CN106549372A - 一种直流微电网系统及其孤岛运行控制方法 - Google Patents

一种直流微电网系统及其孤岛运行控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种直流微电网系统及其孤岛运行控制方法，在直流微电网系统处于孤岛模式下，当储能单元为负荷供电时，如果现投入供电的储能单元所提供的功率不能满足负荷的功率需求，根据当前储能单元的输出功率和直流母线的电压确定下一个储能单元投入稳压模式；当储能单元充电时，如果现投入充电的储能单元不能满足充电的功率需求时，根据当前储能的输出功率和直流母线的电压下一个储能单元投入稳压模式。本发明提供的技术方案，根据直流微电网系统中负荷的实际功率需求和充电时实际的充电功率需求，改变储能单元的工作模式，从而增加了储能单元的可调节容量，从而解决了采用单一主控电源供电而造成的供电可靠性差的问题。

Description

一种直流微电网系统及其孤岛运行控制方法
技术领域
本发明涉及分布式发电微电网技术领域，具体涉及一种直流微电网系统及其孤岛运行控制方法。
背景技术
近年来，由于环境污染和能源紧缺的双重问题，新能源发电技术在研究、开发和利用上都取得了很大的进步，尤其是风力发电技术和光伏发电技术，由于其原始能源清洁无污染而得到了大力的开发。
微电网是指由分布式电源、储能设备、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇聚成的小型发电系统，使一种能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，其中储能设备包括多个储能单元，每个储能单元包括一个储能元件和一个PCS(即储能DC/DC变流器)。微电网目前可划分为交流微电网和直流微电网两类，其中直流微电网相对交流微电网，不存在频率、相位和无功功率等复杂控制，可靠性和可控性都有很大的提高，并且可以方便接入直流性质的微电源和直流负荷，因此在新能源发电和智能电网技术领域，直流微电网具有广阔的发展前景。
直流微电网具有联网和孤岛两种运行模式，其中孤岛模式是指直流微电网不与大电网并联运行，此时如果分布式电源所提供的功率不能满足负荷的功率需求，储能设备放电，为负荷提供功率；如果分布式电源所提供的功率大于负荷的功率需求，则对储能单元进行充电。
目前的直流微电网孤岛运行的控制方法中，负荷的用电都由单一的主控电源来进行均衡，这就对主控电源具的可调节容量要求较高，但是主控电源的容量不可能做到无限大，因此其可调节容量是有限的。由于主控电源是单一的，因此系统的稳定性、可靠性完全依赖于该主控电源，一旦系统内的功率需求超出了其可调节容量，或者该主控电源出现故障，就会导致直流母线电压失控，甚至造成整个微电网系统的崩溃，对整个电网都会造成影响，因此这种方法的可靠性较差。
发明内容
本发明提供一种直流微电网系统及其孤岛运行控制方法，用于解决上述直流微电网在孤岛模式下，由于采用单一主控电源而造成的供电可靠性差的问题。
一种直流微电网系统的孤岛运行控制方法，在直流微电网系统处于孤岛模式下，当储能单元为负荷供电时，如果现投入供电的储能单元所提供的功率不能满足负荷的功率需求，根据当前储能的输出功率和直流母线的电压下一个储能单元投入稳压模式；当储能单元充电时，如果现投入充电的储能单元不能满足充电的功率需求时，根据当前储能的输出功率和直流母线的电压下一个储能单元投入稳压模式。
本发明提供的一种直流微电网系统及其孤岛运行控制方法，根据直流微电网系统中负荷的实际功率需求和充电时实际的充电功率需求，改变储能单元的工作模式，从而增加了直流微电网系统主电源的可调节容量，并且当其中某个储能单元出现故障时，将其后级储能单元投入稳压模式即可，从而解决了采用单一主控电源供电而造成的供电可靠性差的问题。
进一步的，所述当前投入的储能单元所提供的功率不能满足负荷的功率需求时，根据直流母线电压确定下一个储能单元工作模式的方法如下：
(1)当前投入的储能单元放电功率没有达到放电功率最大值Pmax时，该储能单元作为主控电源，将直流母线的电压稳定在UN；
(2)当前投入的储能单元放电功率达到放电功率最大值Pmax时，该储能装置的输出功率维持在Pmax不变，直流母线电压将下降；
(3)当直流母线的电压降到下偏参考电压UL时，下一个储能单元作为主控电源，将直流母线的电压稳定在UL。
进一步的，所述当现投入的储能单元不能满足充电的功率需求时，根据直流母线电压确定下一个储能单元工作模式的方法如下：
(1)当前投入的储能单元充电功率没有达到充电功率最大值Pmin时，该储能单元作为主控电源，将直流母线的电压稳定在UN；
(2)当现前投入的储能单元的充电功率达到充电功率最大值Pmin时，该储能单元的充电功率维持在Pmin不变，直流母线电压将上升；
(3)当直流母线的电压升上偏参考电压到UH时，下一个储能单元作为主控电源，维持直流母线的上偏电压在UH。
进一步的，当储能单元为负荷供电时，如果切除最后投入的储能单元也能满足负荷的需求时，根据直流母线电压或内环电流最后投入的储能单元退出稳压模式；
当储能单元充电时，如果切除最后投入的储能单元也能满足充电的功率需求时，根据直流母线的电压或者内环电流最后投入的储能单元退出稳压模式。
进一步的，所述当储能单元充电或者为负荷供电时，根据公式
Idc_ref＝Max[Idc_ref1，Min(Idc_ref2，Idc_ref3)]确定下一个储能单元的工作模式；
其中Idc_ref为下一个储能单元的内环电流参考值；Idc_ref1为直流母线的下偏差参考值UL与实际电压值Udc的差值经过第一PI控制器处理后，所得到的电流值；Idc_ref2为功率设定值Pref与实际功率值P的差值经过第二PI控制器处理后，所得到的电流值；Idc_ref3为直流母线的上偏差参考值UH与实际电压值Udc的差值经过第三PI控制器处理后，所得到的电流值；
公式Min[Idc_ref2,Idc_ref3]表示取Idc_ref2和Idc_ref3中较小的电流值；
公式Idc_ref＝Max[Idc_ref1，Min(Idc_ref2，Idc_ref3)]表示Idc_ref取Idc_ref1和Min[Idc_ref2,Idc_ref3]中较大的电流值；
当Idc_ref＝Idc_ref1时，投入下一个储能单元进行放电来稳定直流母线电压；
当Idc_ref＝Idc_ref2时，执行储能单元处于充电状态或放电状态，且能够满足负荷的功率需求或充电的功率需求；
当Idc_ref＝Idc_ref3时，投入下一个储能单元进行充电来稳定直流母线电压。
采用公式Idc_ref＝Max[Idc_ref1，Min(Idc_ref2，Idc_ref3)]控制储能单元的工作状态，不仅为判断储能单元的工作状态提供了依据，而且将储能单元的功率控制和电压控制进行了一体化，便于对他们进行统一的控制。
一种直流微电网系统，包括直流母线，直流母线连接有负荷、分布式电源和多个储能单元；在直流微电网系统处于孤岛模式下，当储能单元为负荷供电时，如果现投入供电的储能单元所提供的功率不能满足负荷的功率需求，根据当前储能的输出功率和直流母线的电压下一个储能单元投入稳压模式；当储能单元充电时，如果现投入充电的储能单元不能满足充电的功率需求时，根据当前储能的输出功率和直流母线的电压下一个储能单元投入稳压模式。
进一步的，所述当前投入的储能单元所提供的功率不能满足负荷的功率需求时，根据直流母线电压确定下一个储能单元工作模式的方法如下：
(1)当前投入的储能单元放电功率没有达到放电功率最大值Pmax时，该储能单元作为主控电源，将直流母线的电压稳定在UN；
(2)当前投入的储能单元放电功率达到放电功率最大值Pmax时，该储能单元的输出功率维持在Pmax不变，直流母线电压将下降；
(3)当直流母线的电压降到下偏参考电压UL时，下一个储能单元作为主控电源，将直流母线的电压稳定在UL。
进一步的，所述当前投入的储能单元不能满足充电的功率需求时，根据直流母线电压确定下一个储能单元工作模式的方法如下：
(1)当前投入的储能单元充电功率没有达到充电功率最大值Pmin时，该储能单元作为主控电源，将直流母线的电压稳定在UN；
(2)当前投入的储能单元的充电功率达到充电功率最大值Pmin时，该储能单元的充电功率维持在Pmin不变，直流母线电压将上升；
(3)当直流母线的电压升上偏参考电压到UH时，将下一个储能单元作为主控电源，维持直流母线的上偏电压在UH。
进一步的，当储能单元为负荷供电时，如果切除最后投入的储能单元也能满足负荷的需求时，根据直流母线电压或内环电流最后投入的储能单元退出稳压模式；
当储能单元充电时，如果切除最后投入的储能单元也能满足充电的功率需求时，根据直流母线的电压或者内环电流最后投入的储能单元退出稳压模式。
进一步的，所述当储能单元充电或者为负荷供电时，根据公式
Idc_ref＝Max[Idc_ref1，Min(Idc_ref2，Idc_ref3)]确定下一个储能单元的工作模式；
其中Idc_ref为下一个储能单元的内环电流参考值；Idc_ref1为直流母线的下偏差参考值UL与实际电压值Udc的差值经过第一PI控制器处理后，所得到的电流值；Idc_ref2为功率设定值Pref与实际功率值P的差值经过第二PI控制器处理后，所得到的电流值；Idc_ref3为直流母线的上偏差参考值UH与实际电压值Udc的差值经过第三PI控制器处理后，所得到的电流值；
公式Min[Idc_ref2,Idc_ref3]表示取Idc_ref2和Idc_ref3中较小的电流值；
公式Idc_ref＝Max[Idc_ref1，Min(Idc_ref2，Idc_ref3)]表示Idc_ref取Idc_ref1和Min[Idc_ref2,Idc_ref3]中较大的电流值；
当Idc_ref＝Idc_ref1时，投入下一个储能单元进行放电来稳定直流母线电压；
当Idc_ref＝Idc_ref2时，执行储能单元处于充电状态或放电状态，且能够满足负荷的功率需求或充电的功率需求；
当Idc_ref＝Idc_ref3时，投入下一个储能单元进行充电来稳定直流母线电压。
附图说明
图1为直流微电网的原理图；
图2为系统实施例1中孤岛模式下PCS 1、PCS 2和光伏发电的输出特性原理图；
图3为系统实施例2中PCS2的逻辑控制图。
具体实施方式
本发明提供一种直流微电网系统及其孤岛运行控制方法，用于解决直流微电网在孤岛模式下，由于采用单一主控电源而造成的供电可靠性差的问题。
本发明提供一种直流微电网系统及其孤岛运行控制方法，所述直流微电网包括直流母线，以及与直流母线相连的分布式电源、负荷和多个储能单元。其中分布式电源可以是光伏发电、风力发电等发电装置。在直流微电网系统处于孤岛模式下，当储能单元为负荷供电时，如果现投入供电的储能单元所提供的功率不能满足负荷的功率需求，根据当前储能的输出功率和直流母线的电压下一个储能单元投入稳压模式；当储能单元充电时，如果现投入充电的储能单元不能满足充电的功率需求时，根据当前储能的输出功率和直流母线的电压下一个储能单元投入稳压模式。
本发明所提供的技术方案，根据直流微电网系统中负荷的实际功率需求和充电时实际的充电功率需求，改变储能单元的工作模式，从而增加了直流微电网系统主电源的可调节容量，并且当其中某个储能单元出现故障时，将其后级储能单元投入稳压模式即可，从而解决了采用单一主控电源供电而造成的供电可靠性差的问题。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
系统实施例1：
本实施例所提供的直流微电网系统如图1所示，包括直流母线，以及与直流母线相连的光伏组件、负荷1、负荷2、储能电池1和储能电池2，其中储能电池1和储能电池2与直流母线之间分别设有储能DC/DC变流器PCS1和PCS2。
当直流微电网运行于孤岛模式时，PCS 1、PCS 2和光伏发电的输出特性如图2所示，具体控制方法如下：
(1)当直流微电网运行于孤岛模式下时，如果光伏发电所提供的功率不能满足负荷1和负荷2的功率需求，将储能单元1作为主控电源，通过PCS1将直流母线的电压维持在UN；此时储能单元2和光伏发电作为功率源运行，接受直流微电网能量管理系统功率调度，承担一定容量的负荷功率；如果光伏发电所提供的功率大于负荷1和负荷2的功率需求，则光伏发电为储能电池1进行充电；
(2)当储能电池1通过PCS1的放电功率达到最大值Pmax仍然不能满足负荷1和负荷2的需求时，改变PCS1的控制方式，将其切换为恒功率控制模式，维持其输出功率Pmax，此后直流微电网直流母线的电压将会下降；当直流母线的电压降低为下偏参考电压UL1时，将PCS2由功率源模式切换为电压源模式，维持直流母线在电压UL1下运行，并增大其放电功率补偿负荷功率的需求，直到直流微电网达到功率平衡，此时储能单元2为主控电源。此后，如果直流微电网的负荷1和负荷2所需功率减小，则PCS2减少功率输出，当减少到其功率调度值时，PCS2退出电压源模式，切换至功率源模式，PCS1切换为电压源模式运行，此时储能单元1作为主控电源；
(3)当储能单元1进行充电时，如果其充电功率达到最大充电功率Pmin仍不能满足功率平衡需求时，PCS1自动切换为恒功率控制模式，保持最大充电功率Pmin运行，此时直流微电网直流母线的电压将会升高；达到上偏参考电压UH1时，将PCS2由功率源模式切换为电压源模式，并将直流母线的电压维持在UH1，此时储能单元2作为主控电源。此后，如果直流微电网的负荷功率持续增加，PCS2的充电功率也持续减少，当减少到其功率调度值时，将PCS2由电源模式切换为功率源模式，PCS1切换为电压源模式运行，此时储能单元1作为主控电源。
系统实施例2：
本实施例所提供的直流微电网的原理图与实施例1所提供的直流微电网的原理图相同，区别在于本实施例采用公式Idc_ref＝Max[Idc_ref1，Min(Idc_ref2，Idc_ref3)]对PCS2进行逻辑控制，如图3所示，其中Idc_ref为内环电流参考值；Idc_ref1为储能单元放电时直流母线的下偏差参考值UL与实际电压值Udc的差值经过第一PI控制器PI1处理后，所得到的电流值；Idc_ref2为功率设定值Pref与实际功率值P的差值经过第二PI控制器PI2处理后，所得到的电流值；Idc_ref3为储能单元充电时直流母线的偏差参考值UH与实际电压值Udc的差值经过第三PI控制器PI3处理后，所得到的电流值；
公式Min[Idc_ref2,Idc_ref3]表示Idc_ref2和Idc_ref3中较小的电流值；
公式Idc_ref＝Max[Idc_ref1，Min(Idc_ref2，Idc_ref3)]表示Idc_ref取Idc_ref1和Min[Idc_ref2,Idc_ref3]中较大的电流值。
当Idc_ref＝Idc_ref1时，投入储能单元2进行放电来稳定直流母线电压；
当Idc_ref＝Idc_ref2时，储能单元1所提供的功率能够满足充电的功率需求，或负荷1和负荷2的用电的功率需求；
当Idc_ref＝Idc_ref3时，投入储能单元2进行充电来稳定直流母线电压。
方法实施例：
本实施例提供一种直流微电网系统的孤岛运行控制方法，该控制方法与上述系统实施例中孤岛运行的方法相同；上面的实施例中已经对孤岛运行的控制方法进行了详细说明，这里不多做陈述。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流微电网系统的孤岛运行控制方法，其特征在于，在直流微电网系统处于孤岛模式下，当储能单元为负荷供电时，如果现投入供电的储能单元所提供的功率不能满足负荷的功率需求，根据当前储能的输出功率和直流母线的电压下一个储能单元投入稳压模式；当储能单元充电时，如果现投入充电的储能单元不能满足充电的功率需求时，根据当前储能的输出功率和直流母线的电压下一个储能单元投入稳压模式。
2.根据权利要求1所述的一种直流微电网系统的孤岛运行控制方法，其特征在于，所述当前投入的储能单元所提供的功率不能满足负荷的功率需求时，根据直流母线电压确定下一个储能单元工作模式的方法如下：
(1)当前投入的储能单元放电功率没有达到放电功率最大值Pmax时，该储能单元作为主控电源，将直流母线的电压稳定在UN；
(2)当前投入的储能单元放电功率达到放电功率最大值Pmax时，该储能单元的输出功率维持在Pmax不变，直流母线电压将下降；
(3)当直流母线的电压降到下偏参考电压UL时，将下一个储能单元作为主控电源，将直流母线的电压稳定在UL。
3.根据权利要求1所述的一种直流微电网系统的孤岛运行控制方法，其特征在于，所述当前投入的储能单元不能满足充电的功率需求时，根据直流母线电压确定下一个储能单元工作模式的方法如下：
(1)当前投入的储能单元充电功率没有达到充电功率最大值Pmin时，该储能单元作为主控电源，将直流母线的电压稳定在UN；
(2)当前投入的储能单元的充电功率达到充电功率最大值Pmin时，该储能单元的充电功率维持在Pmin不变，直流母线电压将上升；
(3)当直流母线的电压升到上偏参考电压到UH时，将下一个储能单元作为主控电源，维持直流母线的上偏电压在UH。
4.根据权利要求1所述的一种直流微电网系统的孤岛运行控制方法，其特征在于，当储能单元为负荷供电时，如果切除最后投入的储能单元也能满足负荷的需求时，根据直流母线电压和内环电流最后投入的储能单元退出稳压模式；
当储能单元充电时，如果切除最后投入的储能单元也能满足充电的功率需求时，根据直流母线的电压和内环电流最后投入的储能单元退出稳压模式。
5.根据权利要求1所述的一种直流微电网系统的孤岛运行控制方法，其特征在于，所述当储能单元充电或者为负荷供电时，根据公式
Idc_ref＝Max[Idc_ref1，Min(Idc_ref2，Idc_ref3)]确定下一个储能单元的工作模式；
其中Idc_ref为下一个储能单元的内环电流参考值；Idc_ref1为直流母线的下偏差参考值UL与实际电压值Udc的差值经过第一PI控制器处理后，所得到的电流值；Idc_ref2为功率设定值Pref与实际功率值P的差值经过第二PI控制器处理后，所得到的电流值；Idc_ref3为直流母线的上偏差参考值UH与实际电压值Udc的差值经过第三PI控制器处理后，所得到的电流值；
公式Min[Idc_ref2,Idc_ref3]表示取Idc_ref2和Idc_ref3中较小的电流值；
公式Idc_ref＝Max[Idc_ref1，Min(Idc_ref2，Idc_ref3)]表示Idc_ref取Idc_ref1和Min[Idc_ref2,Idc_ref3]中较大的电流值；
当Idc_ref＝Idc_ref1时，投入下一个储能单元进行放电来稳定直流母线电压；
当Idc_ref＝Idc_ref2时，执行储能单元处于充电状态或放电状态，且能够满足负荷的功率需求或充电的功率需求；
当Idc_ref＝Idc_ref3时，投入下一个储能单元进行充电来稳定直流母线电压。
6.一种直流微电网系统，包括直流母线，直流母线连接有负荷、分布式电源和多个储能单元；其特征在于，在直流微电网系统处于孤岛模式下，当储能单元为负荷供电时，如果当前投入供电的储能单元所提供的功率不能满足负荷的功率需求，根据当前储能的输出功率和直流母线的电压将下一个储能单元投入稳压模式；当储能单元充电时，如果现投入充电的储能单元不能满足充电的功率需求时，根据当前储能的输出功率和直流母线的电压下一个储能单元投入稳压模式。
7.根据权利要求6所述的一种直流微电网系统，其特征在于，所述当前投入的储能单元所提供的功率不能满足负荷的功率需求时，根据直流母线电压确定下一个储能单元工作模式的方法如下：
(1)当前投入的储能单元放电功率没有达到放电功率最大值Pmax时，该储能单元作为主控电源，将直流母线的电压稳定在UN；
(2)当前投入的储能单元放电功率达到放电功率最大值Pmax时，该储能单元的输出功率维持在Pmax不变，直流母线电压将下降；
(3)当直流母线的电压降到下偏参考电压UL时，将下一个储能单元作为主控电源，将直流母线的电压稳定在UL。
8.根据权利要求6所述的一种直流微电网系统，其特征在于，所述当前投入的储能单元不能满足充电的功率需求时，根据直流母线电压确定下一个储能单元的工作模式方法如下：
(1)当前投入的储能单元充电功率没有达到充电功率最大值Pmin时，将该储能单元作为主控电源，将直流母线的电压稳定在UN；
(2)当前投入的储能单元的充电功率达到充电功率最大值Pmin时，该储能单元的充电功率维持在Pmin不变，直流母线电压将上升；
(3)当直流母线的电压升上偏参考电压到UH时，将下一个储能单元作为主控电源，维持直流母线的上偏电压在UH。
9.根据权利要求6所述的一种直流微电网系统，其特征在于，当储能单元为负荷供电时，如果切除最后投入的储能单元也能满足负荷的需求时，根据直流母线电压或内环电流最后投入的储能单元退出稳压模式；
当储能单元充电时，如果切除最后投入的储能单元也能满足充电的功率需求时，根据直流母线的电压或者内环电流最后投入的储能单元退出稳压模式。
10.根据权利要求6所述的一种直流微电网系统，其特征在于，所述当储能单元充电或者为负荷供电时，根据公式
Idc_ref＝Max[Idc_ref1，Min(Idc_ref2，Idc_ref3)]确定是下一个储能单元的工作模式；
其中Idc_ref为下一个储能单元的内环电流参考值；Idc_ref1为直流母线的下偏差参考值UL与实际电压值Udc的差值经过第一PI控制器处理后，所得到的电流值；Idc_ref2为功率设定值Pref与实际功率值P的差值经过第二PI控制器处理后，所得到的电流值；Idc_ref3为直流母线的上偏差参考值UH与实际电压值Udc的差值经过第三PI控制器处理后，所得到的电流值；
公式Min[Idc_ref2,Idc_ref3]表示取Idc_ref2和Idc_ref3中较小的电流值；
公式Idc_ref＝Max[Idc_ref1，Min(Idc_ref2，Idc_ref3)]表示Idc_ref取Idc_ref1和Min[Idc_ref2,Idc_ref3]中较大的电流值；
当Idc_ref＝Idc_ref1时，投入下一个储能单元进行放电来稳定直流母线电压；
当Idc_ref＝Idc_ref2时，储能单元处于充电状态或放电状态，且能够满足负荷的功率需求或充电的功率需求；
当Idc_ref＝Idc_ref3时，投入下一个储能单元进行充电来稳定直流母线电压。
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