CN106849156A - 一种直流微电网并离网切换母线电压控制平滑方法及系统 - Google Patents
一种直流微电网并离网切换母线电压控制平滑方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种直流微电网并离网切换母线电压控制平滑方法及系统，其当直流微电网在并网运行时，DC/AC变流器采用定直流电压控制方式将直流母线电压稳定在恒定值；当运行于离网模式时或并网运行与离网运行转换时，储能变流器DC/DC对母线电压的控制始终采用偏差控制，使直流母线电压稳定在固定的电压区间内，自动实现直流母线电压控制方式切换过程中的电压平滑稳定。该方法不需要变流器之间进行通信，也不需要后台参与调度，通过对变流器的参数以及策略的修改，可很好地实现直流微电网并网运行与离网运行转换过程中的直流母线电压自主平滑切换控制。该平滑切换控制方法容易实现，简单可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流微电网并离网切换母线电压控制平滑方法及系统，属于分布式发电微电网领域。
背景技术
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，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。
目前，关于微电网更多的研究是关注于微电网系统内部的能量管理，对直流微电网系统暂态过程中的稳定性，也即是直流母线电压在暂态过程中的稳定控制的研究还较少。
现有技术中对直流母线电压在暂态过程中的稳定控制主要是采用后台调度参与模式或者采用变流器之间通信的方式来实现。
图1是通过后台调度参与实现直流微电网的并离网转换，该方式实现过程中，后台通过将检测到的直流微电网电压、各个变流器输出功率等数据以及交流电网数据进行分析，当后台检测到交流侧电压出现电压、谐波以及电流等超出并网要求时，后台将直流系统中储能变流器DC/DC功率输出，光伏输出以及负荷等能量进行调平衡，再给并网变流器DC/AC发送待机或者停机指令，DC/AC变流器封闭输出脉冲，之后给储能变流器DC/DC发送控制母线电压命令信号，使储能变流器DC/DC由恒功率源模式转换为稳定直流母线电压模式。该方式由于是后台调度参与实现，因此，存在MMS层的通信长延时，以及在并离网转换期间出现中断供电等的问题。
图2是通过DC/AC变流器以及储能DC/DC变流器间的高速通讯来实现直流微电网并离网转换，当直流微电网并网运行时，直流母线电压的稳定由并网变流器DC/AC来稳定控制，同时将控制信息实时通过高速通信网络传送给储能DC/DC变流器，使得储能DC/DC变流器工作在恒功率模式，当交流微电网故障，或DC/AC变流器故障退出运行，DC/AC无法稳定直流母线电压，DC/AC发出信号，通知储能DC/DC变流器进行恒功率源模式并转变为稳定直流母线电压模式；在离网运行模式下，直流母线电压由储能DC/DC变流器稳定控制，同时通过高速通信，将母线电压的控制标志位实时传递给变流器DC/AC。当电网故障排除或者DC/AC变流器故障恢复后，变流器DC/AC将重新稳定直流母线电压同时通知DC/DC变流器恒功率运行。此种方式由于需要变流器间的互联通讯，增加了设备的软硬件投入，当出现通信故障将无法工作，可靠性不高。
因此，现有技术中的控制方式都存在可靠性以及实现手段复杂、通讯长延时等问题，所以，如何实现在没有后台调度以及无通讯线连接的状况下，实现直流微电网在并离网转换过程中母线电压的平滑切换是研究直流微电网的关键点之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直流微电网并离网切换母线电压控制平滑方法及系统，用以解决现有直流微电网在并离网转换期间通讯时长延时、依赖通信、故障率高、参数配合困难、可靠性低等问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种直流微电网并离网切换母线电压控制平滑方法，当直流微电网在并网运行与离网运行转换时，若直流母线电压超出电压区间上限值时，储能变流器DC/DC将母线电压控制稳定在上限电压值；当检测到直流母线电压低于低电压下限值时，将母线电压控制稳定在下限电压值；当在转换期间直流母线电压处在储能变流器DC/DC稳定控制的固定电压区间内，则储能变流器按照正常功率控制模式运行。
通过高电压控制环实现所述母线电压控制稳定在上限电压值；通过低电压控制环实现所述母线电压控制在下限电压值；通过功率控制环实现所述母线电压稳定控制在固定电压区间内。
所述固定的电压区间为[UH，UL]；其中，UH和UL为DC/DC变流器设定的直流母线电压偏差控制的上、下限电压值。
所述高电压控制环、低电压控制环和功率控制环控制母线电压所采用的逻辑公式为：
Idc_ref＝MAX[Idc_ref1,Idc_ref4]
Idc_ref4＝MIN[Idc_ref2,Idc_ref3]
其中，Idc_ref为储能装置的电流参考值；Idc_ref1为直流母线的下限电压值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为直流母线的上限电压值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，Idc_ref4]表示Idc_ref取Idc_ref1和MIN[Idc_ref2,Idc_ref3]中较大的电流值。
当直流微电网在并网运行与离网运行转换过程中时，其控制方法如下：
当母线电压UL<Udc<UH时，有：
Idc_ref1<Idc_ref2<Idc_ref3，
由所述逻辑公式得出，储能控制器DC/DC的输出由功率控制环输出电流Idc_ref2决定，此时处于功率调度运行模式；
当直流母线电压Udc>UH时，有：
Idc_ref3<Idc_ref2,且Idc_ref1<Idc_ref3，
由所述逻辑公式得出，储能变流器DC/DC的输出由高电压控制环输出电流Idc_ref3决定，将母线电压稳定在UH；
当母线电压Udc<UL时，有：
Idc_ref3>Idc_ref2,且Idc_ref2<Idc_ref1，
由所述逻辑公式得出，储能变流器DC/DC的输出由低电压控制环输出电流Idc_ref1决定，将母线电压稳定在UL。
一种直流微电网并离网切换母线电压控制系统，包括直流母线，所述直流母线的一侧通过变流器DC/DC连接有储能装置、负荷和分布式电源；另一侧通过变流器DC/AC连接大电网，采用方法如下：当直流微电网在并网运行与离网运行转换过程中时，若直流母线电压超出电压区间上限值时，储能变流器DC/DC将母线电压控制在上限电压值；当检测到直流母线电压低于低电压下限值时，将母线电压控制在下限电压值；当在转换期间直流母线电压处在储能变流器DC/DC稳定控制的固定电压区间内，则储能变流器按照正常功率控制模式运行。
通过高电压控制环实现所述母线电压控制稳定在上限电压值；通过低电压控制环实现所述母线电压控制在下限电压值；通过功率控制环实现所述母线电压稳定控制在固定电压区间内。
所述固定的电压区间为[UH，UL]；其中，UH和UL为DC/DC变流器设定的直流母线电压偏差控制的上、下限电压值。
所述高电压控制环、低电压控制环和功率控制环控制母线电压所采用的逻辑公式为：
Idc_ref＝MAX[Idc_ref1,Idc_ref4]
Idc_ref4＝MIN[Idc_ref2,Idc_ref3]
其中，Idc_ref为储能装置的电流参考值；Idc_ref1为直流母线的下限电压值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为直流母线的上限电压值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，Idc_ref4]表示Idc_ref取Idc_ref1和MIN[Idc_ref2,Idc_ref3]中较大的电流值。
当直流微电网在并网运行与离网运行转换过程中时，其控制方法如下：
当母线电压UL<Udc<UH时，有：
Idc_ref1<Idc_ref2<Idc_ref3
由所述逻辑公式得出，储能控制器DC/DC的输出由功率控制环输出电流Idc_ref2决定，此时处于功率调度运行模式；
当直流母线电压Udc>UH时，有：
Idc_ref3<Idc_ref2,且Idc_ref1<Idc_ref3，
由所述逻辑公式得出，储能变流器DC/DC的输出由高电压控制环输出电流Idc_ref3决定，将母线电压稳定在UH；
当母线电压Udc<UL时，有：
Idc_ref3>Idc_ref2,且Idc_ref2<Idc_ref1，
由所述逻辑公式得出，储能变流器DC/DC的输出由低电压控制环输出电流Idc_ref1决定，将母线电压稳定在UL。
本发明主要是通过直流微电网在并网运行时，DC/AC变流器采用定直流电压控制方式将直流母线电压稳定在恒定值；当运行于离网模式时或并网运行与离网运行转换时，储能变流器DC/DC对母线电压的控制始终采用电压偏差控制原理，使直流母线电压稳定在固定的电压区间内。本发明主要实现了直流微电网在并离网转换期间，直流母线电压的平滑稳定控制，同时，该方法不依赖各个变流器间的通讯，提高了直流微电网运行的供电可靠性。
附图说明
图1为后台参与调度的并离网转换模式示意图；
图2为变流器之间的互联通信的并离网转换模式示意图；
图3为本发明的无通讯互联下直流微电网并离网切换母线电压控制示意图；
图4为本发明的变流器对直流母线电压控制方式原理图；
图5为本发明的储能变流器DC/DC功率控制器逻辑图；
图6为本发明实施例一直流微电网系统示意图；
图7为本发明储能带负荷并网转离网切换波形示意图；
图8为本发明带负荷离网转并网切换波形示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种直流微电网并离网切换母线电压控制平滑方法及系统，其中，DC/AC变流器的直流母线电压控制策略仍延用传统母线电压的定直流电压控制策略，其中，只需修改储能DC/DC变流器的母线电压功率控制器中的高低电压控制环和功率控制环的控制逻辑，即采用直流母线电压的电压偏差控制原理，进行控制逻辑修改，就能够自动实现直流母线电压控制方式切换过程中的电压平滑控制。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图3所示的直流微电网系统，包括直流母线，以及与直流母线相连的光伏组件、负荷、储能电池，其中储能电池与直流母线之间设有储能DC/DC变流器。
如图4所示为并离网切换母线电压控制示意图，左图为变流器DC/AC对直流母线电压采用定直流电压控制方式，直流母线电压稳定控制在一恒定值Un，右图为储能变流器DC/DC对母线电压的控制采用偏差控制，UH和UL为DC/DC变换器设定的直流母线电压偏差控制的母线参考电压下、上限电压值，Pref,Pmax,Pmin,分别为有功功率设定值、最大和最小有功功率运行限值。
当直流微电网运行于并网模式时，直流母线电压的稳定控制由DC/AC变流器稳定在恒定值Un，此时DC/DC变流器工作于受后台功率调度运行模式。
当直流微电网运行于离网模式时，若分布式电源发出的电能大于负荷所需能量即ΔPn>0时，直流母线电压向上发生偏移，则储能DC/DC变流器检测到直流母线电压超出高电压UH限值时，母线电压的稳压控制环起作用，将母线电压控制在UH电压值；若检测到直流母线电压低于低电压UL限值时，则将母线电压控制在UL电压值；若DC/DC变流器检测到直流母线电压在UH和UL之间时，则运行在功率控制环模式。
当直流微电网从并网转离网过程中，DC/AC变流器不再稳定直流母线电压，此时，直流母线电压就会升高或者降低，当其值超出储能DC/DC变流器控制的上限值UH时，储能变流器DC/DC通过高电压控制环原理控制母线电压维持在UH，同理，当直流母线电压低于储能DC/DC变流器控制的下限值UL时，储能变流器DC/DC通过低电压控制环原理控制母线电压维持在UL值，当在转换期间直流母线电压处在储能变流器DC/DC变流器稳定控制区间[UL，UH]时，储能变换器通过功率控制环原理控制母线电压，其按照正常的功率调度运行模式运行。
本发明中的储能DC/DC变流器的母线电压外环功率控制器控制逻辑的逻辑公式为：
其逻辑图如图5所示，Udc为实际的直流母线电压值；UL和UH为储能DC/DC变流器母线参考电压下、上限电压值；pref为功率设定值；Idc_ref:电流参考值；Imax为储能变流器最大充放电电流、Imin为储能变流器最小充放电电流。其中，Idc_ref为储能装置的电流参考值；Idc_ref1为直流母线的下限电压值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为直流母线的上限电压值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，Idc_ref4]表示Idc_ref取Idc_ref1和MIN[Idc_ref2,Idc_ref3]中较大的电流值。
根据储能DC/DC变流器功率控制器的逻辑公式(1)，当直流微电网并网运行时，母线电压由DC/AC变流器稳定在Un，此时储能DC/DC变流器受功率调度运行模式，其输出功率由Idc_ref2决定；当直流微电网由并网转离网时：
当母线电压UL<Udc<UH时，有：
Idc_ref1<Idc_ref2<Idc_ref3
由公式(1)得出，储能控制器DC/DC的输出由功率环输出电流Idc_ref2决定，此时处于功率调度运行模式。
当直流母线电压Udc>UH时，有：
Idc_ref3<Idc_ref2,且Idc_ref1<Idc_ref3，
由公式(1)得出，储能变流器DC/DC的输出由高电压控制环输出电流Idc_ref3决定，将母线电压稳定在UH。
当母线电压Udc<UL时，有：
Idc_ref3>Idc_ref2,且Idc_ref2<Idc_ref1，
由公式(1)得出，储能变流器DC/DC的输出由低3电压控制环输出电流Idc_ref1决定，将母线电压稳定在UL。
当直流微电网由离网转并网时，当直流微电网在离网运行时，直流母线电压由储能DC/DC变流器稳定在区间[UL，UH]，或稳定在上限电压值UH、下限电压值UL，由于DC/AC的稳定额定值为Un，且其值满足UL<Un<UH，因此，当交流大电网故障恢复或DC/AC变流器恢复运行时，直流母线电压的控制目标从稳定区间[UL，UH]转换到稳定目标值为Un，自动由DC/AC变流器来控制稳定，将直流母线电压稳定在Un，DC/DC变流器工作于功率调度模式。
本发明主要采用上、下限电压值的电压偏差控制原理控制母线电压的平滑稳定，其主要用于直流微电网在并离网转换过程，，当然也可用于交直流混合微电网中母线电压的稳定控制。
本发明按照图6所示，为了验证直流微电网并离网转换期间，直流母线电压控制方式切换过程中的电压控制平滑稳定方法，搭建了交直流微电网控制实验模拟平台。直流微电网并离网切换实验系统主要参数如表1所示。
如图6所示，当直流微电网通过AC/DC变流器并联到交流微电网时，直流母线电压由AC/DC变流器稳定控制在700V，即直流微电网并网运行；当PCC点断开后，AC/DC变流器不再稳定直流母线电压，转为稳定交流母线电压，模拟直流微电网离网运行，此时，直流母线电压由DC/DC变流器稳定控制在[670V，730V]。
当储能变流器DC/DC带负荷并网转离网切换时，直流母线电压的平滑自动切换控制效果，储能变流器DC/DC出力为10kW，如图7所示的切换波形，图中通道为并网变流器AC/DC交流侧输出电压，通道为直流母线电压，通道为AC/DC交流输出侧电流，通道为储能变流器DC/DC输出侧电流。在a点之前，直流系统运行在并网模式，直流母线电压由AC/DC变流器稳定在700V，此时储能变流器DC/DC由于直流母线电压没有超过其稳压范围，处于功率环模式，a点进行并离网转换，直流母线电压开始下降，当瞬时值下降到670V以下时，储能变流器DC/DC启动低电压控制环，将直流母线电压稳定在670V。
当储能变流器DC/DC带负荷离网转并网时，直流母线电压的平滑自动切换控制效果，初始储能DC/DC变流器出力4kW，光伏出力5kW，带9kW负荷。如图8所示的切换波形，通道为光伏逆变器电流，其他通道含义与图7中的通道相同。在a点之前，系统运行在离网模式，直流母线电压由储能DC/DC稳定在670V，在a点进行离网转并网切换，母线电压上升DC/DC电压环饱和进入功率环运行，在b点，DC/AC成功将母线电压稳定保持在700V。
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)
1.一种直流微电网并离网切换母线电压控制平滑方法，其特征在于，当直流微电网在并网运行与离网运行转换时，若直流母线电压超出电压区间上限值时，储能变流器DC/DC将母线电压控制稳定在上限电压值；当检测到直流母线电压低于低电压下限值时，将母线电压控制稳定在下限电压值；当在转换期间直流母线电压处在储能变流器DC/DC稳定控制的固定电压区间内，则储能变流器按照正常功率控制模式运行。
2.根据权利要求1所述的一种直流微电网并离网切换母线电压控制平滑方法，其特征在于，通过高电压控制环实现所述母线电压控制稳定在上限电压值；通过低电压控制环实现所述母线电压控制在下限电压值；通过功率控制环实现所述母线电压稳定控制在固定电压区间内。
3.根据权利要求1所述的一种直流微电网并离网切换母线电压控制平滑方法，其特征在于，所述固定的电压区间为[UH，UL]；其中，UH和UL为DC/DC变流器设定的直流母线电压偏差控制的上、下限电压值。
4.根据权利要求2所述的一种直流微电网并离网切换母线电压控制平滑方法，其特征在于，所述高电压控制环、低电压控制环和功率控制环控制母线电压所采用的逻辑公式为：
Idc_ref＝MAX[Idc_ref1,Idc_ref4]
Idc_ref4＝MIN[Idc_ref2,Idc_ref3]
其中，Idc_ref为储能装置的电流参考值；Idc_ref1为直流母线的下限电压值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为直流母线的上限电压值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，Idc_ref4]表示Idc_ref取Idc_ref1和MIN[Idc_ref2,Idc_ref3]中较大的电流值。
5.根据权利要求4所述的一种直流微电网并离网切换母线电压控制平滑方法，其特征在于，当直流微电网在并网运行与离网运行转换时，其控制方法如下：
当母线电压UL<Udc<UH时，有：
Idc_ref1<Idc_ref2<Idc_ref3，
由所述逻辑公式得出，储能控制器DC/DC的输出由功率控制环输出电流Idc_ref2决定，此时处于功率控制环调度运行模式；
当直流母线电压Udc>UH时，有：
Idc_ref3<Idc_ref2,且Idc_ref1<Idc_ref3，
由所述逻辑公式得出，储能变流器DC/DC的输出由高电压控制环输出电流Idc_ref3决定，将母线电压稳定在UH；
当母线电压Udc<UL时，有：
Idc_ref3>Idc_ref2,且Idc_ref2<Idc_ref1，
由所述逻辑公式得出，储能变流器DC/DC的输出由低电压控制环输出电流Idc_ref1决定，将母线电压稳定在UL。
6.一种直流微电网并离网切换母线电压控制系统，包括直流母线，所述直流母线的一侧通过变流器DC/DC连接有储能装置、负荷和分布式电源；另一侧通过变流器DC/AC连接大电网，其特征在于，采用方法如下：当直流微电网在并网运行与离网运行转换时，若直流母线电压超出电压区间上限值时，储能变流器DC/DC将母线电压控制在上限电压值；当检测到直流母线电压低于低电压下限值时，将母线电压控制在下限电压值；当在转换期间直流母线电压处在储能变流器DC/DC稳定控制的固定电压区间内，则储能变流器按照正常功率控制模式运行。
7.根据权利要求6所述的一种直流微电网并离网切换母线电压控制系统，其特征在于，通过高电压控制环实现所述母线电压控制稳定在上限电压值；通过低电压控制环实现所述母线电压控制在下限电压值；通过功率控制环实现所述母线电压稳定控制在固定电压区间内。
8.根据权利要求6所述的一种直流微电网并离网切换母线电压控制系统，其特征在于，所述固定的电压区间为[UH，UL]；其中，UH和UL为DC/DC变流器设定的直流母线电压偏差控制的上、下偏差限值。
9.根据权利要求7所述的一种直流微电网并离网切换母线电压控制系统，其特征在于，所述高电压控制环、低电压控制环和功率控制环控制母线电压所采用的逻辑公式为：
Idc_ref＝MAX[Idc_ref1,Idc_ref4]
Idc_ref4＝MIN[Idc_ref2,Idc_ref3]
其中，Idc_ref为储能装置的电流参考值；Idc_ref1为直流母线的下限电压值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为直流母线的上限电压值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，Idc_ref4]表示Idc_ref取Idc_ref1和MIN[Idc_ref2,Idc_ref3]中较大的电流值。
10.根据权利要求9所述的一种直流微电网并离网切换母线电压控制系统，其特征在于，当直流微电网在并网运行与离网运行转换时，其控制方法如下：
当母线电压UL<Udc<UH时，有：
Idc_ref1<Idc_ref2<Idc_ref3，
由所述逻辑公式得出，储能控制器DC/DC的输出由功率控制环输出电流Idc_ref2决定，此时处于功率控制环调度运行模式；
当直流母线电压Udc>UH时，有：
Idc_ref3<Idc_ref2,且Idc_ref1<Idc_ref3，
由所述逻辑公式得出，储能变流器DC/DC的输出由高电压控制环输出电流Idc_ref3决定，将母线电压稳定在UH；
当母线电压Udc<UL时，有：
Idc_ref3>Idc_ref2,且Idc_ref2<Idc_ref1，
由所述逻辑公式得出，储能变流器DC/DC的输出由低电压控制环输出电流Idc_ref1决定，将母线电压稳定在UL。
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