CN110572067A - 一种孤岛储能型功率单元串联微电网结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种孤岛储能型功率单元串联微电网结构及控制方法，由多个功率单元串联组成，功率单元包括直流储能单元、直流/交流转换电路和采样电路，直流储能单元由直流母线电容与储能电池并联而成；直流/交流转换电路包括主功率变换电路及滤波电路，采样电路包括对每个功率单元滤波电感输出电流的采样电路、滤波电容输出电压的采样电路以及对相应直流储能单元内的储能电池信息采样电路；还涉及上述微电网结构的功率控制方法。本发明的优点在于：该微电网结构只需要单级功率变换，减少了系统成本，提高了转换器的效率，同时可以合理利用直流侧电源能量，提高直流储能单元使用寿命。

Description

一种孤岛储能型功率单元串联微电网结构及控制方法

技术领域

本发明涉及孤岛运行微电网领域，具体为一种孤岛储能型功率单元串联微电网结构及控制方法，以协同控制方式进行可调整截距的反功率因数控制以实现分散的成比例的有功功率控制同时实现公共连接点电压管理。

背景技术

新能源发电比例升高，分布式可再生能源及其能量储存单元地大量接入微电网，促进了孤岛运行微电网的发展。过去的研究中，孤岛运行的微电网由多逆变器并联构成，然而分布式直流电源电压等级在常见情况下都小于并网电压等级，并联逆变器必须经过两级功率变换升压才能达到并网电压等级。多逆变器并联系统一般采用下垂控制，实现无通讯的功率共享，然而下垂控制存在不稳定、无功功率分配不精准等问题。另一方面，串联型逆变器被提出，将低电压等级直流电源通过一级功率变换直接并网，成为可再生能源接入电网的重要手段。

过去的研究集中于逆变器的并网运行。使用一个中央控制器完成所有逆变器的同步，然而，对于距离较远，数量较大的直流电源组成的孤岛运行的微电网，使用中央控制器控制困难，成本昂贵，可靠性差。除此之外，并联单元与串联单元功率流动方式不同，因此应用于并联系统的下垂控制难以应用到串联系统中。

为了克服这些困难，急需提出一种只需要单级功率变换、将储能单元接入微电网的结构以及一种高可靠性的功率分配及电压管理控制方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种孤岛储能型功率单元串联微电网结构及控制方法，本发明将储能系统通过单级功率变换接入系统为负载供电，同时利用低带宽协同控制取代高带宽集总控制，在功率单元之间只有低带宽通讯线的基础上，各个功率单元按照直流储能单元的储能电池信息成比例地分配有功功率，同时实现公共连接点处负载两侧电压的有效管理。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种孤岛储能型功率单元串联微电网结构，应用于以IGBT组成的H桥单元为主功率逆变电路为负载提供稳定持续供电的微电网系统，由至少两个功率单元相互串联组成，所述功率单元包括直流储能单元、直流/交流转换电路和采样电路，所述直流储能单元由直流母线电容与储能电池并联而成；所述直流/交流转换电路包括主功率变换电路及滤波电路，滤波电路由滤波电感及滤波电容组成，滤波电感的输入端与主功率逆变电路的其中一端相接，滤波电感的输出端与滤波电容的输入端相接，并接入公共连接点的一端或另一个功率单元的滤波电容的输出端，滤波电容的输出端与另一个功率单元的滤波电感的输出端相连或接入公共连接点的另一端；所述采样电路包括对每个功率单元滤波电感输出电流的采样电路、滤波电容输出电压的采样电路以及对相应直流储能单元内的储能电池信息采样电路，采样电路采样得到的信息通过信号线传入功率单元的本地控制器，采样电路还包括对于公共连接点处负载两侧电压的采样电路，流过负载电流的采样电路，采样得到的信息通过信号线传输到中央控制器。

此外还提供另一个技术方案，即一种基于孤岛储能型功率单元串联微电网结构的控制方法，包括以下步骤：

(1)公共连接点的中央控制器通过提出的幅值比例-积分恢复控制算法补偿负载两侧的电压，并通过低带宽通信的方式将计算得到的增益因子发送给每个功率单元的本地控制器；

(2)中央控制器采样公共连接点处负载两侧的电压、流过负载的电流计算得到公共连接点处负载功率因数，对于通过本地控制器上传的储能电池信息计算每个功率单元的加权因子，通过低带宽通信的方式将负载功率因数以及加权因子发给相对应功率单元的本地控制器；

(3)每个功率单元的本地控制器根据采样得到的滤波电感输出电流以及滤波电容输出电压计算每个功率单元的功率因数，结合从中央控制器接收到的加权因子和负载功率因数调整反功率因数控制的截距，通过从中央控制器接收到的增益因子调整输出电压幅值，进而生成功率单元的参考电压，并采用电压外环与电流内环的双闭环追踪，实现每个功率单元输出的有功功率与直流储能单元内的储能电池信息成比例的功率控制，同时自动消除了公共连接点电压频率偏差。

进一步的，步骤(1)具体包括以下步骤：

a)利用电压传感器对公共连接点处负载两侧电压进行采样，经过计算得到公共连接点处负载两侧电压幅值，与公共连接点处负载两侧额定电压幅值相比较，结果经过幅值比例-积分恢复控制算法，计算得到增益因子：

其中E^*和E_PCC分别是公共连接点处负载两侧额定电压和测量电压的幅值；k_{p_mag}和k_{i_mag}分别是幅值比例-积分恢复控制算法的比例增益和积分增益；s为控制器的微分项；控制器的输出是增益因子g_c；

b)增益因子通过低带宽通信传递给功率单元的本地控制器，功率单元的本地控制器生成相应功率单元的参考电压幅值，实现公共连接点负载两侧电压幅值补偿：

其中G_delay(s)是低带宽通信的传递函数，τ_m是功率单元m的低带宽通信的延时，g_{c_Local，m}是经过低带宽通信后本地控制器收到的增益因子；E_m是本地控制器生成的功率单元参考电压幅值，k是串联的功率单元的总个数。

进一步的，步骤(2)包括如下步骤：中央控制器采样公共连接点处负载两侧的电压V_PCC、流过负载的电流I_Load，计算公共连接点处负载功率因数PF_Load，收集来自本地控制器的储能电池信息SoC_m，计算加权因子：

W_SoC，m＝k·SoC_m/∑_{m＝1，2...，k}SoC_m (1-4)

其中SoC_m是功率单元m的SoC(电池荷电状态)，m＝1，2...k是功率单元1，功率单元2直到串联功率单元总个数k，W_SoC，m是计算得到的加权因子。

进一步的，步骤(3)包括如下步骤：功率单元的本地控制器根据计算得到的相应功率单元的功率因数，从中央控制器接收到的加权因子W_SoC，m和公共连接点处负载功率因数PF_Load调整反功率因数控制的截距，产生功率单元参考电压角频率：

ω_m＝ω^*+D_PF·(PF_m-W_SoC，m·PF_Load) (1-5)

其中，ω^*是额定输出角频率，PF_m是计算得到的相应功率单元m的功率因数，D_PF是反下垂系数，PF_Load是公共连接点负载功率因数。

本地控制器根据功率单元参考电压角频率和功率单元的参考电压幅值生成参考电压对于该参考电压值，通过电压外环与电流内环的双闭环追踪，电压外环采用准谐振控制，电压外环的传递函数为G_v(s)，外环的一个输入为采样得到的滤波电容输出电压V_c，另一个输入为参考电压外环输出为参考电流内环的传递函数为G_I(s)，内环的一个输入为采样得到的滤波电感输出电流I_o，另一个输入为外环输出的参考电流内环输出为用于调制的调制电压

G_I(s)＝k_Inner (1-7)式中k_p是比例增益，k_i，h是准谐振控制器在谐波次数为h的增益，h＝f，3，5，7，9是谐波次数可为基波，3次谐波，5次谐波，7次谐波，9次谐波，ω_c是准谐振控制器的带宽角频率，ω_h是准谐振控制器在谐波次数为h的角频率，k_Inner是内环的比例增益。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明中的储能型功率单元串联微电网结构将多个功率单元通过串联方式连接，区别于传统的多个逆变器并联并网方式，该微电网结构省去了传统微电网结构中的DC/DC升压变换环节，从而减少了系统成本，同时提高了功率单元的运行效率。

2.串联结构特有的单级功率变换降低了功率单元对直流侧输入电压等级要求，提高了新能源的利用率，降低了并网系统对新能源的要求。

3.功率单元之间串联连接方式的固有电路属性使功率单元输出电流恒相等，不存在环流问题，避免了传统并网逆变器环流抑制设备的使用，降低了成本。

4.本发明的功率控制方法，具有简单实用的特点，只需要采集功率单元本地电流信号和电压信号即可，不需要功率单元间的通信，也不需要获取微电网系统的参数；实现了功率单元按照直流侧电源能量成比例且准确地输出有功和无功功率，从而解决传统孤岛微电网中按照直流侧能量合理准确分配功率难题。

附图说明

图1为本发明微电网结构的示意图。

图2为本发明基于储能型功率单元串联微电网结构的协同控制流程图。

图3为实验波形图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示的一种孤岛储能型功率单元串联微电网结构，由三个功率单元串联组成，功率单元包括直流储能单元1、直流/交流转换电路2及采样电路3。直流储能单元由直流母线电容C_d与储能电池并联而成；所述直流/交流转换电路包括主功率变换电路及滤波电路，滤波电路由滤波电感L_f及滤波电容C_f组成，滤波电感L_f的输入端与主功率逆变电路的其中一端相接，滤波电感L_f的输出端与滤波电容C_f的输入端相接，并接入公共连接点的一端或另一个功率单元的滤波电容C_f的输出端，滤波电容C_f的输出端与另一个功率单元的滤波电感L_f的输出端相连或接入公共连接点的另一端；采样电路包括对每个功率单元滤波电感L_f输出电流的采样电路、滤波电容C_f输出电压的采样电路以及对相应直流储能单元内的储能电池信息采样电路，采样得到的信息通过信号线传入功率单元的本地控制器，采样电路也包含对于公共连接点处负载两侧电压的采样电路，流过负载电流的采样电路，采样得到的信息通过信号线传输到中央控制器。

一种针对上述的基于孤岛运行的储能型功率单元串联微电网协同控制技术。

第一步，利用电压传感器对公共连接点处负载两侧电压进行采样，经过计算得到公共连接点处负载两侧电压幅值，与公共连接点处负载两侧额定电压幅值相比较，结果经过幅值比例-积分恢复控制算法，计算得到增益因子：

其中E^*和E_PCC分别是公共连接点处负载两侧额定电压和测量电压的幅值，在实验中E^*被设为120；k_{p_mag}和k_{i_mag}分别是幅值比例-积分恢复控制算法的比例增益和积分增益，在实验中根据响应速度与稳定性的要求分别设置为0.12/V和0.008/(V·s)；s为控制器的微分项；控制器的输出是增益因子g_c。增益因子通过低带宽通信传递给功率单元的本地控制器，功率单元的本地控制器生成相应功率单元的参考电压幅值，实现公共连接点负载两侧电压幅值补偿：

其中G_delay(s)是低带宽通信的传递函数，τ_m是功率单元m的低带宽通信的延时，g_{c_Local，m}是经过低带宽通信后本地控制器收到的增益因子；E_m是本地控制器生成的功率单元参考电压幅值，k是串联的功率单元的总个数。

第二步，中央控制器采样公共连接点处负载两侧的电压V_PCC、流过负载的电流I_Load，计算公共连接点处负载功率因数PF_Load，收集来自本地控制器的储能电池信息SoC_m，计算加权因子：

W_SoC，m＝k·SoC_m/∑_{m＝1，2...，k}SoC_m (4)

其中SoC_m是功率单元m的SoC(电池荷电状态)，m＝1，2...k是功率单元1，功率单元2直到串联功率单元总个数k，本实验中设为3，W_SoC，m是计算得到的加权因子。

第三步，功率单元的本地控制器根据计算得到的相应功率单元的功率因数，从中央控制器接收到的加权因子W_SoC，m和公共连接点处负载功率因数PF_Load调整反功率因数控制的截距，产生功率单元参考电压角频率：

ω_m＝ω^*+D_PF·(PF_m-W_SoC，m·PF_Load) (5)

其中，ω^*是额定输出角频率，本实施例中设置为100π rad/s，PF_m是计算得到的相应功率单元m的功率因数，D_PF是反下垂系数，本实验中设置为10rad/s，PF_Load是公共连接点负载功率因数。本地控制器根据功率单元参考电压角频率和功率单元的参考电压幅值生成参考电压对于该参考电压值，通过电压外环与电流内环的双闭环追踪，电压外环采用准谐振控制，电压外环的传递函数为G_v(s)，外环的一个输入为采样得到的滤波电容输出电压V_c，另一个输入为参考电压外环输出为参考电流内环的传递函数为G_I(s)，内环的一个输入为采样得到的滤波电感输出电流I_o，另一个输入为外环输出的参考电流内环输出为用于调制的调制电压

G_I(s)＝k_Inner (7)

式中k_p是比例增益，本实验中设置为0.2A/V，k_i，h是准谐振控制器在谐波次数为h的增益，h＝f，3，5，7，9是谐波次数可以为基波，3次谐波，5次谐波，7次谐波，9次谐波，本实验中，k_i，f设置为30A/(V·s)，k_i，3和k_i，5，k_i，7，k_i，9设置为15A/(V·s)，ω_c是准谐振控制器的带宽角频率，本实验中设置为4rad/s；ω_h是准谐振控制器在谐波次数为h的角频率，k_Inner是内环的比例增益，本实验中设置为15V/A。

综上，本方法实现在没有高频通讯线的条件下，输出公共连接点电压幅值频率得到有效管理，各串联逆变器达到同步，且逆变器按照后级直流侧电池储存能量进行精确有功功率分配。

如图3所示的实验波形，每格1s，以2.5s为每一阶段时长，第一阶段无控制，第二阶段采用传统全分散反下垂控制，第三阶段启动本发明的控制方法，此时各功率单元直流储能单元内储能电池SoC比值为4∶3∶3，由实验数据可知实现了精确(4∶3∶3)的有功分配，同时负载两侧电压幅值达到供电电压要求，第四阶段负载突变，发明的控制方法仍然能够保持准确的功率分配，同时验证了本发明控制方法的稳定性。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种孤岛储能型功率单元串联微电网结构，应用于以IGBT组成的H桥单元为主功率逆变电路为负载提供稳定持续供电的微电网系统，其特征在于，由至少两个功率单元相互串联组成，所述功率单元包括直流储能单元、直流/交流转换电路和采样电路，所述直流储能单元由直流母线电容与储能电池并联而成；所述直流/交流转换电路包括主功率变换电路及滤波电路，滤波电路由滤波电感及滤波电容组成，滤波电感的输入端与主功率逆变电路的其中一端相接，滤波电感的输出端与滤波电容的输入端相接，并接入公共连接点的一端或另一个功率单元的滤波电容的输出端，滤波电容的输出端与另一个功率单元的滤波电感的输出端相连或接入公共连接点的另一端；所述采样电路包括对每个功率单元滤波电感输出电流的采样电路、滤波电容输出电压的采样电路以及对相应直流储能单元内的储能电池信息采样电路，采样电路采样得到的信息通过信号线传入功率单元的本地控制器，采样电路还包括对于公共连接点处负载两侧电压的采样电路，流过负载电流的采样电路，采样得到的信息通过信号线传输到中央控制器。

2.一种基于孤岛储能型功率单元串联微电网结构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)公共连接点的中央控制器通过提出的幅值比例-积分恢复控制算法补偿负载两侧的电压，并通过低带宽通信的方式将计算得到的增益因子发送给每个功率单元的本地控制器；

(2)中央控制器采样公共连接点处负载两侧的电压、流过负载的电流计算得到公共连接点处负载功率因数，对于通过本地控制器上传的储能电池信息计算每个功率单元的加权因子，通过低带宽通信的方式将负载功率因数以及加权因子发给相对应功率单元的本地控制器；

(3)每个功率单元的本地控制器根据采样得到的滤波电感输出电流以及滤波电容输出电压计算每个功率单元的功率因数，结合从中央控制器接收到的加权因子和负载功率因数调整反功率因数控制的截距，通过从中央控制器接收到的增益因子调整输出电压幅值，进而生成功率单元的参考电压，并采用电压外环与电流内环的双闭环追踪，实现每个功率单元输出的有功功率与直流储能单元内的储能电池信息成比例的功率控制，同时自动消除了公共连接点电压频率偏差。

3.根据权利要求2所述基于孤岛储能型功率单元串联微电网结构的控制方法，其特征在于，步骤(1)具体包括以下步骤：

a)利用电压传感器对公共连接点处负载两侧电压进行采样，经过计算得到公共连接点处负载两侧电压幅值，与公共连接点处负载两侧额定电压幅值相比较，结果经过幅值比例-积分恢复控制算法，计算得到增益因子：

其中E^*和E_PCC分别是公共连接点处负载两侧额定电压和测量电压的幅值；k_{p_mag}和k_{i_mag}分别是幅值比例-积分恢复控制算法的比例增益和积分增益；s为控制器的微分项；控制器的输出是增益因子g_c；

b)增益因子通过低带宽通信传递给功率单元的本地控制器，功率单元的本地控制器生成相应功率单元的参考电压幅值，实现公共连接点负载两侧电压幅值补偿：

其中G_delay(s)是低带宽通信的传递函数，τ_m是功率单元m的低带宽通信的延时，g_{c_Local，m}是经过低带宽通信后本地控制器收到的增益因子；E_m是本地控制器生成的功率单元参考电压幅值，k是串联的功率单元的总个数。

4.根据权利要求2所述基于孤岛储能型功率单元串联微电网结构的控制方法，其特征在于，步骤(2)包括如下步骤：中央控制器采样公共连接点处负载两侧的电压V_PCC、流过负载的电流I_Load，计算公共连接点处负载功率因数PF_Load，收集来自本地控制器的储能电池信息SoC_m，计算加权因子：

W_SoC,m＝k·SoC_m/∑_m＝1,2...,kSoC_m (1-4)

其中SoC_m是功率单元m的SoC(电池荷电状态)，m＝1,2…k是功率单元1，功率单元2直到串联功率单元总个数k,W_SoC，m是计算得到的加权因子。

5.根据权利要求2所述基于孤岛储能型功率单元串联微电网结构的控制方法，其特征在于，步骤(3)包括如下步骤：功率单元的本地控制器根据计算得到的相应功率单元的功率因数，从中央控制器接收到的加权因子W_SoC，m和公共连接点处负载功率因数PF_Load调整反功率因数控制的截距，产生功率单元参考电压角频率：

ω_m＝ω^*+D_PF·(PF_m-W_SoC,m·PF_Load) (1-5)

其中，ω^*是额定输出角频率，PF_m是计算得到的相应功率单元m的功率因数，D_PF是反下垂系数，PF_Load是公共连接点负载功率因数。

本地控制器根据功率单元参考电压角频率和功率单元的参考电压幅值生成参考电压对于该参考电压值，通过电压外环与电流内环的双闭环追踪，电压外环采用准谐振控制，电压外环的传递函数为G_v(s)，外环的一个输入为采样得到的滤波电容输出电压V_c，另一个输入为参考电压外环输出为参考电流内环的传递函数为G_I(s)，内环的一个输入为采样得到的滤波电感输出电流I_o，另一个输入为外环输出的参考电流内环输出为用于调制的调制电压

G_I(s)＝k_Inner (1-7)

式中k_p是比例增益，k_i，h是准谐振控制器在谐波次数为h的增益，h＝f,3,5,7,9是谐波次数可为基波，3次谐波，5次谐波，7次谐波，9次谐波，ω_c是准谐振控制器的带宽角频率，ω_h是准谐振控制器在谐波次数为h的角频率，k_Inner是内环的比例增益。