CN112332439A - 一种直流微电网并离网无缝切换控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流微电网并离网无缝切换控制方法，在直流微网并网状态下采用带功率环二次调节的下垂控制方法，在直流微网并网状态下实现系统功率分配，在孤岛检测及通信期间直流母线电压及功率平衡；并网转孤岛时储能变换器工作模式切换为电压下垂控制，随后减小下垂系数至0，直流微网无缝过渡到电压控制模式；离网转并网时储能变换器电压控制的下垂系数从0恢复，工作模式切换为带电压环二次调节的控制模式，采用计数器的方式在确保直流母线电压和并网变换器直流侧电压的匹配的情况下闭合并网开关，工作模式切换为带功率环二次调节的下垂控制，实现了离网转并网的无缝切换。

Description

一种直流微电网并离网无缝切换控制方法
技术领域
本发明涉及直流微电网领域，尤其涉及一种用于直流微电网并离网无缝切换控制方法。
背景技术
近年来，随着能源需求和环境问题的日益凸显，以及传统大电网运行存在各种不稳定性因素，以清洁能源为主的分布式发电方式得到了广泛重视。微电网将储能单元、不同种类的分布式发电单元和负荷单元整合到一个独立的小型发电系统，在并网运行模式满足自身负载需求的情况下可以参与电网调峰，在孤岛运行模式下可以稳定运行。但是直流微电网从并网运行切换到孤岛运行或者从孤岛状态切回并网状态会引起微网电压和电流的波动，影响直流微网系统的稳定运行，因此微电网的运行状态切换问题成为一个难点。
目前直流微网系统的控制策略主要针对对等结构的下垂控制和针对主从结构的主从控制。主从型微网从并网切换到孤岛时，主逆变器由电流控制模式切换到电压控制模式，需改变控制器结构，并且孤岛检测期间电压不可控，并离网切换导致的电压电流冲击较大。下垂控制可以实现多机无通信互联线的并联，在并离网切换时不需要控制方式的改变，并离网切换时电压电流冲击较小，但是下垂控制存在直流电压工作点不固定的缺陷，且储能元件的充放电功率也无法精确控制。
发明内容
一种直流微电网无缝切换控制方法，其特征在于，获取当前直流微电网并离网状态，大电网调度命令、储能电池荷电状态、分布式电源模块的输出功率，计算所述多个分布式电源模块及储能电池的当前输出功率之和，确定储能电池输出功率。
当直流微网系统处于并网状态时，并网逆变器工作在电压控制模式，采用电压电流双闭环控制策略，维持母线电压；储能DC/DC变换器工作在带功率环二次调节的下垂控制模式；
当大电网出现故障或者直流微网计划离网导致并网开关断开时，由于孤岛检测和系统通信存在一定的延时，在此期间储能DC/DC变换器依然工作在并网时的带功率环二次调节的下垂控制模式，因离网导致的微网系统功率缺额(冗余)由储能模块进行补偿(吸收)。
当检测到孤岛信号后，由中央控制器向并网逆变器、储能DC/DC变换器发出指令，并网逆变器工作模式切换为空闲模式，储能DC/DC变换器切换为下垂控制模式，同时在一定时间内将下垂系数减少至0，此后储能DC/DC变换器工作在电压控制模式，完成直流微网并网向孤岛的无缝切换。
当直流微网系统需要从孤岛转并网时，首先进行一系列预同步措施，由中央控制器向并网逆变器、储能DC/DC变换器及分布式电源变换器发出指令，并网逆变器工作模式切换为电压控制模式，同时在一定时间内将下垂系数恢复，工作模式切换为下垂控制模式。采集并网变换器直流侧输出电压与直流母线电压，通过计数器确保并网变换器直流侧输出电压与直流母线电压是负荷并网条件后闭合并网开关。
进一步地，所述功率环采用PI控制，同时将参数Kp和Ki取得很小，虽然牺牲了功率环稳态时间，但是由负载或者分布式电源功率变化导致的微网系统暂态功率缺额(冗余)可以由并网逆变器进行补偿(吸收)，而且在孤岛检测及通信期间可以认为功率环输出是不变的，储能DC/DC变换器控制模式可认为是电压下垂控制，保证孤岛检测期间直流母线电压的稳定。
进一步地，所述储能DC/DC变换器并网状态下垂系数根据以下公式计算出：
Figure BDA0002633949060000021
其中：mBES为储能DC/DC变换器控制策略的下垂系数值，Imax为储能DC/DC变换器额定输出电流，ΔUmax为直流微网最大波动电压
进一步地，并网状态下储能DC/DC变换器功率给定计算式如下：
PBES_ref＝PLOAD+PPLAN-PDG
其中：PBES_ref作为储能DC/DC变换器二次调节侧功率给定值，PLOAD：微网负载消耗的功率，PPLAN：计划并网值，向电网输送能量时符号取+，从电网吸收能量时符号取-，PDG：分布式电源发出的功率
进一步地，所述的直流微电网并网模式下储能DC/DC变换器带功率二次调节的下垂控制模式，其特征在于，功率环PI参数选取上适当将PI参数取小，不仅不会影响并网状态下的储能DC/DC变换器的功率调节，还能防止孤岛检测及通信期间电压二次调节量ΔU突变，使储能DC/DC变换器具有很强的暂态功率调节能力。
进一步地，所述的并网转离网中储能DC/DC变换器切换为电压下垂控制模式的控制策略，其特征在于，检测到孤岛信号后，储能DC/DC变换器工作模式切换为电压下垂控制模式，储能DC/DC变换器工作模式切换为电压下垂控制模式后，下垂系数在一定时间内减为0，储能DC/DC变换器的工作模式无缝过渡到电压控制模式。
进一步地，所述的直流微网系统孤岛转并网步骤，其特征在于储能DC/DC变换器下垂系数一定时间内恢复，工作模式由电压控制转为带电压环二次调节的下垂控制模式，取并网逆变器直流侧输出电压及直流母线电压做差，差值小于门槛值时计数器加1，计数器值达到一定值后闭合并网开关，储能DC/DC变换器回到带功率环二次调节的下垂控制状态，实现离网转并网的无缝切换。
本发明对比已有技术具有以下有益效果：
本发明采用将储能DC/DC变换器的下垂控制和功率控制结合的控制策略
1.在直流微网并网状态下调可根据电网调度要求对储能DC/DC变换器的输出功率进行灵活控制。
2.非计划并网转离网的瞬间及孤岛检测期间由于储能DC/DC变换器工作在下垂控制，在这整个期间储能DC/DC变换器能主动调节直流微电网功率，期间直流微网电压和电流冲击较小；采用下垂系数减小至0的方法，完成电压下垂控制到电压控制的无缝切换。
3.计划离网转并网时采用计数器，确保并网变换器和直流母线电压匹配的情况下闭合并网开关，减小并网时产生的电压电流冲击，实现直流微网的离网转并网无缝切换。
附图说明
图1为直流微电网拓扑结构图。
图2为储能DC/DC变换器拓扑结构图。
图3为储能DC/DC变换器控制框图。
图4为直流微网离网转并网控制流程图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如附图所示，配置储能DC/DC变换器电压二次调节量有三种模式：一是直流微网并网状态下的功率环、二是直流微网离网状态下的常数0，三是计划离网转并网时的电压环，功率环输出接电压二次调节分量ΔU开关的通道1，常数0接通道2，电压环接电压二次调节开关的通道3。在二次调节功率环PI参数选取上适当将PI参数取小，防止孤岛检测期间ΔU突变，与直流母线电压标称值与ΔU及下垂量相加作为电压环的给定值，与变换器输出电压相减后经PI控制器得到电流环给定值，电流环给定值与储能电池输出电流相减后得到变换器开关管占空比。经PWM调制后得到开关管控制信号。
通过孤岛检测方法检测当前直流微电网处于并网状态还是离网状态。
当直流微电网处于并网状态时，中央控制器向储能DC/DC变换器控制器发送指令，使电压二次调节开关处于通道1状态。获取当前大电网调度命令、储能电池荷电状态、分布式电源模块的输出功率，计算所述多个分布式电源模块及储能电池的当前输出功率之和以及额定功率之和，并根据当前大电网调度命令和储能电池荷电状态SOC及额定功率确定储能电池输出功率给定值，功率给定值与当前储能DC/DC变换器输出功率相减得到功率误差，经PI得到ΔU。
当大电网因为故障或者其他原因导致直流微网并网开关断开，由于孤岛检测及通信存在一定的延时，储能DC/DC变换器工作模式依然为带功率环二次调节(即电压二次调节分量开关接通道1)的下垂控制，在孤岛检测期间微网系统功率的不平衡由储能DC/DC变换器主动承担。
孤岛检测完成并且判断直流微网处于孤岛状态后，中央控制器向储能DC/DC变换器控制器发送指令，使电压二次调节开关处于通道2状态，储能DC/DC变换器二次调节量ΔU为0，此期间储能DC/DC变换器工作在电压下垂控制模式，下垂系数在一定时间内减少至0，此时下垂特性失效，储能DC/DC变换器自然过渡为电压控制，以获得更好的外特性，保证孤岛运行时母线具有较小的电压波动范围。
电网恢复正常时，系统将重新转入并网运行。在模式转换之前，需先执行幅值预同步，并网变换器工作模式从空闲模式转为电压控制模式，下垂系数逐步恢复至设定值，电压二次调节开关切换为通道3，采集并网变换器直流侧电压和直流母线电压，将并网变换器直流侧电压和直流母线电压做差值，当差值小于门槛值时计数器加一，当计数器值达到一定值后闭合并网开关，待母线电压稳定后电压二次调节开关的通道3切换为通道1，储能DC/DC变换器回到带功率调节的下垂控制状态。

Claims (5)

1.一种直流微电网无缝切换控制方法，其特征在于，获取当前直流微电网并离网状态，大电网调度命令、储能电池荷电状态、分布式电源模块的输出功率，计算所述多个分布式电源模块及储能电池的当前输出功率之和，确定储能电池输出功率。
当直流微网系统处于并网状态时，并网逆变器工作在电压控制模式，采用电压电流双闭环控制策略，维持母线电压；储能DC/DC变换器工作在带功率环二次调节的下垂控制模式；
当大电网出现故障或者直流微网计划离网导致并网开关断开时，由于孤岛检测和系统通信存在一定的延时，在此期间储能DC/DC变换器依然工作在并网时的带功率环二次调节的下垂控制模式，因离网导致的微网系统功率缺额(冗余)由储能模块进行补偿(吸收)。
当检测到孤岛信号后，由中央控制器向并网逆变器、储能DC/DC变换器发出指令，并网逆变器工作模式切换为空闲模式，储能DC/DC变换器切换为下垂控制模式，同时在一定时间内将下垂系数减少至0，此后储能DC/DC变换器工作在电压控制模式，完成直流微网并网向孤岛的无缝切换。
当直流微网系统需要从孤岛转并网时，首先进行一系列预同步措施，由中央控制器向并网逆变器、储能DC/DC变换器及分布式电源变换器发出指令，并网逆变器工作模式切换为电压控制模式，同时在一定时间内将下垂系数恢复，工作模式切换为下垂控制模式。采集并网变换器直流侧输出电压与直流母线电压，通过计数器确保并网变换器直流侧输出电压与直流母线电压是负荷并网条件后闭合并网开关。
2.根据权力要求1所述的储能电池输出功率给定值确定方法，其特征在于，获取当前直流微电网并离网状态，大电网调度命令、储能电池荷电状态、分布式电源模块的输出功率，计算所述多个分布式电源模块及储能电池的当前输出功率之和，并网状态下储能DC/DC变换器功率给定计算式如下：
PBES_ref＝PLOAD+PPLAN-PDG
其中：PBES_ref作为储能DC/DC变换器二次调节侧功率给定值，PLOAD：微网负载消耗的功率，PPLAN：计划并网值，向电网输送能量时符号取+，从电网吸收能量时符号取-，PDG：分布式电源发出的功率。
3.根据权力要求1所述的直流微电网并网模式下储能DC/DC变换器带功率二次调节的下垂控制模式，其特征在于，功率环PI参数选取上适当将PI参数取小。
4.根据权力要求1所述的并网转离网中储能DC/DC变换器切换为电压下垂控制模式的控制策略，其特征在于，检测到孤岛信号后，储能DC/DC变换器工作模式切换为电压下垂控制模式，储能DC/DC变换器工作模式切换为电压下垂控制模式后，下垂系数在一定时间内减为0，储能DC/DC变换器的工作模式无缝过渡到电压控制模式。
5.根据权力要求1所述的直流微网系统孤岛转并网步骤，其特征在于储能DC/DC变换器下垂系数一定时间内恢复，工作模式由电压控制转为带电压环二次调节的下垂控制模式，取并网逆变器直流侧输出电压及直流母线电压做差，差值小于门槛值时计数器加1，计数器值达到一定值后闭合并网开关，储能DC/DC变换器回到带功率环二次调节的下垂控制状态，实现离网转并网的无缝切换。
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