CN109347131A - 一种具备单极运行功能的分布式双极直流系统结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具备单极运行功能的分布式双极直流系统结构，包括互联变换器以及电源与负载，根据电源与负载所接的母线区域将其划分为PZ、ZN和PN区，PZ区包括连接在正极性母线与地线间的电源与负载；ZN区包括连接在地线与负极性母线间的电源与负载；PN区包括连接在正极性母线与负极性母线的电源与负载；互联变换器与P、Z、N三条母线相连，用于PZ、ZN区之间功率均衡控制。本发明提供两种电压等级，不同额定电压组件灵活接入；新增电压控制单元和内联变换器，在两个子微电网之间进行功率交换又能独立调节各自的电压，使系统在一条母线故障时能单极运行；降低正负极母线的对地电压等级；加入能量管理，延长电池寿命。

Description

一种具备单极运行功能的分布式双极直流系统结构

技术领域

本发明涉及分布式可接入直流配网领域与直流微网领域，尤其涉及到一种具备单极运行功能的分布式双极直流系统结构。

背景技术

随着可再生能源与电力电子技术的迅猛发展，用户对配电网节能性、可靠性和电能质量的要求日益提高。传统的交流配电网需要面对来自新能源接入、用电需求多样化以及电能质量稳定性、高效性和经济性的众多挑战。传统的交流配电网存在固有的三相不平衡、电网谐波、电压波动、频率波动等电能质量问题；且交流输电存在无功损耗，通过无功补偿来减少损耗会增加系统成本。

直流配网能够有效解决交流配电带来的电能质量问题，满足对电能质量有较高要求的高新产业。在风能、太阳能等新能源大规模投入应用的今天，分布式电源或储能元件要并入交流电网需要经过复杂的DC-AC变换或者AC-DC-AC变换；直流配网情况下，实现分布式能源接入需要的电力电子换流器结构相对简单，在减少系统损耗的同时，也能降低新能源并网运行的成本和控制复杂程度，有利于充分发挥分布式能源网的优势。与分布式新能源类似，直流负载接入交流电网时也需要将交流电变换成直流电，直流配电网中则能规避这类电能变换问题，减少电压转换级数，增大电网效率的同时降低系统造价。

直流配电系统主要有两种形式：单极性配电和双极性配电。与单极性系统相比，双极性直流配网系统在正负极之间增加了一条接地母线。使得相同传输电压条件下正负极母线对地电压变为单极性系统的一半。母线对地电压等级的降低，能够降低系统绝缘成本，提高了系统的安全性。此外，双极性系统提供了多种电压等级，使不同电压等级的分布式电源和负载可以灵活接入，减少了电压等级变换所需的电力电子变换器。

图1所示为传统的P-N型分布式双极性直流配电系统。系统正负极之间的总电压由独立电压源调节。电压均衡器(VB)用于实现正极对地以及负极对地电压平衡控制。该系统缺点在于正负极电压之间相互依存的，当一极线路母线发生故障时，另一条线路也会停止工作。系统不具备单极独立运行能力，这是传统的双极性直流系统存在的局限性。

现有技术中，有采用单极性的风电直流微网系统，分析了风电直流微网的结构和不同运行模式，并提出了对直流电压的分层控制策略，比较了各层控制下各端电力电子变流器的控制方式。最后，基于matlab/Simulink建立了系统模型，在不同运行模式下对负荷变化、电网故障、蓄电池达到限定值等情况进行了仿真研究。但单极性直流微网的电压级数有限，并入其中的分布式电源和负荷需要经过电压变换，增加了系统的冗余程度。

此外，已有的分布式双极性直流系统中的电压控制策略，结合了模糊控制和增益调节控制技术，来让连接在母线上的分布式电源实现功率共享和能量平衡。但除了正负极之间用一个电压均衡器来保持母线电压稳定之外，每个储能装置都接有一个电压均衡器来调节各自的端口电压。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种具备单极运行功能的分布式双极直流系统结构。本发明让正负极两条母线分别与地线构成可以独立运行的子直流微网。正负极的之间功率交互通过一个连接P、Z、N三条母线的互联变换器(IC)实现。基于上述系统结构，设计系统控制策略，在平衡正负极电压的同时实现对两个子微电网中的储能组件(ESS)的电能管理。

本发明是根据以下技术方案实现的：

一种具备单极运行功能的分布式双极直流系统结构，其特征在于，包括互联变换器以及电源与负载，其中根据电源与负载所接的母线区域将其划分为PZ区、ZN区和PN区，其中PZ区包括连接在正极性母线与地线间所有电源与负载；ZN区包括连接在地线与负极性母线间所有电源与负载；PN区包括连接在正极性母线与负极性母线的所有电源与负载；互联变换器同时与P、Z、N三条母线相连，用于PZ区、ZN区之间功率均衡控制。

上述技术方案中，PZ和ZN的电压由对应区的储能装置控制，两个储能组件的输出电流用P母线和N母线处的KCL定理确定：

其中I_pn、I_pz和I_zn是等效负载电流；i_G是来自公共电网的电流，由能量管理系统决定；i_p与i_n为为电压均衡器输出电流，根据能量守恒定律，i_p与i_n之间存在关联，互联变换器等效建模为受控电流源，给定i_p，系统的电流关系唯一确定，如式(2)：

i_p的实际值跟能量管理策略有关，实现PZ区和ZN区的储能组件充放电保持平衡；由于v_pn和v_zn近似相等，上述控制目标表示为：

i_ps＝i_ns (3)

由(1)-(3)式得到双极系统中基本功率关系。

上述技术方案中，所述互联变换器包括第一级控制层和第二级控制层，所述第一级控制层实现正负两极功率均衡调节和互联变换器自主运行和PZ子微电网以及ZN子微电网的功率共享；所述第二级控制层用于均衡考虑了线路电阻影响的两个子微电网中储能组件的SOC能量管理，保证PZ区和ZN区的储能装置不会过充电或过放电。

上述技术方案中，第一级控制层中的PZ子微电网和ZN子微电网的母线电压v_pz,v_zn和储能组件输出功率p_pz,p_zn之间的关系由以下公式给出：

其中V₀是空载时的P/Z和Z/N母线电压,k_pz,k_zn为储能元件输出下垂系数，p_pz,p_zn为储能输出功率；

在下垂系数k_pz,k_zn和子微电网中每个储能组件的功率容量P_PZ ^*,P_ZN ^*成反比的情况下，即：

如果控制电压v_PZ和v_ZN相等，互联变换器能保证正负极上相连的两个储能组件输出功率按照下垂系数分配，通过选择合适的下垂参数以及通过控制v_PZ和v_ZN相等来达到PZ和ZN子微电网之间的功率共享。

上述技术方案中，第二级控制层中，为补偿线路电阻效应和参数差异，将PZ子微电网和ZN子微电网中储能组件的SOC作为反馈信息，用于生成互联变换器的补偿输出功率指令P_compen，SOC和输出电流的关系用基本库仑计数法描述为：

其中v_b是储能组件的输出电压，C_e是储能组件的额定容量，p_b是储能组件的充放电功率，设定PZ子微电网中的储能P_b包括PZ区的负载或电源功率、PZ区的负载或电源功率、互联变换器转移过来的功率，如式7所示：

各储能装置SOC和通过互联变换器传递的功率之间的关系由式(6)和(7)组合得出，PZ子微电网中储能组件的SOC通过互联变换器给定的功率参考值来调节。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的P-Z-N型分布式双极性直流系统提供了两种电压等级，方便不同额定电压的分布式组件灵活接入；本发明新增了电压控制单元和内联变换器，在两个子微电网之间进行功率交换的同时又能独立调节各自的电压，使系统在一条母线故障时能单极性运行，增强了系统的可靠性；本发明增加的一条接地母线可以降低正负极母线的对地电压等级，减少了系统的绝缘维护成本。

此外，本发明在控制策略中加入对正负极储能系统的能量管理，保证储能组件荷电状态一致，不会出现一方过充电或过放电的情况，能延长电池寿命；本发明的设计方案兼具实用性和经济性，对于未来大规模直流配电网的开发建设具有潜在工程应用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为P-N分布式双极性直流系统结构示意图；

图2为P-Z-N分布式双极性直流系统结构示意图；

图3为P-Z-N分布式系统的等效电路示意图；

图4为PZ子微电网和ZN子微电网的下垂控制示意图；

图5为内联变换器的双层级控制框图；

图6为实施例中的P-Z-N分布式双极性直流系统示意图；

图7为P-Z-N系统无IC操作示意图；

图8为IC主控制层性能示意图；

图9为IC二级控制层性能示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明中在双极型直流微网的两个区域PZ和ZN中均设置了电压控制单元，保证两个区域均具有独立调节电压的能力，可以作为子微电网单独运行。而这两个子微电网之间并非完全独立，连接在PN母线之间的负载或电源将带来功率耦合。这个双极性系统可以看成是由两个子微电网PZ和ZN互联而成，故称之为P-Z-N型分布式双极性直流系统。为实现来完成两个子微电网之间的电力交换，引入了互联变换器，实现两个区域的功率平衡，同时调节储能组件的荷电状态(SOC)一致。

本发明与原有P-N型双极直流微网相比，每个PZ和ZN子微网中电压能够实现单独调节。考虑到PZ子微网和ZN子微网中所连接的负载和分布式电源的不平衡，本发明中增设一个互联变换器来均衡两子微网间功率。互联变换器控制策略的第一级控制层的控制目标是实现互联变换器自主运行和PZ子微电网和ZN子微电网的功率共享。控制策略中的二级控制用于维持两个储能装置的SOC平衡，从而保证PZ区和ZN区的储能装置不会过充电或过放电。

本发明提出的P-Z-N型分布式双极性直流系统的拓扑结构如图2所示。本发明的一种单极运行的分布式双极直流系统结构，包括互联变换器以及电源与负载，其中根据各组件所接的母线将其划分为PZ区、ZN区和PN区，其中PZ区中接入一个或多个可再生能源模块和储能装置；ZN区接入一个或多个储能装置和负载；PN区接入一个或多个通用负荷；互联变换器与P、Z、N三条母线相连，所述互联变换器均衡两子微网间功率。为便于分析，不区分并网模式和孤岛模式，该系统中电压控制由储能装置实现。在并网模式的稳态分析中，公共电网的接口可以等效视为电流源。

P-Z-N系统中，PZ和ZN的电压由对应区的储能装置控制，两个储能组件的输出电流可以用P母线和N母线的KCL定理确定：

其中I_pn、I_pz和I_nz是等效负载电流，i_G是来自公共电网的潮流，由能量管理策略决定；给定i_p，根据能量守恒定律推导出i_n。因此，互联变换器建模为受控电流源；

P-Z-N系统的等效电路如图3所示；给定i_p，系统的电流关系唯一确定，如式(2)：

I_p的实际值跟能量管理策略有关，使得PZ区和ZN区的储能组件充放电保持平衡；由于v_pn和v_zn近似相等，上述控制目标表示为：

i_ps＝i_ns (3)

由(1)-(3)式得到双极系统中基本功率关系。

本发明的互联变换器包括第一级控制层和第二级控制层，所述第一级控制层实现正负两极功率均衡调节和互联变换器自主运行和PZ子微电网以及ZN子微电网的功率共享；所述第二级控制层用于均衡考虑了线路电阻影响的两个子微电网中储能组件的SOC能量管理，保证PZ区和ZN区的储能装置不会过充电或过放电。

第一级控制层的控制目标是保证互联变换器能够自主运行并均衡PZ子微网和ZN子微网的储能组件之间的功率。下垂控制经常被用于多电压源并联运行，具有不需要高速通信的优点。在这里采用下垂控制来调节PZ子微电网和ZN子微电网的电压。忽略了线路电阻的影响后，第一级控制层中的PZ子微电网和ZN子微电网的母线电压和储能组件输出电压之间的关系如图4所示。子微电网的母线电压由以下公式给出：

其中V₀是空载时的P/Z和Z/N母线电压,k_pz,k_zn为储能元件输出下垂系数，p_pz,p_zn为储能输出功率；

在下垂系数k_pz,k_zn和子微电网中每个储能组件的功率容量P_PZ ^*,P_ZN ^*成反比的情况下，即：

如果控制电压v_PZ和v_ZN相等，互联变换器能保证正负极上相连的两个储能组件输出功率按照下垂系数分配，通过选择合适的下垂参数以及通过控制v_PZ和v_ZN相等来达到PZ和ZN子微电网之间的功率共享。

在上述分析中，没有考虑线路电阻的影响。实际系统中，由于线路电阻的存在，直流母线电压v_PZ和v_ZN会沿线路变化，不能作为储能组件输出功率的精确指标。仅仅依赖于控制互联变换器接口处v_PZ和v_ZN电压相等，会导致PZ和ZN子微电网中的储能组件过充电或过放电。除了线路电阻所引起的功率不均衡影响外，实际储能设备参数差异也会导致储能组件的充放电不平衡，从而造成一方过充电或过放电。储能组件的过充电或过放电会使电池正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量产生明显减少，缩短使用寿命。为了解决这个问题，本发明提出了互联变换器的第二级控制。

其中，第二级控制层中，为补偿线路电阻效应和参数差异，将PZ子微电网和ZN子微电网中储能组件的SOC作为反馈信息，用于生成互联变换器的补偿输出功率指令P_compen，SOC和输出电流的关系用基本库仑计数法描述为：

其中v_b是储能组件的输出电压，C_e是储能组件的额定容量，p_b是储能组件的充放电功率，设定PZ子微电网中的储能P_b包括PZ区的负载或电源功率、PZ区的负载或电源功率、互联变换器转移过来的功率，如式7所示：

各储能装置SOC和通过互联变换器传递的功率之间的关系由式(6)和(7)组合得出，PZ子微电网中储能组件的SOC通过互联变换器给定的功率参考值来调节。

互联变换器的具体控制框图如图5所示。P₁控制器用于平衡SOC；PI₂控制器用作功率平衡，PI₃控制器用于生成占空比。PI的参数设计模型由式(6)、(7)给出。PI₂和PI₃用于互联变换器的功率调节，其参数可以通过对选定变换器进行小信号建模来设计。

本发明通过一个具体实施例来说明本发明的技术方案，其中，P-Z-N系统如图6所示。PZ区和ZN区中均有基于储能组件的电压调节单元，由互联变换器(IC)实现PZ区和ZN区功率交换。PZ区接入可再生能源，ZN区和PN区分别接入负载R_zn和R_pn。两个子微电网之间的分布式电源和负载不平衡。系统具体参数如下：V_pz＝V_zn＝48V，C₁＝C₂＝2mF，L＝1mH，线路电阻r₁＝r₂＝0.001Ω，r₃＝0.005Ω；储能组件容量C_e＝0.2Ah；P₁调节器系数为500；PI₂调节器系数为k_p＝1，k_i＝500；PI₃调节器系数为k_p＝0.02，k_i＝10。

为分别验证P-Z-N系统结构，互联变换器第一层控制与互联变换器第二层控制，下述仿真仿真过程分为三组工况。在t＝0～1.5s时，仅PZ与ZN子微网中电压调控单元运行，测试母线电压自主调节能力。t＝1.5～2.5s时，互联变换器的第一层控制启动，验证PZ和ZN子微网运行功能。t＝1.5～2.5s时，互联变换器第二层级控制启动即SOC管理和功率补偿，验证系统中SOC储能管理作用。

A.工况一：无互联变换器时的P-Z-N系统自主运行

如图7所示，P-Z-N系统中，PZ和ZN区都具有独立调节电压的能力。母线电压能通过下垂控制来调节，当投入负载或电源时，与之相连的母线电压会有所降低，而另一极母线电压和电流则不受影响。由于连接在PZ和ZN区的电源和负载不平衡，i_ns和i_ps之间存在较大差异，双极性系统的总能量没有得到良好的利用。

B.情况二：投入带主控制层的互联变换器

为了实现PZ和ZN子微电网之间的相互电力支持，具有主控制层的互联变换器在1.5s时投入运行。如图8所示，PZ和ZN区中的储能组件输出功率基本平衡。

尽管在互联变换器接口处控制v_{p_IC}和v_{n_IC}相等，但由于线路电阻效应，v_PZ和v_ZN之间、i_ns和i_ps之间还是存在一定差异。如果不加控制，这将会导致其中一个储能组件过充电或过放电。

C.情况三：投入带功率共享和SOC管理的互联变换器

互联变换器的第二级控制层用于平衡SOC和补偿不平衡功率。PZ和ZN的SOC初始值设定为0.797和0.781。如图9所示，在2.5s之前，只有互联变换器的主控制层工作，我们可以观察到不平衡电流的产生。随后第二级控制层开始工作，SOC的差异减小。此外，输出电流偏差也得到了补偿。

本发明为双极性系统提供单极运行的能力，当一极发生故障时，另一极也能维持供电；当用于稳定正负极之间电压的电压控制单元发生故障时，两个子微电网也能根据各自的电压控制单元的调节，保持各母线的电压稳定运行。从而提升系统的供电可靠性。

本发明在两个子微电网中的储能组件之间通过互联变换器(IC)实现功率交换，能有效避免因系统参数不平衡和负载不平衡造成的一个储能组件过充电或过放电现象，延长了储能组件寿命。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种具备单极运行功能的分布式双极直流系统结构，其特征在于，包括互联变换器以及电源与负载，其中根据电源与负载所接的母线区域将其划分为PZ区、ZN区和PN区，其中PZ区包括连接在正极性母线与地线间所有电源与负载；ZN区包括连接在地线与负极性母线间所有电源与负载；PN区包括连接在正极性母线与负极性母线的所有电源与负载；互联变换器同时与P、Z、N三条母线相连，用于PZ区、ZN区之间功率均衡控制。

2.根据权利要求1所述的一种具备单极运行功能的分布式双极直流系统结构，其特征在于，PZ区和ZN区的电压由对应区的储能装置控制，两个储能组件的输出电流用P母线和N母线处的KCL定理确定：

其中I_pn、I_pz和I_zn是等效负载电流；i_G是来自公共电网的电流，由能量管理策略决定；i_p与i_n为为电压均衡器输出电流，根据能量守恒定律，i_p与i_n之间存在关联，互联变换器等效建模为受控电流源，给定i_p，系统的电流关系唯一确定，如式(2)：

i_p的实际值跟能量管理策略有关，实现PZ区和ZN区的储能组件充放电保持平衡；由于v_pn和v_zn近似相等，上述控制目标表示为：

i_ps＝i_ns (3)

由(1)-(3)式得到双极系统中基本功率关系。

3.根据权利要求2所述的一种具备单极运行功能的分布式双极直流系统结构，其特征在于，所述互联变换器包括第一级控制层和第二级控制层，所述第一级控制层实现正负两极功率均衡调节和互联变换器自主运行和PZ子微电网以及ZN子微电网的功率共享；所述第二级控制层用于均衡考虑了线路电阻影响的两个子微电网中储能组件的SOC能量管理，保证PZ区和ZN区的储能装置不会过充电或过放电。

4.根据权利要求3所述的一种具备单极运行功能的分布式双极直流系统结构，其特征在于，第一级控制层中的PZ子微电网和ZN子微电网的母线电压v_pz,v_zn和储能组件输出功率p_pz,p_zn之间的关系由以下公式给出：

其中V₀是空载时的P/Z和Z/N母线电压,k_pz,k_zn为储能元件输出下垂系数，p_pz,p_zn为储能输出功率；

在下垂系数k_pz,k_zn和子微电网中每个储能组件的功率容量P_PZ ^*,P_ZN ^*成反比的情况下，即：

如果控制电压v_PZ和v_ZN相等，互联变换器能保证正负极上相连的两个储能组件输出功率按照下垂系数分配，通过选择合适的下垂参数以及通过控制v_PZ和v_ZN相等来达到PZ和ZN子微电网之间的功率共享。

5.根据权利要求3所述的一种具备单极运行功能的分布式双极直流系统结构，其特征在于，第二级控制层中，为补偿线路电阻效应和参数差异，将PZ子微电网和ZN子微电网中储能组件的SOC作为反馈信息，用于生成互联变换器的补偿输出功率指令P_compen，SOC和输出电流的关系用基本库仑计数法描述为：

其中v_b是储能组件的输出电压，C_e是储能组件的额定容量，p_b是储能组件的充放电功率，设定PZ子微电网中的储能P_b包括PZ区的负载或电源功率、PZ区的负载或电源功率、互联变换器转移过来的功率，如式7所示：

各储能装置SOC和通过互联变换器传递的功率之间的关系由式(6)和(7)组合得出，PZ子微电网中储能组件的SOC通过互联变换器给定的功率参考值来调节。