CN105305480A - 混合储能直流微网分层控制方法 - Google Patents

混合储能直流微网分层控制方法 Download PDF

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Abstract

一种混合储能直流微网分层控制方法，直流微网包括光伏发电单元、混合储能单元、负荷单元、联网接口单元和直流母线，上述各单元分别和直流母线连接，采用分层控制的方法，利用系统控制层和换流器控制层对直流微网进行控制，系统控制层采集联网运行模式参数、直流母线电压和蓄电池的荷电状态判断直流微网的当前运行模式，以给出直流微网各个单元控制方式，向换流器控制层发出控制指令。本发明各换流器能够根绝直流微网运行状态的不同调节自身控制方式，有效维持网络电压稳定和功率平衡，相对主从控制，减少了对主换流器的过分依赖；相对多代理系统控制方式，通信更为简单；相对电压下垂控制方式，网络电压更加稳定可控。

Description

混合储能直流微网分层控制方法
技术领域
本申请涉及一种电网控制方法，特别的，涉及一种混合储能直流微网分层控制方法。
背景技术
为缓解能源供应紧张形势，减少温室气体排放，以光伏、风力发电为代表的分布式发电(DistributedGeneration,DG)方式逐渐受到重视。但分布式电源本身存在的间歇性和不稳定性等问题，为实现在中低压范围内对DG进行灵活高效利用，将分布式电源、负荷、储能装置以及控制系统进行结合并通过可控接口与大电网进行连接的微网系统应运而生。
直流微网运行控制的主要目标为维持微网系统功率平衡，稳定直流母线电压。直流微网中常用的控制方法有主从控制方法、外特性下垂控制方法、以及多代理系统控制方法等。
主从控制方法中，采用一个换流器控制电压，起到功率平衡的作用，其他换流器按需要输出定功率。主从换流器间往往需要通信。
下垂控制法基于电力电子技术的“即插即用”与“对等”控制方法，通过微电源的下垂特性进行控制，使负载在各个微电源之间实现按比例动态分配。
多代理控制是把集中系统转化成几个较小的简单地实体处理的分布式系统，将控制权分散到微电网各元件，根据微电网的调度自行改变运行状态的分布式协调控制方式。
主从控制方法，过分依赖主换流器的稳定运行，一旦主换流器故障，反应机制较为复杂；电压下垂控制方法，在电网功率发生波动时，网络自动调节的过程中，会存在电压波动问题，即网络电压与额定电压之间存在偏差；多代理控制方法，多个代理之间的通信，使得通信网络较为复杂。
因此，如何能够用简单快捷的方法实现对于多个微网单元的控制，克服现有技术控制方法的缺陷，成为现有技术亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提出一种混合储能直流微网分层控制方法，能够使得系统具有较高的安全性、稳定性及可靠性。---
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种混合储能直流微网分层控制方法，其中，所述直流微网，包括光伏发电单元、混合储能单元、负荷单元、联网接口单元和直流母线，上述各单元分别和直流母线连接；其中所述光伏发电单元中光伏电池发出直流电，经光伏DC/DC换流器与直流母线5连接；所述混合储能单元中的蓄电池经蓄电池双向DC/DC换流器与直流母线连接，超级电容器经超级电容双向DC/DC换流器与直流母线连接；负荷单元中的直流负荷和交流负荷分别经直流负荷DC/DC换流器和交流负荷DC/AC换流器与直流母线连接，联网接口单元中的交流电网经过交流电网AC/DC换流器与直流母线连接，其中各个换流器能够受控开闭，以维持所述直流微网的正常运行。
优选地，通过采集联网运行模式参数Gflag、直流母线电压Udc和蓄电池的荷电状态SOC，对直流微网的工作状态进行划分，针对不同的工作状态对所述换流器进行控制。
优选地，对于直流微网联网运行模式参数Gflag，当Gflag为1时，表示微网处于联网运行模式，当Gflag为0时，则微网处于孤岛运行模式；
对于直流母线电压Udc，设置4个临界值UH1、UH2、UL1和UL2，将Udc变化范围进行划分，并作为系统工作状态间进行切换的参考值，UH1、UH2分别选取为1.05Udc0和1.10Udc0，UL1、UL2分别选取为0.95Udc0和0.90Udc0，其中Udc0为直流母线额定电压；
对于蓄电池，采用蓄电池SOC上限值SOCmax和下限值SOCmin作为其充放电截止判断条件：若SOC>SOCmax，不再进行充电操作，若SOC<SOCmin，则停止放电，SOCmax和SOCmin选取分别为10％和90％。
优选地，系统功率达到平衡时，直流母线电压能够保持稳定，并满足：
PG+PPV＝PLoad+PB+PC，
其中，PG为交流主网向微网注入功率，PPV为光伏发电单元输出功率，Pload为负荷的功率，PB为蓄电池放电功率，PC为超级电容器放电功率，PB和PC均以从直流母线流向储能单元为正。
优选地，采用分层控制的方法，对直流微网进行控制，根据控制任务以及控制对象的不同分为系统控制层和换流器控制层；
系统控制层包括中央控制器，采集联网运行模式参数Gflag、直流母线电压Udc和蓄电池的荷电状态SOC判断直流微网的当前运行模式，以给出直流微网各个单元控制方式，向换流器控制层发出控制指令，以控制换流器的工作，协调各个单元的工作模式；
换流器控制器，包括各个换流器，所述换流器接收来自中央控制器的控制指令，选择对应的控制方式，产生能够作用于换流器开关的驱动信号，调节换流器的输出功率和电压，完成相应控制功能，被控制的换流器包括光伏DC/DC换流器、蓄电池双向DC/DC换流器、超级电容双向DC/DC换流器和交流电网AC/DC换流器。
优选地，光伏DC/DC换流器控制为：光伏发电单元通过光伏DC/DC换流器接入微网直流母线,光伏发电单元可以工作在最大功率追踪(MPPT)和恒压输出两种模式，并根据系统层控制要求，在两种模式间进行切换。
优选地，蓄电池双向DC/DC换流器控制为：将PG+PPV与PLoad比较后，采用滞环电流控制器提供阶段式蓄电池充放电电流的参考电流IBref，参考电流IBref与蓄电池实际电流IB进行比较后形成△IB，经PI调节器产生控制信号输出，经调制生成PWM波形，驱动蓄电池双向DC/DC换流器开关器件，从而实现对蓄电池的充放电控制。
优选地，在功率差额微小波动时蓄电池无法实现无差调节，通过超级电容器调节剩余功率差额；
对于超级电容双向DC/DC换流器的控制，采用外电压和内电流的双环控制策略，直流电压环根据实际母线电压与其参考值比较后经PI调节器产生超级电容器放电电流参考值ICref，作为电流环的参考值，超级电容器电流环根据实际充放电电流IC与其参考值ICref进行比较经PI调节器产生控制信号输出，并经调制生成PWM波形，控制超级电容双向DC/DC换流器开关开断，从而实现对超级电容器的充放电控制。
优选地，交流电网AC/DC换流器的控制为：交流电网AC/DC换流器需要实现输出直流电压恒压控制，并调节交流侧电压电流波形，满足相应的功率因素要求。
本发明采用了采用系统层和换流器层的分层控制方式，中央控制器给出各种运行状态下各个换流器工作方式控制指令，从而实现系统层控制。各个单元换流器控制电路根据指令选择相应工作方式，控制换流器开关器件的开断，完成电压电流控制功能，从而实现换流器层控制，各换流器能够根绝直流微网运行状态的不同调节自身控制方式，有效维持网络电压稳定和功率平衡。
本发明充分利用了换流器对网络的控制作用，相对主从控制，减少了对主换流器的过分依赖；相对多代理系统控制方式，通信更为简单；相对电压下垂控制方式，网络电压更加稳定可控。
附图说明
图1是根据本发明具体实施例的混合储能直流微网模型图；
图2(a)是根据本发明具体实施例的联网运行状态示意图；
图2(b)是根据本发明具体实施例的孤岛运行状态示意图；
图3是根据本发明具体实施例的直流微网分层控制结构图；
图4是根据本发明具体实施例的蓄电池充放电控制原理图；
图5是根据本发明具体实施例的超级电容器充放电控制原理图。
图中的附图标记所分别指代的技术特征为：
1、光伏发电单元；2、混合储能单元；3、负荷单元；4、联网接口单元；11、光伏电池；12、光伏DC/DC换流器；21、蓄电池；22、超级电容器；23、蓄电池双向DC/DC换流器；24、超级电容双向DC/DC换流器；31、交流负荷；32、直流负荷；33、交流负荷DC/AC换流器；34、直流负荷DC/DC换流器；41、交流电网；42、交流电网AC/DC换流器；5、直流母线；6、中央控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
参见图1，示出了根据本发明的混合储能直流微网，包括光伏发电单元1、混合储能单元2、负荷单元3、联网接口单元4和直流母线5，上述各单元分别和直流母线5连接；其中所述光伏发电单元中光伏电池12发出直流电，经光伏DC/DC换流器12与直流母线5连接；所述混合储能单元2中的蓄电池21经蓄电池双向DC/DC换流器23与直流母线5连接，超级电容器22经超级电容双向DC/DC换流器24与直流母线5连接；负荷单元3中的直流负荷32和交流负荷31分别经直流负荷DC/DC换流器34和交流负荷DC/AC换流器33与直流母线5连接，联网接口单元4中的交流电网41经过交流电网AC/DC换流器与直流母线5连接，其中各个换流器能够受控开闭，以维持所述直流微网的正常运行。
在图1中，PG表示交流电网注入直流微网的有功功率；PPV表示光伏发电单元发出的有功功率；PB、PC分别表示蓄电池、超级电容器注入直流微网的有功功率；PL-AC、PL-DC分别表示直流微网为交流负荷和直流负荷提供的有功功率。PS为混合储能单元注入直流微网的有功功率，PS＝PB+PC；PLoad为直流微网为负荷单元提供的总有功功率，PLoad＝PL-AC+PL-DC,PL-AC为直流微网为交流负荷提供的有功功率，PL-DC为直流微网为直流负荷提供的有功功率。
实施例1：混合直流微网运行状态划分
直流微网内元件众多，且运行方式多样，因此微网的控制需实时对微网的运行状态进行检测。在本发明的实施例1中采集联网运行模式参数Gflag、直流母线电压Udc和蓄电池的荷电状态SOC(StateofCharge)等参数，对直流微网的工作状态进行划分
1)联网运行模式参数
定义直流微网联网运行模式参数Gflag，当Gflag为1时，表示微网处于联网运行模式，当Gflag为0时，则微网处于孤岛运行模式。
直流微网与交流主网联网运行时，在母线电压稳定情况下，交流主网注入直流微网的功率为：
PG＝PLoad-PPV-PS(1)
在主网故障或进行检修时，直流微网脱离交流主网进行孤岛运行，此时交流电网注入功率PG为零。直流母线电压稳定情况下，微网中负荷全部由分布式电源和储能系统承担，混合储能系统放电功率为：
PB+PC＝PLoad-PPV(2)
2)直流母线电压
对于直流母线电压Udc，设置4个临界值UH1、UH2、UL1和UL2，将Udc变化范围进行划分，并作为系统工作状态间进行切换的参考值。
参考中低压微网允许电压偏差，UH1、UH2分别选取为1.05Udc0和1.10Udc0，UL1、UL2分别选取为0.95Udc0和0.90Udc0，其中Udc0为直流母线额定电压。
3)蓄电池荷电状态
在实际运行过程中，为避免出现蓄电池过充过放或输出功率不足等情况，应充分考虑蓄电池的荷电状态，因此采用蓄电池SOC上限值SOCmax和下限值SOCmin作为其充放电截止判断条件：若SOC>SOCmax，不再进行充电操作，若SOC<SOCmin，则停止放电。为充分利用蓄电池容量，SOCmax和SOCmin选取合理值分别为10％和90％。
如图2所示，利用联网运行模式参数、直流母线电压以及蓄电池荷电状态参数可以分别得到在联网运行状态(图2(a))和孤岛运行状态(图2(b))的运行状态示意图，共包含14种运行状态，对应于表1，上述状态可以作为换流器运行控制的基础。
表1直流微网运行状态表
直流微网运行控制的主要目标是根据主网和微网的工作状态，平滑自主地实现与主网分离或联网运行，同时维持微网内负荷和电源能量平衡，并调节微网各组成单元接口处电压，保证电压稳定。
根据直流母线简化模型，直流母线电压udc与功率的关系可表示为：
u d c du d c d t = 1 C ( P G + P P V - P L o a d - P B - P C ) - - - ( 3 )
其中，C为直流母线等效电容值，udc为直流母线电压值，PG为交流主网向微网注入功率。PPV为光伏发电单元输出功率，Pload为负荷的功率，PB为蓄电池放电功率，PC为超级电容器放电功率，PB和PC均以从直流母线流向储能单元为正。
由上式可知，系统功率达到平衡时，直流母线电压能够保持稳定。此时应满足：
PG+PPV＝PLoad+PB+PC(4)
实施例2：
参见图3，采用分层控制的方法，对直流微网进行控制，根据控制任务以及控制对象的不同分为系统控制层和换流器控制层。
其中，系统控制层包括中央控制器6，采集联网运行模式参数Gflag、直流母线电压Udc和蓄电池的荷电状态SOC判断直流微网的当前运行模式，例如根据表1判断直流微网的当前运行模式，以给出直流微网各个单元控制方式，向换流器控制层发出控制指令，以控制换流器的工作，协调各个单元的工作模式。
换流器控制器，包括各个换流器，所述换流器接收来自中央控制器的控制指令，选择对应的控制方式，产生能够作用于换流器开关的驱动信号，调节换流器的输出功率和电压，完成相应控制功能，被控制的换流器包括光伏DC/DC换流器、蓄电池双向DC/DC换流器、超级电容双向DC/DC换流器和交流电网AC/DC换流器。
优选地，光伏DC/DC换流器控制为：光伏发电单元通过光伏DC/DC换流器接入微网直流母线,光伏发电单元可以工作在最大功率追踪(MPPT)和恒压输出两种模式，并根据系统层控制要求，在两种模式间进行切换。
优选地，参见图4，蓄电池双向DC/DC换流器控制为：
蓄电池进行充放电时，通过蓄电池双向DC/DC换流器控制其充放电电流IB，从而调整蓄电池放电输出功率PB。在混合储能控制中，优先使用蓄电池进行充放电，使蓄电池放电功率为微网电源发出功率与负荷吸收功率的差值，即PB＝△P＝PG+PPV-PLoad。显然，△P会因为电源功率PPV和负荷功率PLoad的波动而波动，根据△P计算的充放电电流IB也会随系统电源和负荷功率变动而存在波动，直接用波动的电流计算值IB来控制蓄电池充放电会影响其循环寿命。
因此，如图4，本发明将PG+PPV与PLoad比较后，采用滞环电流控制器提供阶段式蓄电池充放电电流的参考电流IBref，参考电流IBref与蓄电池实际电流IB进行比较后形成△IB，经PI调节器产生控制信号输出，经调制生成PWM波形，驱动蓄电池双向DC/DC换流器开关器件，从而实现对蓄电池的充放电控制。
由于使用滞环电流控制器，△P变化足够大时，才会造成蓄电池充放电参考电流IBref的变化，从而避免了参考电流变化过于频繁。
在功率差额微小波动时蓄电池无法实现无差调节，可通过超级电容器调节剩余功率差额。本发明对超级电容器采用外电压和内电流的双环控制策略，直流电压环根据实际母线电压与其参考值比较后经PI调节器产生超级电容器放电电流参考值ICref，作为电流环的参考值，超级电容器电流环根据实际充放电电流IC与其参考值ICref进行比较经PI调节器产生控制信号输出，并经调制生成PWM波形，控制超级电容双向DC/DC换流器开关开断，从而实现对超级电容器的充放电控制。超级电容器充放电控制原理如图5所示。
优选地，交流电网AC/DC换流器的控制为：交流电网AC/DC换流器需要实现输出直流电压恒压控制，并调节交流侧电压电流波形，满足相应的功率因素要求。
因此，本发明采用了采用系统层和换流器层的分层控制方式，中央控制器给出各种运行状态下各个换流器工作方式控制指令，从而实现系统层控制。各个单元换流器控制电路根据指令选择相应工作方式，控制换流器开关器件的开断，完成电压电流控制功能，从而实现换流器层控制，各换流器能够根绝直流微网运行状态的不同调节自身控制方式，有效维持网络电压稳定和功率平衡。
本发明充分利用了换流器对网络的控制作用，相对多代理系统控制方式，通信更为简单；相对电压下垂控制方式，网络电压更加稳定可控。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (9)

1.一种混合储能直流微网分层控制方法，其中，所述直流微网，包括光伏发电单元、混合储能单元、负荷单元、联网接口单元和直流母线，上述各单元分别和直流母线连接；其中所述光伏发电单元中光伏电池发出直流电，经光伏DC/DC换流器与直流母线5连接；所述混合储能单元中的蓄电池经蓄电池双向DC/DC换流器与直流母线连接，超级电容器经超级电容双向DC/DC换流器与直流母线连接；负荷单元中的直流负荷和交流负荷分别经直流负荷DC/DC换流器和交流负荷DC/AC换流器与直流母线连接，联网接口单元中的交流电网经过交流电网AC/DC换流器与直流母线连接，其中各个换流器能够受控开闭，以维持所述直流微网的正常运行。
2.根据权利要求1所述的混合储能直流微网分层控制方法，其特征在于：
通过采集联网运行模式参数Gflag、直流母线电压Udc和蓄电池的荷电状态SOC，对直流微网的工作状态进行划分，针对不同的工作状态对所述换流器进行控制。
3.根据权利要求2所述的混合储能直流微网分层控制方法，其特征在于：
对于直流微网联网运行模式参数Gflag，当Gflag为1时，表示微网处于联网运行模式，当Gflag为0时，则微网处于孤岛运行模式；
对于直流母线电压Udc，设置4个临界值UH1、UH2、UL1和UL2，将Udc变化范围进行划分，并作为系统工作状态间进行切换的参考值，UH1、UH2分别选取为1.05Udc0和1.10Udc0，UL1、UL2分别选取为0.95Udc0和0.90Udc0，其中Udc0为直流母线额定电压；
对于蓄电池，采用蓄电池SOC上限值SOCmax和下限值SOCmin作为其充放电截止判断条件：若SOC>SOCmax，不再进行充电操作，若SOC<SOCmin，则停止放电，SOCmax和SOCmin选取分别为10％和90％。
4.根据权利要求2所述的混合储能直流微网分层控制方法，其特征在于：
系统功率达到平衡时，直流母线电压能够保持稳定，并满足：
PG+PPV＝PLoad+PB+PC，
其中，PG为交流主网向微网注入功率，PPV为光伏发电单元输出功率，Pload为负荷的功率，PB为蓄电池放电功率，PC为超级电容器放电功率，PB和PC均以从直流母线流向储能单元为正。
5.根据权利要求2所述的混合储能直流微网分层控制方法，其特征在于：
采用分层控制的方法，对直流微网进行控制，根据控制任务以及控制对象的不同分为系统控制层和换流器控制层；
系统控制层包括中央控制器，采集联网运行模式参数Gflag、直流母线电压Udc和蓄电池的荷电状态SOC判断直流微网的当前运行模式，以给出直流微网各个单元控制方式，向换流器控制层发出控制指令，以控制换流器的工作，协调各个单元的工作模式；
换流器控制器，包括各个换流器，所述换流器接收来自中央控制器的控制指令，选择对应的控制方式，产生能够作用于换流器开关的驱动信号，调节换流器的输出功率和电压，完成相应控制功能，被控制的换流器包括光伏DC/DC换流器、蓄电池双向DC/DC换流器、超级电容双向DC/DC换流器和交流电网AC/DC换流器。
6.根据权利要求5所述的混合储能直流微网分层控制方法，其特征在于：
光伏DC/DC换流器控制为：光伏发电单元通过光伏DC/DC换流器接入微网直流母线,光伏发电单元可以工作在最大功率追踪(MPPT)和恒压输出两种模式，并根据系统层控制要求，在两种模式间进行切换。
7.根据权利要求5所述的混合储能直流微网分层控制方法，其特征在于：
蓄电池双向DC/DC换流器控制为：将PG+PPV与PLoad比较后，采用滞环电流控制器提供阶段式蓄电池充放电电流的参考电流IBref，参考电流IBref与蓄电池实际电流IB进行比较后形成△IB，经PI调节器产生控制信号输出，经调制生成PWM波形，驱动蓄电池双向DC/DC换流器开关器件，从而实现对蓄电池的充放电控制。
8.根据权利要求7所述的混合储能直流微网分层控制方法，其特征在于：
在功率差额微小波动时蓄电池无法实现无差调节，通过超级电容器调节剩余功率差额；
对于超级电容双向DC/DC换流器的控制，采用外电压和内电流的双环控制策略，直流电压环根据实际母线电压与其参考值比较后经PI调节器产生超级电容器放电电流参考值ICref，作为电流环的参考值，超级电容器电流环根据实际充放电电流IC与其参考值ICref进行比较经PI调节器产生控制信号输出，并经调制生成PWM波形，控制超级电容双向DC/DC换流器开关开断，从而实现对超级电容器的充放电控制。
9.根据权利要求5所述的混合储能直流微网分层控制方法，其特征在于：
交流电网AC/DC换流器的控制为：交流电网AC/DC换流器需要实现输出直流电压恒压控制，并调节交流侧电压电流波形，满足相应的功率因素要求。
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