CN106532894B - 一种直流微电网分层模糊协调控制方法 - Google Patents

Abstract

一种直流微电网分层模糊协调控制方法。所述协调控制方法包括两层控制，底层控制为直流微电网中各单元接口变换器的控制策略，各单元接口变换器闭环控制策略中的调节器均采用模糊自适应PI调节器。上层控制采用模糊能量管理策略，根据直流母线电压和蓄电池荷电状态确定直流微电网的运行模式，根据直流微电网运行模式对应确定各单元接口变换器的控制策略。本发明能够协调风力发电单元、光伏发电单元、蓄电池储能系统、直流负载单元、交流负载单元以及并网接口单元稳定运行。

Description

一种直流微电网分层模糊协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流微电网的协调控制方法。

背景技术

能源危机和环境污染等问题已经引起了世界各国的广泛关注，加快开发和利用可再生能源发电调整能源结构是解决上述问题的有效措施之一。风能和太阳能是可再生能源的重要组成部分，然而其输出功率具有随机性和间歇性特点，并且分布式发电单元具有单机接入成本高、容量低、缺少灵活可控等缺点，因此将其与蓄电池储能系统、负载单元以及并网接口变换器构成微电网，以微电网的形式并入大电网是一种有效的接入方式。

由于传统电力系统为交流电网，因此以往过多的研究也主要集中于交流微电网。随着直流负荷以及直流分布式发电单元的增加，直流微电网得到的快速的发展，与交流微电网相比，直流微电网具有能量转换次数少、效率高、成本低、控制结构简单、无需考虑频率和相位以及无功补偿设备等优势。直流微电网中通常含有并网接口变换器以及多个分布式发电单元、储能单元和负载单元，如何根据系统的运行状态来调整其各个单元的控制策略是保证直流微电网安全稳定运行的主要关键技术之一。

目前现有的方法主要利用直流母线电压信号进行直流微电网运行模式的划分，而直流微电网运行模式仅通过直流母线电压进行划分并不合理，尤其在孤岛运行时，蓄电池储能系统作为平衡节点，控制直流母线电压维持着输入和输出有功功率平衡，当蓄电池荷电状态达到上限或者下限阈值时需要过度到下一个运行模式，避免蓄电池深度充电和放电现象。另一方面，在底层控制中，各单元接口变换器闭环控制均采用线性比例积分(PI)调节器，而电力电子变换器具有非线性的特征，因此采用线性PI调节器难以获得更好的动态性能，进而会影响整个直流微电网的运行性能。基于上述两点缺陷可以得知，现有的方法并没有完全解决直流微电网协调控制的问题，有必要探索一种新型协调控制策略。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的采用直流母线电压单一变量对运行模式划分以及各个变换器的控制性能动态响应速度慢，抗扰动性能差的缺点，提出一种直流微电网分层模糊协调控制方法。

本发明将模糊控制理论应用到直流微电网协调控制中。本发明协调控制方法分为上下两层，上层控制方法为模糊能量管理方法，底层控制方法为各单元接口变换器根据上层的模糊能量管理方法采取的控制策略。上层模糊能量管理方法通过直流母线电压和蓄电池荷电状态的不同确定直流微电网的运行模式，根据运行模式确定各单元接口变换器的控制策略，并且下发给底层各单元。底层各单元接口变换器接收到指令后执行上层策略，切换自身的控制方法。本发明能够协调风力发电单元、光伏发电单元、蓄电池储能系统、直流负载单元、交流负载单元以及并网接口单元的稳定运行。

应用本发明的直流微电网含有风力发电单元、蓄电池储能系统、光伏发电单元、并网变换器接口单元、直流负载，以及交流负载。所述的风力发电单元、蓄电池储能系统、光伏发电单元、并网变换器接口单元、直流负载以及交流负载通过电力电子变换器接入共同的直流母线。

本发明对直流微电网采用的两层控制方法具体如下。

本发明对上层采用的模糊能量管理方法控制整个直流微电网运行。本发明根据直流母线电压和蓄电池荷电状态划分直流微电网的运行模式，将直流母线电压和蓄电池荷电状态模糊化后送入模糊控制器，然后将模糊控制器的输出进行解模糊后确定直流微电网的运行模式，再根据运行模式确定各单元接口变换器的控制策略，并且通过低带宽通信方式传递下发指令至各单元接口变换器。

底层控制方法是指直流微电网中各单元接口变换器的控制策略。各单元接口变换器均采用模糊自适应PI调节器。当各单元接收到上层模糊能量管理发出指令后，各单元接口变换器按照指令执行：当上层模糊能量管理下发的控制指令与当前变换器控制策略一致时，该变换器无需动作，保持当前控制策略；当上层模糊能量管理下发控制指令与当前变换器控制策略不一致时，该变换器切换控制策略，按照上层模糊能量管理下发的指令执行。

本发明的主要优势优点在于：

(1)上层能量管理策略运用模糊理论，以直流母线电压和蓄电池荷电状态划分直流微电网的运行模式，克服了传统方法仅以直流母线电压单一变量确定直流微电网运行模式的缺陷，此外在直流微电网运行模式中，加入蓄电池荷电状态的划分，有利于对蓄电池的能量进行分区管理，提升蓄电池的运行寿命周期。

(2)底层各单元接口变换器的控制策略中均采用模糊自适应PI调节器，能够有效克服线性PI控制器存在的大误差大增益的缺陷，在提升每一个单元变换器控制性能的基础上，进而整体提升直流微电网的动态响应速度和抗扰动性能，减小风速、光照强度以及负载投切变化对直流微电网的冲击。

附图说明

图1是本发明的直流微电网协调控制方法示意图；

图2是本发明的直流微电网的上层模糊能量管理框图；

图3是本发明的直流微电网的底层各单元模糊自适应PI控制策略示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明对直流微电网采用上下两层控制方法，其中上层控制方法为模糊能量管理方法，底层为各单元接口变换器自身的控制策略，各单元接口变换器均采用模糊自适应PI调节器，实现对直流微电网各单元接口变换器自身的控制。

本发明所述的协调控制方法的具体步骤如下：

(1)基于直流微电网内部包含的单元，根据直流母线电压约束和蓄电池荷电状态约束划分直流微电网的运行模式，制定不同运行模式下各单元接口变换器的控制策略，如表1所示。

表1不同运行模式下各单元接口变换器的控制策略

模式1：并网接口变换器采用恒压控制维持直流母线电压恒定，光伏接口变换器和风机接口变换器采用最大功率跟踪控制策略，蓄电池接口变换器根据荷电状态的不同工作在充电或者放电控制，此时直流母线电压处于额定值，直流负载接口变换器和交流负载接口变换器分别采用恒压控制和恒压恒频控制维持其输出电压恒定；

模式2：当光伏发电单元输出功率大于负载吸收功率时，并且两者的功率差值大于并网接口变换器的额定容量，并网接口变换器由恒压控制切换到恒功率控制策略，蓄电池接口变换器的控制方式由充放电控制切换至直流下垂控制，蓄电池接口变换器维持直流母线电压稳定在额定值的1.05p.u附近；

模式3：在模式2长期运行时，如果蓄电池荷电状态等于最大允许荷电状态时，蓄电池接口变换器将会由直流下垂控制切换至停止工作，光伏接口变换器由最大功率跟踪控制切换至直流下垂控制，光伏接口变换器维持直流母线电压稳定在额定值的1.10p.u附近；

模式4：当光伏发电单元输出功率小于负载吸收功率时，并且两者的功率差值大于并网接口变换器的额定容量，此时并网接口变换器由恒压控制切换至恒功率控制，蓄电池接口变换器由充放电控制切换至直流下垂控制，蓄电池接口变换器维持直流母线电压稳定在额定值的0.95p.u附近；

模式5：在模式4长期运行时，如果蓄电池荷电状态等于最小允许荷电状态时，按照负载重要优先级启动卸载程序，此时蓄电池接口变换器维持直流母线电压稳定在0.9p.u附近。

(2)在步骤(1)的基础上确定直流微电网运行模式下各单元接口变换器的控制方法，运用模糊控制理论对各单元接口变换器控制方法中采用的调节器进行改进，如图3所示。由于各单元接口变换器工作在不同控制策略时其控制对象不同，不失一般性，假设通用控制对象为y，而控制对象的参考值为y_ref，在此采用二维模糊控制器结构，首先将控制对象参考值y_ref与控制对象实际值y相减得到误差信号y_e，将误差信号y_e乘以比例系数k₂得到模糊控制器的比例输入量，然后将误差信号y_e进行微分后乘以比例系数k₁得到模糊控制器微分输入量，将两个输入变量输入到模糊控制器，根据模糊规则调整后将会得到两个输出变量，将这两个输出变量分别乘以比例系数k₃和k₄进行解模糊，再将解模糊后的输出变量分别与比例积分控制中的比例系数k_p和积分系数k_i进行叠加，得到经过模糊调整过的比例积分参数，最后将比例控制器和积分控制器的输出叠加得到调制指令控制被控对象，将模糊自适应PI调节器运用到各单元接口变换器的不同闭环控制策略中，提升各变换器的动态响应速度和抗扰动性能。

(3)在步骤(1)的基础上设计上层模糊管理策略，制定模糊规则，首先定义直流母线电压、蓄电池荷电状态和直流微电网运行模式的论域，设置直流母线电压论域为{0.9，1.1}，设置蓄电池荷电状态论域为{0.4，0.8}，设置直流微电网运行模式的论域为{-1，1}，设置直流母线电压和蓄电池荷电状态的子集个数为5，分别为很大(PB)、较大(PM)、中等(Z)、较小(NM)以及很小(NB)。设置直流微电网运行模式的子集个数为5，模式1(Z)、模式2(PM)、模式3(PB)、模式4(NM)和模式5(NB)，根据直流母线电压状态和蓄电池荷电状态为输入变量，确定对应的输出变量，进而能够得到模糊规则如表2所示。

表2上层模糊能量管理策略的模糊规则

表2中，横坐标为蓄电池荷电状态SOC，纵坐标为直流母线电压，中间部分为运行模式的模糊规则，比如当蓄电池荷电状态SOC和直流母线电压都是PB时，运行模式也是PB，其他情况依次类推。

(4)在步骤(3)的基础上，实现上层模糊能量管理策略，其框图如图2所示，首先通过传感器采集直流母线电压和蓄电池荷电状态，将直流母线电压和蓄电池荷电状态分别乘以比例系数k₅和k₆，对实际值进行模糊化，然后将模糊化之后的输出变量送入模糊控制器，根据模糊规则调整后，将模糊控制器的输出变量进行解模糊确定直流微电网的运行模式。根据直流微电网的运行模式确定蓄电池接口变换器、光伏接口变换器、风机接口变换器、直流负载接口变换器、交流负载接口变换器以及并网接口变换器的控制策略，通过低带宽通信将控制指令下发到各单元接口变换器的控制器。

(5)各单元接口变换器接收到上层模糊能量管理策略下发的控制指令后，各单元接口变换器开始按照控制指令执行，当各单元接口变换器当前控制策略与下发的控制指令一致时，无需动作，保持当前运行状态即可；当各单元接口变换器当前控制策略与下发控制指令不一致时，根据下发控制指令切换当前的控制策略。

Claims (5)

1.一种直流微电网分层模糊协调控制方法，其特征在于：所述的协调控制方法分为上下两层，上层控制方法为模糊能量管理，底层控制方法为对各单元接口变换器的控制；上层模糊能量管理方法基于直流微电网内部包含的单元，首先采集直流母线电压和蓄电池荷电状态，将直流母线电压和蓄电池荷电状态进行模糊化，将模糊化后得到的输出变量输入模糊控制器，根据模糊规则调整后，将模糊控制器的输出变量进行解模糊，根据直流母线电压和蓄电池荷电状态确定直流微电网的运行模式；根据直流微电网的运行模式确定直流微电网运行模式下各单元接口变换器的控制策略，并且下发给底层各单元接口变换器的控制器；底层控制方法是指直流微电网中各单元接口变换器自身的控制策略，各单元接口变换器的闭环控制中均采用模糊自适应PI调节器；当底层各单元接收到上层模糊能量管理发出指令后，各单元接口变换器按照控制指令执行，当下发控制指令与当前接口变换器控制策略一致时，该接口变换器无需动作，仍保持当前控制策略；当下发控制指令与当前接口变换器控制策略不一致时，该接口变换器切换控制策略。

2.根据权利要求1所述的直流微电网分层模糊协调控制方法，其特征在于：所述底层各单元接口变换器的控制策略如下：

模式1：并网接口变换器采用恒定直流母线电压控制维持直流母线电压恒定，光伏接口变换器和风机接口变换器采用最大功率跟踪控制策略，蓄电池接口变换器根据荷电状态的不同工作在充电或者放电控制，此时直流母线电压处于额定值，直流负载接口变换器和交流负载接口变换器分别采用恒压控制和恒压恒频控制维持其输出电压恒定；

模式2：当光伏发电单元输出功率大于负载吸收功率时，并且两者的功率差值大于并网接口变换器的额定容量，并网接口变换器由恒压控制切换到恒功率控制策略，蓄电池接口变换器的控制方式由充放电控制切换至直流下垂控制，蓄电池接口变换器维持直流母线电压稳定在额定值的1.05p.u附近；

模式3：在模式2长期运行时，如果蓄电池荷电状态等于最大允许荷电状态时，蓄电池接口变换器将会由直流下垂控制切换至停止工作，光伏接口变换器由最大功率跟踪控制切换至直流下垂控制，光伏接口变换器维持直流母线电压稳定在额定值的1.10p.u附近；

模式4：当光伏发电单元输出功率小于负载吸收功率时，并且两者的功率差值大于并网接口变换器的额定容量，此时并网接口变换器由恒压控制切换至恒功率控制，蓄电池接口变换器由充放电控制切换至直流下垂控制，蓄电池接口变换器维持直流母线电压稳定在额定值的0.95p.u附近；

模式5：在模式4长期运行时，如果蓄电池荷电状态等于最小允许荷电状态时，按照负载重要优先级启动卸载程序，此时蓄电池接口变换器维持直流母线电压稳定在0.9p.u附近。

3.根据权利要求1所述的直流微电网分层模糊协调控制方法，其特征在于：上层模糊能量管理策略在制定模糊控制器的模糊规则时，首先定义直流母线电压、蓄电池荷电状态和直流微电网运行模式的论域，对直流母线电压、蓄电池荷电状态和直流微电网运行模式的论域进行子集分割，制定以直流母线电压和蓄电池荷电状态为输入变量所对应的运行模式，并将运行模式作为模糊控制器的输出变量。

4.根据权利要求1所述的直流微电网分层模糊协调控制方法，其特征在于：首先通过传感器采集直流母线电压和蓄电池荷电状态，将直流母线电压和蓄电池荷电状态分别乘以比例系数，对实际值进行模糊化，然后将模糊化之后的输出变量送入模糊控制器。

5.根据权利要求1所述的直流微电网分层模糊协调控制方法，其特征在于：所述的底层各单元接口变换器为蓄电池接口变换器、光伏接口变换器、风机接口变换器、直流负载接口变换器、交流负载接口变换器及并网接口变换器。