CN109494789A - 一种能量管理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能量管理方法及系统，具体为，将储能装置通过双有源桥变换器DAB并联在直流母线两端，在boost电路与DAB电路并联的直流微网上，采用下垂控制来维持直流母线电压稳定，并将下垂控制与集中控制相结合，当功率缺额过大时，由集中控制器根据下垂曲线偏差计算出所差的功率，再由储能进行补偿这部分功率缺额，从而使电压恢复稳定。本发明使用下垂控制来维持直流母线电压稳定，不仅可以实现分布式控制，减少对于通信线路的要求，分布式电源还可以根据母线电压的变化自主增发或减少出力。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量管理方法及系统，属于微电网的协调控制及能量管理技术领域。
背景技术
随着各种新能源的不断渗透以及对于发电领域的环保要求，对于微电网的研究正如火如荼。微电网可以说是一个小型的复杂独立电力系统，在某一个时间尺度下，可以脱离大电网孤岛运行；在必要时，也可以并网运行，对大电网形成一定的支撑作用。因此，对于微电网的研究很有现实意义，不仅可以解决分布式能源出力间隙不稳定的缺点，也可以进一步提升电网稳定性。微电网中有着各种电力电子变换器，各种分布式新能源，以及储能，负载等等，所以对于微电网的全局协调控制是相对复杂的，主要包括以下几个方面：1.一般需要一个出力源来稳定直流母线电压，若直接由储能来稳定直流母线电压，则储能要一直与母线进行能量交换，这势必造成更大的损耗，且对储能的有效寿命造成影响；若由分布式电源稳定直流母线电压，一般分布式电源工作在最大功率输出状态，若进入稳压状态，会造成一定的功率损失；2.微电网中由于分布式电源的固有特性，整个能量的变化是实时的，因而每时每刻都要进行能量管理，这就需要整个微电网系统有一个综合能量管理体系，但是集中式的管理对于通讯的要求又会降低系统的可靠性。因此，如何在经济性与可靠性的条件下，提出一种适当的能量管理策略是当前的一个研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于计算下垂曲线偏差的能量管理方法，采用下垂控制来维持直流母线电压稳定，并将下垂控制与集中控制相结合，当功率缺额过大时，由集中控制器根据下垂曲线偏差计算出所差的功率，再由储能进行补偿这部分功率缺额，从而使电压恢复稳定。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种能量管理方法，包括以下步骤：
1)采用下垂控制的方式控制直流母线电压；
2)集中式能量控制器EMS实时采集直流母线电压Vdc以及系统当前功率，判断Vdc是否偏离阈值范围，如果在阈值范围内，则集中式能量控制器EMS输出闭锁信号1，储能装置不接入运行，集中式能量控制器EMS继续采集并判断直流母线电压Vdc；若偏离阈值范围，则集中式能量控制器EMS输出闭锁信号0，然后转入下一步；
3)集中式能量控制器EMS基于下垂曲线计算功率偏差，并计算补偿功率偏差所需的双有源桥变换器DAB充放电电流参考值；
4)根据所述充放电电流参考值，进行能量吸收或补偿。
前述的储能装置通过双有源桥变换器DAB并联在直流母线两端。
前述的闭锁信号为1表示不需要闭锁，闭锁信号为0，表示需要闭锁。
前述的下垂曲线表示功率与电压的线性关系；所述下垂曲线是一条预设好工作点的直线。
前述的功率偏差的计算方式为：获取当前时刻检测到的直流母线电压U1与预设的额定工作点电压Uref-rat，计算得到电压偏差ΔU，根据下垂曲线得到两点所对应的功率值P1和Pref-rat，进而计算得到功率偏差ΔP。
前述的双有源桥变换器DAB充放电电流参考值的计算方式为：
依据所需要恢复的目标电压值Uref-rat，由功率偏差ΔP除以目标电压值Uref-rat得到目标电流参考值，即充放电电流参考值Ibatref。
前述的步骤4)进行能量吸收或补偿的具体过程为：
41)控制双有源桥变换器DAB工作在单移相模式，从而使实际电流Ibat跟踪充放电电流参考值Ibatref；
42)储能装置通过双有源桥变换器DAB进行恒定电流充放电，当通过储能装置吸收或补充所需的能量后，此时下垂工作点回到额定工作点工作；
43)计算下垂功率参考值；
44)根据下垂曲线得到下垂功率参考值所对应的电压参考值；
45)进行电压、电流双闭环PI控制得到调制波，再由PWM调制得到占空比信号，驱动boost电路中的开关管。
前述的下垂功率参考值的计算方式为：将总的负载功率Pdc减去计算出的功率偏差ΔP，即为下垂功率参考值Pref。
一种能量管理系统，包括储能装置，双有源桥变换器DAB，低通滤波器LPS，比例-积分控制器PI，PWM调制解调器和集中式能量控制器EMS；所述储能装置通过双有源桥变换器DAB并联在直流母线两端；所述直流母线的输出端依次连接低通滤波器LPS，比例-积分控制器PI和PWM调制解调器；所述PWM调制解调器连接boost电路中的开关管；所述直流母线的输出端还通过低通滤波器LPS连接集中式能量控制器EMS；所述集中式能量控制器EMS的输出端连接boost电路中的开关管。
本发明的有益效果为：
(1)本发明使用下垂控制来维持直流母线电压稳定，不仅可以实现分布式控制，减少对于通信线路的要求，分布式电源还可以根据母线电压的变化自主增发或减少出力。
(2)储能装置只有在功率缺额过大时才会接入，从而避免了储能一直接入造成的损耗以及对于寿命的影响。
(3)由于分布式电源采用了基于下垂控制的分布式控制策略，集中能量控制器只需要处理很小一部分数据处理与传输，从而降低了对于通信带宽的要求以及复杂信息的处理，降低了成本提高了稳定性。
附图说明
图1是本发明的接入储能装置的电路拓扑图；
图2是本发明的能量管理控制策略；
图3是本发明的集中式能量控制器控制策略；
图4是计算下垂曲线偏差原理图；
图5是实施例中直流母线电压仿真波形图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种基于计算下垂曲线偏差的能量管理方法，将储能装置通过双有源桥变换器DAB并联在直流母线两端，如图1所示，电路的基本拓扑是一个boost电路。
具体的控制策略如图2和图3所示，其中，Vdc和Idc为直流母线电压和电流，Pdc为总负载功率，Pref为下垂曲线参考功率，Vref为下垂曲线参考电压，LPS为低通滤波器，PI为比例-积分控制器，EMS为集中式能量控制器，包括以下步骤：
1)对于直流母线电压采用下垂控制，由母线电压的变化反映系统功率的变化。
2)实时采集直流母线电压和电流，当直流母线电压Vdc运行在设定的合理区间时，认为整个系统功率平衡，那么集中式能量控制器输出闭锁DAB信号，闭锁boost电路的开关管，因而储能装置不会接入运行。当负载突变，由下垂曲线可知，此时只有当电压跌落较大时才能输出更大功率，这样导致整个系统的直流母线电压超出正常运行范围。这时，集中式能量控制器根据下垂曲线计算出使系统恢复到额定电压所需要的功率值，从而得到储能装置的充电电流值参考值。
集中式能量控制器EMS具体形式如图3所示，实时采集直流母线电压Vdc以及系统当前功率，判断系统当前电压是否偏离阈值。若在阈值范围内，认为系统功率平衡，输出闭锁boost电路的开关管信号，储能装置不接入运行；若偏离阈值，则计算输出此时补偿所需功率ΔP所需的充放电电流参考值Ibatref，然后控制DAB根据参考电流对储能进行恒定电流充放电。
闭锁信号为0、1逻辑信号，若不需要闭锁，则输出闭锁信号为1；若需要闭锁，则输出为0。
集中式能量控制器根据下垂曲线计算功率偏差原理如图4所示，功率与电压的下垂曲线是一条预设好工作点的直线，两者之间是线性关系，那么根据当前时刻检测到的直流母线电压与预设的额定工作点电压之间的差值，由于线性比例关系，就能得到系统当前功率的缺额或者盈余的相对量。
具体计算如下：
获取当前时刻检测到的直流母线电压U1与预设的额定工作点电压Uref-rat，计算得到电压偏差ΔU，根据下垂曲线得到两点所对应的功率值P1，Pref-rat进而计算得到功率偏差，即图4中的ΔP。
3)根据计算的功率偏差ΔP，计算DAB充放电电流参考值，具体计算方式为：
依据所需要恢复的目标电压值Uref-rat，可以由功率偏差ΔP除以目标电压Uref-rat得到目标电流参考值，即DAB充放电电流参考值Ibatref。
4)得到DAB充放电电流参考值后，控制DAB工作在单移相模式，从而使实际电流Ibat跟踪电流参考值Ibatref。
5)储能装置通过DAB进行恒定电流充放电，当通过储能装置吸收或补充所需的能量后，这时候下垂工作点已能回到额定工作点工作。
6)计算下垂功率参考值，具体计算为：将总的负载功率Pdc减去计算出的偏差功率ΔP，即为下垂功率参考值Pref。
7)根据下垂曲线特性得到下垂功率参考值所对应的电压参考值Vref。
8)进行电压、电流双闭环PI控制得到调制波，再由PWM调制得到占空比信号，驱动boost电路中的开关管。
以图5的实施例进行说明。直流母线电压仿真波形如图5所示，系统启动时，由于负载合适，因而系统电压稳定在额定值100V附近。在t＝1s时，突变负载，直流母线电压迅速下降以发出更大功率，待稳定后，母线电压维持在83V附近，不能满足系统电压要求。在t＝1.5s时，接入储能装置，由于在EMS中计算功率偏差时以100V为目标电压，可以看到直流母线电压迅速抬升至100V附近，从而系统达到新的电压稳定与功平衡。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用下垂控制的方式控制直流母线电压；
2)集中式能量控制器EMS实时采集直流母线电压Vdc以及系统当前功率，判断Vdc是否偏离阈值范围，如果在阈值范围内，则集中式能量控制器EMS输出闭锁信号1，储能装置不接入运行，集中式能量控制器EMS继续采集并判断直流母线电压Vdc；若偏离阈值范围，则集中式能量控制器EMS输出闭锁信号0，然后转入下一步；
3)集中式能量控制器EMS基于下垂曲线计算功率偏差，并计算补偿功率偏差所需的双有源桥变换器DAB充放电电流参考值；
4)根据所述充放电电流参考值，进行能量吸收或补偿。
2.根据权利要求1所述的一种能量管理方法，其特征在于，所述储能装置通过双有源桥变换器DAB并联在直流母线两端。
3.根据权利要求1所述的一种能量管理方法，其特征在于，所述闭锁信号为1表示不需要闭锁，闭锁信号为0，表示需要闭锁。
4.根据权利要求1所述的一种能量管理方法，其特征在于，所述下垂曲线表示功率与电压的线性关系；所述下垂曲线是一条预设好工作点的直线。
5.根据权利要求4所述的一种能量管理方法，其特征在于，所述功率偏差的计算方式为：获取当前时刻检测到的直流母线电压U1与预设的额定工作点电压Uref-rat，计算得到电压偏差ΔU，根据下垂曲线得到两点所对应的功率值P1和Pref-rat，进而计算得到功率偏差ΔP。
6.根据权利要求5所述的一种能量管理方法，其特征在于，所述双有源桥变换器DAB充放电电流参考值的计算方式为：
依据所需要恢复的目标电压值Uref-rat，由功率偏差ΔP除以目标电压值Uref-rat得到目标电流参考值，即充放电电流参考值Ibatref。
7.根据权利要求5所述的一种能量管理方法，其特征在于，所述步骤4)进行能量吸收或补偿的具体过程为：
41)控制双有源桥变换器DAB工作在单移相模式，从而使实际电流Ibat跟踪充放电电流参考值Ibatref；
42)储能装置通过双有源桥变换器DAB进行恒定电流充放电，当通过储能装置吸收或补充所需的能量后，此时下垂工作点回到额定工作点工作；
43)计算下垂功率参考值；
44)根据下垂曲线得到下垂功率参考值所对应的电压参考值；
45)进行电压、电流双闭环PI控制得到调制波，再由PWM调制得到占空比信号，驱动boost电路中的开关管。
8.根据权利要求7所述的一种能量管理方法，其特征在于，所述下垂功率参考值的计算方式为：将总的负载功率Pdc减去计算出的功率偏差ΔP，即为下垂功率参考值Pref。
9.一种能量管理系统，其特征在于，包括储能装置，双有源桥变换器DAB，低通滤波器LPS，比例-积分控制器PI，PWM调制解调器和集中式能量控制器EMS；所述储能装置通过双有源桥变换器DAB并联在直流母线两端；所述直流母线的输出端依次连接低通滤波器LPS，比例-积分控制器PI和PWM调制解调器；所述PWM调制解调器连接boost电路中的开关管；所述直流母线的输出端还通过低通滤波器LPS连接集中式能量控制器EMS；所述集中式能量控制器EMS的输出端连接boost电路中的开关管。
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