CN111313527A - 一种直流微电网系统功率均衡控制的方法 - Google Patents

一种直流微电网系统功率均衡控制的方法 Download PDF

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杨荣
刘曙光
王成
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering

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Abstract

本发明涉及微电网领域，本发明公开了一种直流微电网系统功率均衡控制的方法，在并联下垂控制的多台直流变流器中选择一台作为主机功率分配单元，负责监测负载侧和储能电池侧的功率状态，并根据负载的实时功率、多组储能电池的SOC值和多台直流变流器的额定功率，综合计算每台直流变流器应该输出的均衡功率参考值，并下发给相应的直流变流器。本发明在直流下垂控制基础上增加主从和电池SOC控制，可以有效保证直流母线侧电压的稳定性，提高系统的动态响应能力，延长储能单元蓄电池的循环使用寿命。

Description

一种直流微电网系统功率均衡控制的方法
技术领域
本发明涉及微电网领域，尤其涉及一种直流微电网系统功率均衡控制的方法。
背景技术
微电网技术代表了未来分布式能源供应系统发展趋势，是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。微电网内光伏、风机、电池储能单元等产生的电能大部分为直流电或非工频交流电。常用电气设备，如个人电脑、手机、LED照明、空调和电动汽车等，皆通过相应适配器变成直流电驱动。上述发电单元或负荷如果接入交流微电网，则需要通过相应DC-DC、DC-AC和AC-DC等电力电子变流器构成的多级能量转换装置，若接入合适电压等级的直流微电网，将省去部分交直流变换装置，减小成本、降低损耗。直流母线电压是衡量系统内有功功率平衡的唯一标准，系统内不存在类似交流系统里的频率稳定、无功功率等问题。直流微电网还可通过双向DC-AC变流器与现有交流微电网或配电网并联，并能有效隔离交流侧扰动或故障，可保证直流系统内负荷的高可靠供电。因此，直流微电网系统的研究和发展受到了国内外工业界和学术界的广泛关注。
目前，直流微电网系统的控制策略主要分为主从控制和下垂控制。其中主从控制，是指一台直流变流器(DC-DC)作为主机按照电压源方式运行，其他DC-DC均作为从机按照电流源的方式进行工作。远端监控系统根据负载功率大小计算各从机电流参考值，并通过通讯网络发送给各机器。该控制方式的主要缺点是：整个系统的动态响应能力完全依赖于作为电压源的主机的响应能力，系统动态性能差，主机一旦故障停机，整个系统将无法工作，并联系统从机的数目会影响并联系统的稳定性。并且远距离通讯控制的可靠性不高。而下垂控制策略各DC-DC均作为电压源并联运行，并根据下垂系数实时调节功率大小实现功率均分，无需进行通信，结构简单、控制灵活、可实现即插即用，但为了维持负荷功率平衡，会牺牲母线电压稳定性。此外，还要求下垂控制具有良好的动态性能，可以及时跟踪负荷的变化。该控制方式直流母线电压稳定性很差，系统极易出现震荡停机。
综上所述，直流微电网系统中不管是主从控制还是下垂控制都有自身的缺陷，并且都只考虑了直流母线侧的功率电压控制，并没有综合考虑各储能蓄电池单元的荷电状态(SOC)，而蓄电池的荷电状态(SOC)可表征蓄电池的充放电程度，为了延长使用寿命，蓄电池在运行过程中应避免深度充放电，因此在设计微电网的控制策略时应充分考虑蓄电池的SOC。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种直流微电网系统功率均衡控制的方法，在直流下垂控制基础上增加主从和电池SOC控制，可以有效的保证直流母线侧电压的稳定性，提高系统的动态响应能力，延长储能单元蓄电池的循环使用寿命。
本发明提出的一种直流微电网系统功率均衡控制的方法，包括以下步骤：
S1.在并联下垂控制的多台直流变流器中选择一台作为主机功率分配单元，负责监测负载侧和储能电池侧的功率状态；
S2.所述主机功率分配单元根据所述负载的实时功率P负载、多组所述储能电池的SOC值和所述多台直流变流器的额定功率，综合计算每台所述直流变流器应该输出的均衡功率参考值Pave，并下发给相应的所述直流变流器。
进一步的，所述步骤S2包括以下子步骤：
S21.基于所述负载的实时功率P负载，求出不考虑所述储能电池的SOC值情况下，每台所述直流变流器所需分配的功率Pi：
Figure BDA0002393701080000031
式中，Pi额定为所述直流变流器的额定功率，n＝所述直流变流器的台数＝所述储能电池的组数；
S22.根据多组所述储能电池的SOC值，求出SOC平均值：
Figure BDA0002393701080000032
S23.计算每组所述储能电池的SOC值与所述SOC平均值之差，并乘以所述直流变流器的额定功率可调节裕度，再乘以比例系数m，得出每台所述直流变流器需要微调的功率ΔPSOC：
Figure BDA0002393701080000033
因此，这样就可以保证当前储能电池中SOC值较小者相应的少输出能量，SOC值较大者相应的多输出能量；
S24.根据每台所述直流变流器所需分配的功率Pi和需要微调的功率ΔPSOC，求出每台所述直流变流器应该输出的均衡功率参考值Pave：
Pave＝Pi+ΔPSOC (4)；
S25.所述主机功率分配单元通过与每台所述直流变流器通信，把所述均衡功率参考值Pave下发给相应的所述直流变流器，以实现所述直流变流器和所述储能电池的功率均衡控制。
进一步的，所述步骤S23中，根据每台所述直流变流器的输出功率不大于其额定功率，求出所述比例系数m：
Figure BDA0002393701080000034
本发明的有益效果在于：
(1)本发明在直流下垂控制基础上增加主从和电池SOC控制，可以有效保证直流母线侧电压的稳定性，提高系统的动态响应能力，延长储能单元蓄电池的循环使用寿命；
(2)本发明控制方法综合考虑了直流微电网系统直流母线侧的功率电压控制和各储能蓄电池单元的荷电状态(SOC)控制；
(3)本发明的电池SOC控制可以保证当前储能电池中SOC值较小者相应的少输出能量，SOC值较大者相应的多输出能量。
附图说明
图1是直流微电网系统结构图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出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。
本实施例提供了一种直流微电网系统功率均衡控制的方法，如图1所示，在并联下垂控制的几台DC-DC(直流变流器)中选择一台作为主机功率分配单元，负责监测负载侧和储能电池侧功率状态，综合计算每台DC-DC功率参考值并下发给相应的DC-DC。
第一步，基于负载实时功率大小，求出不考虑电池组(储能电池)SOC值情况下，各DC-DC所需分配功率。根据公式(1)，用每台DC-DC额定功率比上所有DC-DC额定功率之和，再乘负载实时功率，就可以求出每台DC-DC所需要分配的功率Pi。
Figure BDA0002393701080000051
第二步，主机功率分配单元根据各电池组上传的SOC数据，用公式(2)先求出SOC平均值，再根据公式(3)，即每组电池SOC值与SOC平均值求差乘目前系统额定功率可调节裕度，再乘一定的比例系数m，得出每台DC-DC需要微调的功率ΔPSOC，这样就可以保证当前电池组SOC值较小者相应的少输出能量，SOC值较大者相应的多输出能量，具体的比例系数m值可以根据每台DC-DC输出功率不大于其额定功率来给出，具体根据公式(4)求出m值。
Figure BDA0002393701080000052
Figure BDA0002393701080000053
Figure BDA0002393701080000054
第三步，根据公式(5)求出每台DC-DC应该输出的均衡功率参考值Pave。
Pave＝Pi+ΔPSOC (5)
第四步，主机功率分配单元通过与每台DC-DC通信，把每台DC-DC对应的均衡功率参考值Pave下发给DC-DC，这样就实现了直流微电网系统各DC-DC单元和储能单元的功率均衡控制。
基于上述直流微电网系统功率均衡控制的方法：
现有一直流微电网系统含三台DC-DC，每台DC-DC对应一台储能电池单元，三台DC-DC额定功率值分别为：
P1额定＝100KW；
P2额定＝200KW；
P3额定＝300KW；
相应的电池SOC值为：
SOC1＝80％；
SOC2＝60％；
SOC3＝40％；
此时负载总功率为200KW，根据上面公式(1)：
P1＝100÷(100+200+300)×200KW＝33.34KW；
P2＝200÷(100+200+300)×200KW＝66.66KW；
P3＝300÷(100+200+300)×200KW＝100KW；
根据公式(2)：
SOC平均＝(40％+60％+80％)÷3＝60％；
根据公式(3)：
100÷(100+200+300)×200KW+(80％-60％)×1/m×(600KW-200KW)≤100KW；
200÷(100+200+300)×200KW+(60％-60％)×1/m×(600KW-200KW)≤200KW；
300÷(100+200+300)×200KW+(40％-60％)×1/m×(600KW-200KW)≤300KW；
得：
m≥1.2；
可根据系统调节精度选择m值大小，只要保证m≥1.2，各DC-DC就不会超过额定功率运行，m越大调节精度越高，取m＝4得：
Pave1＝33.34KW+20KW＝53.34KW；
Pave2＝66.66KW+0KW＝66.66KW；
Pave3＝100KW-20KW＝80KW；
此时，就可保证电池组SOC值高者输出能量相对略高，SOC值低者输出能量略低，满足系统功率均衡控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种直流微电网系统功率均衡控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在并联下垂控制的多台直流变流器中选择一台作为主机功率分配单元，负责监测负载侧和储能电池侧的功率状态；
S2.所述主机功率分配单元根据所述负载的实时功率P负载、多组所述储能电池的SOC值和所述多台直流变流器的额定功率，综合计算每台所述直流变流器应该输出的均衡功率参考值Pave，并下发给相应的所述直流变流器。
2.根据权利要求1所述的一种直流微电网系统功率均衡控制的方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：
S21.基于所述负载的实时功率P负载，求出不考虑所述储能电池的SOC值情况下，每台所述直流变流器所需分配的功率Pi：
Figure FDA0002393701070000011
式中，Pi额定为所述直流变流器的额定功率，n＝所述直流变流器的台数＝所述储能电池的组数；
S22.根据多组所述储能电池的SOC值，求出SOC平均值：
Figure FDA0002393701070000012
S23.计算每组所述储能电池的SOC值与所述SOC平均值之差，并乘以所述直流变流器的额定功率可调节裕度，再乘以比例系数m，得出每台所述直流变流器需要微调的功率ΔPSOC：
Figure FDA0002393701070000013
S24.根据每台所述直流变流器所需分配的功率Pi和需要微调的功率ΔPSOC，求出每台所述直流变流器应该输出的均衡功率参考值Pave：
Pave＝Pi+ΔPSOC (4)；
S25.所述主机功率分配单元通过与每台所述直流变流器通信，把所述均衡功率参考值Pave下发给相应的所述直流变流器，以实现所述直流变流器和所述储能电池的功率均衡控制。
3.根据权利要求1所述的一种直流微电网系统功率均衡控制的方法，其特征在于，所述步骤S23中，根据每台所述直流变流器的输出功率不大于其额定功率，求出所述比例系数m：
Figure FDA0002393701070000021
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