状态(IGBT S2关断)，此时电路为BUCK升压电路，等效电路如图4所示。

其中，U_bat、U_c为直流源电压，U_dc为直流母线电压，i_L为直流电流；

D₁、D₂为并联二极管，L为高频电感，C为直流母线电容；

DC/DC具体控制策略如下：

a)恒流放电控制

对应蓄电池恒流放电状态。控制目标为保持电感电流I_L恒定，DC/DC工作于BOOST升压状态(上桥臂关断，下桥臂进行PWM控制)，一般采用电流闭环控制策略，如图5所示。

其中，I_{L_ref}为恒流放电期望电流，I_L为电池实际放电电流；

U_err为PI调节器输出的偏差量，U_bat为电池实际端口电压，

U_ref为修正后的期望电池端口电压，U_dc为直流母线电压；

T_{on_switch}为功率管占空比；

b)恒功率放电控制

对应蓄电池恒功率放电状态。控制目标保证该直流支路输出恒定的功率，该控制目标可以转化为恒流放电控制，DC/DC工作于BOOST升压状态(上桥臂关断，下桥臂进行PWM控制)，控制结构如图6所示。

其中，Pbat_ref为放电期望功率；

c)恒流充电控制

对应蓄电池恒流充电状态。控制目标为保持电感电流I_L恒定，DC/DC工作于BUCK降压状态(上桥臂进行PWM控制，下桥臂关断)，一般采用电流闭环控制策略，如图7所示。电池充电电流与放电电流方向相反。

d)直流源端电压控制

对应蓄电池恒压充电状态。控制目标为保持直流源端电压Ubat恒定，DC/DC工作于BUCK降压状态(上桥臂进行PWM控制，下桥臂关断)，一般采用电压外环和电流内环双环控制策略，如图8所示。

其中，U_{bat_ref}为电池充电恒压期望；

e)直流母线电压控制

离网独立逆变时，DC/DC控制目标为保持直流母线电压U_dc恒定，DC/DC工作于BOOST升压状态(上桥臂关断，下桥臂进行PWM控制)，一般采用电压外环和电流内环双环控制策略，如图9所示。

其中，U_{dc_ref}为直流母线电压期望；

DC/AC具体控制策略为：

a)与交流电网并网运行

如图10所示，后级DC/AC采用电网电压定向矢量控制，双闭环结构，外环为电压环，内环为电流环，基于dq坐标下实现P、Q解耦控制和直流母线电压控制；采用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法控制其开关器件的通断。

如图，直流电压环给定电压u_dc ^*和反馈电压u_dc相比较后的误差经PI调节器输出i_d ^*，而i_q ^*由功率因素的性质决定。i_d ^*、i_q ^*分别与对应的反馈值i_d、i_q相比较后的误差经过PI调节器调节后输出，再与各自的解耦补偿项和电网电压扰动前馈补偿项相运算后得到变换器交流侧参考电压u_rd、u_rq，然后经坐标变换后进行SVPWM调制，产生驱动信号实现对网侧变换器的控制。

b)独立带载运行

后级DC/AC需要为交流母线提供恒定的电压和频率参考，采用V/f控制。此时，采用电压的有效值闭环控制来实现逆变器出口经滤波器后的端电压幅值和频率保持恒定，如图11所示：

其中，U_abc为三相电压瞬时值，rms为有效值计算模块，U_ref为离网期望电压，U_newref为经PI调节器输出Δu修正后的新期望值。

在本实施例中，直流侧为三DC/DC支路输入，假定第一、第二支路接光伏，其他两支路接蓄电池，并网运行。

首先通过相应控制字指定直流侧各DC/DC支路的接入分布式电源类型，支路1光伏，支路2光伏，支路3蓄电池。

系统依据各支路接入电源类型分别控制管理，具体表述如下：

光伏电池采用最大功率跟踪(MPPT)控制，第一支路、第二支路DC/DC均工作于BOOST升压状态，上桥臂关断，下桥臂进行PWM控制，光伏输出能量通过下桥臂汇集到直流母线上。

本发明的实施例中，基于Boost电路的最大功率跟踪MPPT控制策略在具体实施上优选但不限于采用爬山搜索法。爬山搜索法实质是一种扰动观测法，以一定的步长不断调整光伏阵列的输出电压，同时观测光伏阵列的输出功率，当输出功率增大时维持原本来的调整方向继续搜索，当输出功率减小时改变调整的方向向相反方向搜索，最终搜索到最佳的输出电压，并在其左右来回调整。

定步长爬山搜索法比较简单易懂，实现容易，只需要进行简单的运算和比较，但调整步长为一个确切的值，这种设定很难兼顾系统的动态和稳态性能。且在光照条件快速变化的情况下，爬山法可能会引起控制器的“误判”，导致系统工作点远离太阳能电池的最大功率点。

对比定步长爬山搜索法，变步长自适应爬山法有下述两个方面的改进：

一是增加了在线判断外界光照条件改变的功能，并能根据相应的判断结果采用不同的控制方式以避免爬山法可能造成的“误判”现象；

二是调整步长的在线调整：当光照条件快速变化时，取较大值的，加快系统的动态响应速度；相反当外界环境缓慢变化时，取较小的调整步长，以减小系统的振荡，满足系统稳态性的要求。支路3蓄电池放电时，DC/DC工作于BOOST升压状态，上桥臂关断，下桥臂进行PWM控制，电池输出能量通过下桥臂汇集到直流母线上。若为恒电流放电，系统控制目标保证该直流支路输出恒定的电流，如图5所示；若为恒功率放电，系统控制目标保证该直流支路输出恒定的功率，如图6所示。采用PI调节器可实现无净差控制。

支路3蓄电池充电时，DC/DC工作于BUCK降压状态，下桥臂关断，上桥臂进行PWM控制，能量从直流母线经上桥臂流向电池。采用最大化配置的预充、快充、均充和浮充四段式控制策略，包括恒流限压和恒压限流两种方式，系统依据蓄电池的荷电状态自动选择充电方式。恒流充电时，控制目标为保持直流高频电感电流I_L恒定，采用电流闭环控制策略，如图7所示；恒压充电时，控制目标为保持直流源端电压Ubat恒定，采用电压外环和电流内环双环控制策略，如图8所示。同样，可以通过PI调节器实现无净差控制。

并网运行时，后级DC/AC采用电网电压定向矢量控制，双闭环结构，外环为电压环，内环为电流环，基于dq坐标下实现P、Q解耦控制和直流母线电压控制；采用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法控制其开关器件的通断，如图10所示。

系统孤岛运行时，图1中和装置相连的不再是电网，而是独立负载。此时，直流母线电压由蓄电池支撑，控制目标为保持直流母线电压U_dc恒定，DC/DC工作于BOOST升压状态(上桥臂关断，下桥臂进行PWM控制)，采用电压外环和电流内环双环控制策略，如图9所示。后级DC/AC为交流母线提供恒定的电压和频率参考，采用V/f控制。此时，采用电压的有效值闭环控制来实现逆变器出口经滤波器后的端电压幅值和频率保持恒定，如图11所示。孤岛运行时光伏电池板的控制管理和并网时一样，仍为MPPT控制。

综合上述，本发明技术方案支持储能电池、光伏等不同类型分布式电源的混合通用接入，并进行协调控制和有效管理，软硬件均模块化，具有很大的通用性、实用性和灵活性，能满足用户不同应用场合的需求，尤其适合于含多种分布式电源的微网系统。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当处于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于共直流母线的电池储能与光伏发电在并网和独立运行方式下的协调控制和优化方法，该方法支持不同类型储能电池与光伏电池板的灵活接入，各储能电池DC/DC支路、各光伏电池板DC/DC支路完全独立控制优化管理，支持并网和独立运行方式，各储能电池、光伏电池板经各自的DC/DC支路将直流能量汇集到直流母线，然后通过后级的DC/AC逆变器与交流电网并网或独立带载运行；其特征在于，所述方法包括：

(1)通过相应控制字，实现对各储能电池DC/DC支路以及各光伏电池板DC/DC支路灵活接入，即储能电池、光伏电池板能够任意混合接入或部分接入；

(2)所述储能电池充电采用最大化配置的预充、快充、均充和浮充四段式充电方式，其中，预充、快充和浮充为恒流限压控制，均充为恒压限流控制，所述储能电池的放电方式采用恒电流放电或恒功率放电两种方式；

(3)对所述光伏电池板采用最大功率跟踪MPPT控制方法，或在分布式电源出力大于负荷的情况下对所述光伏电池板采用限输出功率控制方法，通过对储能电池的充放电控制，平抑光伏发电的不稳定性和不可预见性，减小光伏发电对电网的干扰；

(4)当由所述电池储能与光伏发电组成的分布式电源装置与交流电网并网运行时，所述后级DC/AC逆变器采用电网电压定向矢量控制，双闭环结构，外环为电压环，内环为电流环，基于dq坐标下实现P、Q解耦控制和直流母线电压控制；采用电压空间矢量脉宽调制SVPWM方法控制后级DC/AC逆变器开关器件的通断；

(5)当前级所述各储能电池DC/DC支路有储能电池接入时，分布式电源装置脱离交流电网，独立带负载运行，后级DC/AC逆变器为交流母线提供恒定的电压和频率参考，采用V/f控制，采用电压的有效值闭环控制来实现后级DC/AC逆变器出口经滤波器后的端电压幅值和频率保持恒定。

2.根据权利要求1所述的协调控制和优化方法，其特征在于：

所述储能电池恒流放电时，控制目标为保持储能电池实际放电电流恒定，该储能电池DC/DC支路工作于BOOST升压状态，采用电流闭环控制策略；

所述储能电池恒功率放电时，控制目标为保证该储能电池DC/DC支路输出恒定的功率，该控制目标转化为恒流放电控制，储能电池DC/DC支路工作于BOOST升压状态；

所述储能电池恒流充电时，控制目标为保持充电电流恒定，该储能电池DC/DC支路工作于BUCK降压状态，采用电流闭环控制策略；

所述储能电池恒压充电时，控制目标为保持该电池直流源端电压恒定，该储能电池DC/DC支路工作于BUCK降压状态，采用电压外环和电流内环双环控制策略；

所述光伏电池板发电时，控制目标为光伏电池板输出功率最大，所述储能电池DC/DC支路工作于BOOST升压状态，对光伏电池板采用最大功率跟踪MPPT控制方法，或在分布式电源出力大于负荷的情况下对所述光伏电池板采用限输出功率控制方法。

3.根据权利要求1或2所述的协调控制和优化方法，其特征在于：离网独立运行时，储能电池DC/DC支路控制目标为保持直流母线电压恒定，各储能电池DC/DC支路工作于BOOST升压状态，采用电压外环和电流内环双环控制策略。

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