CN109888845B - 一种交直流混合微电网 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种适用于交直流混合微电网，尤其提出了一种针对该混合微电网的储能系统协调控制方法，针对直流侧储能、交流侧储能以及互联变流器分别给出了系统控制方法。该储能控制方法，由微电网协调控制系统通过编程实现，微电网协调控制器，首先采集各个就地设备的运行信息，然后根据本专利提出的方法，通过指令方式对微电网中的储能系统进行控制。本专利能够实现交直流混合微电网的安全稳定运行，并且具有很高的灵活性。
Description
技术领域
本发明属于电网控制领域，具体而言涉及一种交直流混合微电网。
背景技术
微电网是一种新型的电网结构，其可以通过安全、稳定的方式将分布式的电源接入配电网。微电网按照其母线形式的不同，可分为直流微电网、交流微电网或交直流混合微电网。其中的混合微电网由于其拓扑结构易于扩展，能够迅速适应电网直流负荷的发展需求，因而逐渐被广泛采用。
针对交直流混合微电网，为保证其平稳运行，目前常通过对特定区域负荷变动状况的分析，或者通过对电网谐波分量等特征提取、分析，而实现对混合微电网的控制。然而实际应用中，由于上述针对混合微电网的控制方式均依赖于针对电网中的个别特征数据进行的分析，因此，由于对电网负荷或者电网特性的建模或分析难以完全符合实际应用场景，因此，其对混合微电网的控制常常存在一定的误差。并且，由于微电网负荷具有一定的随机性和突变性，上述方式由于特征数据的迟滞或者由于其特征数据本身就难以反映电网负荷的变化，或者所述特征数据本身难以反映混合微电网的并网状态或离网状态，因此，上述对于混合微电网的控制实际并不能实现不同负载、并网状态下负载的均衡，无法实现对电网波动的调节和抑制。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种交直流混合微电网。包括：分布式交流电源、分布式直流电源、储能装置；所述分布式交流电源、分布式直流电源和储能装置分别通过对应的变换器连接至交流母线或直流母线；所述直流母线通过互联变流器连接至所述交流母线。其中，所述交直流混合微电网还连接有PCC，所述交直流混合微电网通过所述PCC与大电网并网运行或与所述大电网离网运行；当所述交直流混合微电网离网运行时：所述分布式直流电源或储能装置在所述直流母线的电压超过额定电压时，减小所述储能装置的放电功率或增加所述储能装置的充电功率；所述分布式直流电源或储能装置在所述直流母线的电压低于额定电压时，增加所述储能装置的放电功率或减小所述储能装置的充电功率；所述分布式交流电源或储能装置运行于V/f控制模式，维持交流侧母线电压和频率在正常范围；所述互联变流器工作在PQ控制模式。当所述交直流混合微电网并网运行时：所述互联变流器维持所述储能装置的SOC在设定的水平；所述储能装置被设置为在用电低谷时以恒定功率进行充电，在用电高峰时以恒定功率进行放电；所述分布式交流电源或储能装置的电压和频率均通过相应的变换器保持与大电网的电压和频率一致；所述互联变流器工作在恒压模式。
可选的，上述的交直流混合微电网中，所述储能装置具体通过双向DC/DC变换器连接至所述直流母线；所述双向DC/DC变换器包括有：电压环PI控制器和电流闭环的控制器，所述电压环PI控制器的输入端连接比较器，所述比较器将直流母线的电压与额定电压进行比较，所述电压环PI控制器的输出端在所述直流母线的电压超过额定电压时，输出buck信号，使得所述储能装置减小其放电功率或增加其充电功率；所述电压环PI控制器的输出端在所述直流母线的电压低于额定电压时，输出boost信号，使得所述储能装置增加其放电功率或减小其充电功率。
可选的，上述的交直流混合微电网中，所述分布式交流电源或储能装置在所述交直流混合微电网离网运行时连接有V/f控制系统，所述V/f控制系统以滤波器输出电压反馈作为控制外环，以电容电流反馈作为控制内环，所述控制外环和所述控制内环分别通过两个PI控制器实现，所述控制外环的输出端连接所述控制内环的输入端。
可选的，上述的交直流混合微电网中，所述交直流混合微电网还包括有光伏阵列，所述光伏阵列通过DC/AC变换器连接至所述交流母线。
可选的，上述的交直流混合微电网中，所述光伏阵列在并网运行时，工作在MPPT模式。
可选的，上述的交直流混合微电网中，所述光伏阵列在离网运行时按照如下的步骤控制其工作模式：比较所述光伏阵列的输出功率PPV与互联变流器流入所述交直流混合微电网的交流母线的功率PPCS之和与负荷消耗的功率Pload的差值，在该差值处于储能装置的最大充电功率Pbch-max与最大放电功率Pbdi-max之间时，控制所述储能装置以及所述光伏阵列工作在运行模式2-1下。
可选的，上述的交直流混合微电网中，所述光伏阵列在离网运行时按照如下的步骤控制其工作模式：计算所述光伏阵列的输出功率PPV与互联变流器流入所述交直流混合微电网的交流母线的功率PPCS之和为第一比较量，计算负荷消耗的功率Pload与储能装置此时的最大充电功率Pbch-max之和为第二比较量；在所述使第一比较量大于所述第二比较量时，控制所述储能装置以及所述光伏阵列工作在运行模式2-2下。
可选的，上述的交直流混合微电网中，所述光伏阵列在离网运行时按照如下的步骤控制其工作模式：比较所述光伏阵列的输出的功率PPV与互联变流器流入所述交直流混合微电网的交流母线的功率PPCS之和与所述储能装置最大的放电功率Pbdi-max的大小；在所述光伏阵列的输出的功率PPV与互联变流器流入所述交直流混合微电网的交流母线的功率PPCS之和小于所述储能装置最大的放电功率Pbdi-max时，控制所述储能装置以及所述光伏阵列工作在运行模式2-3下。
可选的，上述的交直流混合微电网中，所述运行模式2-1下，所述储能装置以V/f控制模式运行，所述光伏阵列以MPPT模式运行；所述运行模式2-2下，部分光伏阵列被隔离于所述交直流混合微电网之外，剩余的所述光伏阵列以MPPT模式运行，所述储能装置运行于V/f控制模式；所述运行模式2-3下，所述储能装置以最大放电功率Pbdi-max输出；在所述互联变流器运行于恒功率控制时，增大所述互联变流器流入所述向交流母线的输入的电能；在所述互联变流器处于待机状态时，将交流母线的负荷按级切除，所述储能装置运行于V/f控制模式。
有益效果
本发明，提出了一种适用于交直流混合微电网，尤其提出了一种针对该混合微电网的储能系统协调控制方法，针对直流侧储能、交流侧储能以及互联变流器分别给出了系统控制方法。该储能控制方法，由微电网协调控制系统通过编程实现，微电网协调控制器，首先采集各个就地设备的运行信息，然后根据本专利提出的方法，通过指令方式对微电网中的储能系统进行控制。本专利能够实现交直流混合微电网的安全稳定运行，并且具有很高的灵活性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的交直流混合微电网的结构示意图；
图2是本发明中储能装置双向DC/DC直流母线采用的电压控制的实现方式示意图；
图3是本发明中储能装置双向DC/DC直流母线采用的恒功率控制的实现方式示意图；
图4是本发明中微电网交流侧采用的PQ控制的实现方式示意图；
图5是本发明中微电网交流侧采用的V/f控制的结构框图；
图6是本发明中微电网交流侧并网时运行模式1的工作方式示意图；
图7是本发明中微电网交流侧离网时运行模式2-1的工作方式示意图；
图8是本发明中微电网交流侧离网时运行模式2-2的工作方式示意图；
图9是本发明中微电网交流侧各种运行模式之间切换方式的示意图；
图10是本发明中微电网直流侧并网时运行模式1DC的工作方式示意图；
图11是本发明中微电网直流侧离网时运行模式2DC-1的工作方式示意图；
图12是本发明中微电网直流侧离网时运行模式2DC-2的工作方式示意图；
图13是本发明中微电网直流侧离网时运行模式2DC-3的工作方式示意图；
图14是本发明中微电网直流侧各种运行模式之间切换方式的示意图；
图15是本发明中PCC与互联PCS运行状态间的关系的示意图。
图中，变换器包括AC/AC交流变换器，DC/AC逆变器，AC/DC整流器，DC/DC直流变换器几种方式。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
参考图1所示的交直流混合微电网，其中，部分分布式电源和储能装置等通过DC/DC或AC/DC接口装置接入直流母线，另一部DG与储能装置等通过DC/AC或AC/AC接口装置接入交流母线；直流母线通过互联变流器接入交流母线。交直流混合微电网相对于仅具有单一母线形式的微电网有如下优势：接口装置减少，从而降低能量损耗；直流负荷可直接从直流母线上取电，省去直流负荷的变换装置，能够降低微电网成本。
为实现其平稳运行，本发明提供了如下的针对该交直流混合微电网的控制方式。
其中，对于微电网直流侧储能的充放电，可在微电网直流侧，即蓄电池的接口装置设置双向DC/DC电路，可通过控制流过该装置的电流大小来调整充放电功率，本专利双向DC/DC变换电路的控制策略有恒压控制和恒功率充放电控制策略：
恒压控制策略具体为：微电网离网运行时，直流侧蓄电池采用恒压控制来控制直流母线电压在额定值附近波动。当直流母线电压比额定电压高时，双向DC/DC减小储能的放电功率或者增大储能的充电功率，降低母线电压；当直流母线电压比额定电压低时，双向DC/DC增大储能的放电功率或者减小储能的充电功率，提高直流母线电压。上述的控制可通过图2所述的双向DC/DC控制而实现，其包括有电感电流内环和母线电压外环。图2所示为储能装置双向DC/DC直流母线电压控制方框图，其中Gv是电压环PI控制器；Gi是电流闭环的控制器，iL-sc为双向DC/DC电路中流过电感的电流。DC/DC电路的运行状态由电压环输出结果(内环电流的参考值iref的方向)决定。若iref是负值，表明此时直流微电网能量富余，双向DC/DC处于buck工作状态，储能装置处于充电状态；反之，表明此时直流微电网有能量缺额，双向DC/DC应处于boost工作状态，储能装置对外放电，防止直流母线电压降低。
恒功率充放电控制策略具体为：微电网并网运行时，交流侧电压频率跟随大电网，直流侧电压由互联PCS调节。蓄能装置的SOC应维持在一定的水平，以备离网时维持直流微电网的电压稳定；同时为了充分利用资源，蓄电池也可以在一定范围内采用恒功率充放电控制策略，在用电低谷时以较低的电价对蓄电池进行充电，用电高峰时蓄电池以较高的电价对外放电，既起到了削峰填谷的作用，又可以产生一定的经济效益。其可通过图3所示的恒功率控制环实现。其中，P为当前输出功率值，通过指令给定功率参考值Pref，使DC/DC接口所通过的功率跟随功率参考值。
而对于微电网交流侧储能的充放电，可在微电网交流侧，蓄电池通过PCS接入交流母线。通过储能变流器PCS的控制蓄电池的充放电以平衡交流微电网的功率。本专利储能PCS采用PQ控制和V/f控制两种方法：
其中的PQ控制又被称为恒功率控制。储能采用PQ控制时，按照监控系统给定的有功功率与无功功率指令输出。采用PQ控制的储能装置需要有维持电压和频率稳定的单元为其提供频率和电压支持。在并网运行时由大电网来维持系统电压和频率。参考图4，PQ控制是将有功功率和无功功率解耦后对电流进行比例积分控制PI控制，通过控制逆变器来保证储能输出的有功和无功保持在恒定值。通过park变换将有功功率与无功功率解耦，可得到输出功率与参考值相等时的电感电流参考值。将得到的参考值不断的和实时测量的电感电流值进行比较做差，然后将差值当作内环电流环的输入信号。引入系统中输出电压前馈量u以及电感解耦电压ωLi，减轻了PI控制器的负担，同时缩短了系统的响应时间，逆变器带非线性负荷的能力也被大大提高。通过SPWM控制技术的调节，逆变桥调制出额定正弦电压信号，此电压便是输出功率等于参考值时逆变器的输出电压。同时采用锁相环技术，使得采用指令控制的微电源跟随系统频率。
其中的V/f控制又被称为恒压恒频控制。微电网离网运行时，交流侧储能装置接口PCS运行于V/f控制模式维持交流侧母线电压和频率在正常范围。图5所示的V/f控制的结构框图。参考图5，V/f控制系统采用双闭环控制，以滤波器输出电压反馈作为控制外环，以电容电流反馈作为控制内环，保证系统具有较强的抗干扰能力。电压外环引入PI控制器，稳定了负载电压。引入电流内环，使电容电流成为可控的电流源，有效地提高系统动态响应速度。
对于互联变流器PCS的控制包括恒压控制与恒功率控制两种。微电网并网运行时，互联PCS采用恒压控制，通过比较直流侧电压与额定电压的差值来调节PCS流过的能量，从而稳定直流侧电压；互联PCS的恒功率控制方法与微电网交流侧储能充放电PQ控制方法类似。
对于所述交直流混合微电网中与交流母线连接的交流侧按照如下的方式控制其运行。微电网交流侧通过公共连接点PCC切换其并网或离网运行模式，本文将微电网交流侧并网与否分为以下的两种模式：(1)交流侧并网时，其工作在运行模式1下，此时光伏阵列以MPPT模式运行，储能待机或以一定的策略充放电，如图6所示。(2)交流侧离网时，PCC断开的同时，互联PCS由恒压模式切换至PQ控制模式，微电网可按照不同的电压状态而运行在模式2-1、2-2或2-3中。运行模式2-1：参考图7，光伏的输出功率PPV与互联PCS流入微电网交流侧的功率PPCS之和与负荷消耗的功率Pload的差值处于储能的最大充电功率Pbch-max与最大放电功率Pbdi-max之间，此时储能以V/f模式运行，光伏阵列以MPPT模式运行。运行模式2-2：参考图8光伏的输出功率PPV与互联PCS流入微电网交流侧的功率PPCS之和大于负荷的功率Pload与储能此时的最大充电功率(Pbch-max或0)之和时，切除部分光伏阵列，其他光伏仍运行于MPPT模式，储能运行于V/f控制模式，维持微电网交流侧的频率和电压。运行模式2-3：光伏输出的功率PPV、互联PCS流入微电网交流侧的功率PPCS与储能最大的放电功率Pbdi-max之和小，此时储能以最大功率输出，系统仍存在功率缺额，能量管理系统此时会增大互联PCS向交流侧输入的电能(互联PCS运行于恒功率控制时)或对交流侧负荷按级切除(互联PCS处于待机状态时)，使储能恢复V/f控制模式。参考图9，为上述运行模式2-1至2-3的模式变换之间的关系示意图。
对于所述交直流混合微电网中与交流母线连接的交流侧，其对应各模式间的转换条件如表1所示：
表1微电网交流侧运行模式转换条件
为实现其平稳运行，本发明所提供的针对该交直流混合微电网的控制方式中，针对微电网的直流侧，通过以下的方式进行类似交流侧的控制。直流侧根据互联PCS的控制模式分为两种主要模式：恒压控制模式，以及PQ控制模式。
直流侧并网且互联PCS恒压控制模式时，工作于模式1DC方式下。模式1DC中利用互联PCS维持直流母线电压在400V，PV阵列以MPPT模式运行，储能按给定的指令进行充放电控制，如图10所示。
直流侧由并网转至离网时，若互联PCS为恒压模式，在转换瞬间应切换为PQ控制模或待机时。
模式2DC-1：利用储能维持直流母线电压在400V，PV阵列以MPPT模式运行，互联PCS按给定的指令进行充放电控制，控制方式如图11所示。
模式2DC-2：若在微电网直流侧光伏的输出功率PPV与互联PCS输入直流母线的功率-PPCS之和大于储能此时允许的最大的充电功率(Pbch-max或0)与负荷的功率Pload之和，此时电压将抬升，模式由2DC-1转为模式2DC-2，此时储能运行于最大功率充电或待机状态，切除部分光伏，使储能仍运行于恒压控制模式以维持直流母线电压，控制方式如图12所示；随着负荷的增加或光伏出力的减小，当光伏出力小于负荷时，逐步投入被切除的光伏，直至恢复至模式2DC-1。
模式2DC-3：若在微电网直流侧光伏的输出功率PPV、储能此时最大的放电功率Pbdi-max与互联PCS流入直流母线的功率-PPCS之和小于负荷的功率Pload，此时电压将下降，由模式2DC-1转为模式2DC-3，控制方式如图13所示，为使储能仍运行于恒压模式，按负荷等级切除负荷使储能的放电功率小于其最大放电功率。当储能由放电转为充电状态时，逐级投入负荷，直至恢复至模式2DC-1。
微电网直流侧各运行模式之间的关系如图14所示，该直流侧各模式间的切换条件如表2所示。
表2微电网直流侧运行模式转换条件
由于微电网交流侧和直流侧的运行模式是分别提出的，两者之间存在一定的交互关系，主要为PCC和互联PCS(互联变流器)运行状态之间的关系，如图15所示。其中，PCC存在闭合和断开两种运行模式，可相互切换；互联PCS存在恒压控制、待机和PQ控制三种运行模式，三者之间相互切换。PCC和互联PCS的运行模式之间存在一定联系，当PCC闭合时，互联PCS可运行于任意模式，但主要运行于恒压模式；当PCC断开时，互联PCS只可运行于PQ控制和待机模式，不可运行于恒压控制模式，且主要运行于PQ控制模式。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种交直流混合微电网，包括：分布式交流电源、分布式直流电源、储能装置；所述分布式交流电源、分布式直流电源和储能装置分别通过对应的变换器连接至交流母线或直流母线；所述直流母线通过互联变流器连接至所述交流母线；其特征在于，所述交直流混合微电网还连接有PCC，所述交直流混合微电网通过所述PCC与大电网并网运行或与所述大电网离网运行；所述交直流混合微电网还包括有光伏阵列，所述光伏阵列通过DC/AC变换器连接至所述交流母线；
当所述交直流混合微电网离网运行时：
所述分布式直流电源或储能装置在所述直流母线的电压超过额定电压时，减小所述储能装置的放电功率或增加所述储能装置的充电功率；所述分布式直流电源或储能装置在所述直流母线的电压低于额定电压时，增加所述储能装置的放电功率或减小所述储能装置的充电功率；
所述分布式交流电源或储能装置运行于V/f控制模式，维持交流侧母线电压和频率在正常范围；
所述互联变流器工作在PQ控制模式；
当所述交直流混合微电网并网运行时：
所述互联变流器维持所述储能装置的SOC在设定的水平；所述储能装置被设置为在用电低谷时以恒定功率进行充电，在用电高峰时以恒定功率进行放电；
所述分布式交流电源或储能装置的电压和频率均通过相应的变换器保持与大电网的电压和频率一致；
所述互联变流器工作在恒压模式；
所述储能装置具体通过双向DC/DC变换器连接至所述直流母线；
所述双向DC/DC变换器包括有：电压环PI控制器和电流闭环的控制器，所述电压环PI控制器的输入端连接比较器，所述比较器将直流母线的电压与额定电压进行比较，所述电压环PI控制器的输出端在所述直流母线的电压超过额定电压时，输出buck信号，使得所述储能装置减小其放电功率或增加其充电功率；所述电压环PI控制器的输出端在所述直流母线的电压低于额定电压时，输出boost信号，使得所述储能装置增加其放电功率或减小其充电功率；
所述分布式交流电源或储能装置在所述交直流混合微电网离网运行时连接有V/f控制系统，所述V/f控制系统以滤波器输出电压反馈作为控制外环，以电容电流反馈作为控制内环，所述控制外环和所述控制内环分别通过两个PI控制器实现，所述控制外环的输出端连接所述控制内环的输入端；
所述储能装置和所述光伏阵列具有以下3种运行模式：
运行模式2-1为所述储能装置以V/f控制模式运行，所述光伏阵列以MPPT模式运行；
运行模式2-2为部分光伏阵列被隔离于所述交直流混合微电网之外，剩余的所述光伏阵列以MPPT模式运行，所述储能装置运行于V/f控制模式；
运行模式2-3为所述储能装置以最大放电功率Pbdi-max输出；在所述互联变流器运行于恒功率控制时，增大所述互联变流器流入向交流母线的输入的电能；在所述互联变流器处于待机状态时，将交流母线的负荷按级切除，所述储能装置运行于V/f控制模式。
2.如权利要求1所述的交直流混合微电网，其特征在于，所述光伏阵列在并网运行时，工作在MPPT模式。
3.如权利要求1或2所述的交直流混合微电网，其特征在于，所述光伏阵列在离网运行时按照如下的步骤控制其工作模式：
比较所述光伏阵列的输出功率PPV与互联变流器流入所述交直流混合微电网的交流母线的功率PPCS之和与负荷消耗的功率Pload的差值，在该差值处于储能装置的最大充电功率Pbch-max与最大放电功率Pbdi-max之间时，控制所述储能装置以及所述光伏阵列工作在运行模式2-1下。
4.如权利要求1或2所述的交直流混合微电网，其特征在于，所述光伏阵列在离网运行时按照如下的步骤控制其工作模式：
计算所述光伏阵列的输出功率PPV与互联变流器流入所述交直流混合微电网的交流母线的功率PPCS之和为第一比较量，计算负荷消耗的功率Pload与储能装置此时的最大充电功率Pbch-max之和为第二比较量；
在所述使第一比较量大于所述第二比较量时，控制所述储能装置以及所述光伏阵列工作在运行模式2-2下。
5.如权利要求1或2所述的交直流混合微电网，其特征在于，所述光伏阵列在离网运行时按照如下的步骤控制其工作模式：
比较所述光伏阵列的输出的功率PPV与互联变流器流入所述交直流混合微电网的交流母线的功率PPCS之和与所述储能装置最大的放电功率Pbdi-max的大小；
在所述光伏阵列的输出的功率PPV与互联变流器流入所述交直流混合微电网的交流母线的功率PPCS之和小于所述储能装置最大的放电功率Pbdi-max时，控制所述储能装置以及所述光伏阵列工作在运行模式2-3下。
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