CN106786694B - 一种双极性直流微电网混合储能系统协调控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种双极性直流微电网混合储能系统协调控制方法，属于双极性直流微电网的稳定运行领域，双极性直流微电网混合储能系统，包括锂电池、第一超级电容和第二超级电容；锂电池通过第一双向DC/DC变换器连接于双极性直流母线的正线与负线PN上；第一超级电容通过第二双向DC/DC变换器连接于双极性直流母线的正线与零线PO上；第二超级电容N通过第三双向DC/DC变换器连接于双极性直流母线的零线与负线ON上；双极性直流母线的三条母线通过电压平衡器连接。本发明提高了双极性直流微电网的电能质量；避免了电压平衡器的频繁动作。

Description

一种双极性直流微电网混合储能系统协调控制方法
技术领域
本发明属于双极性直流微电网的稳定运行领域，具体涉及一种双极性直流微电网的混合储能系统协调控制方法。
背景技术
目前，随着电力需求的快速发展，以分布式电源构建的直流微电网不需要考虑无功功率、频率等复杂参量，且线路损耗小、可靠性高，已成为新能源组网后并网的重要方式。但是以风能、太阳能为代表的分布式发电自身存在不可预测性和间歇性；再加上微电网中大量波动性负荷，使得电网质量下降，甚至造成功率出现严重不平衡。为了提高微电网运行的可靠性和优化电能质量，电力储能技术应运而生，成为直流微电网中的一个关键环节。作为能量型储能元件的锂电池能量密度高，但功率密度低；而超级电容作为功率型储能元件，功率密度高，但能量密度低。根据两者在输出特性上互补的优势，专家们将两者结合使用，并构成锂电池-超级电容混合储能系统。
混合储能系统不仅能够优化锂电池充放电电流，延长储能系统寿命，而且可以提高混合储能系统动态响应。为了平滑锂电池电流，有学者提出利用滤波器将直流母线上的功率波动分为低频分量和高频分量。高频分量与低频分量的波动分别由超级电容和锂电池进行补偿。也有学者提出一种锂电池依据超级电容荷电量来调整出力的策略，实现了锂电池电流的平滑控制。
随着微网群的发展，直流微电网的结网形式开始多样化。双极性直流母线由于具有多等级电压的优势引起了人们的关注，也成为目前重要的结网形式。有学者设计的住宅用双极性直流微网系统，可根据负荷端对供电电压的不同需求由不同母线进行供电。传统的混合储能系统应用只针对单极性直流母线。而双极性直流母线上的功率波动不同于以往单极性直流母线，双极性直流母线中各条母线互有联系，且一条母线上的功率波动会影响另一条母线。因此，有必要发明一种适合双极性直流微网的混合储能系统协调控制方法。
发明内容
为了解决目前缺乏双极性直流母线电压稳定控制方法的问题，本发明提供一种适合于双极性直流微电网的混合储能系统协调控制方法。
本发明的技术方案：一种双极性直流微电网混合储能系统协调控制方法，其特征是所述双极性直流微电网混合储能系统，包括锂电池、第一超级电容和第二超级电容；锂电池通过第一双向DC/DC变换器I连接于双极性直流母线的正线与负线PN上；第一超级电容P通过第二双向DC/DC变换器II连接于双极性直流母线的正线与零线PO上；第二超级电容N通过第三双向DC/DC变换器III连接于双极性直流母线的零线与负线ON上；双极性直流母线的三条母线通过电压平衡器连接。
2、根据权利要求1所述一种双极性直流微电网混合储能系统协调控制方法，其特征是第一双向DC/DC变换器I采用下垂控制方式，控制锂电池向PN母线充放电；电压平衡器采用下垂控制方式，控制母线PO与母线ON之间能量的多能互补。
3、根据权利要求1所述一种双极性直流微电网混合储能系统协调控制方法，其特征是包括下述内容：
(1)协调双极性直流母线功率平衡，即两低压直流母线PO与ON上分别采用第一超级电容与第二超级电容单独平滑相应的母线电压；两个双向DC/DC变换器均采用双闭环恒压控制方式，控制两个超级电容充放电；其中一个双向DC/DC变换器II以母线PO上的电压作为其控制参量；另一个双向DC/DC变换器III以母线ON上的电压作为其控制参量；当双极性直流母线电压发生波动，在相应低压侧的双向DC/DC变换器优先动作，通过双闭环控制使超级电容快速充放电；
(2)设定Uscp为第一超级电容的电压；设定Uscn为第二超级电容的电压；计算第一超级电容和第二超级电容的电压均值为：设定为第一双向DC/DC变换器I工作的参量阈值，并使得
设置第一超级电容和第二超级电容的最佳运行区间为且在此区间内，第一超级电容和第二超级电容能量不需要补偿，锂电池无需工作；
当双极性直流微电网中有功率盈余时，此时母线上升电压波动的低频分量较大，两侧超级电容电压均值持续上升直至超出最佳运行区间；
当时，第一双向DC/DC变换器I开始工作，并根据下垂曲线控制锂电池平滑充电；
当双极性直流微电网的功率出现缺额时，此时母线跌落电压波动的低频分量较大，两侧超级电容电压均值持续下降直至超出最佳运行区间；
当有：时，第一双向DC/DC变换器I根据下垂曲线控制锂电池平滑放电；
(3)计算两组超级电容电压差值为：ΔUSC＝Uscp-Uscn；
设定-ΔUH，-ΔUL，ΔUL，ΔUH为电压平衡器工作的参量阈值，并使得-ΔUH＜-ΔUL＜ΔUL＜ΔUH；
设置[-ΔUL，ΔUL]区间为双极性直流微电网不均衡带，电压平衡器不需要动作，超级电容单独平滑双侧直流母线高频波动的不均衡电压；
当PO母线上的功率严重高于ON母线上的功率时，则两个超级电容电压偏差将超出不均衡带；
当ΔUH≥ΔUSC≥ΔUL时，电压平衡器开始运行，根据下垂曲线使两侧能量进行交换，将功率从PO侧转换至ON侧；
当ON母线上的功率严重高于PO母线上的功率时，则两个超级电容电压偏差将超出不均衡带；
当-ΔUH≤ΔUSC≤-ΔUL时，电压平衡器开始运行，根据下垂曲线使两侧能量进行交换，将功率从ON侧转换至PO侧。
本发明具备如下优点：
1、本发明通过采用两个超级电容分别抑制双极性直流母线中两个低压等级母线上的功率波动，提高了双极性直流微电网的电能质量。
2、本发明通过采用两个超级电容电压关系参量作为控制锂电池和电压平衡器的工作信号，有效平滑了锂电池的充放电电流，避免了电压平衡器的频繁动作。
3、本发明有效解决了双极性直流微电网中母线电压波动、母线间功率互相干扰等问题。
附图说明
图1是本发明中一种双极性直流微电网的混合储能系统结构示意图。
图2是本发明中第一双向DC/DC变换器I的下垂特性曲线示意图。
图3是本发明中电压平衡器的下垂特性曲线示意图。
图中：kb为锂电池充放电的下垂系数；Ib，Ibm分别为锂电池充放电电流和允许电流限值；为锂电池充放电电流达到限值时对应的两组超级电容平均电压临界值；为锂电池动作阀值。因此两超级电容最佳运行电压区间为此区间内，锂电池无需动作，避免了锂电池运行状态的频繁切换。
kp，kn分别为电压平衡器的运行下垂系数；Ibusm为电压平衡器最大动作电流；-ΔUH和ΔUH为电压平衡器最大均衡电流对应的超级电容临界电压差值；设置区间[-ΔUL，ΔUL]为双极性直流微电网不均衡带，电压平衡器不需要动作，超级电容单独平滑双侧直流母线高频波动的不均衡电压。
具体实施方式
图1所示，一种双极性直流微电网的混合储能系统，包括锂电池、超级电容P和超级电容N，以及变换器。
变换器为3个双向DC/DC变换器和一个电压平衡器。
所述锂电池采用双向DC/DC变换器I连接于双极性直流母线PN上；超级电容P通过DC/DC变换器II连接于母线PO上；超级电容N通过DC/DC变换器III连接于母线ON上；双极性直流母线的三条母线通过电压平衡器连接。
所述DC/DC变换器I、DC/DC变换器II、DC/DC变换器III均采用双向Boost-Buck电路结构；电压平衡器采用反极性升降压变换器电路结构。
一种双极性直流微电网的混合储能系统的控制方法，包括如下内容：
1、双极性直流母线由P线(正线)、O线(零线)、和N线(负线)组成，O线与大地相接。由此直流微电网能够提供三个母线电压，PO母线电压为UPO，ON母线电压为UON，PN母线电压为UPN；其中PO与ON母线为低压母线，可以接低压直流设备；由PO与ON母线组成的PN母线为高压母线，其中UPN＝UPO+UON。
为了协调双极性直流母线上功率平衡，两低压直流母线PO与ON上分别采用超级电容P与超级电容N单独平滑相应的母线电压。双向DC/DC变换器II与双向DC/DC变换器III均采用双闭环恒压控制方式，控制超级电容P和超级电容N充放电。双向DC/DC变换器II以母线PO上的电压作为其控制参量；双向DC/DC变换器III以母线ON上的电压作为其控制参量。当双极性直流母线电压发生波动，在相应低压侧的双向DC/DC变换器优先动作，通过双闭环控制使超级电容快速充放电。
2、双向DC/DC变换器I采用下垂控制方式，控制锂电池向PN母线充放电。
设定Uscp为超级电容P的电压；设定Uscn为超级电容N的电压；计算两组超级电容电压均值为：将作为双向DC/DC变换器I的控制参量。
设定为双向DC/DC变换器I工作的参量阈值，并使得
设置两超级电容最佳运行区间为此区间内，超级电容能量不需要补偿，锂电池无需工作。
当双极性直流微电网中有功率盈余时，此时母线上升电压波动的低频分量较大，两侧超级电容电压均值持续上升直至超出最佳运行区间。当有：时，双向DC/DC变换器I开始工作，并根据下垂曲线控制锂电池平滑充电。
当双极性直流微电网的功率出现缺额时，此时母线跌落电压波动的低频分量较大，两侧超级电容电压均值持续下降直至超出最佳运行区间。当有：时，双向DC/DC变换器I根据下垂曲线控制锂电池平滑放电。
3、电压平衡器采用下垂控制方式，控制母线PO与母线ON之间能量的多能互补。
通过采集超级电容P的电压Uscp与超级电容N的电压Uscn，并计算两组超级电容电压差值为：ΔUSC＝Uscp-Uscn，将ΔUSC作为电压平衡器的控制参量。
设定-ΔUH，-ΔUL，ΔUL，ΔUH为电压平衡器工作的参量阈值，并使得-ΔUH＜-ΔUL＜ΔUL＜ΔUH；
设置区间[-ΔUL，ΔUL]为双极性直流微电网不均衡带，电压平衡器不需要动作，超级电容单独平滑双侧直流母线高频波动的不均衡电压。
当PO母线上的功率严重高于ON母线上的功率时，则两个超级电容电压偏差将超出不均衡带，当ΔUH≥ΔUSC≥ΔUL时，电压平衡器开始运行，根据下垂曲线使两侧能量进行交换，将功率从PO侧转换至ON侧。
当ON母线上的功率严重高于PO母线上的功率时，则两个超级电容电压偏差将超出不均衡带，当-ΔUH≤ΔUSC≤-ΔUL时，电压平衡器开始运行，根据下垂曲线使两侧能量进行交换，将功率从ON侧转换至PO侧。

Claims (1)

1.一种双极性直流微电网混合储能系统协调控制方法，所述双极性直流微电网混合储能系统，包括锂电池、第一超级电容和第二超级电容；锂电池通过第一双向DC/DC变换器I连接于双极性直流母线的正线与负线PN上；第一超级电容P通过第二双向DC/DC变换器II连接于双极性直流母线的正线与零线PO上；第二超级电容N通过第三双向DC/DC变换器III连接于双极性直流母线的零线与负线ON上；双极性直流母线的三条母线通过电压平衡器连接；其特征是包括下述内容：
(1)协调双极性直流母线功率平衡，即两低压直流母线PO与ON上分别采用第一超级电容与第二超级电容单独平滑相应的母线电压；两个双向DC/DC变换器均采用双闭环恒压控制方式，控制两个超级电容充放电；其中一个双向DC/DC变换器II以母线PO上的电压作为其控制参量；另一个双向DC/DC变换器III以母线ON上的电压作为其控制参量；当双极性直流母线电压发生波动，在相应低压侧的双向DC/DC变换器优先动作，通过双闭环控制使超级电容快速充放电；
(2)设定Uscp为第一超级电容的电压；设定Uscn为第二超级电容的电压；
计算第一超级电容和第二超级电容的电压均值为：
设定为第一双向DC/DC变换器I工作的参量阈值，并使得
设置第一超级电容和第二超级电容的最佳运行区间为且在此区间内，第一超级电容和第二超级电容能量不需要补偿，锂电池无需工作；
当双极性直流微电网中有功率盈余时，此时母线上升电压波动的低频分量较大，两侧超级电容电压均值持续上升直至超出最佳运行区间；
当时，第一双向DC/DC变换器I开始工作，并根据下垂曲线控制锂电池平滑充电；
当双极性直流微电网的功率出现缺额时，此时母线跌落电压波动的低频分量较大，两侧超级电容电压均值持续下降直至超出最佳运行区间；
当有：时，第一双向DC/DC变换器I根据下垂曲线控制锂电池平滑放电；
(3)计算两组超级电容电压差值为：ΔUSC＝Uscp-Uscn；
设定-ΔUH，-ΔUL，ΔUL，ΔUH为电压平衡器工作的参量阈值，并使得-ΔUH＜-ΔUL＜ΔUL＜ΔUH；
设置[-ΔUL，ΔUL]区间为双极性直流微电网不均衡带，电压平衡器不需要动作，超级电容单独平滑双侧直流母线高频波动的不均衡电压；
当PO母线上的功率严重高于ON母线上的功率时，则两个超级电容电压偏差将超出不均衡带；
当ΔUH≥ΔUSC≥ΔUL时，电压平衡器开始运行，根据下垂曲线使两侧能量进行交换，将功率从PO侧转换至ON侧；
当ON母线上的功率严重高于PO母线上的功率时，则两个超级电容电压偏差将超出不均衡带；
当-ΔUH≤ΔUSC≤-ΔUL时，电压平衡器开始运行，根据下垂曲线使两侧能量进行交换，将功率从ON侧转换至PO侧。
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