CN112838612A - 一种直流微电网系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种直流微电网系统及其控制方法，包括光伏发电模块、储能系统、变换器、软起模块、直流母线和负载；光伏发电模块、储能系统以及负载均通过变换器连接到直流母线；光伏发电模块用于通过变换器向直流母线提供能量；储能系统通过变换器完成与直流母线之间的能量交换；负载包括直流负载和交流负载，部分负载直接挂在母线上，其余负载通过变换器从直流母线上抽取能量。本发明充分考虑整个系统控制策略，明确了各个子模块之间的配合策略，不是针对单模块进行控制策略说明，保证了整个控制策略的系统性。

Description

一种直流微电网系统及其控制方法
技术领域
本发明属于直流微电网技术领域，特别涉及一种直流微电网系统及其控制方法。
背景技术
随着越来越多的直流电子设备的出现，直流微电网得到越来越多的发展。与交流微电网相比，直流微电网具有诸多优势：
(1)减少负荷侧变换器数量，提高能源利用效率；
(2)不需要考虑相位、频率，不存在无功控制和相位同步等问题；
(3)微源之间功率协调控制简单，只需要通过直流母线电压就可以控制功率潮流流向；
(4)分布式直流发电单元更加方便接入直流母线。
在直流微电网系统中直流母线连接着各类设备，一般设备端口有X电容及Y电容，所以直流母线软起是必须要考虑的技术要点之一。
对于使用降压型拓扑的变流器，拓扑自身能够实现直流母线电压从零伏启机；但对于升压型拓扑的变流器，常采用给输出开关并联电阻软起母线，由于直流微电网的负荷种类、数量不固定，电阻会存在不同程度的分压，软起效果也就不固定，如果电阻上的压差较大，在开关闭合时会造成严重的损伤或引起事故；也可在升压型拓扑的基础之上额外增加降压软起电路实现母线软起，但该方法实际应用时体积受限，成本偏高，且软起功率较低，经济适用性较低。
在直流微电网中，分布式电源本身存在着不稳定性，会造成系统不稳定，因此如何有效控制母线电压稳定是判断一个直流微电网系统安全稳定运行的重要因素，利用母线电压实现直流微电网能量潮流控制是保证微电网系统稳定运行的有效途径。目前国内外针对直流微电网母线控制策略的研究有很多，提出了多种直流母线控制策略，来调节直流微电网系统的模式切换以及对微电网能量潮流的控制。
目前的研究大多停留在实验室阶段，只是单独讨论电池充放电的控制，光伏最大功率点跟踪的控制，并网以及孤岛控制，没有充分考虑分布式电源复杂的使用环境以及整个系统配合的控制策略。
光伏、风电等清洁能源受自然条件影响，实时变化会影响母线电压控制，传统控制策略只针对低压侧MPPT最大功率点跟踪进行研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直流微电网系统及其控制方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种直流微电网系统，包括光伏发电模块、储能系统、变换器、变流器、直流母线、隔离变压器、并网开关和负载；光伏发电模块、储能系统以及负载均通过变换器连接到直流母线；直流母线还连接有变流器，变流器连接隔离变压器，隔离变压器和电网之间设置有并网开关。
进一步的，变换器包括光伏变换器、储能变换器和直流变换器；负载包括直流负载和交流负载；光伏发电模块、储能系统以及直流负载分别通过光伏变换器、储能变换器和直流变换器连接到直流母线。
进一步的，变流器包括软起变流器和主功率变流器；交流负载通过主功率变流器连接到直流母线，软起变流器连接隔离变压器。
一种直流微电网系统的控制方法，包括：
孤岛运行模式：此时直流微电网系统脱离大电网运行，若光伏能量大于负载需求，则只有光伏给直流母线充能，电池和负载从直流母线上抽取能量；若光伏能量小于负载需求，则光伏和电池共同给直流母线充能，负载从直流母线上抽取能量；
并网运行模式：
(1)优先备电模式：电池SOC低于阈值时，整个直流微电网系统优先满足电池从直流母线上抽取能量，剩余能量则给负载功能；
(2)手动模式：包括两种优先级模式，光伏第一优先、市电第二优先、电池第三优先和光伏第一优先、电池第二优先、市电第三优先，优先级越高则优先向直流母线提供能量；
(3)自动模式：在电价谷时自动选择光伏第一优先、市电第二优先、电池第三优先，在电价峰时自动选择光伏第一优先、电池第二优先、市电第三优先；
(4)防逆流模式：并网运行时不允许市电向直流母线提供能量。
进一步的，根据母线电压控制策略实现各模块间能量潮流控制，模式切换平滑，母线电压给定分为VMax、VMid、VMin三挡。
进一步的，光伏发电模块中直流变换器低压侧接光伏电池，高压侧接直流母线，低压侧负责MPPT最大功率点跟踪，当母线电压大于Vmax时，光伏发电模块便不再输出，退出MPPT最大功率点跟踪。
进一步的，储能系统中双向直流变换器低压侧接电池，高压侧接直流母线，低压侧负责对电池充放电目标电压进行管理，高压侧负责对直流母线补充或吸收能量；电流环限幅环节用于对电池进行充放电电流管理。
进一步的，双向DC/AC模块直流侧母线电压环用于调节电网与直流母线能量交换，在模式切换中保证母线电压稳定，功率上下限环节用于限制电网与直流母线的能量交换能力以及实现防逆流。
进一步的，手动模式中，当光储微电网系统工作于光伏第一优先、市电第二优先、电池第三优先模式下，光伏母线电压给定为最高VMax，市电母线电压给定为VMid，电池母线电压给定为VMin；当光伏功率大于电池充电功率时，母线电压便会维持在VMid～Vmax之间，光伏优先向直流母线电压供能，电池优先向直流母线抽取能量，剩余能量通过DC/AC变换器给负载供电；当光伏功率小于电池充电功率时，母线电压维持在Vmin～VMid之间，光伏和市电同时向直流母线供能，光伏优先向直流母线供能满足电池充电能量需求，剩余未满足部分由市电供给；
当光储微电网系统工作于光伏第一优先、电池第二优先、市电第三优先模式下，光伏母线电压给定为最高VMax，电池母线电压给定为VMid，市电母线电压给定为VMin；当光伏功率大于DC/AC侧功率需求时，母线电压便会维持在VMid～Vmax之间，光伏优先向直流母线电压供能，DC/AC变换器优先从直流母线抽取能量，剩余能量给电池供电；当光伏功率小于DC/AC侧功率需求时，母线电压维持在Vmin～VMid之间，光伏和电池同时向直流母线供能，光伏优先向直流母线供能满足DC/AC侧能量需求，剩余未满足部分由电池供给。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明充分考虑整个系统控制策略，明确了各个子模块之间的配合策略，不是针对单模块进行控制策略说明，保证了整个控制策略的系统性；
本发明软起模块可以实现直流母线零伏启机，软起目标电压可控，采用Buck型电路，防止直流母线短路，支持较大软起功率，防止负载变化造成的软起失败。
本发明充分考虑微电网系统复杂的应用环境，针对并离网、削峰填谷、电池SOC以及防逆流等方面都做了相应的控制策略说明，使其实用价值更高；
本发明所述直流微电网系统能量潮流控制只需要改变母线电压环的母线电压给定值就可以实现多种模式切换，策略简单便于操作，模式切换平滑，可以在实际各种工况下稳定运行。
附图说明
图1为所述光储直流微电网系统结构图。
图2为所述光储直流微电网系统软起模块拓扑结构图。
图3为所述光伏发电模块控制策略。
图4为所述电池储能模块控制策略。
图5为所述DC/AC模块并网运行控制策略。
图6为所述防逆流功能控制策略。
具体实施方式
本发明所述的光储直流微电网系统，如附图1所示，参与直流能量潮流控制的主要包括：直流母线软起模块、光伏发电模块、直流储能模块、DC/AC模块。各部分具体实现功能如下：
1.直流母线软起模块
所述直流母线软起模块如图2所示，由双向T型变流器和双向Buck/Boost直流变换器两种主拓扑构成。工作在并网模式下时，闭合并网开关，辅助设备由市电供电，首先由变流器将市电整流为直流电，再通过Buck变换器为直流母线提供软起，软起目标电压可设。当软起成功后，主功率变换器便开始工作，软起模块转为待机模式。当电网发生故障时，此时软起模块进行并离网无缝切换，直流变换器工作在Boost模式，变流器进行逆变保证辅助设备不掉电。
2.光伏发电模块
此模块主要由光伏发电设备以及单向直流变换器组成，直流变换器低压端接光伏发电设备，高压端接直流母线。所述单向直流变换器所采用的的控制策略如图3所示，由MPPT算法、光伏输入电压环、光伏母线电压环以及光伏电流内环四部分组成。本控制方案由MPPT算法进行光伏最大功率点跟踪，MPPT算法输出为光伏输入电压环的给定，光伏输入电压环与母线电压环二者属于竞争关系，二者取小为电流内环给定。
其中VPVBusref为光伏母线电压给定，VBus为实际母线电压，IL为实际电感电流，Vinref为输入电压环给定，Vin为实际光伏端口电压。
3.直流储能模块
此模块主要由蓄电池以及双向直流变换器组成，直流变换器低压端接蓄电池，高压端接直流母线。所述双向直流变换器所采用的控制策略如图4所示，由电池输入电压环，电池母线电压环、电池电流内环组成。电池充电目标电压(放电目标电压)为电池输入电压环给定，当工作在并网模式下，输入电压环与母线电压环二者为竞争关系，二者取小为电流环给定；当工作在孤岛模式时，此时双向直流变换器工作在稳母线状态，输入电压环不起作用，母线电压环输出即为电流环给定。电流环给定限幅环节只要是为了控制电池充电(放电)最大电流，防止电流过大对电池以及变换器造成损害。
其中Vinref为电池充电(放电)电压给定，Vin为实际电池电压，VBatBusref为电池母线电压给定。
4.DC/AC模块
所述DC/AC变流器工作在并网模式下所采用的的控制策略如图5所示，由母线电压环和电流内环组成。母线电压环输出作为d轴电流内环输入，当系统没有无功功率时，q轴电流环给定为0。
其中iabc分别为网侧abc三相电流，VBusref为并网工作时网侧母线电压给定，经过PI控制器后为d轴电流环给定，Vd和Vq分别为网侧dq轴电压前馈。
所述DC/AC变流器在离网状态时，不再进行稳母线控制，因此在本发明中不再赘述。
所述光伏发电模块、直流储能模块以及DC/AC模块共用直流母线，在上述控制算法中，各模块均包含母线电压环，只要给各个模块设置不同的母线电压给定值，就可以实现各个模块间的能量流动控制，在本发明中设置三个母线电压给定值：Vmax、VMid、Vmin，并具有如下关系：Vmax＞VMid＞Vmin。此时母线给定为Vmax的模块为直流微电网系统中最优先为直流母线提供能量的来源，同理，母线给定为VMid、Vmin的模块为直流微电网系统中第二优先、第三优先为直流母线提供能量的来源。同样，母线电压给定值越低，则越优先从直流母线抽取能量。即当直流母线电压工作于Vmax与Vmid之间时，母线电压给定为Vmax的模块向直流母线供能，优先满足母线电压给定为Vmin的模块的能量需求，剩余能量用于供给母线电压为VMid的模块。当母线电压工作于VMid与Vmin之间时，母线电压给定为Vmax、VMid的模块向直流母线供能，母线电压给定为Vmin的模块从直流母线抽取能量，其中直流母线优先从母线电压给定为Vmax的模块抽取能量，剩余需求能量由母线给定为VMid的模块供给。
基于上述通过母线电压控制直流微电网能量潮流控制策略，现提出以下具体实施方案：
1.孤岛运行
所述直流微电网系统脱离大电网孤岛运行时，此时DC/AC模块不进行母线控制，只工作在逆变模式，参与母线控制策略的模块为直流储能模块和光伏发电模块。依据经济性原理，此时光伏模块应该优先向直流母线供能，为了保证负载稳定运行，应该优先满足交流负载稳定运行。因此此时光伏母线电压给定为最高Vmax，电池为第二优先发电，电池母线电压给定为VMid。
所述孤岛运行时，直流微电网系统存在两种工作模式，当光伏功率大于负载功率时，母线电压便会维持在VMid～Vmax之间，光伏优先向直流母线电压供能，负载优先向直流母线抽取能量，剩余能量将给电池充电；当光伏功率小于负载功率时，母线电压维持在Vmin～VMid之间，光伏和电池同时向直流母线供能，光伏优先向直流母线供能满足负载功率需求，剩余未满足部分由电池供给。
2.并网运行
(1)优先备电模式
当电池SOC低于系统设定SOCA时，系统便会进入优先备电模式，此时电池优先从直流母线抽取能量，同样，光伏模块优先向直流母线提供能量。因此此时光伏母线电压给定为最高VMax，市电母线电压给定为VMid，电池母线电压给定为VMin。
当光伏功率大于电池充电功率时，母线电压便会维持在VMid～Vmax之间，光伏优先向直流母线电压供能，电池优先向直流母线抽取能量，剩余能量通过DC/AC变换器给负载供电；当光伏功率小于电池充电功率时，母线电压维持在Vmin～VMid之间，光伏和市电同时向直流母线供能，光伏优先向直流母线供能满足电池充电能量需求，剩余未满足部分由市电供给。
当电池充电使其SOC高于系统设定SOCB时，系统便会退出优先备电模式，进入自动或者手动设置模式。
(2)手动模式
本发明所述手动模式包括两种优先级模式，即光伏第一优先、市电第二优先、电池第三优先和光伏第一优先、电池第二优先、市电第三优先，优先级越高则优先向直流母线输送能量。
当所述光储微电网系统工作于光伏第一优先、市电第二优先、电池第三优先模式下，光伏母线电压给定为最高VMax，市电母线电压给定为VMid，电池母线电压给定为VMin。当光伏功率大于电池充电功率时，母线电压便会维持在VMid～Vmax之间，光伏优先向直流母线电压供能，电池优先向直流母线抽取能量，剩余能量通过DC/AC变换器给负载供电；当光伏功率小于电池充电功率时，母线电压维持在Vmin～VMid之间，光伏和市电同时向直流母线供能，光伏优先向直流母线供能满足电池充电能量需求，剩余未满足部分由市电供给。
当所述光储微电网系统工作于光伏第一优先、电池第二优先、市电第三优先模式下，光伏母线电压给定为最高VMax，电池母线电压给定为VMid，市电母线电压给定为VMin。当光伏功率大于DC/AC侧功率需求时，母线电压便会维持在VMid～Vmax之间，光伏优先向直流母线电压供能，DC/AC变换器优先从直流母线抽取能量，剩余能量给电池供电；当光伏功率小于DC/AC侧功率需求时，母线电压维持在Vmin～VMid之间，光伏和电池同时向直流母线供能，光伏优先向直流母线供能满足DC/AC侧能量需求，剩余未满足部分由电池供给。
(3)自动模式
本发明所述自动模式主要是为了削峰填谷，根据所在不同地区设置电价峰时和谷时，当电价处于谷时，系统工作于光伏第一优先、市电第二优先、电池第三优先模式。此时优先通过直流母线给电池充能，光伏母线电压给定为最高VMax，市电母线电压给定为VMid，电池母线电压给定为VMin。当光伏功率大于电池充电功率时，母线电压便会维持在VMid～Vmax之间，光伏优先向直流母线电压供能，电池优先向直流母线抽取能量，剩余能量通过DC/AC变换器给负载供电；当光伏功率小于电池充电功率时，母线电压维持在Vmin～VMid之间，光伏和市电同时向直流母线供能，光伏优先向直流母线供能满足电池充电能量需求，剩余未满足部分由市电供给。
当电价处于峰时，系统工作于光伏第一优先、电池第二优先、市电第三优先模式，此时应该有限满足DC/AC侧负载需求，尽可能少消耗市电能量。光伏母线电压给定为最高VMax，电池母线电压给定为VMid，市电母线电压给定为VMin。当光伏功率大于DC/AC侧功率需求时，母线电压便会维持在VMid～Vmax之间，光伏优先向直流母线电压供能，DC/AC变换器优先从直流母线抽取能量，剩余能量给电池供电；当光伏功率小于DC/AC侧功率需求时，母线电压维持在Vmin～VMid之间，光伏和电池同时向直流母线供能，光伏优先向直流母线供能满足DC/AC侧能量需求，剩余未满足部分由电池供给。
(4)防逆流模式
所述防逆流模式是指并网运行时既不允许市电向直流母线提供能量。此时需要在原有并网算法策略中的母线电压环加入功率环竞争机制。如图6所示，母线电压环依然为d轴电流环给定来源，在其后端加入了限幅环节，此时限幅上限是功率上限环输出，限幅下限是功率下限环输出。本发明所述功率上下限环与传统PQ功率控制原理完全一致，只是执行两个有功功率环路，来防止直流母线能量走向市电。
其中Vdout为母线电压环输出，Idref为d轴电流环给定。
本发明所述一种直流微电网系统能量潮流控制策略以光储直流微电网系统为研究对象，综合考虑了并离网、削峰填谷、电池SOC、防逆流等在实际工程中广泛应用的场景，建立了完整的直流微电网系统能量潮流控制策略，实现了直流母线与分布式电源、直流储能环节以及大电网之间的能量交换，具备经济良好、控制简单、运行稳定等优势。

Claims (9)

1.一种直流微电网系统，其特征在于，包括光伏发电模块、储能系统、变换器、变流器、直流母线、隔离变压器、并网开关和负载；光伏发电模块、储能系统以及负载均通过变换器连接到直流母线；直流母线还连接有变流器，变流器连接隔离变压器，隔离变压器和电网之间设置有并网开关。
2.根据权利要求1所述的一种直流微电网系统，其特征在于，变换器包括光伏变换器、储能变换器和直流变换器；负载包括直流负载和交流负载；光伏发电模块、储能系统以及直流负载分别通过光伏变换器、储能变换器和直流变换器连接到直流母线。
3.根据权利要求2所述的一种直流微电网系统，其特征在于，变流器包括软起变流器和主功率变流器；交流负载通过主功率变流器连接到直流母线，软起变流器连接隔离变压器。
4.一种直流微电网系统的控制方法，其特征在于，基于权利要求1至3任意一项所述的一种直流微电网系统，包括：
孤岛运行模式：此时直流微电网系统脱离大电网运行，若光伏能量大于负载需求，则只有光伏给直流母线充能，电池和负载从直流母线上抽取能量；若光伏能量小于负载需求，则光伏和电池共同给直流母线充能，负载从直流母线上抽取能量；
并网运行模式：
(1)优先备电模式：电池SOC低于阈值时，整个直流微电网系统优先满足电池从直流母线上抽取能量，剩余能量则给负载功能；
(2)手动模式：包括两种优先级模式，光伏第一优先、市电第二优先、电池第三优先和光伏第一优先、电池第二优先、市电第三优先，优先级越高则优先向直流母线提供能量；
(3)自动模式：在电价谷时自动选择光伏第一优先、市电第二优先、电池第三优先，在电价峰时自动选择光伏第一优先、电池第二优先、市电第三优先；
(4)防逆流模式：并网运行时不允许市电向直流母线提供能量。
5.根据权利要求4所述的一种直流微电网系统的控制方法，其特征在于，根据母线电压控制策略实现各模块间能量潮流控制，模式切换平滑，母线电压给定分为VMax、VMid、VMin三挡。
6.根据权利要求4所述的一种直流微电网系统的控制方法，其特征在于，光伏发电模块中直流变换器低压侧接光伏电池，高压侧接直流母线，低压侧负责MPPT最大功率点跟踪，当母线电压大于Vmax时，光伏发电模块便不再输出，退出MPPT最大功率点跟踪。
7.根据权利要求4所述的一种直流微电网系统的控制方法，其特征在于，储能系统中双向直流变换器低压侧接电池，高压侧接直流母线，低压侧负责对电池充放电目标电压进行管理，高压侧负责对直流母线补充或吸收能量；电流环限幅环节用于对电池进行充放电电流管理。
8.根据权利要求4所述的一种直流微电网系统的控制方法，其特征在于，双向DC/AC模块直流侧母线电压环用于调节电网与直流母线能量交换，在模式切换中保证母线电压稳定，功率上下限环节用于限制电网与直流母线的能量交换能力以及实现防逆流。
9.根据权利要求4-8任意一项所述的一种直流微电网系统的控制方法，其特征在于，手动模式中，当光储微电网系统工作于光伏第一优先、市电第二优先、电池第三优先模式下，光伏母线电压给定为最高VMax，市电母线电压给定为VMid，电池母线电压给定为VMin；当光伏功率大于电池充电功率时，母线电压便会维持在VMid～Vmax之间，光伏优先向直流母线电压供能，电池优先向直流母线抽取能量，剩余能量通过DC/AC变换器给负载供电；当光伏功率小于电池充电功率时，母线电压维持在Vmin～VMid之间，光伏和市电同时向直流母线供能，光伏优先向直流母线供能满足电池充电能量需求，剩余未满足部分由市电供给；
当光储微电网系统工作于光伏第一优先、电池第二优先、市电第三优先模式下，光伏母线电压给定为最高VMax，电池母线电压给定为VMid，市电母线电压给定为VMin；当光伏功率大于DC/AC侧功率需求时，母线电压便会维持在VMid～Vmax之间，光伏优先向直流母线电压供能，DC/AC变换器优先从直流母线抽取能量，剩余能量给电池供电；当光伏功率小于DC/AC侧功率需求时，母线电压维持在Vmin～VMid之间，光伏和电池同时向直流母线供能，光伏优先向直流母线供能满足DC/AC侧能量需求，剩余未满足部分由电池供给。
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