CN112290586A - 一种孤岛微电网系统电压稳定控制方法 - Google Patents

一种孤岛微电网系统电压稳定控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种孤岛微电网系统电压稳定控制方法，包括步骤：以功率为判定基准，利用微电网当前各个分布式单元输入输出功率，控制微电网工作于不同的控制策略；并根据光伏电池输出功率与负荷所消耗的功率差，控制蓄电池充放电功率的方向与大小，使微电网内功率能够保持平衡，进而使直流母线电压能够保持稳定等；本发明解决了微电网系统电压分层控制问题，能使微电网内功率能够保持平衡，进而使直流母线电压能够保持稳定。

Description

一种孤岛微电网系统电压稳定控制方法
技术领域
本发明涉及微电网领域，更为具体的，涉及一种孤岛微电网系统电压稳定控制方法。
背景技术
为实现不同类型分布式能源的高效协调控制，降低对电力系统的影响，微电网这一概念被专家学者们提出。微电网是一种分布式能源、分布式负荷以及储能系统的整合形式，利用电力电子变换器实现能量的转换与管理，对外表现为受控电能单元，可工作于并网、离网两种模式。根据公共母线电压类型，微电网可分为交流微电网和直流微电网。由于传统电力系统为交流形式，因此微电网研究更多集中于交流微电网方面，然而随着近年来对电能质量、系统效率要求的提高，对直流微电网的研究也在逐步升温。直流微电网中，由于不存在无功、谐波等问题，系统电能质量问题更容易治理；另外随着直流电源(光伏池板，燃料电池等)和直流负荷(LED灯，电动汽车等)的不断增加，采用直流型公共母线可避免多余的能量变换环节，使系统整体效率得以提升。目前，航天系统、数据中心和商业楼宇等独立供电系统是直流微电网主要应用场所。
目前直流微电网主要采用电压分层控制策略来控制其直流母线电压。分级控制策略，能够分层实现微电网的控制；直流母线信号控制策略，通过采用直流母线信号实现微电网的最优控制；自适应调节下垂系数，能够提高电池的运行效率。然而上述控制策略都没有考虑到因母线电压波动而导致控制策略频繁切换的情况。为解决母线电压波动对分层控制的影响，在储能系统的充电模式和放电模式之间增加了空闲模式；采取电压滞环控制。但是无论是增加空闲模式还是采取电压滞环控制都会造成控制延时而导致控制策略误切换的发生。
通过以上可知，直流微电网分层控制的主要思路为：电压是判定系统功率是否平衡的重要指标，通过检测电压是否恒定可以判定系统功率是否平衡，以直流母线电压的幅值为判定基准，将微电网的控制策略设置为不同工作模式。然而分层控制以电压为判定基准就会不可避免地受到母线电压的影响，而直流微电网在正常运行时母线电压并非绝对的直流而是小范围内波动的，而且微电网不同模式切换时也会对母线电压造成一定的冲击，这些母线电压波动可能会导致微电网不同工作模式间的频繁切换，若通过增加蓄电池空闲模式或采取电压滞环控制等策略来解决这种状况，又会造成微电网控制的延时等一些新的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种孤岛微电网系统电压稳定控制方法，解决了电压分层控制问题，能使微电网内功率能够保持平衡，进而使直流母线电压能够保持稳定等。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种孤岛微电网系统电压稳定控制方法，利用微电网各个单元的功率，控制微电网各个单元工作在不同的控制策略。
进一步地，根据电池输出功率与负荷所消耗的功率差，控制蓄电池充放电功率的方向与大小。
进一步地，所述微电网各个单元包括光伏发电单元系统、储能单元系统和负载单元系统中任一种或多种。
进一步地，在光伏发电单元系统的控制策略下，如果判断ΔP>Pb_max_c，对光伏电池采取恒压控制，使Ppv-Pload＝Pb_max_c；其中，ΔP＝Ppv_max-Pload,Ppv_max为光伏电池采用MPPT控制时输出的功率，Ppv为光伏输出功率，Pload为负载功率；Pb_c为蓄电池充电功率，Pb_max_c为蓄电池极限充电功率，MPPT为最大功率追踪控制。
进一步地，在储能单元系统的控制策略下，如果判断0≤ΔP≤Pb_max_c，则光伏电池采取MPPT控制，并根据ΔP改变蓄电池的充电功率，使Ppv-Pload＝Pb_c；其中，ΔP＝Ppv_max-Pload,Ppv_max为光伏电池采用MPPT控制时输出的功率，Pload为负载功率，Pb_c为蓄电池充电功率，Pb_max_c为蓄电池极限充电功率，MPPT为最大功率追踪控制。
进一步地，在储能单元系统的控制策略下，如果判断0<-ΔP≤Pb_max_d，蓄电池放电，且蓄电池放出的功率不超过其极限，根据ΔP改变蓄电池放电功率，使Pload-Ppv＝Pb_d；其中，ΔP＝Ppv_max-Pload,Ppv_max为光伏电池采用MPPT控制时输出的功率，Ppv为光伏输出功率，Pload为负载功率，Pb_d为蓄电池放电功率，Pb_max_d为蓄电池极限放电功率，MPPT为最大功率追踪控制。
进一步地，在负载单元系统的控制策略下，如果判断-ΔP>Pb_max_d，蓄电池需要放出的电功率超过其极限放电功率，根据负荷等级不同逐渐切除一部分负荷，使Pload-Ppv＝Pb_max_d；其中，ΔP＝Ppv_max-Pload,Ppv_max为光伏电池采用MPPT控制时输出的功率；Ppv为光伏输出功率；Pload为负载功率；Pb_max_d为蓄电池极限放电功率，MPPT为最大功率追踪控制。
进一步地，计算蓄电池充放电功率的给定值，然后使蓄电池工作在给定值附近以调节微电网功率的平衡，当Ppv>Pload时，蓄电池工作于充电状态且使Pb_c＝Ppv－Pload；此时如果母线电压升高，则增加蓄电池充电功率，即使Pb_c＝Ppv+kΔUbus-Pload,当Ppv<Pload时，蓄电池工作于放电状态且使Pb_d＝Pload－Ppv，此时如果母线电压升高，则减少蓄电池放电功率，即使Pb_d＝Pload-Ppv-kΔUbus；其中，Ppv为光伏输出功率，Pload为负载功率，Pb_c为蓄电池充电功率，ΔUbus为母线额定电压变化量，k为母线电压转换为冗余功率的系数，Pb_d为蓄电池放电功率，Ppv为光伏输出功率。
进一步地，蓄电池极限功率控制通过蓄电池电量和蓄电池最大允许充放电电流计算其极限功率，再加上因误差而导致的电压变化的修正，控制蓄电池充放电功率，使蓄电池工作在极限功率下。
本发明的有益效果是：
(1)本发明解决了电压分层控制问题，能使微电网内功率能够保持平衡，进而使直流母线电压能够保持稳定。具体的，以功率为判定基准，利用微电网当前各个分布式单元输入输出功率，控制微电网工作于不同的控制策略。并根据光伏电池输出功率与负荷所消耗的功率差，控制蓄电池充放电功率的方向与大小，使微电网内功率能够保持平衡，进而使直流母线电压能够保持稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法步骤流程图；
图2为直流微电网系统的结构示意图。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征(包括任何附加权利要求、摘要和附图)，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
如图1，2所示，一种孤岛微电网系统电压稳定控制方法，利用微电网各个单元的功率，控制微电网各个单元工作在不同的控制策略。
进一步地，根据电池输出功率与负荷所消耗的功率差，控制蓄电池充放电功率的方向与大小。
进一步地，所述微电网各个单元包括光伏发电单元系统、储能单元系统和负载单元系统中任一种或多种。
进一步地，在光伏发电单元系统的控制策略下，如果判断ΔP>Pb_max_c，对光伏电池采取恒压控制，使Ppv-Pload＝Pb_max_c；其中，ΔP＝Ppv_max-Pload,Ppv_max为光伏电池采用MPPT控制时输出的功率，Ppv为光伏输出功率，Pload为负载功率；Pb_c为蓄电池充电功率，Pb_max_c为蓄电池极限充电功率，MPPT为最大功率追踪控制。
进一步地，在储能单元系统的控制策略下，如果判断0≤ΔP≤Pb_max_c，则光伏电池采取MPPT控制，并根据ΔP改变蓄电池的充电功率，使Ppv-Pload＝Pb_c；其中，ΔP＝Ppv_max-Pload,Ppv_max为光伏电池采用MPPT控制时输出的功率，Pload为负载功率，Pb_c为蓄电池充电功率，Pb_max_c为蓄电池极限充电功率，MPPT为最大功率追踪控制。
进一步地，在储能单元系统的控制策略下，如果判断0<-ΔP≤Pb_max_d，蓄电池放电，且蓄电池放出的功率不超过其极限，根据ΔP改变蓄电池放电功率，使Pload-Ppv＝Pb_d；其中，ΔP＝Ppv_max-Pload,Ppv_max为光伏电池采用MPPT控制时输出的功率，Ppv为光伏输出功率，Pload为负载功率，Pb_d为蓄电池放电功率，Pb_max_d为蓄电池极限放电功率，MPPT为最大功率追踪控制。
进一步地，在负载单元系统的控制策略下，如果判断-ΔP>Pb_max_d，蓄电池需要放出的电功率超过其极限放电功率，根据负荷等级不同逐渐切除一部分负荷，使Pload-Ppv＝Pb_max_d；其中，ΔP＝Ppv_max-Pload,Ppv_max为光伏电池采用MPPT控制时输出的功率；Ppv为光伏输出功率；Pload为负载功率；Pb_max_d为蓄电池极限放电功率，MPPT为最大功率追踪控制。
进一步地，计算蓄电池充放电功率的给定值，然后使蓄电池工作在给定值附近以调节微电网功率的平衡，当Ppv>Pload时，蓄电池工作于充电状态且使Pb_c＝Ppv－Pload；此时如果母线电压升高，则增加蓄电池充电功率，即使Pb_c＝Ppv+kΔUbus-Pload,当Ppv<Pload时，蓄电池工作于放电状态且使Pb_d＝Pload－Ppv，此时如果母线电压升高，则减少蓄电池放电功率，即使Pb_d＝Pload-Ppv-kΔUbus；其中，Ppv为光伏输出功率，Pload为负载功率，Pb_c为蓄电池充电功率，ΔUbus为母线额定电压变化量，k为母线电压转换为冗余功率的系数，Pb_d为蓄电池放电功率，Ppv为光伏输出功率。
进一步地，蓄电池极限功率控制通过蓄电池电量和蓄电池最大允许充放电电流计算其极限功率，再加上因误差而导致的电压变化的修正，控制蓄电池充放电功率，使蓄电池工作在极限功率下。
在本发明的实施例中，孤岛式光储直流微电网的变功率控制是以功率为基准将微电网分为4种工作模式。微电网系统中各分布式单元的控制策略主要包括光伏发电系统的控制策略、储能系统的控制策略、负载逐渐切除策略。变功率控制的工作模式是由上述3种控制策略之间相互配合构成。以下模式中ΔP＝Ppv_max-Pload，Ppv_max为光伏电池采用最大功率追踪(MPPT)控制时输出的功率，Ppv为光伏输出功率，Pload为负载功率，
Figure BDA0002715116370000061
为蓄电池充电功率，
Figure BDA0002715116370000062
为蓄电池极限充电功率，Pb_d为蓄电池放电功率，Pb_max_d为蓄电池极限放电功率。
模式1极限变功率充电：
Figure BDA0002715116370000063
说明光伏电池最大发电功率除了负载消耗一部分，剩余的功率仍然超过蓄电池的极限功率。为了防止微电网内功率出现冗余，光伏电池采取恒压控制，使
Figure BDA0002715116370000064
模式2非极限变功率充电：
Figure BDA0002715116370000065
说明光伏发电功率大于负载消耗功率，且剩余的功率在蓄电池的极限功率内。此时光伏采取MPPT控制，并需要根据ΔP改变蓄电池的充电功率，使
Figure BDA0002715116370000071
模式3非极限变功率放电：0<-ΔP≤Pb_max_d，说明光伏发电功率无法满足负载的消耗，需要蓄电池放电，且蓄电池需要放出的功率不超过其极限。为了维持功率的平衡需要根据ΔP改变蓄电池放电功率，使Pload-Ppv＝Pb_d。
模式4极限变功率放电：-ΔP>Pb_max_d，说明光伏电池发电功率严重不足，蓄电池需要放出的电能超过其极限放电功率。为了防止微电网内部出现严重功率缺额，需要根据负荷等级不同逐渐切除一部分负荷，使Pload-Ppv＝Pb_max_d。
模式2和模式3中非极限变功率控制的方法为：通过公式计算蓄电池充放电功率的给定值，然后使蓄电池工作在给定值附近以调节微电网功率的平衡当Ppv>Pload时，蓄电池工作于充电状态且Pb_c＝Ppv－Pload。此时如果母线电压升高，则说明微电网内功率因计算、测量有误差而导致微电网内还有冗余功率，此时应该增加蓄电池充电功率，即为：
Figure BDA0002715116370000072
其中，ΔUbus为母线额定电压变化量；k为母线电压转换为冗余功率的系数。当Ppv<Pload时，蓄电池工作于放电状态且Pb_d＝Pload－Ppv。此时如果母线电压升高说明微电网内有冗余功率，此时应该减少蓄电池放电功率，即为：Pb_d＝Pload-Ppv-kΔUbus。
模式1和模式4中极限变功率控制方法：从式
Figure BDA0002715116370000073
Pb_d＝Pload-Ppv-kΔUbus可知，蓄电池的充放电极限功率随着蓄电池电量的变化而变化，蓄电池极限功率控制主要是通过蓄电池电量和蓄电池最大允许充放电电流计算其极限功率，再加上因误差而导致的电压变化的修正，控制蓄电池充放电功率，使蓄电池始终安全稳定地工作于极限功率下。
为了解决电压分层控制问题，本发明实施例中创新地提出了变功率控制方法。此方法以功率为判定基准，利用微电网当前各个分布式单元输入输出功率，控制微电网工作于不同的控制策略；并根据光伏电池输出功率与负荷所消耗的功率差，控制蓄电池充放电功率的方向与大小，使微电网内功率能够保持平衡，进而使直流母线电压能够保持稳定。
本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，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 (9)

1.一种孤岛微电网系统电压稳定控制方法，其特征在于，利用微电网各个单元的功率，控制微电网各个单元工作在不同的控制策略。
2.根据权利要求1所述的孤岛微电网系统电压稳定控制方法，其特征在于，根据电池输出功率与负荷所消耗的功率差，控制蓄电池充放电功率的方向与大小。
3.根据权利要求1所述的孤岛微电网系统电压稳定控制方法，其特征在于，所述微电网各个单元包括光伏发电单元系统、储能单元系统和负载单元系统中任一种或多种。
4.根据权利要求3所述的孤岛微电网系统电压稳定控制方法，其特征在于，在光伏发电单元系统的控制策略下，如果判断ΔP>Pb_max_c，对光伏电池采取恒压控制，使Ppv-Pload＝Pb_max_c；其中，ΔP＝Ppv_max-Pload,Ppv_max为光伏电池采用MPPT控制时输出的功率，Ppv为光伏输出功率，Pload为负载功率；Pb_c为蓄电池充电功率，Pb_max_c为蓄电池极限充电功率，MPPT为最大功率追踪控制。
5.根据权利要求3所述的孤岛微电网系统电压稳定控制方法，其特征在于，在储能单元系统的控制策略下，如果判断0≤ΔP≤Pb_max_c，则光伏电池采取MPPT控制，并根据ΔP改变蓄电池的充电功率，使Ppv-Pload＝Pb_c；其中，ΔP＝Ppv_max-Pload,Ppv_max为光伏电池采用MPPT控制时输出的功率，Pload为负载功率，Pb_c为蓄电池充电功率，Pb_max_c为蓄电池极限充电功率，MPPT为最大功率追踪控制。
6.根据权利要求3所述的孤岛微电网系统电压稳定控制方法，其特征在于，在储能单元系统的控制策略下，如果判断0<-ΔP≤Pb_max_d，蓄电池放电，且蓄电池放出的功率不超过其极限，根据ΔP改变蓄电池放电功率，使Pload-Ppv＝Pb_d；其中，ΔP＝Ppv_max-Pload,Ppv_max为光伏电池采用MPPT控制时输出的功率，Ppv为光伏输出功率，Pload为负载功率，Pb_d为蓄电池放电功率，Pb_max_d为蓄电池极限放电功率，MPPT为最大功率追踪控制。
7.根据权利要求3所述的孤岛微电网系统电压稳定控制方法，其特征在于，在负载单元系统的控制策略下，如果判断-ΔP>Pb_max_d，蓄电池需要放出的电功率超过其极限放电功率，根据负荷等级不同逐渐切除一部分负荷，使Pload-Ppv＝Pb_max_d；其中，ΔP＝Ppv_max-Pload,Ppv_max为光伏电池采用MPPT控制时输出的功率；Ppv为光伏输出功率；Pload为负载功率；Pb_max_d为蓄电池极限放电功率，MPPT为最大功率追踪控制。
8.根据权利要求5或6所述的孤岛微电网系统电压稳定控制方法，其特征在于，计算蓄电池充放电功率的给定值，然后使蓄电池工作在给定值附近以调节微电网功率的平衡，当Ppv>Pload时，蓄电池工作于充电状态且使Pb_c＝Ppv－Pload；此时如果母线电压升高，则增加蓄电池充电功率，即使Pb-_c＝Ppv+kΔUbus-Pload,当Ppv<Pload时，蓄电池工作于放电状态且使Pb_d＝Pload－Ppv，此时如果母线电压升高，则减少蓄电池放电功率，即使Pb_d＝Pload-Ppv-kΔUbus；其中，Ppv为光伏输出功率，Pload为负载功率，Pb_c为蓄电池充电功率，ΔUbus为母线额定电压变化量，k为母线电压转换为冗余功率的系数，Pb_d为蓄电池放电功率，Ppv为光伏输出功率。
9.根据权利要求4或7所述的孤岛微电网系统电压稳定控制方法，其特征在于，蓄电池极限功率控制通过蓄电池电量和蓄电池最大允许充放电电流计算其极限功率，再加上因误差而导致的电压变化的修正，控制蓄电池充放电功率，使蓄电池工作在极限功率下。
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