CN109193613B - 一种直流微电网系统及其控制方法 - Google Patents

一种直流微电网系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种直流微电网系统,其包含:直流母线、并网变流器、第一DC/DC变换器和蓄电池;第一DC/DC变换器将来自直流母线的直流电转化为电压大小符合蓄电池要求的直流电并输送至蓄电池,还将来自蓄电池的直流电转化为电压大小符合直流母线要求的直流电输送至直流母线;且第一DC/DC变换器还通过数据通信线向并网变流器输送蓄电池SOC值和蓄电池充放电功率信息;并网变流器根据蓄电池SOC值选择并网自由模式、强制逆变模式、强制整流模式中的一种模式工作,还根据蓄电池充放电功率信息以及设定的调节参数,计算功率并根据计算的功率工作,使得直流母线的功率维持平衡。本发明可以延长直流微电网中的蓄电池的使用寿命,以及改善直流微电网供电电能的质量。

Description

一种直流微电网系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力技术领域,尤其涉及一种直流微电网系统及其控制方法。
背景技术
随着可再生能源在现代电网中的应用急剧增加,直流微电网在低压配电和居民应用方面具有更加突出的竞争优势。如图1所示直流微电网的协调控制方式主要分为集中式控制方式、分布式控制方式和分散式控制方式。图1中,LC表示局部控制器,DG表示分布式微源,CC表示集中控制器,虚线表示通信线连接,#n表示编号。
集中式控制方式电能质量最好,但是集中式控制方式需要中央控制器,中央控制器与局部控制器之间必须有通信线进行连接,投资成本最高;分散式控制方式不需要中央控制器,局部控制之间不需要任何的通信线,投资成本最低,但是直流母线电压波动范围较大,电能质量较差;分布式控制方式的性能介于前面两种控制方式之间,投资成本远远大于分散式控制方式,电能质量较好。综上分析,目前直流微电网的控制方式主要偏重于低投资成本或者高电能质量的某一个方面,两者兼顾的控制方式鲜少出现。
法维翰咨询公司研究报告指出2015年到2024年间,全世界直流产品市场规模将会达到330亿美元;美国市场与贸易委员会预测,到2022年,全世界每年的微电网市场规模将会达到350亿,中小型直流微电网的市场份额会逐渐增加。因此,中小型直流微电网具有十分广阔的前景,为了促进中小型直流微电网的市场化和实用化,必须发明一种兼顾低投资成本和高电能质量的控制方法。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种直流微电网系统及其控制方法,可以延长直流微电网中的蓄电池的使用寿命,以及改善直流微电网(也即是直流母线)供电电能的质量,并且还具有低投资成本的优势。
本发明提供的一种直流微电网系统,包含有:直流母线、并网变流器以及储能单元;其中,所述储能单元包含有:第一DC/DC变换器和蓄电池;
所述并网变流器的直流侧与所述直流母线电性连接,所述并网变流器的交流侧接入交流电网;
所述第一DC/DC变换器的一侧与所述直流母线电性连接,所述第一DC/DC变换器的另一侧与所述蓄电池电性连接,且所述第一DC/DC变换器还通过一条数据通信线与所述并网变流器通信连接;
所述第一DC/DC变换器,用于将来自所述直流母线的直流电转化为电压大小符合所述蓄电池充电要求的直流电,并将所述电压大小符合所述蓄电池充电要求的直流电输送至所述蓄电池,给所述蓄电池充电,还用于将来自所述蓄电池的直流电转化为电压大小符合所述直流母线要求的直流电,并将所述电压大小符合所述直流母线要求的直流电输送至所述直流母线;
且所述第一DC/DC变换器,还用于通过所述数据通信线向所述并网变流器输送所述蓄电池SOC值以及蓄电池充放电功率信息;
所述并网变流器,用于根据所述蓄电池SOC值,选择并网自由模式、强制逆变模式、强制整流模式三种工作模式中的一种工作模式执行工作,还根据所述蓄电池充放电功率信息以及设定的调节参数,计算并网变流器功率并根据计算得到的并网变流器功率执行工作,使得所述直流母线的功率维持平衡;
其中,所述并网自由模式为所述并网变流器在将来自所述直流母线的直流电转化为交流电,并将转化得到的交流电输送至所述交流电网,且还将来自所述交流电网的交流电转化为直流电,并将转化得到的直流电输送至所述直流母线;
所述强制逆变模式为所述并网逆变器只将来自所述直流母线的直流电转化为交流电,并将转化得到的交流电输送至所述交流电网;
所述强制整流模式为所述并网逆变器只将来自所述交流电网的交流电转化为直流电,并将转化得到的直流电输送至所述直流母线。
优选地,还包含有:直流发电模块;
所述直流发电模块,用于发电并将发电产生的电能以直流电的形式输送至所述直流母线。
优选地,所述调节参数根据所述直流发电模块的输出功率、所述直流母线上负载单元消耗的瞬时功率以及所述蓄电池充放电功率信息计算得到。
优选地,所述储能单元还包含有:第二DC/DC变换器以及超级电容;
所述第二DC/DC变换器的一侧与所述直流母线电性连接,所述第二DC/DC变换器的另一侧与所述超级电容电性连接。
优选地,所述直流发电模块包含有:至少一个光伏模块以及至少一个第三DC/DC变换器;
所述第三DC/DC变换器的一侧与所述直流母线电性连接,所述第三DC/DC变换器的另一侧与一个所述光伏模块电性连接;
所述光伏模块,用于光伏发电,并将发电产生的直流电输送至所述第三DC/DC变换器;
所述第三DC/DC变换器,用于将来自所述光伏模块的直流电转化为电压大小符合所述直流母线要求的直流电,并将所述电压大小符合所述直流母线要求的直流电输送至所述直流母线。
优选地,所述光伏模块为具有MPPT功能的光伏模块。
优选地,还包括多个负载单元和切载控制器,所述多个负载单元根据设定的重要程度分为重要负载单元和非重要负载单元;
所述非重要负载单元通过所述切载控制器与所述直流母线电性连接。
本发明还提供一种直流微电网控制方法,应用于上述的直流微电网系统中,所述直流微电网控制方法包括下述步骤:
第一DC/DC变换器将蓄电池SOC值以及蓄电池的充放电功率信息输送至并网变流器;
所述并网变流器根据所述蓄电池SOC值,选择并网自由模式、强制逆变模式、强制整流模式三种工作模式中的一种工作模式执行工作,还根据所述蓄电池充放电功率信息以及设定的调节参数,计算并网变流器功率并根据计算得到的并网变流器功率执行工作,使得直流母线的功率维持平衡;
其中,所述并网自由模式为所述并网变流器在将来自所述直流母线的直流电转化为交流电,并将转化得到的交流电输送至交流电网,且还将来自所述交流电网的交流电转化为直流电,并将转化得到的直流电输送至所述直流母线;
所述强制逆变模式为所述并网逆变器只将来自所述直流母线的直流电转化为交流电,并将转化得到的交流电输送至所述交流电网;
所述强制整流模式为所述并网逆变器只将来自所述交流电网的交流电转化为直流电,并将转化得到的直流电输送至所述直流母线。
优选地,所述并网变流器根据所述蓄电池SOC值,选择并网自由模式、强制逆变模式、强制整流模式三种工作模式中的一种工作模式执行工作,具体为:
所述并网变流器根据预设的且由大到小依次排序的第一SOC值、第二SOC值、第三SOC值以及第四SOC值,判断所述蓄电池SOC值大于所述第一SOC值时,所述并网变流器在强制逆变模式工作,直至所述蓄电池SOC值不大于所述第二SOC值时,所述并网变流器由强制逆变模式切换至并网自由模式工作;
当所述蓄电池SOC值小于所述第四SOC值时,所述并网变流器在强制整流模式工作,直至所述蓄电池SOC值不小于所述第三SOC值时,所述并网变流器由强制整流模式切换至并网自由模式工作。
优选地,还包括下述步骤:
采样直流发电模块的输出功率以及所述直流母线上负载单元消耗的瞬时功率;
计算直流发电模块的输出功率与所述直流母线上负载单元消耗的瞬时功率之间的差值作为调节功率;
采用傅立叶变换方法处理所述调节功率,得到高频率的调节功率和低频率的调节功率;
根据所述低频率的调节功率,以及所述蓄电池充放电功率信息,计算得到所述调节参数,并将所述调节参数写入所述并网变流器。
实施本发明,具有如下有益效果:本发明提供的直流微电网系统及其控制方法,在并网变流器和第一DC/DC变换器之间通过一根数据通信线建立通信连接,同样不需要集中控制器,投资成本与传统分散式控制方式相差无几,比较低廉。第一DC/DC变换器将蓄电池SOC值以及蓄电池充放电功率信息输送至并网变流器,并网变流器可以根据蓄电池SOC值控制第一DC/DC变换器对蓄电池进行充放电,以调节蓄电池SOC值,放置蓄电池过充或者过放,延长蓄电池的使用寿命;并且,并网变流器还可以根据第一DC/DC变换器输送的蓄电池充放电功率信息调整自己的工作功率,可以快速使得直流母线的功率平衡,使得直流母线的供电电能质量得到显著改善。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是背景技术中直流微电网协调控制方式示意图。
图2是本发明提供的直流微电网系统的结构框图。
图3a、3b、3c分别是本发明提供的并网变流器在并网自由模式、强制逆变模式、强制整流模式下对应的微电网能量流动示意图。
图4是本发明提供的直流微电网系统的等效电路图。
图5是本发明提供的微电网控制系统的功率频谱图。
图6是本发明提供蓄电池SOC值划分示意图。
图7是本发明提供的储能单元的控制策略框图。
图8是本发明提供的并网变流器的控制策略框图。
图9a、9b分别是传统控制方法和本发明提供控制方法控制直流微电网工作时,负载单元突变时直流微电网的仿真运行结果图。
图10a、10b分别是传统控制方法和本发明提供控制方法控制直流微电网工作时,光伏模块输出功率突变时直流微电网的仿真运行结果图。
图11是本发明提供的并网变流器工作模式转换图。
图12a、12b是分别是传统控制方法和本发明提供控制方法控制直流微电网工作时,直流微电网稳态响应结果图。
具体实施方式
本发明提供一种直流微电网系统,如图2所示,该系统包含有:直流母线、并网变流器以及储能单元;其中,储能单元包含有:第一DC/DC变换器和蓄电池。
并网变流器的直流侧与直流母线电性连接,并网变流器的交流侧接入交流电网。
第一DC/DC变换器的一侧与直流母线电性连接,第一DC/DC变换器的另一侧与蓄电池电性连接,且第一DC/DC变换器还通过一条数据通信线与并网变流器通信连接。
第一DC/DC变换器用于将来自直流母线的直流电转化为电压大小符合蓄电池充电要求的直流电,并将电压大小符合蓄电池充电要求的直流电输送至蓄电池,给蓄电池充电,还用于将来自蓄电池的直流电转化为电压大小符合直流母线要求的直流电,并将电压大小符合直流母线要求的直流电输送至直流母线。
且第一DC/DC变换器还用于通过数据通信线实时向并网变流器输送蓄电池SOC值以及蓄电池充放电功率信息。
并网变流器用于根据蓄电池SOC(State of Charge,荷电状态)值,选择并网自由模式、强制逆变模式、强制整流模式三种工作模式中的一种工作模式执行工作,并网变流器还根据蓄电池充放电功率信息以及设定的调节参数,计算并网变流器功率并根据计算得到的并网变流器功率执行工作,使得直流母线的功率维持平衡。
其中,并网自由模式为并网变流器在将来自直流母线的直流电转化为交流电,并将转化得到的交流电输送至交流电网,且还将来自交流电网的交流电转化为直流电,并将转化得到的直流电输送至直流母线。
强制逆变模式为并网逆变器只将来自直流母线的直流电转化为交流电,并将转化得到的交流电输送至交流电网。
强制整流模式为并网逆变器只将来自交流电网的交流电转化为直流电,并将转化得到的直流电输送至直流母线。
直流微电网系统还包含有:直流发电模块。
直流发电模块用于发电并将发电产生的电能以直流电的形式输送至直流母线。
调节参数根据直流发电模块的输出功率、直流母线上负载单元消耗的瞬时功率以及蓄电池充放电功率信息计算得到。
储能单元还包含有:第二DC/DC变换器以及超级电容。
第二DC/DC变换器的一侧与直流母线电性连接,第二DC/DC变换器的另一侧与超级电容电性连接。
直流发电模块包含有:至少一个光伏模块以及至少一个第三DC/DC变换器。光伏模块为具有MPPT(Maximum Power Point Tracking,最大功率点跟踪)功能的光伏模块。
第三DC/DC变换器的一侧与直流母线电性连接,第三DC/DC变换器的另一侧与一个光伏模块电性连接。
光伏模块用于光伏发电,并将发电产生的直流电输送至第三DC/DC变换器。
第三DC/DC变换器,用于将来自光伏模块的直流电转化为电压大小符合直流母线要求的直流电,并将电压大小符合直流母线要求的直流电输送至直流母线。
直流微电网系统还包括多个负载单元和切载控制器,多个负载单元根据设定的重要程度分为重要负载单元和非重要负载单元。
非重要负载单元通过切载控制器与直流母线电性连接。切载控制器用于负责切断非重要负载单元与直流母线之间的电性连接关系。
本发明还提供一种直流微电网控制方法,应用于上述的直流微电网系统中,直流微电网控制方法包括下述步骤:
第一DC/DC变换器将蓄电池SOC值以及蓄电池的充放电功率信息输送至并网变流器;
并网变流器根据蓄电池SOC值,选择并网自由模式、强制逆变模式、强制整流模式三种工作模式中的一种工作模式执行工作,还根据蓄电池充放电功率信息以及设定的调节参数,计算并网变流器功率并根据计算得到的并网变流器功率执行工作,使得直流母线的功率维持平衡;这里,计算得到的并网变流器功率可以是蓄电池充放电功率与设定的调节参数的乘积;
其中,并网自由模式为并网变流器在将来自直流母线的直流电转化为交流电,并将转化得到的交流电输送至交流电网,且还将来自交流电网的交流电转化为直流电,并将转化得到的直流电输送至直流母线;
强制逆变模式为并网逆变器只将来自直流母线的直流电转化为交流电,并将转化得到的交流电输送至交流电网;
强制整流模式为并网逆变器只将来自交流电网的交流电转化为直流电,并将转化得到的直流电输送至直流母线。
并网变流器根据蓄电池SOC值,选择并网自由模式、强制逆变模式、强制整流模式三种工作模式中的一种工作模式执行工作,具体为:
并网变流器根据预设的且由大到小依次排序的第一SOC值、第二SOC值、第三SOC值以及第四SOC值,判断蓄电池SOC值大于第一SOC值时,并网变流器在强制逆变模式工作,直至蓄电池SOC值不大于第二SOC值时,并网变流器由强制逆变模式切换至并网自由模式工作;
当蓄电池SOC值小于第四SOC值时,并网变流器在强制整流模式工作,直至蓄电池SOC值不小于第三SOC值时,并网变流器由强制整流模式切换至并网自由模式工作。
直流微电网控制方法还包括下述步骤:
采样直流发电模块的输出功率以及直流母线上负载单元消耗的瞬时功率;
计算直流发电模块的输出功率与直流母线上负载单元消耗的瞬时功率之间的差值作为调节功率;
采用傅立叶变换方法处理调节功率,得到高频率的调节功率和低频率的调节功率;
根据低频率的调节功率,以及蓄电池充放电功率信息,并结合设定的算法,计算得到调节参数,并将调节参数写入并网变流器。
本发明提供的直流微电网系统的另一具体实施例如下:
改进的分散式控制方式下,直流微电网系统主要包括图2所示的多个光伏模块,由蓄电池和超级电容组成的储能单元,并网变流器,交流电网,直流的负载单元以及相对应的电力电子器件(例如,切载控制器)。
与传统分散式控制策略的微电网的结构相比,本发明提供的直流微电网系统在物理结构上多了一条连接蓄电池对的第一DC/DC变换器和并网变流器的通信线,同样不需要集中控制器,投资成本与传统分散式控制策略相差无几,比较低廉。
本系统的并网变流器有并网自由模式、强制逆变模式、强制整流模式三种工作模式,并网变流器不同工作模式下,微电网能量流动如图3a、3b、3c所示。
(1)直流微电网系统功率的合理分配
在改进的分散式控制策略中,微电网内部功率的调节单元主要是指蓄电池和超级电容组成的储能单元以及并网变流器,合理分配各单元的调节功率是提高微电网供电电能质量的关键。
首先,将直流微电网系统的电路结构进行简化,其等效电路模型如图4所示。由图4可知,直流微电网系统瞬时功率关系满足:
pp0(t)=pES(t)+pdc(t)+pL(t)+pinv(t);
其中,pp0(t)是光伏模块经过Boost转换器(即第三DC/DC变换器)的瞬时输出功率,pES(t)是由充放电电路(即第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器)传送给储能单元的瞬时功率,pdc(t)是直流母线电容存储的瞬时功率,pL(t)是负载单元消耗的瞬时功率,pinv(t)是通过并网变流器逆变到交流大电网的瞬时功率。
直流微电网系统并网运行时的功率可以分为不可控功率和可控功率,其中不可控功率主要包括光伏模块的输出功率以及负载单元消耗功率,可控功率主要包括储能单元充放电功率和并网变流器的调节功率。在直流微电网并网运行的等效电路中,由于直流母线电容比较大,在直流母线电压稳定时,其瞬时功率可以忽略,此时得到微电网控制系统瞬时功率关系为:
pp0(t)-pL(t)=pES(t)+pinv(t);
等号左侧是不可控功率部分,等号右侧是可控功率部分,其中储能单元吸收的功率包含蓄电池模块的吸收功率PB和超级电容模块的吸收功率PSC两部分,根据上式可以得到:
pp0(t)-pL(t)=pB(t)+pSC(t)+pinv(t);
将等号左侧功率部分进行傅里叶变换,可以得到微电网控制系统功率频谱图如图5所示,其中,fc表示蓄电池与并网变流器可以调节功率的最大频率。根据图5可以看出,微电网内部的功率主要是低频功率,高频功率含量极低。结合微电网各功率调节单元的特点,在改进的控制策略中,高频功率由超级电容调节,低频功率由并网变流器和蓄电池共同调节,这样做可以充分发挥超级电容响应速度快但是功率容量小的优点,减小蓄电池充放电频率,延长蓄电池使用寿命,防止蓄电池出现过充过放,保证微电网控制系统快速实现功率平衡。
(2)蓄电池和并网变流器联合调控策略设计
根据上述分析,蓄电池和并网变流器共同调节微电网内部的低频功率,为了保证直流微电网功率的实时平衡(也即是直流母线上的功率平衡),防止蓄电池出现过充或者过放的情况,必须对两者的联合调控策略进行合理地设计。
首先,将微电网控制系统的结构进行了改进,将蓄电池模块控制器(即第一DC/DC变换器)和并网变流器用数据通信线进行连接,将蓄电池的SOC值和功蓄电池充放电率信息传递给并网变流器,实现蓄电池和并网变流器单元的信息共享,方便两者对微电网低频功率进行联合调控。
其次,将蓄电池SOC值的范围划分为五个部分,具体划分方式如图6所示。其中,箭头表示蓄电池SOC值变化的方向,为了防止并网变流器工作模式的来回跳变,设置了简单的SOC滞环。当蓄电池SOC范围在第四SOC值SOLT和第一SOC值SOUT之间时,并网变流器工作于并网自由模式,蓄电池SOC值可以双向变化;当蓄电池SOC值范围高于第一SOC值SOUT时,并网变流器将工作于强制逆变模式,蓄电池SOC值只能单方向降低,当蓄电池SOC值降低到第二SOC值SIUT时,并网变流器将退出强制逆变模式,进入并网自由模式工作;当蓄电池SOC值低于第四SOC值SOLT时,并网变流器将工作于强制整流模式,蓄电池SOC值只能单方向升高,当蓄电池SOC值升高到第三SOC值SILT时,并网变流器退出强制整流模式,进入并网自由模式工作。
通过以上控制,可以将蓄电池SOC值和并网变流器的控制信息结合起来,实现蓄电池和并网变流器对低频功率的联合调控,有利于快速实现微电网控制系统的功率平衡;直流母线电压始终由储能单元控制并保持基本恒定,不再需要划分直流母线电压工作层区和来回切换直流母线电压控制单元,减小了直流母线电压的瞬时波动,提高了直流母线电压精度;蓄电池的SOC值信息通过数据通信线传输到并网变流器,并网变流器根据蓄电池SOC值信息转换工作模式,进而调节直流微电网与交流大电网的交换功率大小,从而保证蓄电池SOC值始终在第四SOC值SOLT和第一SOC值SOUT之间,防止蓄电池出现过充过放。
(3)直流微电网子系统控制策略的设计
直流微电网的子系统主要包括光伏模块、储能单元和并网变流器,其中,储能单元和并网变流器控制策略的设计是实现上述控制策略的关键,光伏模块主要工作于MPPT模式,在此不做介绍。
储能单元的控制策略框图如图7所示,其中,Vdc *和Vdc分别是直流母线电压的给定值和检测值,IES *是储能单元的电流给定值,IB *和IB分别是蓄电池模块电流的给定值和电流检测值,ISC *和ISC分别是超级电容模块电流的给定值和电流检测值,LPF1是应用于储能单元的低通滤波器。
在本系统中,并网变流器采用单相并网变流器,其控制框图如图8所示。并网变流器单元控制器主要包括工作模式选择单元和参考电流产生单元。
(4)实施例仿真验证
为进一步验证本控制方法的有效性,利用MATLAB/Simulink(MATLAB中的一种可视化仿真工具)进行了仿真验证。为了方便仿真实验地进行,以及验证控制策略的有效性,选用了两个光伏模块代表多个光伏模块,将蓄电池容量SOC值分层参数进行缩小,主要实验参数见表1。
表1
负载单元突变时,运用传统控制方法和本文提出的控制方法,直流微电网运行仿真结果分别如图9a、9b所示。从图9a、9b中可以看出,初始时刻光伏模块输出功率为4650W,短时间内保持不变;当负载单元消耗功率由2500W突然增长到8000W(满载)左右,即从PPV>PL突变到PPV<PL时,通过虚线部分可以看到,此时交流电网电流方向发生改变,则并网变流器由逆变模式转换到整流模式。比较仿真结果可以看到,应用传统的控制方法,直流母线电压瞬时波动超过8V,交流电网电流发生严重畸变,交流电网谐波增加严重,电能质量急剧下降;而利用改进方法后,在负载单元突变发生时,直流母线电压瞬时波动幅度不超过2V,直流母线电压抗干扰能力明显高于传统控制方法,交流电网电流畸变很小,供电电能质量远远高于传统方法。
光伏模块输出突变情况和负载单元突变情况类似,运用传统控制方法和本发明提出的控制方法,在光伏输出功率发生突变时,直流微电网运行仿真结果分别如图10a、10b所示。
从图10a、10b中可以看出,初始时刻负载消耗功率为4650W,短时间内保持不变,当光伏模块输出功率由7500W突然增长到3500W左右,即从PPV>PL突变到PPV<PL时,通过虚线部分可以看出,利用改进的控制方法,直流母线电压瞬时波动和交流电网谐波远远小于传统方法,电能质量显著改善。
结合图9a、9b和图10a、10b的结果可以看出,当负载单元突变和光伏模块输出突变时,利用改进的控制方法,直流微电网的直流母线电压的波动幅度明显减小,交流电网电流的波形质量都得到大幅度改善,直流微电网系统的供电电能质量大大提高,暂态响应良好。
直流微电网稳态运行主要是指系统长时间的运行状况,直流微电网并网稳态运行时,根据蓄电池SOC值的大小,并网变流器单元主要工作于如图11所示的状态中。因此,直流微电网稳态运行时,只需考虑以下两种情况:
情况一:并网变流器由并网自由模式到强制逆变模式再到并网自由模式;
情况二:并网变流器由并网自由模式到强制整流模式再到并网自由模式。
直流微电网情况一和情况二的稳态运行仿真结果如图12b所示。直流微电网稳态运行时,光伏模块输出功率随着光照和温度的变化而不断变化,负载单元消耗功率也会不断变化。
从图12a、12b可以看出,利用本发明出的方案,直流微电网稳态运行时,直流母线电压幅度最大波动不会超过1%,光伏模块输出功率和负载单元消耗功率的突变对直流母线电压的稳定影响很小,直流母线电压抗扰动性能较好;蓄电池SOC值始终能够保持在合理范围内,不会出现过充过放;与直流微电网连接的交流大电网电流波形质量良好。直流微电网系统的供电电能质量良好,符合供电要求。
综上所述,本发明提供的直流微电网系统及其控制方法,在并网变流器和第一DC/DC变换器之间通过一根数据通信线建立通信连接,同样不需要集中控制器,投资成本与传统分散式控制方式相差无几,比较低廉。第一DC/DC变换器将蓄电池SOC值以及蓄电池充放电功率信息输送至并网变流器,并网变流器可以根据蓄电池SOC值控制第一DC/DC变换器对蓄电池进行充放电,以调节蓄电池SOC值,放置蓄电池过充或者过放,延长蓄电池的使用寿命;并且,并网变流器还可以根据第一DC/DC变换器输送的蓄电池充放电功率信息调整自己的工作功率,可以快速使得直流母线的功率平衡,使得直流母线的供电电能质量得到显著改善。
本发明中,光伏模块全部工作于MPPT模式,直流母线电压不再由并网变流器来控制,而是完全由储能单元来控制;并网变流器可以工作于强制逆变模式、强制整流模式和并网自由模式,其工作模式的改变主要依据蓄电池SOC值的变化。储能单元包括蓄电池和超级电容,直流微电网系统内部的高频功率由超级电容调节,可以减小蓄电池充放电频率,延长蓄电池使用寿命;直流微电网系统内部的低频功率由蓄电池和并网变流器单元共同调节,可以减少储能单元因为控制直流母线电压而承担的大量功率,防止蓄电池出现过充过放,保证微电网系统快速实现功率平衡。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种直流微电网系统,其特征在于,包含有:直流母线、并网变流器以及储能单元;其中,所述储能单元包含有:第一DC/DC变换器和蓄电池;
所述并网变流器的直流侧与所述直流母线电性连接,所述并网变流器的交流侧接入交流电网;
所述第一DC/DC变换器的一侧与所述直流母线电性连接,所述第一DC/DC变换器的另一侧与所述蓄电池电性连接,且所述第一DC/DC变换器还通过一条数据通信线与所述并网变流器通信连接;
所述第一DC/DC变换器,用于将来自所述直流母线的直流电转化为电压大小符合所述蓄电池充电要求的直流电,并将所述电压大小符合所述蓄电池充电要求的直流电输送至所述蓄电池,给所述蓄电池充电,还用于将来自所述蓄电池的直流电转化为电压大小符合所述直流母线要求的直流电,并将所述电压大小符合所述直流母线要求的直流电输送至所述直流母线;
且所述第一DC/DC变换器,还用于通过所述数据通信线向所述并网变流器输送所述蓄电池SOC值以及蓄电池充放电功率信息;
所述并网变流器,用于根据所述蓄电池SOC值,选择并网自由模式、强制逆变模式、强制整流模式三种工作模式中的一种工作模式执行工作,还根据所述蓄电池充放电功率信息以及设定的调节参数,计算并网变流器功率并根据计算得到的并网变流器功率执行工作,使得所述直流母线的功率维持平衡;其中,通过采样直流发电模块的输出功率以及所述直流母线上负载单元消耗的瞬时功率,计算直流发电模块的输出功率与所述直流母线上负载单元消耗的瞬时功率之间的差值作为调节功率;并采用傅立叶变换方法处理所述调节功率,得到低频率的调节功率;根据所述低频率的调节功率,以及所述蓄电池充放电功率信息,计算得到所述调节参数,并将所述调节参数写入所述并网变流器;
其中,所述并网自由模式为所述并网变流器在将来自所述直流母线的直流电转化为交流电,并将转化得到的交流电输送至所述交流电网,且还将来自所述交流电网的交流电转化为直流电,并将转化得到的直流电输送至所述直流母线;
所述强制逆变模式为所述并网变流器 只将来自所述直流母线的直流电转化为交流电,并将转化得到的交流电输送至所述交流电网;
所述强制整流模式为所述并网变流器 只将来自所述交流电网的交流电转化为直流电,并将转化得到的直流电输送至所述直流母线。
2.根据权利要求1所述的直流微电网系统,其特征在于,还包含有:直流发电模块;
所述直流发电模块,用于发电并将发电产生的电能以直流电的形式输送至所述直流母线。
3.根据权利要求2所述的直流微电网系统,其特征在于,所述调节参数根据所述直流发电模块的输出功率、所述直流母线上负载单元消耗的瞬时功率以及所述蓄电池充放电功率信息计算得到。
4.根据权利要求2所述的直流微电网系统,其特征在于,所述储能单元还包含有:第二DC/DC变换器以及超级电容;
所述第二DC/DC变换器的一侧与所述直流母线电性连接,所述第二DC/DC变换器的另一侧与所述超级电容电性连接。
5.根据权利要求4所述的直流微电网系统,其特征在于,所述直流发电模块包含有:
至少一个光伏模块以及至少一个第三DC/DC变换器;
所述第三DC/DC变换器的一侧与所述直流母线电性连接,所述第三DC/DC变换器的另一侧与一个所述光伏模块电性连接;
所述光伏模块,用于光伏发电,并将发电产生的直流电输送至所述第三DC/DC变换器;
所述第三DC/DC变换器,用于将来自所述光伏模块的直流电转化为电压大小符合所述直流母线要求的直流电,并将所述电压大小符合所述直流母线要求的直流电输送至所述直流母线。
6.根据权利要求5所述的直流微电网系统,其特征在于,所述光伏模块为具有MPPT功能的光伏模块。
7.根据权利要求5所述的直流微电网系统,其特征在于,还包括多个负载单元和切载控制器,所述多个负载单元根据设定的重要程度分为重要负载单元和非重要负载单元;所述非重要负载单元通过所述切载控制器与所述直流母线电性连接。
8.一种直流微电网控制方法,其特征在于,应用于权利要求1~7任一项所述的直流微电网系统中,所述直流微电网控制方法包括下述步骤:
第一DC/DC变换器将蓄电池SOC值以及蓄电池的充放电功率信息输送至并网变流器;
所述并网变流器根据所述蓄电池SOC值,选择并网自由模式、强制逆变模式、强制整流模式三种工作模式中的一种工作模式执行工作,还根据所述蓄电池充放电功率信息以及设定的调节参数,计算并网变流器功率并根据计算得到的并网变流器功率执行工作,使得直流母线的功率维持平衡;其中,采样直流发电模块的输出功率以及所述直流母线上负载单元消耗的瞬时功率;计算直流发电模块的输出功率与所述直流母线上负载单元消耗的瞬时功率之间的差值作为调节功率;采用傅立叶变换方法处理所述调节功率,得到低频率的调节功率;根据所述低频率的调节功率,以及所述蓄电池充放电功率信息,计算得到所述调节参数,并将所述调节参数写入所述并网变流器;
其中,所述并网自由模式为所述并网变流器在将来自所述直流母线的直流电转化为交流电,并将转化得到的交流电输送至交流电网,且还将来自所述交流电网的交流电转化为直流电,并将转化得到的直流电输送至所述直流母线;
所述强制逆变模式为所述并网变流器 只将来自所述直流母线的直流电转化为交流电,并将转化得到的交流电输送至所述交流电网;
所述强制整流模式为所述并网变流器 只将来自所述交流电网的交流电转化为直流电,并将转化得到的直流电输送至所述直流母线。
9.根据权利要求8所述的直流微电网控制方法,其特征在于,所述并网变流器根据所述蓄电池SOC值,选择并网自由模式、强制逆变模式、强制整流模式三种工作模式中的一种工作模式执行工作,具体为:
所述并网变流器根据预设的且由大到小依次排序的第一SOC值、第二SOC值、第三SOC值以及第四SOC值,判断所述蓄电池SOC值大于所述第一SOC值时,所述并网变流器在强制逆变模式工作,直至所述蓄电池SOC值不大于所述第二SOC值时,所述并网变流器由强制逆变模式切换至并网自由模式工作;
当所述蓄电池SOC值小于所述第四SOC值时,所述并网变流器在强制整流模式工作,直至所述蓄电池SOC值不小于所述第三SOC值时,所述并网变流器由强制整流模式切换至并网自由模式工作。
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