CN110571781A - 直流母线电压控制方法与系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种直流母线电压控制方法，应用于包含直流母线以及耦接于直流母线的储能单元的直流母线系统，其特征在于，包括：检测直流母线电压；当直流母线电压大于第一预设值，小于等于第二预设值时，储能单元按预设模式输出功率或吸收功率；当直流母线电压大于第二预设值，小于等于第三预设值时，储能单元根据第一函数中直流母线电压对应的功率值输出功率或根据第二函数中直流母线电压对应的功率值吸收功率；当直流母线电压大于第四预设值，小于等于第一预设值时，储能单元根据第三函数中直流母线电压对应的功率值输出功率或根据第四函数中直流母线电压对应的功率值吸收功率。本公开的直流母线电压控制方法可以保障直流母线电压的稳定性。

Description

直流母线电压控制方法与系统

技术领域

本公开涉及电力供应技术领域，具体而言，涉及一种直流母线电压控制方法与系统。

背景技术

直流配电网以其线损小、可靠性高、无需相频控制、接纳分布式电源能力强等优点得到了广泛的应用，例如应用于地铁牵引系统。

地铁牵引系统通常包括整流电源、牵引用变频器(VVVF)、能量反馈的并网逆变器系统(ERS)、制动能耗电阻系统(EDS)和制动能量储能系统(ESS)。如图1所示，ESS系统通常由双向直流变换器控制功率双向变换，ERS系统用于将直流母线的多余能量反馈到电网，VVVF的功率由列车运行需求和状态决定。为保障牵引直流配电网的直流母线电压稳定在正常工作电压范围内，需要根据列车运行状态和电网电压条件适时地调整ESS或EDS的功率。在相关技术中，通常通过直流配电网的系统控制器(CSU)下达指令调整ESS的双向功率变换器，控制ESS的功率，但是在通信异常或者通信速度满足不了系统动态功率调节需求时，往往无法保障直流母线电压的及时调节。

此外，在分布式新能源发电与储能系统中，也往往采用直流配电网。当各个储能单元(如ESS和ERS)与系统控制器之间的通信异常或者通信速度不能满足功率动态变化和母线电压稳定控制要求时，提高储能功率变换的效率成为了急需解决的问题。

因此，需要一种更快更及时的直流母线电压控制方法。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种直流母线电压控制方法与系统，用于至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或多个问题。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种直流母线电压控制方法，应用于直流母线系统，所述直流母线系统包含直流母线以及耦接于直流母线的储能单元，包括：

检测直流母线电压；

当所述直流母线电压大于第一预设值，小于等于第二预设值时，所述储能单元按预设模式输出功率或吸收功率；

当所述直流母线电压大于所述第二预设值，小于等于第三预设值时，所述储能单元根据第一函数中所述直流母线电压对应的功率值输出功率或根据第二函数中所述直流母线电压对应的功率值吸收功率；

当所述直流母线电压大于第四预设值，小于等于所述第一预设值时，所述储能单元根据第三函数中所述直流母线电压对应的功率值输出功率或根据第四函数中所述直流母线电压对应的功率值吸收功率。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括：

当所述直流母线电压大于所述第三预设值时，所述储能单元按预设最小输出功率或预设最大吸收功率运行；

当所述直流母线电压小于等于所述第四预设值时，所述储能单元按额定功率输出功率或停止吸收功率。

在本公开的一种示例性实施例中，所述直流母线系统还包括新能源发电单元，所述新能源发电单元耦接于所述直流母线：

当所述直流母线电压大于所述第三预设值时，根据第五函数设置所述新能源发电单元的输出功率限值，控制所述新能源发电单元的输出功率不大于所述输出功率限值。

在本公开的一种示例性实施例中，所述直流母线系统还包括直流负载或交流负载，所述直流负载或交流负载耦接于所述直流母线；

当所述直流母线电压小于等于所述第四预设值时，卸载直流负载或交流负载。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一预设值Vref1和第二预设值Vref2满足：

Vref1＝(1+K1)*Vp；

Vref2＝(1+K2)*Vp；

其中，Vp为所述直流母线的额定工作电压值，K1和K2为-30％到30％的任一值，且K2大于K1。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第三预设值Vref3满足：

Vref3＝(1+K3)*Vref2

其中，Vref2为所述储能单元的第二预设值，K3为0到30％的任一值。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第四预设值Vref4满足：

Vref4＝(1-K4)*Vref1

其中，Vref1为所述储能单元的第一预设值，K4为0到30％的任一值。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一函数和所述第三函数的自变量为所述直流母线电压，所述第一函数和所述第三函数的因变量为所述储能单元的输出功率参考值，所述储能单元根据所述输出功率参考值控制所述储能单元输出至所述直流母线的功率。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第二函数和所述第四函数的自变量为所述直流母线电压，所述第二函数和所述第四函数的因变量为所述储能单元的吸收功率参考值，所述储能单元根据所述吸收功率参考值控制所述储能单元吸收所述直流母线的功率。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第五函数的自变量为所述直流母线电压，所述第五函数的因变量为所述新能源发电单元的输出功率限值。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第五函数为单调递减函数。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一函数、所述第二函数、所述第三函数、所述第四函数为单调递减函数。

根据本公开的一个方面，提供一种直流母线电压控制系统，包括：

电压主控制器，耦接于直流母线，用于根据系统运行状态调整直流母线电压；

多个储能单元，耦接于所述直流母线，其中每个储能单元均包括功率控制器与功率单元，所述功率控制器用于根据所述直流母线电压调整对应的所述功率单元的输出功率或吸收功率；

其中，所述功率控制器包括：

检测单元，用于检测直流母线电压；

计算单元，用于根据所述直流母线电压确定功率参考值；

控制单元，用于控制所述功率单元的工作状态，根据所述功率参考值实时调整其对应的功率单元的输出功率或吸收功率。

在本公开的一种示例性实施例中，所述储能单元输出功率至所述直流母线时，所述计算单元设置为：

当所述直流母线电压大于第一预设值，小于等于第二预设值时，按第一预设工作模式确定所述功率参考值；

当所述直流母线电压大于所述第二预设值，小于等于第三预设值时，根据第一函数确定所述功率参考值；

当所述直流母线电压大于第四预设值，小于等于所述第一预设值时，根据第三函数确定所述功率参考值；

其中，所述第一函数和所述第三函数的自变量为所述直流母线电压，因变量为所述储能单元的输出功率参考值。

在本公开的一种示例性实施例中，所述计算单元还设置为：

当所述直流母线电压大于所述第三预设值时，将所述功率参考值确定为预设最小输出功率；

当所述直流母线电压小于等于所述第四预设值时，将所述功率参考值确定为额定输出功率。

在本公开的一种示例性实施例中，所述储能单元从所述直流母线吸收功率时，所述计算单元设置为：

当所述直流母线电压大于第一预设值，小于等于第二预设值时，按第二预设工作模式确定所述功率参考值；

当所述直流母线电压大于所述第二预设值，小于等于第三预设值时，根据第二函数确定所述功率参考值；

当所述直流母线电压大于第四预设值，小于等于所述第一预设值时，根据第四函数确定所述功率参考值；

其中，所述第二函数和所述第四函数的自变量为所述直流母线电压，因变量为所述储能单元的吸收功率参考值，用负数表示吸收功率，即功率参考值小于零。

在本公开的一种示例性实施例中，所述计算单元还设置为：

当所述直流母线电压大于所述第三预设值时，将所述功率参考值确定为预设最大吸收功率；

当所述直流母线电压小于等于所述第四预设值时，将所述功率参考值确定为零。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括耦接于所述直流母线的新能源发电装置，所述计算单元还设置为：

当所述直流母线电压大于所述第三预设值时，将所述新能源发电装置的所述功率参考值限制到第五函数所计算的限制功率之下。其中，所述第五函数的自变量为所述直流母线电压，因变量为所述新能源发电装置的输出限制功率值。

在本公开的一种示例性实施例中，还包括直流负载和/或交流负载，所述控制单元设置为在所述直流母线的电压小于等于所述第四预设值时自行卸载所述直流负载和/或所述交流负载。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一预设值Vref1和所述第二预设值Vref2满足：

Vref1＝(1+K1)*Vp；

Vref2＝(1+K2)*Vp；

其中，Vp为所述直流母线的额定工作电压值，K1和K2为-30％到30％的任一值，且K2大于K1。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第三预设值Vref3和所述第二预设值Vref2满足：

Vref3＝(1+K3)*Vref2

其中，K3为0到30％的任一值。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第四预设值Vref4满足：

Vref4＝(1-K4)*Vref1

其中，Vref1为所述储能单元的第一预设值，K4为0到30％的任一值。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一函数、所述第三函数和第五函数为单调递减函数。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第二函数、所述第四函数为单调递减函数。

本公开提供的直流母线电压控制方法通过使耦接于直流母线的储能单元自动根据直流母线电压调整自身工作功率，可以避免相关技术调节直流母线方法时受制于通讯状态和主控制器协调能力的问题，提高调节直流母线电压的效率，有效保障直流母线电压的电压稳定。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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是相关技术中直流母线的架构图。

图2是本公开一个示例性实施例中一种直流母线电压控制系统的方框图。

图3是本公开一个示例性实施例中一种功率控制器的功能示意图。

图4是本公开一个示例性实施例中计算单元确定功率参考值的示意图。

图5是本公开示例性实施例中直流母线电压控制方法的流程图。

图6是本公开实施例应用于地铁变电站的制动能量吸收系统时的运行示意图。

图7是本公开实施例中一种功率控制过程的示意图。

图8A～图8C是图6所示系统的示例性运行过程的函数示意图。

图9是本公开实施例应用于耦接于新能源发电装置与储能单元的直流母线的方框图。

图10是图9所示实施例的示例性运行过程的函数示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

下面结合附图对本公开示例实施方式进行详细说明。

图2是本公开实施例提供的直流母线电压控制系统的方框图。

参考图2，直流母线电压控制系统200可以包括：

电压主控制器21，耦接于直流母线20，用于根据系统运行状态调整直流母线电压；

多个储能单元22，耦接于所述直流母线，其中每个储能单元均包括功率控制器221与功率单元222，功率控制器221用于根据直流母线20的电压调整对应的功率单元222的输出功率或吸收功率。

电压主控制器21例如可以为一个或一组整流电源、一个或一组双向并网逆变器、一个或一组主要的储能控制器等。

储能单元22主要可以用于对直流母线输出功率和从直流母线吸收功率，例如前文提到的ESS和ERS。以地铁牵引系统为例，制动能量储能系统(ESS)可以由双向直流变换器控制调整为功率输出模式和功率吸收模式，能量反馈的并网逆变器系统(ERS)可以工作在功率吸收模式，供电电源可以工作在功率输出模式。此外，储能单元还可以包括直流负载或交流负载，用于从直流母线上吸收功率。在本公开示例性实施例中，各储能单元均可以设有功率控制器，以根据直流母线电压调整自身功率单元的工作模式以及工作参数。

图3是本公开一个示例性实施例中功率控制器的功能示意图。

参考图3，功率控制器221可以包括：

检测单元2211，用于检测直流母线电压；

计算单元2212，用于根据直流母线电压确定功率参考值；

控制单元2213，用于控制功率单元222的工作状态，根据功率参考值实时调整其对应的功率单元的输出功率或吸收功率。

图4是本公开一种示例性实施例中，计算单元确定功率参考值的示意图。参考图4，在储能单元被设置为输出功率至直流母线(即输出功率为正值)时，计算单元可以响应直流母线电压的实时变化，根据直流母线电压确定输出功率参考值，例如：

当直流母线电压大于第一预设值Vref1，小于等于第二预设值Vref2时，按第一预设工作模式确定功率参考值；

当直流母线电压大于第二预设值Vref2，小于等于第三预设值Vref3时，根据第一函数P＝F₁(V)确定功率参考值；

当直流母线电压大于第四预设值Vref4，小于等于第一预设值Vref1时，根据第三函数P＝F₃(V)确定功率参考值；

其中，V为直流母线电压，P为储能单元的输出功率参考值。

第一预设工作模式可以为输出功率位于常用区间，即各功率变换器按照各自的能量管理需求确定功率输出值。第一预设工作模式可以为等功率输出工作模式，也可以为根据函数确定输出功率的工作模式，本公开对此不作特殊限定。可以理解为，当直流母线电压大于第一预设值Vref1，小于等于第二预设值Vref2时，除电压主控制器21外，各储能单元对直流母线电压的变化不做响应或控制。

第一预设值和第二预设值之间的电压范围位于直流母线的额定工作电压附近，可以将其称之为“中心段”。在本公开的一种示例性实施例中，第一预设值Vref1和第二预设值Vref2的关系例如可以为满足以下公式：

Vref1＝(1+K1)*Vp (1)

Vref2＝(1+K2)*Vp (2)

其中，Vp为直流母线的额定工作电压值，K1和K2为-30％到30％的任一值，且K2大于K1，总的来说Vref2的数值大于Vref1。在其他一些实施例中，K1和K2也可以为其他值，本领域技术人员可以根据实际情况自行设置。

第二预设值和第三预设值之间的电压范围以及第四预设值和第一预设值之间的电压范围可以将其称之为“运行调节段”。在本公开的一种示例性实施例中，第三预设值Vref3和第四预设值Vref4关系例如可以为满足以下公式：

Vref3＝(1+K3)*Vref2 (3)

Vref4＝(1-K4)*Vref1 (4)

其中，K3和K4为0到30％的任一值。

即在本公开实施例中，Vref3大于Vref2，Vref4小于Vref1。与K1和K2相似，K3和K4的值也可以由本领域技术人员根据实际情况自行设置。

在Vref3和Vref2之间的电压区间，直流母线电压超过额定工作电压，且超过幅度由Vref3和Vref2的取值确定。在此区间，可以根据第一函数P＝F₁(V)确定功率参考值，其中，第一函数可以为单调递减函数，从而使控制单元2213在直流母线电压较高时，控制功率单元222的输出功率与直流母线电压的功率成反比，即在直流母线电压升高时降低功率单元222的输出功率。在一个实施例中，当直流母线电压大于第三预设值Vref3时，可以将功率参考值确定为预设最小输出功率，使功率单元222按预设最小输出功率运行，从而尽量在直流母线电压超过第三预设值时保护直流电网的供电平稳。

在Vref1和Vref4之间的电压区间，直流母线电压低于额定工作电压，且低于的幅度由Vref1和Vref4的取值确定。在此区间，可以根据第三函数P＝F₃(V)确定功率参考值，其中，第三函数可以为单调递减函数，从而使控制单元2213在直流母线电压较低时，控制功率单元222的输出功率与直流母线电压的电压成反比，即在直流母线电压降低时增加功率单元222的输出功率。在一个实施例中，当直流母线电压小于等于第四预设值Vref4时，可以将功率参考值确定为额定输出功率，从而尽量在直流母线电压低于第四预设值时保护直流电网的供电平稳。

在本公开的一种示例性实施例中，直流母线电压控制系统还包括耦接于直流母线的新能源发电装置，此时计算单元还设置为：

当直流母线电压大于第三预设值时，将新能源发电装置的功率参考值限制于输出功率限值，其中输出功率限制为根据第五函数中所述直流母线电压对应的功率值来预先设置的。即，当直流母线电压小于等于第三预设值时，可以控制新能源发电装置按最大跟踪功率工作，为直流电网供电。但是当直流母线电压大于第三预设值时，直流电网容易出现功率过高，因此可以根据第五函数以及直流母线电压为新能源发电装置设置限制功率，使其输出功率不大于该限制功率，降低直流电网功率过高风险，从而维护直流电网的供电平稳。

继续参考图4，在本公开的一种示例性实施例中，当储能单元22被设置为从直流母线吸收功率(即输出功率为负值)时，计算单元222可以响应直流母线电压的实时变化，根据直流母线电压确定吸收功率参考值，例如：

当直流母线电压大于第一预设值Vref1，小于等于第二预设值Vref2时，按第二预设工作模式确定功率参考值；

当直流母线电压大于第二预设值Vref2，小于等于第三预设值Vref3时，根据第二函数P＝F₂(V)确定功率参考值；

当直流母线电压大于第四预设值Vref4，小于等于第一预设值Vref1时，根据第四函数P＝F₄(V)确定功率参考值；

其中，V为直流母线电压，P为储能单元的吸收功率参考值。

与输出功率时相似，当直流母线电压在额定工作电压附近时，可以控制各功率单元按照各自的能量管理需求确定功率吸收值。当直流母线电压大于额定工作电压一定范围，超过第二预设值但并未超过第三预设值时，可以根据第二函数确定吸收功率参考值。本实施例中，用负数代表从直流母线吸收的功率，正数代表向直流母线输出的功率。在本公开的一种示例性实施例中，第二函数为单调递减函数，即当直流母线电压大于额定工作电压一定范围，但是并未超过第三预设值Vref3时，控制储能单元22吸收的功率值(负数取绝对值)与直流母线电压相关联，在直流母线电压升高时增加功率单元222吸收的功率。在本公开一种示例性实施例中，当直流母线电压大于第三预设值Vref3时，还可以将功率参考值确定为预设最大吸收功率，使功率单元222按预设最大功率从直流母线上吸收功率，从而尽量在直流母线电压超过第三预设值时保护直流电网的供电平稳。

当直流母线电压小于额定工作电压一定范围，低于第一预设值但是并未小于第四预设值时，可以根据第四函数确定吸收功率参考值。在本公开的一种示例性实施例中，用负数代表从直流母线吸收的功率，因此第四函数为单调递减函数，即当直流母线电压小于额定工作电压一定范围，但是并未小于第四预设值Vref4时，控制储能单元22吸收的功率值与直流母线电压相关联，在直流母线电压降低时减小功率单元222吸收的功率。在本公开一种示例性实施例中，当直流母线电压小于第四预设值Vref4时，还可以将功率参考值确定为零，使功率单元222停止从直流母线上吸收功率，从而尽量在直流母线电压小于第四预设值时保护直流电网的供电平稳。

在本公开的一种示例性实施例中，直流母线电压控制系统还包括直流负载和/或交流负载，可以在直流母线的电压小于等于第四预设值时依据母线电压控制各直流负载和交流负载中的一部分部分卸载，从而获得功率平衡，或全部卸载进入保护模式。即，在直流母线的电压小于等于第四预设值时可以控制直流负载和/或交流负载自行卸载。

虽然本实施例以一张图对第一、第二、第三、第四预设值进行说明，但是在实际运行中，当储能单元被设置为从直流母线吸收功率或对直流母线输出功率时，各参考的预设值可以不同。新能源发电装置、直流负载、交流负载的各参考预设值也可以与各储能单元不同。在一些实施例中，由于各储能单元均具有自己的控制单元和计算单元，因此每个储能单元均可设置完全不同于其他储能单元的第一、第二、第三、第四预设值，以根据自身工作情况和能量管理需求灵活调整工作功率，以维护直流电网的供电平稳。

此外，上述第一、第二、第三、第四预设值仅为示例性说明，在实际应用中，可以为每个预设值设置允差，在直流母线电压位于第x预设值的允差范围内时，根据实际情况确定计算单元应该参考的功率确定规则。

通过使各储能单元、新能源发电装置、负载根据直流母线电压自行调整运行功率，可以灵活调整直流电网的功率，降低通讯条件对直流母线电压调整的影响，保证直流电网供电的可靠性。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

图5是本公开的一种直流母线电压控制方法的流程图。该直流母线电压控制方法可以应用于如图2所示的直流母线电压控制系统。

参考图5，直流母线电压控制方500可以包括：

步骤S1，检测直流母线电压；

步骤S2，当直流母线电压大于第一预设值，小于等于第二预设值时，储能单元按预设模式输出功率或吸收功率；

步骤S3，当直流母线电压大于第二预设值，小于等于第三预设值时，储能单元根据第一函数中直流母线电压对应的功率值输出功率或根据第二函数中直流母线电压对应的功率值吸收功率；

步骤S4，当直流母线电压大于第四预设值，小于等于第一预设值时，储能单元根据第三函数中直流母线电压对应的功率值输出功率或根据第四函数中直流母线电压对应的功率值吸收功率。

在本公开的一种示例性实施例中，方法500还可以包括：

步骤S5，当直流母线电压大于第三预设值时，储能单元按预设最小输出功率或预设最大吸收功率运行；

步骤S6，当直流母线电压小于等于第四预设值时，储能单元按额定功率输出功率或停止吸收功率。

在本公开的一种示例性实施例中，直流母线系统还包括新能源发电单元，新能源发电单元耦接于直流母线：

当直流母线电压大于第三预设值时，根据第五函数中直流母线电压对应的功率值，设置新能源发电单元的输出功率限值，控制新能源发电装置的输出功率不大于输出功率限值。

在本公开的一种示例性实施例中，直流母线系统还包括直流负载或交流负载，直流负载或交流负载耦接于直流母线；

当直流母线电压小于等于第四预设值时，卸载直流负载或交流负载。

在本公开的一种示例性实施例中，第一函数和第三函数的自变量为直流母线电压，因变量为储能单元的输出功率参考值，储能单元根据输出功率参考值控制储能单元输出至直流母线的功率。

在本公开的一种示例性实施例中，第二函数和第四函数的自变量为直流母线电压，因变量为储能单元的吸收功率参考值，储能单元根据吸收功率参考值控制储能单元吸收直流母线的功率。

在本公开的一种示例性实施例中，第五函数的自变量为直流母线电压，因变量为新能源发电单元的输出功率限值，新能源发电单元控制器根据输出功率限值，控制新能源发电装置输出至直流母线的功率在输出功率限值之下。

在本公开的一种示例性实施例中，采用正数代表向直流母线输出的功率，采用负数代表从直流母线吸收的功率。第一函数、第二函数、第三函数、第四函数和第五函数均为单调递减函数。

在图5所示的实施例中，第二函数和第三函数指代的函数与图4所示的实施例不同，此为方便说明而设置，不对本公开实施例的实施方式造成实际影响。

下面参考应用场景对本公开实施例进行说明。

图6是本公开实施例应用于地铁变电站的制动能量吸收系统时的运行示意图。参考图6，假设额定电压为750V的地铁牵引供电系统配置有1MW馈网逆变器(ERS)和500kW储能系统(ESS)，在没有通信和系统控制指令的情况下持续运行。

设置第一预设值为800V，第二预设值为850V，第三预设值为900V，第四预设值为750V。其中，将第一预设值与第二预设值之间的范围定义为第一电压范围，将第二预设值与第三预设值之间的范围定义为第二电压范围，将第一预设值与第四预设值之间的范围定义为第三电压范围。

设储能系统ESS在第二电压范围和第三电压范围的运行功率分别由图6中(1)(2)线段代表的函数确定：

其中，Vds是第一预设值，Vss是第二预设值，Vsm是第三预设值，Vdm是第四预设值，P0是母线电压为第二预设值时对应的功率值，Psm是母线电压为第三预设值时对应的功率值，Pdm是母线电压为第四预设值时对应的功率值。

设馈网逆变器(ERS)/整流单元在第二电压范围和第三电压范围的运行功率分别由图6中(3)(4)线段代表的函数确定：

其中，Psm2是馈网逆变器在母线电压为第三预设值时对应的功率值，Pdm2是整流单元在母线电压为第四预设值时对应的功率值。

可以将P1～P4的函数关系预置在各个储能单元(储能系统(ESS)、馈网逆变器(ERS)、整流单元)的计算单元中，使得各储能单元的控制单元可独立自主地由直流母线电压确定自身的控制功率，并按此控制功率控制对应储能单元的工作功率。

功率控制的具体实施方法可以有多种形式，在本实施例中，例如可以通过储能单元侧的电流控制来实现。

如图7所示，各储能单元的检测单元检测直流母线电压；计算单元根据直流母线电压V_bus和上述预设的函数关系P(V)得到控制功率P*，然后根据P*与储能单元的工作电压V_B确定储能单元的工作电流I*；控制单元根据电流控制器以及工作电流I*对储能单元进行电流控制，以使得储能单元输出或吸收的功率与控制功率P*保持一致。在其它应用中，也可以通过直流母线侧的电流控制来实现储能单元的功率控制。

参考图8A至图8C，图6所示系统的示例性运行过程如下：

如图8A所示，当检测到直流母线电压在第一电压范围内(800至850V)时，储能变换器的控制单元控制功率单元均停止输出功率，即对电压的波动不做响应。

当检测到直流母线电压的第二电压范围内(850至900V)时，假设初始系统没有储能变换器ESS，只由逆变器和电阻负载吸收制动能量，并且逆变器的功率控制按照预设函数关系做控制运行，在1000KW净制动能量注入直流电网时，直流母线电压上升，直至900V时馈网逆变器满载工作于-1000KW，抵消制动能量的净注入；在1500KW制动能量注入电网时，直流母线电压将高至900V以上，此时必须启动负载电阻吸收过多的制动能量。

如图8B所示，若在系统中配置一套500kW的ESS，按照预设函数关系控制ESS的工作功率，可以实现即插即用，无需改变系统的其它设置。在1000KW净制动能量注入直流电网时，ESS控制器和逆变器将根据直流母线电压确定吸收功率，使直流母线电压稳定在V_1M，低于900V；在1500KW制动能量注入电网时，直流母线电压将达到900V，仍无需启动负载电阻吸收制动能量，由此，通过对ESS进行如本公开方法的功率控制，有效抑制了地铁制动时直流母线电压的上升。

如图8C所示，当检测到直流母线电压在第三电压范围内(800至750V)时，ESS的计算单元可以根据直流母线电压确定输出功率为0至500kW，控制单元控制ESS的功率单元补充整流器功率，可以减小列车起点加速过程中直流母线电压的下降。当牵引负荷为1000kW时，采用本实施例方法的ESS放电功率为350kW，整流输出功率为650kW，母线电压接近770V。由此，储能单元通过根据直流母线电压自主控制功率工作，减小了列车起动过程中的直流电网电压下跌。

图9是本公开又一实施例的示意图，即具有直流母线新能源发电装置与储能单元的直流电网框图。

参考图9，假设耦接于直流母线的新能源发电装置与多个储能单元联机运行。设直流母线光伏发电电池储能交流并网发电系统的额定直流母线电压为800V，系统配置了一个100kW并网逆变器(Inverter)、一个100kW储能系统(Battery1/ESS1)、一个50kW的储能系统(Battery2/ESS2)、100kW新能源发电装置和直流负载(DC load)，其中新能源发电装置包含光伏电池板PV及其DC/DC变换器。

在并网条件下(Grid-tiedMode)，预设并网逆变器运行模式为控制直流母线电压在第一电压范围及其允差内，此时新能源发电装置的DC/DC变换器预设模式为运行于最大功率点跟踪模式(MPPT模式)，按光照条件向直流母线注入功率，各储能系统按照预设模式的能量管理策略做充放电运行或备用。在电网异常时，并网逆变器按预设模式进入离网独立运行模式(Stand alone Mode)。在上述任一运行条件下，系统母线电压可按照本发明的方法实现自动控制。

电网正常时，并网逆变器控制直流母线电压在第一电压范围，逆变器的注入功率(注入直流母线为正，反向为负)在100kW至-100kW之间，如果逆变器之外的直流功率(例如新能源发电装置、电池和直流负载之和)不超过逆变器功率范围限值，直流母线电压可以维持在第一电压范围内，若超过逆变器功率限值，直流母线电压不能维持，可能进入第二或第三电压范围。

此时，如果直流母线电压进入第二电压范围，表明逆变器从直流母线吸收的功率(负功率)受限，不足以平衡抵消新能源发电装置和储能单元的注入功率，造成母线电压的升高。在本实施例中，各储能单元将依照本发明的控制方法随直流母线电压增加而自动减小输出功率或增大吸收功率，使直流母线电压达到新的平衡。若储能单元吸收功率达到最大值，新能源发电装置功率注入直流母线后直流母线的功率仍超过并网逆变器的吸收能力，则直流母线电压将上升进入第四电压范围(超过第三预设值)，此时，新能源发电装置将自动降低输出功率，使输出功率不超过预设最大值，从而使直流母线电压获得新的平衡。

若逆变器对直流母线的输入功率仍不足以补偿直流母线上流失的功率，则直流母线电压进入第三电压范围，各储能单元将自动增加输出功率以维持直流母线电压的平衡。

参考图10，假设储能单元ESS1和ESS2的工作功率可以由(1)(2)和(3)(4)所示的函数曲线确定，在第二电压范围内，函数(1)和函数(3)的公式可以为：

新能源发电装置的功率控制由(5)所示的函数曲线确定，在第四电压范围内，函数(5)的公式可以为：

由图10可知，ESS1(100kW储能单元)在直流母线电压上升到Vss(840V)至Vsm(870V)之间时，充电功率从0W相应地增加至100kW；在直流母线电压下降至800V至750之间时，其放电功率从0W相应地增加至100kW。ESS2(50kW储能单元)的运行规律与ESS1相似，本公开于此不再赘述。为抑制过高的母线电压，在第四电压范围内，新能源发电装置的控制单元按第五函数对应的V-P函数限制功率输出，第五函数可以由本领域技术人员根据实际情况自行设置。

此外，如果电网由正常转为异常，逆变器将脱离电网独立运行，从直流母线吸收功率为交流负载供电，直流母线功率出现失衡，直流母线电压也可能进入到第二或第三电压范围。

独立运行模式下，直流母线电压进入第二电压范围表明交流负载和直流负载的消耗功率不足以抵消新能源发电装置和各储能单元的注入功率，造成母线电压的升高。在本公开实施例中，各储能单元将随电压增加而自动减小输出功率或增大吸收功率，使直流母线功率达到新的平衡。若储能单元的吸收功率达到预设最大值时仍有过多的PV功率超过并网逆变器的吸收能力，则母线电压将上升进入第四电压范围，新能源发电装置(新能源发电装置)的变换器将自动降低输出功率，使直流母线电压获得新的平衡。

反之，独立运行模式下，直流母线电压进入第三电压范围表明直流母线的负载功率超过了新能源发电装置或储能单元的注入功率，造成母线电压的降低。在本公开实施例中，此时新能源发电装置将按最大功率跟踪输出，各储能单元将随电压降低而自动增大输出功率或减小吸收功率，使直流母线功率达到新的平衡。若储能单元输出功率达到其允许的最大值时仍不足以补偿负载吸收的功率，直流母线电压将下降进入第五电压范围，此时各交流负载或直流负载可以依据母线电压部分自行卸载获得功率平衡，或全部自行卸载进入保护模式。

如图10中示出的ESS1和ESS2功率控制函数所示，如果系统中存在多个最大功率不同的储能单元，可以为每个储能单元单独设置功率控制函数甚至定义不同的电压范围以实现并联运行。此外，各个储能单元也可以独立设置对直流母线电压偏差的响应策略，例如响应起点、响应终点、响应函数曲线或查表等，以便于各自设定优先级和充放电能量管理，从而避免系统集中控制、通信链路建立或多环路反馈控制等环节的复杂参数调试和过程处理，使储能单元便于模块化扩展和即插即用。

本公开实施例通过设置系统中各耦接于直流母线的储能单元、新能源发电装置、负载根据直流母线电压自行调整各自工作功率，使直流母线电压获得新的平衡，可以在没有通信连接和集中控制指令的情况下维持系统电压稳定，避免系统状态的频繁切换。由于各储能单元仅根据直流母线电压计算或查表确定自身工作功率，避免了双环或多环反馈控制等复杂控制方式，简化了控制过程，提高了可靠性。

所属技术领域的技术人员能够理解，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。

此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和构思由权利要求指出。

Claims (25)

1.一种直流母线电压控制方法，应用于直流母线系统，所述直流母线系统包含直流母线以及耦接于直流母线的储能单元，其特征在于，包括：

检测直流母线电压；

当所述直流母线电压大于第一预设值，小于等于第二预设值时，所述储能单元按预设模式输出功率或吸收功率；

当所述直流母线电压大于所述第二预设值，小于等于第三预设值时，所述储能单元根据第一函数中所述直流母线电压对应的功率值输出功率或根据第二函数中所述直流母线电压对应的功率值吸收功率；

当所述直流母线电压大于第四预设值，小于等于所述第一预设值时，所述储能单元根据第三函数中所述直流母线电压对应的功率值输出功率或根据第四函数中所述直流母线电压对应的功率值吸收功率。

2.如权利要求1所述的直流母线电压控制方法，其特征在于，还包括：

当所述直流母线电压大于所述第三预设值时，所述储能单元按预设最小输出功率或预设最大吸收功率运行；

当所述直流母线电压小于等于所述第四预设值时，所述储能单元按额定功率输出功率或停止吸收功率。

3.如权利要求1所述的直流母线电压控制方法，其特征在于，所述直流母线系统还包括新能源发电单元，所述新能源发电单元耦接于所述直流母线：

当所述直流母线电压大于所述第三预设值时，根据第五函数设置所述新能源发电单元的输出功率限值，控制所述新能源发电单元的输出功率不大于所述输出功率限值。

4.如权利要求1所述的直流母线电压控制方法，其特征在于，所述直流母线系统还包括直流负载或交流负载，所述直流负载或交流负载耦接于所述直流母线；

当所述直流母线电压小于等于所述第四预设值时，卸载所述直流负载或所述交流负载。

5.如权利要求1-4任一项所述的直流母线电压控制方法，其特征在于，所述第一预设值Vref1和所述第二预设值Vref2满足：

Vref1＝(1+K1)*Vp；

Vref2＝(1+K2)*Vp；

其中，Vp为所述直流母线的额定工作电压值，K1和K2为-30％到30％的任一值，且K2大于K1。

6.如权利要求1-4任一项所述的直流母线电压控制方法，其特征在于，所述第三预设值Vref3满足：

Vref3＝(1+K3)*Vref2

其中，Vref2为所述储能单元的第二预设值，K3为0到30％的任一值。

7.如权利要求1-4任一项所述的直流母线电压控制方法，其特征在于，所述第四预设值Vref4满足：

Vref4＝(1-K4)*Vref1

其中，Vref1为所述储能单元的第一预设值，K4为0到30％的任一值。

8.如权利要求1所述的直流母线电压控制方法，其特征在于，所述第一函数和所述第三函数的自变量为所述直流母线电压，所述第一函数和所述第三函数的因变量为所述储能单元的输出功率参考值，所述储能单元根据所述输出功率参考值控制所述储能单元输出至所述直流母线的功率。

9.如权利要求1所述的直流母线电压控制方法，其特征在于，所述第二函数和所述第四函数的自变量为所述直流母线电压，所述第二函数和所述第四函数的因变量为所述储能单元的吸收功率参考值，所述储能单元根据所述吸收功率参考值控制所述储能单元吸收所述直流母线的功率。

10.如权利要求3所述的直流母线电压控制方法，其特征在于，所述第五函数的自变量为所述直流母线电压，所述第五函数的因变量为所述新能源发电单元的输出功率限值。

11.如权利要求10所述的直流母线电压控制方法，其特征在于，所述第五函数为单调递减函数。

12.如权利要求1所述的直流母线电压控制方法，其特征在于，所述第一函数、所述第二函数、所述第三函数、所述第四函数为单调递减函数。

13.一种直流母线电压控制系统，其特征在于，包括：

电压主控制器，耦接于直流母线，用于根据系统运行状态调整直流母线电压；

多个储能单元，耦接于所述直流母线，其中每个储能单元均包括功率控制器与功率单元，所述功率控制器用于根据所述直流母线电压调整对应的所述功率单元的输出功率或吸收功率；

其中，所述功率控制器包括：

检测单元，用于检测直流母线电压；

计算单元，用于根据所述直流母线电压确定功率参考值；

控制单元，用于控制所述功率单元的工作状态，根据所述功率参考值实时调整其对应的功率单元的输出功率或吸收功率。

14.如权利要求13所述的直流母线电压控制系统，其特征在于，所述储能单元输出功率至所述直流母线时，所述计算单元设置为：

当所述直流母线电压大于第一预设值，小于等于第二预设值时，按第一预设工作模式确定所述功率参考值；

当所述直流母线电压大于所述第二预设值，小于等于第三预设值时，根据第一函数确定所述功率参考值；

当所述直流母线电压大于第四预设值，小于等于所述第一预设值时，根据第三函数确定所述功率参考值；

其中，所述第一函数和所述第三函数的自变量为所述直流母线电压，因变量为所述储能单元的输出功率参考值。

15.如权利要求14所述的直流母线电压控制系统，其特征在于，所述计算单元还设置为：

当所述直流母线电压大于所述第三预设值时，将所述功率参考值确定为预设最小输出功率；

当所述直流母线电压小于等于所述第四预设值时，将所述功率参考值确定为额定输出功率。

16.如权利要求13所述的直流母线电压控制系统，其特征在于，所述储能单元从所述直流母线吸收功率时，所述计算单元设置为：

当所述直流母线电压大于第一预设值，小于等于第二预设值时，按第二预设工作模式确定所述功率参考值；

当所述直流母线电压大于所述第二预设值，小于等于第三预设值时，根据第二函数确定所述功率参考值；

当所述直流母线电压大于第四预设值，小于等于所述第一预设值时，根据第四函数确定所述功率参考值；

其中，所述第二函数和所述第四函数的自变量为所述直流母线电压，因变量为所述储能单元的吸收功率参考值。

17.如权利要求16所述的直流母线电压控制系统，其特征在于，所述计算单元还设置为：

当所述直流母线电压大于所述第三预设值时，将所述功率参考值确定为预设最大吸收功率；

当所述直流母线电压小于等于所述第四预设值时，将所述功率参考值确定为零。

18.如权利要求14所述的直流母线电压控制系统，其特征在于，还包括耦接于所述直流母线的新能源发电装置，所述计算单元还设置为：

当所述直流母线电压大于所述第三预设值时，将所述新能源发电装置的所述功率参考值限制于根据第五函数所计算的输出功率限值之下，其中，所述第五函数的自变量为所述直流母线电压，因变量为所述新能源发电装置的输出功率限值。

19.如权利要求16所述的直流母线电压控制系统，其特征在于，还包括直流负载和/或交流负载，所述控制单元设置为在所述直流母线的电压小于等于所述第四预设值时自行卸载所述直流负载和/或所述交流负载。

20.如权利要求14-19任一项所述的直流母线电压控制系统，其特征在于，所述第一预设值Vref1和所述第二预设值Vref2满足：

Vref1＝(1+K1)*Vp；

Vref2＝(1+K2)*Vp；

其中，Vp为所述直流母线的额定工作电压值，K1和K2为-30％到30％的任一值，且K2大于K1。

21.如权利要求14-19任一项所述的直流母线电压控制系统，其特征在于，所述第三预设值Vref3和所述第二预设值Vref2满足：

Vref3＝(1+K3)*Vref2

其中，K3为0到30％的任一值。

22.如权利要求14-19任一项所述的直流母线电压控制系统，其特征在于，所述第四预设值Vref4满足：

Vref4＝(1-K4)*Vref1

其中，Vref1为所述储能单元的第一预设值，K4为0到30％的任一值。

23.如权利要求14所述的直流母线电压控制系统，其特征在于，所述第一函数、所述第三函数为单调递减函数。

24.如权利要求16所述的直流母线电压控制系统，其特征在于，所述第二函数、所述第四函数为单调递减函数。

25.如权利要求18所述的直流母线电压控制系统，其特征在于，所述第五函数为单调递减函数。