CN110635465A

CN110635465A - 直流微电网的分层协调控制方法

Info

Publication number: CN110635465A
Application number: CN201810659145.0A
Authority: CN
Inventors: 袁健; 杨烨
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2018-06-25
Filing date: 2018-06-25
Publication date: 2019-12-31

Abstract

本发明公开了一种直流微电网的分层协调控制方法。主要分为3个步骤：1)根据控制目标、协调机制以及响应时间的不同，新能源直流微网系统可划分为变流器控制层、母线控制层和调度管理层3个层次；2)根据系统中进行母线电压控制的变流器单元的不同，划分为3种运行模式，微源主导运行模式、储能主导运行模式以及电网主导运行模式；3)由智能电表获取实时电价信息，与储能单元充放电成本进行比较，通过调节并网变流器的功率，进而改变储能单元的功率输出，低价充电高价放电。本发明在保证直流微电网母线电压稳定的基础上，实现了多源高可靠性和经济性的协调稳定控制。

Description

直流微电网的分层协调控制方法

技术领域

本发明属于智能电网领域，特别涉及一种直流微电网的分层协调控制方法。

背景技术

随着世界经济的发展，石油、煤炭等传统化石能源消耗日益加剧的同时造成了环境的污染，近些年来，以光伏和风力发电为代表的分布式发电技术得到了快速发展，由于分布式能源发电受到环境因素的影响很大，具有间歇性、波动性的特点，为了更好地组织和管理分布式能源，提出了微电网的概念。微电网是将微型电源负荷以及储能装置结合在一起的一种电网形式，既可以并入大电网中运行，也可以工作在孤岛模式下。直流微电网是以直流配电的形式，通过一条公共的直流母线将所有微电源连接起来的独立可控系统，可为当地提供电能和热能，它可解决交流配电网的一些技术困难，起到了很好的补充作用，对交流配电网的变革起到促进的作用。

直流微电网系统为了保持正常稳定运行，需要实时协调各组成单元的输出功率，因此完善的控制方法必不可少，其主要可以分为2类：集中式控制和分布式控制，当前对于无通信条件下直流微电网分布式控制方法的研究中，系统中的各组成单元需要根据电压区间在电压和功率2种控制结构间来回切换，容易引起母线电压波动，此外，该类控制方法未考虑电网电价对运行状态的影响，储能单元在正常运行时存在部分被闲置的充放电功率。

如果直流微电网系统能够利用这部分剩余功率，并结合电网分时电价，通过对比储能的充放电成本与电价的关系，对储能进行充放电控制，就能在原来的基础上提高系统的运行效率和经济性。因此，本发明提出了一种直流微电网的分层协调控制方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种直流微电网的分层协调控制方法，保证直流微电网母线电压稳定的基础上，实现多源高可靠性和经济性的协调稳定控制，并且结合电网分时电价，通过对比储能的充放电成本与电价的关系，对储能进行充放电控制，在原来的基础上提高系统的运行效率和经济性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种直流微电网的分层协调控制方法，包括以下步骤：直流微电网系统包括分布式发电DG单元、储能单元、交直流负荷以及并网变流器GCC；

步骤一、根据控制目标、协调机制以及响应时间的不同，新能源直流微网系统可划分为变流器控制层、母线控制层和调度管理层3个层次。

步骤二、根据系统中进行母线电压控制的变流器单元的不同，划分为3种运行模式，微源主导运行模式、储能主导运行模式以及电网主导运行模式。

步骤三、由智能电表获取实时电价信息，与储能单元充放电成本进行比较，通过调节并网变流器的功率，进而改变储能单元的功率输出，低价充电高价放电，实现直流微电网系统的经济运行。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)根据直流微电网的物理特性，底层复杂，上层简化以及电力电子化，采用一种新型的层次控制架构，分为变流器控制层、母线控制层和调度管理层3个层次，为提高系统可靠性和智能性打好基础；(2)直流微电网中的各组成单元采用分布式控制结构，不仅能够主动参与直流母线电压调节，还能保证多个单元之间的功率合理分配，实现变流器“即插即用”的功能；(3)在底层变流器控制层和中层母线电压控制层，直流微电网能够在不依靠任何通信的条件下，实现分散自治运行，提高了系统运行的可靠性；(4)本发明采用的分层协调控制方法优先使用分布式电源产生的清洁能源，提高了能源的利用效率；(5)根据电网电价的分时变化，并网变流器能够通过就地控制，最大限度利用储能单元的剩余功率，降低直流微电网系统的用电成本。

附图说明

图1是本发明的流程图，其中，1为系统运行模式划分，2为分布式发电单元、储能单元控制方法设计，3为根据电网的分时电价信息，设计并网并流器具体控制方法。

图2是本发明的低压直流微电网体系结构图。

图3是本发明的直流微电网系统运行模式切换关系图。

图4是本发明的母线电压等级与运行模式图。

图5是本发明的并网变流器控制方法流程图。

具体实施方式

本发明提出一种直流微电网的分层协调控制方法，直流微电网系统包括分布式发电 DG单元、储能单元、交直流负荷以及并网变流器GCC；为了保持正常稳定运行，直流微电网系统需要实时协调各组成单元的输出功率，包括以下步骤：

进一步，步骤一中，变流器控制层的控制由各变流器自身的控制器独立完成，系统只需向变流器发送指令值，各变流器即可按照指令调节自身的输入输出特性，而系统无需关注各变流器内部运行细节。

进一步，步骤一中，直流微电网系统通过公共直流母线，将分散的各个变流器连接成为一个整体，母线控制层的目标就是设计行之有效的协调控制机制，有序调整各变流器向母线注入或从母线抽取的电流，以确保母线电压处在一定的范围之内，可将传统下垂控制的思想扩展延伸到直流微网中，通过直流母线电压作为控制信号来协调各子单元的功率分配。

进一步，步骤一中，在一般情况下，仅依靠变流器控制层和母线控制层就已经能基本维持直流微网系统的运行，在此基础上，调度管理层主要负责处理一些时间尺度大，但又是系统优化所必不可少的任务。

进一步，步骤二中，分布式发电单元、储能单元、并网变换器在各模式中以预定电压值分别稳定直流母线电压，当参与稳压的单元进入电流型状态或发生故障停机时，母线电压将发生下降或上升，进入另一个电压等级，此时母线电压由下一个单元稳定。

进一步，步骤二中，为优先使用可再生能源产生的清洁电能，直流微电网内的分布式发电单元通常工作在最大功率跟踪(MPPT)状态，微源主导运行模式是指当微源单元输出的功率过大，超过了本地负荷和并网单元的用电需求，而储能单元已经充满，此时微源应脱离MPPT状态，转而限制发电功率，以稳定母线电压，或者当直流母线电压进入由分布式电源控制的范围时，分布式发电单元会自动进入限功率运行状态。

进一步，步骤二中，在储能主导运行模式下，储能单元具有充足的能量裕度，有足够的能力吸收和释放能量，此时由储能单元稳定母线电压，微源单元运行在MPPT模式，而并网单元则根据上层调度进行并网发电。

进一步，步骤二中，当微网与公共电网相连接，且本地资源不足以支撑本地负荷时，功率缺额可由公共电网提供，此时由并网变流器负责维护微网内的功率平衡和电压稳定，系统工作在电网主导模式。

进一步，步骤三中，假设任一时刻，电网的购电电价与售电电价分别C_{grid_buy}(t)、C_{grid_sell}(t)。储能单元的充放电折旧成本可以用C_bw表示，需要满足C_{grid_sell}(t_a)>C_{grid_buy}(t_b) +C_bw，才能降低系统的用电成本。

进一步，步骤三中，确定电网进行电价交易的区间(C₁,C₂)，其中C₁为购电上限电价，当C_grid(t)<C₁时，通过调节并网变流器的功率输出，进而改变储能单元的功率输出，向大电网“购电”；C₂为售电下限电价，当C_grid(t)>C₂时，通过调节并网变流器的功率输出，进而改变储能单元的功率输出，向大电网“售电”。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

本发明直流微电网的分层协调控制方法，包括以下内容：

一、直流微电网系统结构组成，包括分布式发电单元、储能单元、交直流负荷以及并网变流器连接的交流大电网，如图2所示。

二、系统运行模式划分，依照系统母线4种不同电压等级将系统运行划分为4个模式。分布式发电单元、蓄电池单元和并网变换器可在各模式中以预定电压值分别稳定直流母线电压，当参与稳压的单元进入电流型状态或发生故障停机时，母线电压将发生下降或上升，进入另一个电压等级，此时母线电压由下一个单元稳定,如图3、图4所示。

三、各单元控制方法设计,每个工作模式下都有对应的发电单元工作在恒压输出模式用于稳定直流母线电压，当直流微电网系统中同时有两个以上电压源变换器工作时，需要采用下垂算法进行均流。

四、根据电网的分时电价信息，通过逻辑判断形成运行状态指令并实时下发给并网变流器，在不改变其余单元控制方法的基础上最大限度利用储能的剩余功率。

进一步，步骤一中，系统包含了由光伏发电和风力发电组成的分布式发电单元、蓄电池单元、并网变换器和负载变换器等。其中光伏发电单元通过Boost型变换器连接至直流母线；风力发电单元通过三相整流桥将风力机输出交流电压整流后再经过Boost型变换器连接至直流母线；蓄电池单元可通过Buck/Boost双向变换器向直流母线吸收或输送能量；并网DC/AC变流器作为直流微电网与外部交流电网之间的能量转换接口，实现了交直流系统间的功率交换。

进一步，步骤二中，各单元具体工作状态可分为—分布式发电单元：可工作在恒压下垂(CVD)模式以及最大功率跟踪(MPPT)模式；蓄电池单元：可工作在充放电及限流充放电模式，在超出蓄电池荷电状态(SOC)设置范围时则停机；并网变换器：可工作在并网整流模式、并网逆变模式以及限流模式，可将各单元运行状态分为电压型和电流型两类，当某单元运行于电压型状态稳定直流母线电压时，其余单元则应工作在电流型状态，如表1所示：

表1各单元运行状态分类

单元	电压型	电流型
			分布式发电单元(DG)	CVD	MPPT
蓄电池(BES)	充/放电	限流充/放电
			并网变换器(GCC)	并网整流/逆变	限流整流/逆变

进一步，步骤二中，系统运行在每个模式下时，内部各单元依照对应控制方法发出或吸收能量。式(1)给出系统内各单元在稳态运行时能量供需的平衡关系：

P_Load＝P_DG+P_BES+P_GCC (1)

从式(1)中可以看出，系统内各单元的能量变化会打破系统稳态运行时能量平衡关系，母线电压会因此上升或下降，各单元则根据预设状态改变控制方法，使系统进入下一个运行模式，下面是各模式的具体说明：

运行模式1：分布式发电单元控制模式(电压区间为H₂U₀到H₃U₀)。此模式下分布式发电单元发出能量充足，在满足负载和蓄电池限流充电的同时可通过并网变换器向交流电网馈电，同时并网变换器受到额定功率或电网限制，进入限流或停机状态，分布式发电单元运行在恒压下垂状态稳定直流母线电压。

运行模式2：并网变流器控制模式(电压区间为H₁U₀到H₂U₀)。此模式下分布式发电单元在给负载供电的同时可向蓄电池限流充电和向交流电网馈电，但并网变换器并未进入限流状态，直流母线电压由并网变换器稳定，分布式发电单元工作在MPPT状态，以实现最大的能源利用效率。

运行模式3：储能单元控制模式(电压区间为L₁U₀到H₁U₀)。此模式下分布式发电单元发出能量相对不足，并网变换器停止运行，蓄电池单元稳定直流母线电压，并依照分布式发电单元发出能量与负载消耗能量大小工作在放电状态或充电状态。

运行模式4：并网变流器控制模式(电压区间为L₂U₀到L₁U₀)。此模式下分布式发电单元与蓄电池单元共同发出的能量已不能满足负载需求，并网变换器启动并工作在整流状态，直流母线电压由并网变换器稳定，分布式发电单元工作在MPPT状态，为了确保蓄电池单元在离网运行时能为系统提供长时能量，该模式下工作在限流充电或停机状态。

表2不同运行模式下各单元运行状态

	分布式单元(DG)	蓄电池(BES)	并网变换器(GCC)
				运行模式1	电压型	电流型	电流型
运行模式2	电流型	电流型	电压型(逆变)
				运行模式3	电流型	电压型	电流型
运行模式4	电流型	电流型	电压型(整流)

若交流电网正常，且DG单元发出能量大于并网逆变、蓄电池充电和负载消耗之和，系统则工作在模式1；在DG单元功率下降或负载功率上升打破该平衡条件时，GCC 则退出限流逆变并稳定母线电压，系统工作在模式2；若系统内能量继续下降，蓄电池单元则开始稳定母线电压，系统工作在模式3；当DG单元与蓄电池供电也无法供给负载消耗时，GCC从电网取电并稳定母线电压，系统工作在模式4；

进一步，步骤三中，当有多个光伏发电单元或多个蓄电池单元同时工作在恒压输出模式，需要采用下垂算法进行均流，具体分析如下：

传统下垂控制数学表达式为：

U_DC＝U_N(n)-k(n)I(n) (2)

式(2)中U_DC为母线电压参考值，U_N(n)为直流电压型变换器n的给定电压参考值， I(n)为变换器n输出电流，k(n)为变换器n对应的下垂系数，可看作是一个虚拟电阻，其值的选取依赖变换器容量和直流母线电压等级，表达式如下所示：

k(n)＝ΔU_DC×(U_DC-ΔU_DC)/P_rate(n) (3)

式(3)中，ΔU_DC为直流母线电压U_DC允许浮动的范围，P_rate(n)为直流电压变换器 n的额定功率。

进一步，步骤四中，假设任一时刻，电网的购电电价与售电电价分别为C_{grid_buy}(t)、C_{grid_sell}(t)。储能单元的充放电折旧成本可以用C_bw表示：

式(4)中，C_bat,rep为储能电池的更换成本；Q_lifetime为电池全寿命周期内的充放电总量。

当C_{grid_sell}(t_a)>C_{grid_buy}(t_b)+C_bw时，利用储能剩余功率才能降低系统成本，其中t_a、 t_b分别为售电与购电时刻，因此，首先需要定义电价交易区间(C₁，C₂)，其中C₁为购电上限，取低谷时段电价平均值，C₂为售电下限，取C₂＝C₁+C_bw，当C_grid(t)<C₁时，向大电网“购电”；当C_grid(t)>C₂时，向大电网“售电”。

进一步，步骤四中，根据电网的电价信息，并网变流器的工作状态可以分为2种：常规运行状态和经济运行状态，其中经济运行状态又可以分为购电状态和售电状态，具体的控制方法流程图如图5所示。具体分析如下：

当C₁<C_grid<C₂时，并网变流器工作在常规运行状态，此时，并网变流器采用功率下垂控制，根据直流母线电压的幅值变化平滑调节输出功率。

当C_grid<C₁时，并网变流器工作在购电状态，采用电压下垂控制，维持直流母线电压在模式2的区间内，以最大限度利用储能的剩余功率。此时，尽管储能单元与并网变流器在不同电压区间内分别采用电压控制结构，但在任意时刻直流微电网依然只有一类松弛终端(电压型状态)，具体由储能单元的剩余充电功率P_ess+P_{ess_max}和并网变流器的额定功率P_{ac_max}决定。当P_ess+P_{ess_max}<P_{ac_max}时，并网变流器拥有充足的容量给储能充电，储能单元满功率运行，成为能量终端(电流型状态)，此时并网变流器作为松弛终端维持母线电压在模式2的范围内；当P_ess+P_{ess_max}>P_{ac_max}时，受并网变流器的容量限制，直流系统以最大功率从电网购电，并网变流器限功率运行，无法调节母线电压至模式2的区间内，将由储能单元作为松弛终端维持母线电压。

同理，当C_grid>C₂时，并网变流器工作在售电状态，采用电压下垂控制，以最大限度利用储能的剩余放电功率。

本发明所提出的一种直流微电网的分层协调控制方法，采用了一种新的层次控制结构，提高了系统的可靠性和智能性，而且充分利用分布式发电能源，提高了能源利用效率，将电网实时电价纳入微电网控制方法考虑条件中，通过对比分时电价和储能充放电成本，低价充电高价放电，提高了系统的经济性。

Claims

1.一种直流微电网的分层协调控制方法，其特征在于：根据控制目标、协调机制以及响应时间的不同，将新能源直流微电网系统划分为变流器控制层、母线控制层和调度管理层3个层次；母线控制层根据母线电压等级划分3种运行模式，微源主导运行模式、储能主导运行模式以及电网主导运行模式；调度管理层实现直流微电网系统的经济运行，由智能电表获取实时电价信息，与储能单元充放电成本进行比较，通过调节并网变流器的功率，进而改变储能单元的功率输出，低价充电高价放电。

2.如权利要求1所述的分层协调控制方法，其特征在于：所述变流器控制层为各单元自身工作状态，分为：

分布式发电单元，工作在恒压下垂CVD模式以及最大功率跟踪MPPT模式；

储能单元，工作在充放电及限流充放电模式，在超出蓄电池荷电状态SOC设置范围时则停机；

并网变换器，工作在并网整流模式、并网逆变模式以及限流模式。

3.如权利要求1所述的分层协调控制方法，其特征在于：所述母线控制层根据母线电压等级划分3种运行模式，微源主导运行模式、储能主导运行模式以及电网主导运行模式，具体为：

(1)在微源主导运行模式下，微源运行在CVD模式稳定母线电压，储能单元运行在限流充放电模式，并网变换器工作在限流模式；

(2)在储能主导运行模式下，储能单元运行在充放电模式稳定母线电压，微源单元运行在MPPT模式，并网变换器工作在限流模式；

(3)在电网主导运行模式下，并网变换器运行在并网整流/逆变模式稳定母线电压，微源单元运行在MPPT模式，储能单元运行在限流充放电模式。

4.如权利要求1或3所述的分层协调控制方法，其特征在于：所述母线控制层中运行模式划分依据如下：

(1)若交流电网正常，且DG 单元发出能量大于并网逆变、储能单元充电和负载消耗之和，系统则工作在微源主导运行模式；

(2)在DG 单元功率下降或负载功率上升打破该平衡条件时，GCC则退出限流逆变并稳定母线电压，系统工作在电网主导运行模式逆变；

(3)若系统内能量继续下降，储能单元则开始稳定母线电压，系统工作在储能主导运行模式；

(4)当DG单元与储能单元供电也无法供给负载消耗时，GCC从电网取电并稳定母线电压，系统工作在电网主导运行模式整流。

5.如权利要求1所述的层协调控制方法，其特征在于：所述调度管理层实现直流微电网系统的经济运行，由智能电表获取实时电价信息，与储能单元充放电成本进行比较，通过调节并网变流器的功率，进而改变储能单元的功率输出，低价充电高价放电，具体如下：

首先确定电网进行电价交易的区间(C1,C2)，其中C1为购电上限电价，取低谷时段电价平均值，C2为售电下限电价，取C2=C1+Cbw， Cbw为储能单元的充放电折旧成本；其次根据电网的电价信息Cgrid(t)，设定并网变流器的工作状态：

(1)当 C1 < Cgrid(t) < C2时，并网变流器工作在常规运行状态，并网变流器采用限流模式;

(2)当Cgrid(t) < C1 时，并网变流器工作在购电状态，运行在并网逆变模式，维持直流母线电压在电网主导运行模式逆变的区间内；

(3)当Cgrid(t) > C2 时，并网变流器工作在售电状态，运行在并网整流模式，维持直流母线电压在电网主导运行模式整流的区间内。