CN105429128A - 基于混合储能的直流微网母线电压控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，利用超级电容器的高功率密度和蓄电池的高能量密度特点，根据直流母线电压的电压变化率将母线电压在不同的电压情况下分段治理，通过两级不同的储能控制策略去改善直流母线电压稳定，能够抑制直流母线电压变动，确保直流微网母线电压稳定，具有良好的应用前景。

Description

基于混合储能的直流微网母线电压控制策略

技术领域

本发明涉及分布式发电供能系统电能质量治理技术领域，具体涉及一种基于混合储能的直流微网母线电压控制策略。

背景技术

近年来在能源需求和环境保护的双重压力下，分布式发电技术获得了越来越多的重视和应用。但是，大量的分布式电源(DistributedGenerator,DG)，如太阳电池、燃料电池、风力机和小型燃气轮机热电联产等，受自然条件影响，风电、光伏等可再生能源的输出具有较大的间歇性和随机性，对微电网的电能质量和稳定运行产生不利影响。

直接并网方式将会对电网调峰和系统的安全运行造成显著的影响，而且，由于DG(分布式电源)的单机接入成本高，容量小，运行不确定性强，受制于自然条件，缺少灵活可控的特点，对主电网而言是一个不可控源。

为了解决以上问题以及充分发挥DG的价值和效益，DG采用微网形式并入主网是较为有效的途径，储能是微网中非常重要的组成部分，其对微网的作用可以体现为组网运行、稳定控制、电能质量改善，以及适度的容量可信度等。储能可以克服微网惯性小、抗扰动能力弱的问题，消减风电和光伏等可再生能源发电的间歇性对系统的影响，并使微网具有一定的可预测性和可调度性，可以视为大电网的“可控单元”。此外，储能还可以使微网满足多样化的用电需求，如增强局部供电可靠性，降低馈电损耗，支持当地电压，或作为不间断电源。目前，微网已经成为解决电力系统众多问题，实现能源利用多元化、高效、清洁的重要手段，也将是未来智能电网的重要功能单元和管理方式将分布式电源、负荷、储能装置连接在一起，以微电网的方式运行能够充分发挥分布式电源的效能，提高电网接纳可再生能源的能力。

目前，国内外绝大部分学者的研究都集中在交流微网上，但是，诸如储能、光伏等微源都是直流电源，加上随着越来越多直流电力电子负载的出现，直流微网得到越来越多的发展。但是，相比交流微网，直流微网的电能质量不存在交流体系中无功、谐波、相位、频率的问题，所以受到如楼宇供电等特定领域的欢迎。具体来说相对于交流微网，直流微网的优点有：1)微源间功率协调控制更加简单，只要通过直流母线电压就能控制直流微网内的功率潮流流向；2)直流微网中不存在相位和频率的问题，母线电压更加容易控制；3)众多可再生微源都是直流输出，可以直接连接在直流母线上，不需要DC/AC变换器；4)直流微网的变换器可以有效隔离大电网和直流微网之间的电能质量交互问题。

但是，目前，还没有针对直流微网母线电压的控制策略，来抑制直流母线电压变动，确保直流微网母线电压稳定，是当前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服目前还没有针对直流微网母线电压的控制策略，来抑制直流母线电压变动，确保直流微网母线电压稳定的问题。本发明的基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，利用超级电容器和蓄电池，根据直流母线电压的电压变化率将母线电压在不同的电压情况下分段治理补偿，实现抑制直流母线电压变动，确保直流微网母线电压稳定，具有良好的应用前景。

为了达到上述的目的，本发明所采用的技术方案是：

基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，其特征在于：适用于含有混合储能的直流微网结构，所述混合储能为超级电容器和蓄电池结合的混合储能，包括以下步骤，

步骤(A)，对直流微网的母线电压进行检测，并对母线电压变动进行分析并归类，类型包括电压中断，电压暂降和电压波动；

步骤(B)对于步骤(A)归类后的母线电压，建立不同的储能控制策略；

步骤(C)，若检测到母线电压归类到电压波动时，利用混合储能中的超级电容器对直流母线电压进行单独补偿；当检测到母线电压归类到电压中断和电压暂降时，利用混合储能超级电容器，蓄电池联合补偿。

前述的基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，其特征在于：其特征在于，步骤(A)，对直流微网的母线电压进行检测，并对母线电压变动进行分析并归类，过程如下，

(A1)根据实时检测到的直流母线电压，统计电压变化率，判断直流母线电压变动；

(A2)当电压变化率10％内时，且电压变化率在0.2％每秒内，则将直流母线电压变动归类为电压波动；

(A3)当电压变化率超过了10％且没有达到90％时，则将直流母线电压变动归类为电压暂降；

(A4)当电压变化率超过了90％，则将直流母线电压变动归类为电压中断，此时检测电压中断时间，当中断时间在3分钟内，则认为该中断为短时中断，否则为长时中断。

前述的基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，其特征在于：其特征在于，步骤(C)当检测到母线电压归类到电压中断和电压暂降时，利用混合储能超级电容器，蓄电池联合补偿，具体方式为

(C1)若检测到母线电压为电压暂降时，利用混合储能超级电容器对直流母线电压进行补偿，当超级电容器补偿越限时，并入蓄电池对直流母线电压进行补偿；

(C2)若检测到母线电压为电压中断时，利用混合储能超级电容器和蓄电池的最大功率输出对直流母线电压进行补偿，最大程度降低直流母线电压波动；

(C3)若检测到母线电压过于严重为长时中断，则将负载和储能模块切除微网。

前述的基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，所述超级电容器为一级储能，所述蓄电池为二级储能。

本发明的有益效果是：本发明的基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，利用超级电容器的高功率密度和蓄电池的高能量密度特点，根据直流母线电压的电压变化率将母线电压在不同的电压情况下分段治理，通过两级不同的储能控制策略去改善直流母线电压稳定，能够抑制直流母线电压变动，确保直流微网母线电压稳定，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的直流微网结构的能量潮流示意图。

图2是本发明的双向DC/DC变换器的电路示意图。

图3是本发明的超级电容器的控制策略框图。

图4是本发明的蓄电池的控制策略框图。

图5是本发明的蓄电池给定电流充电控制框图。

图6是本发明的直流母线电压自动控制策略框图。

图7是本发明的直流微网电能质量控制流程图。

图8是本发明的一实施例的负载电压曲线。

图9是本发明的一实施例的超级电容器模型图。

图10是本发明的一实施例的超级电容器第一控制策略图。

图11是本发明的一实施例的超级电容器第二控制策略图。

图12是本发明的一实施例的超级电容器第一仿真结果图。

图13是本发明的一实施例的超级电容器第二仿真结果图。

图14是本发明的一实施例的蓄电池模型图。

图15是本发明的一实施例的蓄电池第一控制策略图。

图16是本发明的一实施例的蓄电池第二控制策略图。

图17是本发明的一实施例的蓄电池第三控制策略图。

图18是本发明的一实施例的蓄电池第一仿真结果图。

图19是本发明的一实施例的蓄电池第二仿真结果图。

图20是本发明的一实施例的蓄电池第三仿真结果图。

图21是本发明的一实施例的混合储能的第一仿真结果图。

图22是本发明的一实施例的混合储能的第二仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明的基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，适用于含有混合储能的直流微网结构，所述混合储能为超级电容器和蓄电池结合的混合储能，这里间歇性DG负荷和混合储能与微网交流母线相连，整个微网通过PCC点静态开关与配电网相连混合储能系统由超级电容器和蓄电池组成，超级电容功率密度大动态性能好，蓄电池储能容量大，将两者结合可有效提高储能系统的整体性能为稳定直流母线电压，如图1所示，超级电容和蓄电池分别通过双向DC/DC电路连接在混合储能的直流母线上微源(包括间歇性微源和非间歇性微源)输出有功功率为Ps，直流微网内负载有效消耗有功功率为Pp，混合储能装置吸收功率为Pc，关系式，如公式(1)所示，

P_s＝P_c+P_p(1)

混合储能装置容值C上的电压，如公式(2)所示，

$U_{dc}\frac{{\mathrm{dU}}_{dc}}{dt}=\frac{1}{C}(P_s-P_p)---\left(2\right)$

其中，容值C的值指整个混合储能装置的电容等效值大小，通过公式(2)可以看出通过控制混合储能的端电压就可以控制直流微网内部的有功潮流流动。

本发明的基于超级电容和蓄电池组结合的混合储能来调节直流母线电压，改善直流微网电能质量，混合储能系统充分利用超级电容功率密度大能量密度小，蓄电池组能量密度大功率密度小的特点。超级电容器反应迅速，瞬间输出电流大，能够动态实时调节母线电压，但是储能深度小，单向补偿持续时间短，适合作为一级储能装置；蓄电池组单位价格便宜，相对储能深度大，但是收到输入输出电流最大值的限制，动态响应速度相对缓慢，适合作为二级储能装置对超级电容作为补充，协同运行对直流母线电压进行管理。

在直流微网混合储能系统中，如图2所示，双向DC/DC变流器是储能单元与直流总线的接口，是实现对储能单元能量管理的重要环节，该系统中双向DC/DC变流器采用半桥型双向DC/DC变流器，混合储能通过双向DC/DC变流器连接到直流母线上。双向DC/DC电路正向是一个boost电路，反向是一个buck电路，相比传统的DC/DC电路，能量可以双向流动，这就使得混合储能充放电成为可能。该电路控制方式可以分为双管驱动互补型和单独控制型两种。由于互补控制简单可靠，不需要另外的程序控制，所以本文中采用互补驱动控制策略。

在设计的混合储能系统中，超级电容器作为一级储能，要求有实时的动态响应性能，工作在电压外环电流内环状态，如图3所示，对与超级电容的控制来说外环是电压环，在超级电容端电压不越限的情况下它的任务首先保证母线电压稳定，外环是电压环保证控制精度，也就是通过PI控制器的积分量将直流侧母线电压稳定，值得注意的是由于需要一定的动态性能所以外环的积分参数不能像传统直流控制器一样取值过大，作为一级储能装置需要在保证稳态精度的同时保证系统动态响应特性。

储能蓄电池组作为二级储能可以工作在正常功率调度输出模式和电能质量补偿模式，控制策略如图4所示，当超级电容可以独立完成补偿工作时，蓄电池组按功率调度模式工作，输出额定功率值配合间隙性能源输出满足负载功率调度曲线。当蓄电池组工作在电能质量补偿模式的时候，其控制方法和超级电容一致，但是值得注意的是蓄电池一定要防止输入和输出电流过大。

当蓄电池SOC过低越限时工作在充电模式，直接采用给定电流指令值充电，控制策略如图5所示，也就是大多数文献中所说的急充模式，如图6所示，该方案的具体实现过程：

(1)判断直流侧母线电压误差绝对值是否超过BUdc，如果超过限值，则要求直流微网立刻离网停机工作，等切除大负载或者不能正常工作的微源后再重新并网工作。

(2)当直流侧母线电压误差绝对值小于AUdc时，工作在模式1，此时当超级电容的端电压不越限时优先采用超级储能进行电压控制，此时蓄电池不工作或者工作在快速充放电模式，直流微网和大电网之间的并网换流器工作在功率调度模式，吸纳或者输出额定的有功功率；

(3)当超级电容端电压越限时，蓄电池SOC在工作范围内采用蓄电池和超级电容的混合储能进行共同补偿母线电压，此时并网换流器依旧工作在功率调度模式，实际上就是整流或者逆变状态；

(4)当蓄电池的SOC高于或者低于标准时，蓄电池断开，通过并网换流器进行直流母线电压补偿，给予一定的功率输入或者输出，进行电压支撑。

在工作模式1下，超级电容始终工作在电压外环，电流内环模式；蓄电池组工作在正常充放电模式是电流控制模式，在补偿工作时是电压工作模式；当混合储能可以控制直流侧母线电压误差绝对值小于AUdc时并网换流器工作在正常的功率调度模式，否则配电网参与直流母线电压控制。

当直流母线电压误差绝对值在AUdc和BUdc之间时，由于此时直流母线电压偏差已经较大，系统工作在模式2状态，当微电网正常工作时，可以看成一个负责任的用户端，此时配电网直接通过并网换流器对直流母线进行电压调整。由于配电网可以看成一个无穷大电网，可以通过配电网直接参与补偿控制。

当直流母线电压误差绝对值进一步扩大超过BUdc时，认为直流微网系统需要停机工作，并网换流器断开，系统工作在工作模式3，当切大负载或者断开不稳定工作的微源后再次并网或者孤岛工作给敏感负荷供电。

A和B是设定好的常数，由于一般直流微网要求母线电压的波动范围在5％以下，本发明的混合储能，A设为0.05，B设为0.1。

基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，包括以下步骤，

步骤(A)，对直流微网的母线电压进行检测，并对母线电压变动进行分析并归类，类型包括电压中断，电压暂降和电压波动，分析并归类，过程如下，

(A1)根据实时检测到的直流母线电压，统计电压变化率，判断直流母线电压变动；

(A2)当电压变化率10％内时，且电压变化率在0.2％每秒内，则将直流母线电压变动归类为电压波动；

(A3)当电压变化率超过了10％且没有达到90％时，则将直流母线电压变动归类为电压暂降；

(A4)当电压变化率超过了90％，则将直流母线电压变动归类为电压中断，此时检测电压中断时间，当中断时间在3分钟内，则认为该中断为短时中断，否则为长时中断。

步骤(B)对于步骤(A)归类后的母线电压，建立不同的储能控制策略；

步骤(C)，若检测到母线电压归类到电压波动时，利用混合储能中的超级电容器对直流母线电压进行单独补偿；当检测到母线电压归类到电压中断和电压暂降时，利用混合储能超级电容器，蓄电池联合补偿，具体补偿方式为

(C1)若检测到母线电压为电压暂降时，利用混合储能超级电容器对直流母线电压进行补偿，当超级电容器补偿越限时，并入蓄电池对直流母线电压进行补偿；

(C2)若检测到母线电压为电压中断时，利用混合储能超级电容器和蓄电池的最大功率输出对直流母线电压进行补偿，最大程度降低直流母线电压波动；

(C3)若检测到母线电压过于严重为长时中断，则将负载和储能模块切除微网。

如图7所示，本发明的控制策略流程图，首先，判断直流侧母线电压误差绝对值是否超过BUdc，如果超过限值，则要求直流微网立刻离网停机工作，等切除大负载或者不能正常工作的微源后再重新并网工作。当直流侧母线电压误差绝对值小于AUdc时，工作在模式1，此时当超级电容的端电压不越限时优先采用超级储能进行电压控制，此时蓄电池不工作或者工作在快速充放电模式，直流微网和大电网之间的并网换流器工作在功率调度模式，吸纳或者输出额定的有功功率；当超级电容端电压越限时，蓄电池SOC在工作范围内采用蓄电池和超级电容的混合储能进行共同补偿母线电压，此时并网换流器依旧工作在功率调度模式，实际上就是整流或者逆变状态；当蓄电池的SOC高于或者低于标准时，蓄电池断开，通过并网换流器进行直流母线电压补偿，给予一定的功率输入或者输出，进行电压支撑。

根据本发明的基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，介绍一具体实施例，利用混合储能补偿直流母线电压，并验证本发明的可行性，具体如下，

直流微网结构如下，DG采用光伏电池函数模型输出，经MPPT及Boost升压模块与直流母线相连，在直流母线上提供380V左右的直流电压，DG输出端电压与温度变化相关在±5V内波动；超级电容器端电压usc_ref＝220V，usc_max＝250V，usc_min＝200V，为避免微电网因超级电容频繁达到工作电压限值而循环并离网运行，按照超级电容达到充放电警戒值时以额定功35kW输出持续时间不低于5s的目标确定容值12.5F，采用电容和电阻串并联的模型，并联电阻为40KΩ，串联电阻为0.28Ω；蓄电池额定电压220V，额定充放电功率24kW，额定充放电电流50A，最大充放电电流80A，按照蓄电池以最大充放电电流输出持续时间不低于5h的目标确定其容量为400Ah，串联内阻0.5Ω；采用阻性负载，利用负载变换和投切在直流母线处模拟诸如电压波动，电压暂降，电压中断的事故。

如图8所示，仿真中利用负载变换与投切模拟了直流母线中的事故，其中0‐1s利用两组负载投切模拟了直流母线电压波动；2‐2.1s利用切断微源模拟了直流母线的电压中断；3‐4s利用切入大负载的方式在直流母线上模拟了电压暂降。

如图9所示，超级电容器模型中，RS表示超级电容器的总串联电阻，表征在充放电过程中的能量损耗；C为理想电容量；RP表征漏电流效应，体现了超级电容器的自放电过程，影响着超级电容器的长期储能，电阻值一般较大。微电网运行时通过双向DC/DC对超级电容器进行充放电控制，超级电容端电压不超过最大充电电压250V，超级电容器的充放电判断条件由参考电压与母线电压比较，当参考电压大于母线电压时，对超级电容器实行放电控制，当参考电压小于母线电压时，对超级电容器实行充电控制，通过控制逻辑对双向DC/DC发出控制信号，控制策略，如图10及图11所示。

超级电容器运行仿真结果，如图12及图13所示，由仿真结果可知，超级电容器对于电压波动，有明显抑制作用，在电压发生波动时，超级电容器和直流母线交换功率波动进行抑制；电压中断阶段，超级电容器大电流输出，对母线电压进行补偿；电压暂降阶段，超级电容器满电流输出，补偿母线电压降落。蓄电池模型将蓄电池的荷电状态SOC作为唯一的状态变量，即蓄电池模型等效为一个受控电压源和内阻，SOC定义为剩余容量和满荷电容量之比，蓄电池在满冲状态下，SOC＝1；在完全放电状态下，SOC＝0，Eb是蓄电池的空载电压并假设蓄电池内阻Rb在充放电过程中保持恒定，蓄电池模型电路图，如图图14所示。

微电网运行时通过双向DC/DC对蓄电池进行充放电控制，蓄电池SOC限制在45％‐95％之间，超级电容器的充放电判断条件由参考电压与超级电容器端电压比较，当超级电容器端电压大于限值时，对蓄电池实行放电控制，当超级电容器端电压小于限值时，对蓄电池实行充电控制，通过控制逻辑对蓄电池双向DC/DC发出控制信号，使用限压浮冲的方式对蓄电池进行充电，采用恒功率输出的方式控制蓄电池输出功率，控制策略，如图15‐图17所示。

蓄电池运行仿真结果，如图18‐20所示，由仿真可知，蓄电池作为超级电容器的后备储能装置，在母线电压发生中断和暂降时，对母线电压进行了补偿，在电压波动的功率交换阶段则由超级电容器单独和母线交换功率，通过这样的混合储能交互方式，保证母线电能质量的同时，减少了蓄电池充放电次数，延长了蓄电池的使用寿命。

仿真利用两级储能对直流母线上的电压问题进行补偿，混合储能仿真结果，如图21及图22所示，由混合储能装置介入前和介入后母线电压的对比可以发现，混合储能系统很好地对母线电压的电能质量问题进行了抑制，将母线电压的波动抑制在了±5V范围内，确保了直流母线电压的稳定。

针对超级电容和蓄电池组成的混合储能系统，本文实现了混合储能VSI直流侧DC/DC变换器在直流微电网中针对不同电压问题平波抑制的控制，设计了混合储能系统两级能量管理方法。

仿真结果表明，该混合储能系统能够有效平抑微电网直流母线电压波动，维持并网运行PCC点母线电压在允许范围内变化。通过系统两级能量管理，有效控制超级电容端电压在充放电限值以内，同时优化蓄电池充放电过程，延长其使用寿命，提高了微电网运行的经济性。

综上所示，本发明的基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，利用超级电容器的高功率密度和蓄电池的高能量密度特点，根据直流母线电压的电压变化率将母线电压在不同的电压情况下分段治理，通过两级不同的储能控制策略去改善直流母线电压稳定，能够抑制直流母线电压变动，确保直流微网母线电压稳定，具有良好的应用前景。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，其特征在于：适用于含有混合储能的直流微网结构，所述混合储能为超级电容器和蓄电池结合的混合储能，包括以下步骤，

步骤（A），对直流微网的母线电压进行检测，并对母线电压变动进行分析并归类，类型包括电压中断，电压暂降和电压波动；

步骤（B）对于步骤（A）归类后的母线电压，建立不同的储能控制策略；

步骤（C），若检测到母线电压归类到电压波动时，利用混合储能中的超级电容器对直流母线电压进行单独补偿；当检测到母线电压归类到电压中断和电压暂降时，利用混合储能超级电容器，蓄电池联合补偿。

2.根据权利要求1所述的基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，其特征在于：其特征在于，步骤（A），对直流微网的母线电压进行检测，并对母线电压变动进行分析并归类，过程如下，

（A1）根据实时检测到的直流母线电压，统计电压变化率，判断直流母线电压变动；

（A2）当电压变化率10%内时，且电压变化率在0.2%每秒内，则将直流母线电压变动归类为电压波动；

（A3）当电压变化率超过了10%且没有达到90%时，则将直流母线电压变动归类为电压暂降；

（A4）当电压变化率超过了90%，则将直流母线电压变动归类为电压中断，此时检测电压中断时间，当中断时间在3分钟内，则认为该中断为短时中断，否则为长时中断。

3.根据权利要求1所述的基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，其特征在于：其特征在于，步骤（C）当检测到母线电压归类到电压中断和电压暂降时，利用混合储能超级电容器，蓄电池联合补偿，具体方式为

（C1）若检测到母线电压为电压暂降时，利用混合储能超级电容器对直流母线电压进行补偿，当超级电容器补偿越限时，并入蓄电池对直流母线电压进行补偿；

（C2）若检测到母线电压为电压中断时，利用混合储能超级电容器和蓄电池的最大功率输出对直流母线电压进行补偿，最大程度降低直流母线电压波动；

（C3）若检测到母线电压过于严重为长时中断，则将负载和储能模块切除微网。

4.根据权利要求1所述的基于混合储能的直流微网母线电压控制策略，所述超级电容器为一级储能，所述蓄电池为二级储能。