CN105552914B

CN105552914B - 一种基于电价的交直流混合微电网分层控制方法

Info

Publication number: CN105552914B
Application number: CN201610056523.7A
Authority: CN
Inventors: 王国华; 高明
Original assignee: JIANGSU DAYBRIGHT ELECTRIC Co Ltd
Current assignee: JIANGSU DAYBRIGHT ELECTRIC Co Ltd
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2017-11-21
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: CN105552914A

Abstract

本发明提供一种基于电价的交直流混合微电网分层控制方法，将交直流混合微电网的控制分为三个层次：变流器控制层、母线电压控制层和功率调度层。在底层变流器控制层，各类变流器根据其控制目标分为能量终端和松弛终端；在中层母线电压控制层，交直流混合微电网中的任一单元均能在相同的控制结构下，根据直流母线电压信号平滑调节其接口变流器的输出功率，实现交直流混合微电网的分散自治运行；在上层功率调度层，并网变流器根据交流电网侧的分时电价信息，决定具体运行状态，进而改变储能单元的输出功率，以充分利用其剩余容量，提高系统运行的经济性和可调度性。

Description

一种基于电价的交直流混合微电网分层控制方法

技术领域

本发明涉及分布式发电微电网技术领域，尤其是一种基于电价的交直流混合微电网分层控制方法。

背景技术

随着用户对供电可靠性和电能质量的关注度不断提高以及太阳能、风能等各种形式的可再生能源大量利用，微电网作为分布式电源接入电网的有效途径得到了国内外学者的广泛关注。微电网一般是指将多种分布式电源、储能装置和负荷通过电力电子装置连接起来的小型电网形式，既能并网运行，与传统大电网交换能量，又能独立运行，成为一个能稳定运行的孤立系统。

相对于交流微电网来说，直流微电网拥有很多显著特征。首先，大多数的分布式电源，如光伏电池、风力发电机等，基本上都是输出直流电(或者存在直流的中间环节)；而众多的家用电器和办公设备本质上都需要直流电源才能正常工作。如果将它们接到直流微电网中，能够减少转化环节，提高能源利用率。直流微电网系统为了保持正常稳定运行，需要实时协调控制各组成单元的输出功率，以维持系统内功率平衡，随着直流微电网的不断发展，系统的结构逐渐复杂，各个组成单元的协调控制策略变得十分重要。

目前，直流微电网的协调控制策略主要为：集中式控制，集中式控制结构存在上层的中央控制器，依靠高速通信实时采集各设备的运行数据并下发控制指令。这种控制结构对中央控制器和通信设备的要求较高，一旦某个环节出现故障就可能影响系统的正常运行，不利于保证供电可靠性、实现设备的“即插即用”。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种基于电价的交直流混合微电网分层控制方法，该方法可以使得交直流混合微电网的控制不依赖于上层中央控制器和通信设备即可实现有效控制，实现直流电网并网与孤岛模式的平滑切换，在保证负荷的供电可靠性的同时，最大限度利用储能单元的剩余功率，降低直流系统的用电成本。

技术方案：为达到上述技术效果，本发明提出的方案为：一种基于电价的交直流混合微电网分层控制方法，该方法包括：

步骤1：将交直流混合微电网的接入单元分为两种工作模式：当功率恒定时，为能量终端，通过调节自身电压大小维持直流母线电压稳定；当电压恒定时，为松弛终端，通过调节自身输出功率维持交直流混合微电网功率平衡；直流电网中包括至少一个松弛终端；所述接入单元包括并网变流器、接口变流器、分布式发电单元、储能单元和负载；

步骤2：建立交直流混合微电网的分层控制模型，包括：功率调度层、母线电压控制层和变流器控制层；

功率调度层采集分时电价信息，并根据分时电价信息形成运行状态指令发送给并网变流器；并网变流器根据运行状体指令和直流母线电压值进入购电模式、售电模式或常规运行模式；

母线电压控制层采集直流母线电压值U_dc，将U_dc的变化范围划分为4个电压区间：[U_{2_L},U_{1_L}]、[U_{1_L},U_{1_H}]、[U_{1_H},U_{2_H}]和[U_{2_H},U_{3_H}],U_{3_H}>U_{2_H}>U_{1_H}>U_{1_L}>U_{2_L}；并网变流器、分布式发电单元和储能单元根据U_dc的变化区间在松弛终端和能量终端两种工作模式之间切换，使得每个电压区间中至少包括一个松弛终端；

变流器控制层控制接口变流器根据直流母线电压值调整输出功率，在松弛终端和能量终端这两种工作状态间切换；以及调节所在支路中电压、电流的大小；

进一步的，在母线电压控制层中，并网变流器、分布式发电单元和储能单元根据U_dc的变化区间在松弛终端和能量终端两种工作模式之间切换的具体步骤包括：

2-1：当U_dc落入区间[U_{2_H},U_{3_H}]中，分布式发电单元切换为松弛终端；

2-2：当U_dc落入区间[U_{1_H},U_{2_H}]和区间[U_{2_L},U_{1_L}]中，并网变流器切换为松弛终端；当U_dc落入区间[U_{1_H},U_{2_H}]时，并网变流器向交流电网输入功率：当U_dc落入[U_{2_L},U_{1_L}]时，并网变流器向直流电网输入功率；

2-3：当U_dc落入区间[U_{1_L},U_{1_H}]时，储能单元切换为松弛终端；

进一步的，所述步骤2-1中，分布式发电单元切换为松弛终端后的工作步骤包括：

分布式发电单元采用MPPT工作方式并对自身输出功率采用功率下垂控制，其下垂控制特性方程为：

其中P_{res_i}为第i台分布式发电单元的输出功率，P_{res_MPPT_i}为第i台分布式发电单元进行最大功率跟踪控制时所输出的功率。

进一步的，所述步骤2-2中，并网变流器根据运行状体指令和直流母线电压值进购电模式、售电模式或常规运行模式的具体步骤包括：

a.设C₁、C₂、C_grid分别为购电电价下限、售电电价上限和电网电价；

b.当C₁≤C_grid≤C₂时，并网变流器工作在常规运行状态；并网变流器对自身输出功率采用功率下垂控制，根据直流母线电压值U_dc的变化平滑调节输出功率，其下垂控制特性方程为：

其中，P_{ac_max_i}、P_{ac_i}分别代表第i台并网变流器的额定功率和实际输出功率。

c.当C_grid＜C₁或C_grid＞C₂时，并网变流器对自身输出电压采用电压下垂控制，其下垂控制特性方程表达式为：

其中U_{acref_i}表示第i台并网变流器的输出电压参考值。

进一步的，所述步骤2-3中，储能单元切换为松弛终端后根据自身输出功率对直流母线电压进行电压下垂控制，控制方程表示为：

U_{essref_i}＝(U_{1_L}+U_{1_H})/2-k_{ess_i}P_{ess_i}

其中U_{essref_i}和P_{ess_i}分别代表第i台储能单元的电压参考值和输出功率值，k_{ess_i}为下垂系数，储能单元的下垂系数k_{ess_i}定义为：

其中，SOC_i、SOC_{max_i}、SOC_{min_i}分别为第i台储能单元的荷电状态值及第i台储能单元的荷电状态上、下限值；P_{ess_max_i}为第i台储能单元的额定功率，P_{ess_i}为为第i台储能单元的输出功率。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明可以在各种工况下满足以下交直流混合微网运行控制要求：

1、交直流混合微电网需优先使用分布式发电单元产生的清洁能源，并能根据负荷需求，自动调节分布式发电单元的工作模式；

2、当直流系统内某一分布式电源或者储能单元等发生故障时，交直流混合微电网能够保持正常运行，即各组成单元具有“即插即用”的功能；

3、当外部电网发生故障时，直流系统能够实现并网与孤岛模式的平滑切换；

4、根据电网电价的分时变化，并网变流器能够通过就地控制，最大限度利用储能单元的剩余功率，降低直流系统的用电成本；

5、保证负荷的供电可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的分层控制模型图；

图2为模式1中储能单元控制原理框图；

图3为模式2中并网变流器控制策略流程图；

图4为分布式发电单元控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

典型交直流混合微电网结构主要由四个接入单元构成：1)分布式发电单元，通常由风机、光伏等可再生能源构成，通过AC-DC或DC-DC变流器接入直流母线；2)储能单元，主要是指蓄电池、超级电容等储能设备，通过双向DC-DC变流器接入；3)并网变流器，通常作为直流微电网与外部交流电网之间的能量转换接口，实现了交直流系统间的功率交换；4)多种类型的交直流负荷，通过相应的接口变流器接入直流系统。

各接入单元根据其控制目标可分为两种工作方式：当控制目标为功率时，作为能量终端，能量终端能够在外部条件变化时，始终保持自身的运行状态，如采用最大功率跟踪策略(MPPT)的光伏发电单元和通过变流器接入的交直流负荷等；当控制目标为电压时，作为松弛终端，松弛终端能够在能量终端功率波动的情况下，自适应地调节输出功率，维持直流母线电压恒定，采用电压控制的储能单元以及并网变流器等都可以看作一种松弛终端；为了保证交直流混合微电网的正常稳定运行，直流系统至少需要一个松弛终端。

如图1所示为本发明实施例的分层控制模型图，本发明基于上述交直流混合微电网的运行控制要求，根据控制目标、协调机制以及时间尺度将交直流混合微电网的控制分为三个层次：变流器控制层、母线电压控制层和功率调度层。每一个控制层次实现的具体方法如下：

变流器控制层控制接口变流器根据直流母线电压值调整输出功率，在松弛终端和能量终端这两种工作状态间切换；以及通过控制电路中开关管的通断调节所在支路中电压、电流的大小；

下面通过具体实施例对本发明的实现过程做进一步说明。

实施例1：母线电压控制层通过公共直流母线将分散的变流器单元连接成一个整体，利用直流母线电压信号有序安排各单元的功率交换，实现直流系统内功率平衡，同时确保直流母线电压在合理的范围内。如图1所示的实施例将直流母线电压U_dc的变化范围划分为4个电压区间，分界线电压值从高到低依次为U_{3_H}、U_{2_H}、U_{1_H}、U_{1_L}、U_{2_L}，当直流母线电压U_dc落入区间[U_{2_H},U_{3_H}]时，母线电压控制层工作在模式3，分布式发电单元切换为松弛终端；当直流母线电压U_dc落入区间[U_{1_H},U_{2_H}]和区间[U_{2_L},U_{1_L}]时，母线电压控制层工作在模式2，并网变流器切换为松弛终端；当直流母线电压U_dc落入区间[U_{1_L},U_{1_H}]时，母线电压控制层工作在模式1，储能单元切换为松弛终端，模式1～3的具体工作内容如下：

模式1：直流母线电压U_dc变化区间为[U_{1_L},U_{1_H}]，储能单元切换为松弛终端维持直流系统功率平衡。交直流混合微电网正常运行时，由储能单元控制直流母线电压，维持系统的功率和能量平衡。系统中的其余单元如并网变流器工作在待机状态，由功率调度层下发的功率输出指令决定其功率输出；分布式发电单元采用MPPT控制，以最大限度利用可再生能源。定义负荷功率P_Load与分布式发电单元输出功率P_{res_MPPT}之差为系统净功率P_net：

P_net＝P_Load-P_{res_MPPT}

则此时系统中的功率平衡关系可以表示为：

-P_{ess_max}＜P_net-P_ac＜P_{ess_max}

其中-P_{ess_max}、P_{ess_max}、P_ac分别代表储能单元的最大充/放电功率以及并网变流器的输出功率。

图2为模式1中储能单元控制原理框图，当系统中存在多台储能时，为了避免环流，提高供电可靠性，储能单元根据输出功率大小采用下垂控制。其下垂控制方程表示为：

U_{essref_i}＝(U_{1_L}+U_{1_H})/2-k_{ess_i}P_{ess_i}

其中U_{essref_i}和P_{ess_i}分别代表第i台储能单元的电压参考和输出功率值，k_{ess_i}为下垂系数。考虑到多台储能单元可能拥有不同的额定功率，且荷电状态(SOC)存在差异。为了让额定功率大的单元拥有较大的充放电功率，让SOC高的单元在放电时的输出功率较大(充电时功率较小)，储能单元的下垂系数k_{ess_i}定义为

其中SOC_i、SOC_{max_i}、SOC_{min_i}分别为第i台储能的SOC值及其上下限。

模式2：直流母线电压U_dc变化区间为[U_{1_H},U_{2_H}]和区间[U_{2_L},U_{1_L}]，并网变流器切换为松弛终端维持直流系统功率平衡。当系统净功率P_net持续增大或者减小时，储能单元可能进入限功率运行状态，失去对母线电压的调节能力，此时分布式发电单元依然工作在MPPT模式，并网变流器将根据母线电压幅值变化自动由能量终端切换为松弛终端，以维持直流母线电压恒定。

根据母线电压的幅值区间，模式2可以分为两类：模式2-1(电压区间U_{1_H}到U_{2_H})和模式2-2(电压区间U_{2_L}到U_{1_L})。

若P_net减小，系统中存在功率剩余，此时直流母线电压上升至模式2-1的区间内，并网变流器工作在逆变状态，向交流电网输出清洁的电能。系统的功率平衡关系可以表示为：

-P_{ac_max}＜P_net+P_{ess_max}＜0

其中P_{ac_max}代表并网变流器的额定功率。

若P_net增大，系统中存在功率缺额，此时直流母线电压下降到模式2-2的区间内，并网变流器工作在整流状态，向直流微电网提供功率。系统的功率平衡关系可以表示为：

0＜P_net-P_{ess_max}＜P_{ac_max}

图3为模式2中并网变流器控制策略流程图，图中根据电网的电价信息，并网变流器的工作状态可以分为2种：常规运行状态和经济运行状态，其中经济运行状态又可以分为购电状态和售电状态。其中C₁、C₂、C_grid分别为购电电价下限、售电电价上限、电网电价。

当C₁≤C_grid≤C₂时，并网变流器工作在常规运行状态。此时，并网变流器采用功率下垂控制，根据直流母线电压的幅值变化平滑调节输出功率，其下垂特性方程为

当C_grid＜C₁时，并网变流器工作在购电状态，采用电压下垂控制，维持直流母线电压在模式2-1的区间内，最大限度利用储能的剩余功率。此时，尽管储能单元与并网变流器在不同电压区间内分别采用电压控制结构，但是在任意时刻直流微电网依然只有一类松弛终端，具体由储能单元的剩余充电功率P_ess-P_{ess_max}与并网变流器的额定功率P_{ac_max}决定。当P_ess-P_{ess_max}＜P_{ac_max}时，并网变流器拥有充足的容量给储能充电，储能单元满功率运行，成为能量终端，此时并网变流器作为松弛终端维持母线电压在模式2-1的范围内；当P_ess-P_{ess_max}＞P_{ac_max}时，受并网变流器容量限制，直流电网以最大功率从电网购电，并网变流器限功率运行，无法调节母线电压至模式2-1的区间内，将由储能单元作为松弛终端维持母线电压至模式2-1的区间。

同理，当C_grid＞C₂时，并网变流器工作在售电状态，采用电压下垂控制，以最大限度利用储能的剩余放电功率。

在经济运行状态下，并网变流器的下垂控制方程表示为

其中U_{acref_i}表示第i台并网变流器的电压参考值。

模式3：直流母线电压U_dc变化区间为[U_{2_H},U_{3_H}]，分布式发电单元切换为松弛终端。当系统净功率P_net继续减小，并网变流器的输出功率P_ac＝P_{ac_max}，也进入限功率运行状态。此时，分布式发电单元的出力大于负荷总需求，需要将其转化为松弛终端，以限制功率输出。系统中的功率平衡关系变为：

0＜P_Load+P_{ess_max}+P_{ac_max}＜P_{res_MPPT}

图4为分布式发电单元控制原理框图。为了优先使用可再生能源产生的清洁电能，交直流混合微电网内的分布式发电单元通常工作在MPPT模式下，当直流母线电压进入模式3的区间范围时，分布式发电单元会自动转为限功率运行状态。为了保证其能在MPPT模式与限功率模式间平滑切换，与并网变流器类似，本实施例采用功率下垂策略，其下垂特性方程为

其中P_{res_i}代表第i台分布式发电单元的输出功率，P_{res_MPPT_i}为第i台分布式发电单元进行最大功率跟踪控制时所输出的功率。

在当前电力市场的环境下，电网分时电价作为一种根据不同时段负荷功率水平决定用电价格的定价机制，能够用来引导用户合理用电，实现削峰填谷，提高电力资源的利用率。为了降低负荷的用电成本、实现上级电网对直流微电网的调度管理，在本实施例中功率调度层采集电网的分时电价信息和直流母线电压值，通过逻辑判断形成运行状态指令和功率输出指令并分别下发给变流器控制层和母线电压控制层中的并网变流器，在不改变其余接入单元控制策略的基础上，最大限度利用储能的剩余功率，实现交直流混合微电网的经济运行。

本发明所提的控制策略实现简单，无需依靠通信，各组成单元通过分布式控制不仅能够主动参与直流母线电压调节、抑制电压波动，还能保证多个电压控制单元之间的功率合理分配，实现变流器“即插即用”的功能，适用于居民住宅、商用楼宇等小型交直流混合微电网系统中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于电价的交直流混合微电网分层控制方法，其特征在于包括：

功率调度层采集分时电价信息，并根据分时电价信息形成运行状态指令发送给并网变流器；并网变流器根据运行状体指令和直流母线电压值进入购电模式、售电模式或常规运行模式，具体步骤包括：

b.当C₁≤C_grid≤C₂时，并网变流器工作在常规运行模式；并网变流器对自身输出功率采用功率下垂控制，根据直流母线电压值U_dc的变化平滑调节输出功率，其下垂控制特性方程为：

其中，P_{ac_max_i}、P_{ac_i}分别代表第i台并网变流器的额定功率和实际输出功率；

其中U_{acref_i}表示第i台并网变流器的输出电压参考值；

母线电压控制层采集直流母线电压值U_dc，将U_dc的变化范围划分为4个电压区间：[U_{2_L}，U_{1_L}]、[U_{1_L}，U_{1_H}]、[U_{1_H}，U_{2_H}]和[U_{2_H}，U_{3_H}]，U_{3_H}＞U_{2_H}＞U_{1_H}＞U_{1_L}＞U_{2_L}；并网变流器、分布式发电单元和储能单元根据U_dc的变化区间在松弛终端和能量终端两种工作模式之间切换，使得每个电压区间中至少包括一个松弛终端；

变流器控制层控制接口变流器根据直流母线电压值调整输出功率，在松弛终端和能量终端这两种工作状态间切换；以及调节所在支路中电压、电流的大小。

2.根据权利要求1所述的一种基于电价的交直流混合微电网分层控制方法，其特征在于，在母线电压控制层中，并网变流器、分布式发电单元和储能单元根据U_dc的变化区间在松弛终端和能量终端两种工作模式之间切换的具体步骤包括：

2-1：当U_dc落入区间[U_{2_H}，U_{3_H}]中，分布式发电单元切换为松弛终端；

2-2：当U_dc落入区间[U_{1_H}，U_{2_H}]和区间[U_{2_L}，U_{1_L}]中，并网变流器切换为松弛终端；当U_dc落入区间[U_{1_H}，U_{2_H}]时，并网变流器向交流电网输入功率：当U_dc落入[U_{2_L}，U_{1_L}]时，并网变流器向直流电网输入功率；

2-3：当U_dc落入区间[U_{1_L}，U_{1_H}]时，储能单元切换为松弛终端。

3.根据权利要求2所述的一种基于电价的交直流混合微电网分层控制方法，其特征在于，所述步骤2-1中，分布式发电单元切换为松弛终端后的工作步骤包括：

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4.根据权利要求2所述的一种基于电价的交直流混合微电网分层控制方法，其特征在于，所述步骤2-3中，储能单元切换为松弛终端后根据自身输出功率对直流母线电压进行电压下垂控制，控制方程表示为：

U_{essref_i}＝(U_{1_L}+U_{1_H})/2-k_{ess_i}P_{ess_i}

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其中，SOC_i、SOC_{max_i}、SOC_{min_i}分别为第i台储能单元的荷电状态值及第i台储能单元的荷电状态上、下限值；P_{essmax_i}为第i台储能单元的额定功率，P_{ess_i}为为第i台储能单元的输出功率。