CN107017616B - 一种直流微电网混合型松弛终端的稳压协调控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种直流微电网混合型松弛终端的稳压协调控制方法，涉及直流微电网的稳定运行领域，它包括由双锂电池，超级电容和上级主母线构成的混合型松弛终端系统；其特征是所述超级电容通过DC/DC变换器I连接于本地直流母线上；锂电池通过双端口DC/DC变换器II与超级电容相连；主母线通过双向DC/DC变换器III接于本地直流母线上。本发明将双锂电池的运行状态在超级电容协调下进行合理转换，提高了锂电池的使用寿命和有效功率密度；有效解决了多级直流微电网中不同松弛终端协调控制来稳定直流母线电压的问题。

Description

一种直流微电网混合型松弛终端的稳压协调控制方法
技术领域
本发明涉及直流微电网的稳定运行，具体是一种直流微电网混合型松弛终端的稳压协调控制方法。
背景技术
直流微电网作为传统微电网的有益补充，不仅高效地融合了直流形式输出的分布式微电源，而且无需考虑电压相位和频率等复杂电能参量，减少了自然功率的限制，运行可靠性较高。以分布式电源构建的直流微电网研究起步比较晚，但直流配电形式早已在工业及通信领域得到应用。随着微电网的网架结构多样化，直流微电网电能输送的优越性愈加明显。随着微网群的发展，直流微电网的结网形式开始多样化，从比较单一的、小型的体系结构开始向复杂的、大型的微电网发展演化。未来的微电网将是模块化以及多级的微电网架构。多级微电网中，每个微电网都可以是独立运行的，也可以自身及连带下级微电网一起孤网运行，又可以与上级微电网或大电网并网运行。这些积木式的结构使得微电网具有良好的可扩充性。
以分布式电源构建的微电网能够很好地弥补大型集中电网的许多不足，但是分布式发电存在不可预测性和间歇性；再加上微电网中存在大量波动性负荷，使得微电网供电质量下降，甚至造成严重的功率不平衡。近年来，为了充分利用可再生能源及适应智能电网运行等需求，储能系统作为提高分布式电源接入容量的重要手段和实现能量双向互动的辅助装置，在微电网中发挥着越来越重要的作用。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，锂电池-超级电容混合储能系统不仅延长了储能单元的寿命，而且提高了储能系统响应速度。针对锂电池循环寿命短的问题，有关学者确定出锂电池在寿命周期内的最佳运行充放电循环深度，并使用充放电任务分开的双电池结构，提高了电池储能的使用寿命，但是忽略了电池的有效功率密度，在实际应用中增加了储能系统的体积。
在直流微电网中，所接终端按功能可划分为松弛终端和功率终端。其中储能系统主要作为松弛终端来维持微电网中的功率平衡和平抑母线电压波动，其他分布式电源和负荷作为功率终端来提供和消耗能量。在多级直流微电网中，上级母线又可以作为下级的松弛终来调节子母线上电压波动。因此不同的松弛终端在微电网中协调配合运行对提高微电网和储能系统的可靠性有着重要的研究意义。
发明内容
本发明解决在两级直流微电网中多个松弛终端协调控制来稳定本地直流母线电压的问题，提供一种直流微电网混合型松弛终端的稳压协调控制方法。
本发明将两组锂电池和一组超级电容构成混合储能系统，设计双锂电池在超级电容协调下合理转换运行状态。并将直流微电网中上级主母线作为后背支撑，形成完备的混合型松弛终端系统。根据超级电容电压信号设计本地直流母线上松弛终端合理的工作模式，实现不同优先级工作模式的平滑高效切换。
一种直流微电网混合型松弛终端的稳压协调控制方法，包括由双锂电池，超级电容和上级主母线构成的混合型松弛终端系统，混合型松弛终端系统对本地直流母线电压稳定性进行调节。
所述超级电容通过DC/DC变换器I连接于本地直流母线上；锂电池通过双端口DC/DC变换器II与超级电容相连，形成级联结构；而主母线作为后背支撑电源，通过双向DC/DC变换器III接于本地直流母线上，与超级电容形成并联结构。
所述DC/DC变换器I、DC/DC变换器III均采用双向Boost-Buck电路结构，双端口DC/DC变换器II由两组双向Boost-Buck电路结构组成。
一种直流微电网混合型松弛终端的稳压协调控制方法是采用如下方案实现的：
(1)超级电容器的DC/DC变换器I的控制
超级电容功率密度大，DC/DC变换器I采用恒压双闭环控制方式优先动作并调节本地直流母线电压维持在允许波动范围内。
(2)双锂电池的双向DC/DC变换器II的控制
为平滑控制锂电池充放电电流和与主母线协调控制，双端口DC/DC变换器II采用下垂控制。通过检测超级电容电压信息Usc来控制双锂电池输出。根据超级电容电压进行层次划分，双锂电池协调配合运行于分别承担充放电任务和同时承担充放电任务两个层级。
(3)上级主母线的双向DC/DC变换器III的控制
双锂电池无法满足本地直流母线上负荷需求时，由上级主母线作为后背支撑电源。双端口DC/DC变换器III同样采用下垂控制，与双锂电池协调分层运行。通过检测超级电容电压信息Usc来控制上级母线对本地母线的电压调节。
本发明具有如下优点：
(1)本发明将双锂电池的运行状态在超级电容协调下进行合理转换，提高了锂电池的使用寿命和有效功率密度。
(2)利用超级电容的缓冲作用，平滑了能量型松弛终端的工作电流，且实现了松弛终端不同优先级的工作模式在母线电压失稳前平滑切换，对直流母线电压影响甚小。
(3)本方法优化了直流微网结网方式，并为微电网群的扩展提供了良好的思路；有效解决了多级直流微电网中不同松弛终端协调控制来稳定直流母线电压的问题。
附图说明
图1是本发明中混合型松弛终端的架构和控制原理框图。
图2是本发明中双端口DC/DC变换器II和双向DC/DC变换器III运行下垂曲线。
图3是本发明中混合松弛终端分层工作模式示意图。
图4是本发明中双锂电池单元运行状态转换示意图。
具体实施方式
图1中：Udc和Udc-ref分别为直流母线电压的实际值和参考值，Isc和Isc-ref为超级电容实际电流值和参考值。为平滑控制锂电池充放电电流和与主母线协调控制，双端口DC/DC变换器II和双向DC/DC变换器III均采用下垂控制。其根据超级电容电压信息来控制双锂电池和主母线的充放电，Usc为超级电容电压的实际值,UA-ref、UB-ref、Ubus-ref为超级电容分别对应于双锂电池A、B和主母线的电压参考值，根据下垂特性关系分别给出各个能量型松弛终端的电流参考值IA-ref、IB-ref和Ibus-ref，然后由电流内环控制各自的实际电流值IA,IB和Ibus。Udc和Udc-ref分别为直流母线电压的实际值和参考值，Isc和Isc-ref为超级电容实际电流值和参考值。Usc为超级电容电压的实际值,UA-ref、UB-ref、Ubus-ref为超级电容分别对应于双锂电池A、B和主母线的电压参考值。根据下垂特性关系分别给出各个能量型松弛终端的电流参考值IA-ref、IB-ref和Ibus-ref，然后由电流内环控制各自的实际电流值IA,IB和Ibus。
图2中：Usc和Uscr为超级电容实际电压和储能中间电压值，a、b、c、d为偏离系数；Ibm和Ibusm为锂电池和主母线最大充放电电流。kb1、kb2为双锂电池分开协调控制运行的下垂系数，两组锂电池A、B单元在各自的运行状态下采取相应的下垂曲线。kbus为主母线运行的下垂系数。
图3中：ΔUsc为超级电容实际电压Usc和储能中间电压Uscr的偏差值。图中根据超级电容电压划分层区并设计了4种工作模式，其中+、-表示同一工作模式下松弛终端充放电两种状态。
图4中：锂电池充放电循环深度ΔSOC＝SOCH-SOCL。式中SOCH为锂电池单元充电截止时的荷电状态，取值0.9；SOCL为锂电池单元放电截止时的荷电状态，取值为0.1。
具体实施方式
一种直流微电网混合型松弛终端的稳压协调控制方法，包括由双锂电池，超级电容和上级主母线构成混合型松弛终端系统。
所述超级电容通过DC/DC变换器I连接于本地直流母线上；锂电池通过双端口DC/DC变换器II与超级电容相连，形成级联结构；而主母线作为后背支撑电源，通过双向DC/DC变换器III接于本地直流母线上，与超级电容形成并联结构。
所述DC/DC变换器I、DC/DC变换器III均采用双向Boost-Buck电路结构，双端口DC/DC变换器II由两组双向Boost-Buck电路结构组成。
步骤1：设定Udch，Udcl为本地直流母线电压允许波动的上下临界值，也为超级电容动作阈值。超级电容功率密度大，DC/DC变换器I采用恒压双闭环控制方式调节本地直流母线电压维持在允许波动范围内。
当Udcl≤Udc≤Udch时，DC/DC变换器I不工作；当Udc＜Udcl时，DC/DC变换器I运行于boost模式，使超级电容放电；当Udch＜Udc时，DC/DC变换器I运行于buck模式，使超级电容充电。
步骤2：双端口DC/DC变换器II和双向DC/DC变换器III均采用下垂控制。通过检测超级电容电压信息Usc，并根据运行下垂曲线(图2所示)来控制双锂电池和上级主母线的充放电。
步骤3：设定Umax和Umin为超级电容工作电压的最大值和最小值，计算其储能中间电压值为：Uscr＝(Umax+Umin)/2；设定ΔUsc为超级电容实际电压Usc和储能中间电压Uscr的偏差值；a、b、c、d为偏离系数(其中:a＝15％(Umax-Uscr)/Uscr,b＝50％(Umax-Uscr)/Uscr,c＝85％(Umax-Uscr)/Uscr,d＝95％(Umax-Uscr)/Uscr)。根据超级电容电压划分层区并使混合松弛终端运行于相应的工作模式。
(1)工作模式1
|ΔUsc|≤aUscr,该层区下由超级电容单独平抑电压波动。
(2)工作模式2
当直流母线电压波动的低频分量增大，直至aUscr＜|ΔUsc|≤bUscr时，系统运行于模式2。该模式下双锂电池配合超级电容调节直流母线电压低频分量，且一组锂电池承担充电任务，另一组锂电池承担放电任务，从而减少充放电循环次数，使其运行在最佳充放电循环深度。
(3)工作模式3
当进入层区bUscr＜|ΔUsc|≤cUscr时，双锂电池分别承担任务已经无法满足微网功率需求，为充分利用双锂电池单元的有效功率密度，此时将另一个锂电池组切换为相同的充放电状态，以增加整个锂电池储能单元的功率。
(4)工作模式4
当双锂电池无法满足本地直流母线功率需求，超级电容电压进入第4层区：cUscr＜|ΔUsc|≤dUscr，此时双锂电池停止运行，上级主母线代替锂电池配合超级电容运行。为防止锂电池与主母线运行状态频繁切换，双向DC/DC变换器III启动后将可以运行于第2，3，4层区，直至超级电容电压进入第1层区后，主母线不再支撑本地直流母线电压。

Claims (1)

1.一种直流微电网混合型松弛终端的稳压协调控制方法，包括由双锂电池，超级电容和上级主母线构成的混合型松弛终端系统；所述超级电容通过DC/DC变换器I连接于本地直流母线上；锂电池通过双端口DC/DC变换器II与超级电容相连；主母线通过双向DC/DC变换器III接于本地直流母线上；其特征是包括下述内容:
（1）设定超级电容动作阈值；所述超级电容动作阈值为本地直流母线电压允许波动的上临界值U dch和下临界值U dcl；
当Udc1≤Udc≤Udch时，DC/DC变换器I不工作；
当Udc＜ Udc1时，DC/DC变换器I运行于boost模式，使超级电容放电；
当Udch＜Udc时，DC/DC变换器I运行于buck模式，使超级电容充电；U dc为直流母线电压的实际值；
（2）双端口DC/DC变换器II和双向DC/DC变换器III均采用下垂控制方式；通过检测超级电容电压信息U sc，并根据双端口DC/DC变换器II和双向DC/DC变换器III运行下垂曲线来控制双锂电池和上级主母线的充放电；
（3）设定超级电容工作电压的最大值U max和最小值U min，计算储能中间电压值U scr=(U max+U min)/2；超级电容实际电压U sc和储能中间电压U scr的偏差值为ΔU sc；a、b、c、d为偏离系数，a=15%(U max-U scr)/U scr； b=50% (U max-U scr)/U scr；c=85%(U max-U scr)/U scr； d=95%(U max-U scr)/U scr）；根据超级电容电压划分层区并使混合松弛终端运行于相应的工作模式；
所述工作模式包括
（1）工作模式1
|ΔU sc |≤a U scr ，该层区下由超级电容单独平抑电压波动；
（2）工作模式2
当直流母线电压波动的低频分量增大，直至a U scr ＜|ΔU sc |≤bU scr 时，双锂电池配合超级电容调节直流母线电压低频分量，且一组锂电池承担充电任务，另一组锂电池承担放电任务；
（3）工作模式3
当进入层区bU scr＜|ΔU sc |≤cU scr时，双锂电池组切换为相同的充放电状态，以增加整个锂电池储能单元的功率；
（4）工作模式4
当双锂电池无法满足本地直流母线功率需求，超级电容电压进入第4层区：cU scr＜|ΔU sc |≤dU scr，此时双锂电池停止运行，上级主母线代替锂电池配合超级电容运行；双向DC/DC变换器III启动后运行于第2，3，4层区，直至超级电容电压进入第1层区后，主母线不再支撑本地直流母线电压。
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