CN112994012B - 一种交直流混合电网的能量管理系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交直流混合电网的能量管理系统及其方法，该系统包含交流子网、直流子网以及耦合变换器，所述交流子网、直流子网均与所述耦合变换器连接；所述直流子网中接入直流电源和直流负载，所述交流子网中接入交流电源和交流负载，所述耦合变换器进行DC/AC功率或AC/DC功率变换，以控制直流子网和交流子网的功率流向实现功率均分；进一步的，在直流侧引入分布式功率限制项实现了分布式电源的功率限制和均分控制，在交流侧利用改进的下垂控制实现了交流子网的功率均分和功率限制控制。

Description

一种交直流混合电网的能量管理系统及其方法

技术领域

本发明属于能量管理系统协调控制技术领域，具体涉及一种交直流混合电网的能量管理系统及其方法。

背景技术

随着新能源技术和储能技术的发展，风光储微电网系统得到了越来越多的关注。风光储微电网可以工作在并网模式，像大电网注入额定功率；也可以工作在孤岛模式，脱离大电网独自运行并为微电网的负荷供电。在孤岛模式下，能量管理系统是一个关键技术，需要其进行微电网源荷的能量平衡，同时维持微电网电压和频率的稳定性。因此，孤岛风光储微电网的能量管理系统一般具有储能实时监控电池状态信息、可再生能源的最大功率预测、可控负荷的控制、电能质量治理以及微电网电压频率的控制等功能。但是传统的能量管理系统存在的功率分配不均问题一直未有效解决，同时功率限制的问题也有待解决，因此，孤岛微电网的能量管理系统仍然是当今的热点问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中传统能量管理系统所存在功率分配问题，提供一种交直流混合电网的能量管理系统及其方法，其利用耦合变换器进一步保证了混合电网的功率均分的，即利用耦合变换器控制直流子网和交流子网的功率流向，若一方负载过载，则将另一方的功率引入过载方。

一方面，本发明提供的一种交直流混合电网的能量管理系统，交流子网、直流子网以及耦合变换器，所述交流子网、直流子网均与所述耦合变换器连接；

其中，所述直流子网中接入直流电源和直流负载，所述交流子网中接入交流电源和交流负载，所述耦合变换器用于直流侧或交流测负载过载时进行DC/AC功率或AC/DC功率变换，以控制直流子网和交流子网的功率流向实现功率均分。

其中，所述直流子网采用分布式控制结构实现功率均分以及功率限制，分布式结构中利用邻居的信息，采用低带宽通讯；所述交流子网采用分散式控制结构实现功率均分和功率限制，分散式不需要通讯。

可选地，所述直流子网中的电源并联连接，且所述直流子网中每个下垂电源的输出电压按照如下公式确定：

V_dc ^*和V_i分别是直流侧额定电压和直流子网中第i个下垂电源的输出电压，P^*和P_i分别是直流侧额定功率和直流子网中第i个下垂电源的输出功率；δV为分布式控制项，k₁为下垂系数，EN_i为直流子网中第i个下垂电源的逻辑使能信号，

是EN_i的逻辑取反，当输出功率P_i大于P^*时，EN_i由1变为0，k_p2、k_i2均为功率均分项的PI控制因数，k_p3、k_i3是功率限制项的PI控制因数，s为PID控制的积分，表示拉普拉斯变换下的积分符号。

可选地，所述交流子网中的电源并联连接，且所述交流子网中每个下垂电源的输出频率以及输出电压按照如下公式确定：

v_i＝v^*-nQ_i

式中，p^*和p_i分别是交流侧额定有功功率和交流子网中第i个下垂电源的输出有功功率，ω^*和ω_i分别是额定角频率和交流子网中第i个下垂电源的输出角频率，v^*和v_i分别是交流侧额定电压幅值和交流子网中第i个下垂电源的输出电压幅值，m_p，m_i分别为比例有功下垂系数、积分有功下垂系数，en_i为交流子网中第i个下垂电源的使能信号，当输出功率p_i大于p^*时，en_i为1；Q_i是交流子网中第i个下垂电源的输出无功功率，n为比例无功下垂系数，s为PID控制的积分，表示拉普拉斯变换下的积分符号。

上述公式中，当功率现在时就被限制在额定值，不参与功率均分，由其他没有功率限制的电源进行功率均分。

可选地，所述耦合变换器的输出参考电流按照如下公式确定，所述耦合变换器利用所述输出参考电流控制直流子网和交流子网的功率流向；

其中，i_{j_ref}是第j个耦合变换器的输出参考电流，k_p4，k_i4是耦合变换器的PI控制器的比例、积分系数，V_j和f_j为第j个耦合变换器所测量的直流侧电压和交流侧频率，V^*和f^*分别是直流侧额定电压和交流侧额定频率，λ为标幺化比例系数，s为PID控制的积分，表示拉普拉斯变换下的积分符号。可选地，标幺化比例系数λ取决于交直流微电网的功率等级和下垂系数，计算公式如下：

式中，k₁为直流子网中的下垂系数，m_p为交流子网中的比例有功下垂系数。其中，下垂系数的选择也是由交直流微电网的功率等级决定的。

可选地，所述交直流混合电网为风光储能混合微电网；

所述直流子网中设有光伏电池组和储能电池，所述交流子网中设有风力发电机组、交流柴油发电机组和储能电池。

二方面，本发明提供的一种交直流混合电网的能量管理方法，包括如下步骤：

耦合变换器测量得到直流侧电压和交流侧频率，并依据所述直流侧电压和交流侧频率与对应的直流侧额定电压和交流侧额定频率的差值控制直流子网和交流子网的功率流向进行功率均分；

其中，交直流混合电网中交流子网、直流子网均与所述耦合变换器连接，所述直流子网中接入直流电源和直流负载，所述交流子网中接入交流电源和交流负载。

可选地，所述耦合变换器依据所述直流侧电压和交流侧频率与对应的直流侧额定电压和交流侧额定频率的差值控制直流子网和交流子网的功率流向进行功率均分的过程为：

先利用如下公式计算出输出参考电流；再将依据所述输出参考电流控制直流子网和交流子网的功率流向；

其中，i_{j_ref}是第j个耦合变换器的输出参考电流，k_p4，k_i4是耦合变换器的PI控制器的比例、积分系数，V_j和f_j为第j个耦合变换器所测量的直流侧电压和交流侧频率，V^*和f^*分别是直流侧额定电压和交流侧额定频率，λ为标幺化比例系数，s为PID控制的积分，表示拉普拉斯变换下的积分符号。

可选地，所述方法还包括：采集直流子网中电源的输出功率，并按照如下公式对直流子网中的电源进行功率均分以及功率限制：

V_dc ^*和V_i分别是直流侧额定电压和直流子网中第i个下垂电源的输出电压，P^*和P_i分别是直流侧额定功率和直流子网中第i个下垂电源的输出功率；δV为分布式控制项，k₁为下垂系数，EN_i为直流子网中第i个下垂电源的逻辑使能信号，

是EN_i的逻辑取反，当输出功率P_i大于P^*时，EN_i由1变为0，k_p2，k_i2均为功率均分项的PI控制因数，k_p3，k_i3是功率限制项的PI控制因数，s为PID控制的积分，表示拉普拉斯变换下的积分符号。

可选地，所述方法还包括：采集交流子网中电源的输出有功功率，并按照如下公式对交流子网中的电源进行功率均分以及功率限制：

v_i＝v^*-nQ_i

式中，p^*和p_i分别是交流侧额定有功功率和交流子网中第i个下垂电源的输出有功功率，ω^*和ω_i分别是额定角频率和交流子网中第i个下垂电源的输出角频率，v^*和v_i分别是交流侧额定电压幅值和交流子网中第i个下垂电源的输出电压幅值，m_p，m_i分别为比例有功下垂系数、积分有功下垂系数，en_i为交流子网中第i个下垂电源的使能信号，当输出功率p_i大于p^*时，en_i为1；Q_i是交流子网中第i个下垂电源的输出无功功率，n为比例无功下垂系数，s为PID控制的积分，表示拉普拉斯变换下的积分符号。

有益效果

1.本发明提供的一种交直流混合电网的能量管理系统，在直流子网接入直流电源和直流负载，交流子网接入交流电源和交流负载，保证能量变换的高效型和灵活性，同时，在交流或直流子网存在负载过载时，利用交直流耦合变换器在混合交流微电网中进行功率均分。该电网结构灵活性强，可以实现“即插即用”功能，可扩展性高。同时，能够减少功率变换级的数量，避免多级功率变换造成的功率损失，提高了电网的运行效率。

2.在本发明的进一步优选方案中，本发明针对在直流子网和交流子网内的电源还分别进行了功率均分以及功率限制，其中，在直流子网中加入了分布式功率限制项，实现了分布式电源的功率限制控制以及功率均分控制；在交流子网中通过改进的下垂控制实现了交流子网的功率均分和功率限制。在耦合变换器中通过标幺化下的PI下垂控制寻找耦合变换器的参考传输功率(利用输出参考电流得到)，实现交直流子网的功率均分，本发明利用功率均分以及功率限制还解决了传统的能量管理系统中未考虑可再生能源的稳定工作区间和功率间歇性问题。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的风光储微电网结构图；

图2是本发明实施例1提供的直流子网中LBC通讯网络结构；

图3是发明实施例提供的微电网的总体控制结构示意图；

图4是本发明提供的输出参考电流的控制框图。

具体实施方式

本发明的提供的一种交直流混合电网的能量管理系统及其方法，用于实现混合电网的功率均分，以提高电网的能量稳定性。下述实施例中将以风光储混合微电网为例进行阐述，其他可行的实施例中，对其不进行具体的限定

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步的详细说明。显然，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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供的微电网(能量管理系统)包括交流子网、直流子网和耦合变换器(ILC)。交流子网中设有风力发电机组、交流柴油发电机组和储能电池，交流负载接到交流子网中。直流子网中设有光伏电池组和储能电池，直流负载接到直流子网中。耦合变换器是连接交直流子网的变换器，混合电网的功率需求决定耦合变换器是进行DC/AC功率变换还是AC/DC功率变换。该类型的混合微电网结构灵活性强，可以实现“即插即用”功能，可扩展性高。同时，混合风光储微电网结构可以减少功率变换级的数量，避免多级功率变换造成的功率损失，提高了微电网的运行效率。

基于上述微电网结构，在交流或直流子网存在负载过载时，加入交直流耦合变换器在混合交流微电网中进行功率均分，同时，为了进一步保证直流子网和交流子网的功率均分以及为了保证电源不会出现长期的功率过载，本实施例还考虑了直流子网和交流子网中电源功率的限制问题和功率均分问题。

1)直流子网控制

本实施例中，直流子网采用分布式控制结构，加入低带宽通讯(LBC)，通讯网络采用图2所示的环网结构，具有最小冗余和高可靠性。

其控制算法如下公式(1)和公式(2)：

V_dc ^*和V_i分别是额定电压和第i个下垂电源的输出电压，P^*和P_i分别是额定功率和第i个下垂电源的输出功率。在(1)式中加入分布式控制项δV，k₁下垂系数。在(2)式中,分布式算法加入使能信号EN_i和功率限制项。EN_i是逻辑使能信号，当输出功率大于P^*时，EN_i由1变为0。

是EN_i的逻辑取反。k_p2、k_i2是功率均分项的PI控制因数，k_p3、k_i3是功率限制项的PI控制因数，其中PI控制因数的大小视为已知，即根据实际需求进行设置。

从上述公式可知，在直流侧，利用相邻电源的输出功率的差值进行功率均分，以保证电源的功率相近。另一方面，利用逻辑使能信号进行功率限制。

2)交流子网控制

交流子网采用分散式控制结构，在无通讯的条件下实现功率均分和功率限制，具有低成本和高可靠性。控制算法如下所示:

v_i＝v^*-nQ_i (4)

在(3)式中，p^*和p_i分别是额定有功功率和第i个下垂电源的输出有功功率，ω^*和ω_i分别是额定角频率和第i个下垂电源的输出角频率，m_p、m_i为PI有功下垂系数，即比例有功下垂系数和积分有功下垂系数。在(3)式中，通过积分下垂系数和使能信号en_i来实现微源的功率限制。在(4)式中，v^*和v_i分别是额定电压幅值和第i个下垂电源的输出电压幅值，Q_i是第i个下垂电源的输出无功功率，n为比例无功下垂系数。

3)交直流耦合变换器控制

由交直流子网的控制方案可知，交直流子网均控制在电压源模式，因此耦合变换器也是控制电流源模式，即通过寻找耦合变换器的电流参考值，进而控制直流子网和交流子网的功率流向。为了协调混合微电网并得到混合微电网的全局功率均分，本发明采用归一化f/V的电流PI控制，如下式(5)所示：

其中，i_{j_ref}是第j个耦合变换器的输出参考电流，k_p4、k_i4是耦合变换器PI控制器的比例、积分系数。V_j和f_j为第j个耦合变换器所测量的直流侧电压和交流侧频率，V^*和f^*分别是直流侧额定电压和交流侧额定频率。其中，频率f_j与角频率ω_i相关，标幺化比例系数λ取决于交直流微电网的功率等级和下垂系数。具体的计算可以表示为

得到输出参考电流实际为d轴输出参考电流，将其通过PI控制和DQ变换生成ILCs互联逆变器的调制波，控制ILCs的输出交流侧功率，实现交直流混合微电网的功率均分，其控制框图如图4所示，由于该部分是现有技术，因此对其不进行具体的阐述。

基于上述控制策略，如图3所示，本实施例能量管理系统的控制结构如图3所示，基于该控制结构，其实现过程主要包含了三个方面，分别如下：

1.耦合变换器测量得到直流侧电压和交流侧频率，并依据所述直流侧电压和交流侧频率与对应的直流侧额定电压和交流侧额定频率的差值控制直流子网和交流子网的功率流向进行功率均分。具体实现过程为：先利用公式(5)、(6)计算出输出参考电流；再将依据所述输出参考电流控制直流子网和交流子网的功率流向。

2.直流侧：采集直流子网中电源的输出功率，并按照公式(1)、(2)计算出每个电源的输出电压，实现对直流子网中的电源进行功率均分以及功率限制。

3.交流侧：采集交流子网中电源的输出有功功率，并按照公式(3)、(4)计算交流侧每个电源的输出电压以及输出角频率，实现对交流子网中的电源进行功率均分以及功率限制。

综上所述，实施例1中直流侧利用分布式功率限制项，实现了分布式电源的功率限制控制以及功率均分控制，交流侧利用改进的下垂控制实现了交流子网的功率均分和功率限制；任意直流侧或交流侧过载时，利用通过标幺化下的PI下垂控制寻找耦合变换器的参考传输功率，实现交直流子网的功率均分。

实施例2：

本实施例相较于实施例1中直流侧的控制算法，其分布式控制项仅存在功率均分，并未考虑功率限制，如

其相较于现有技术，一定程度也可以优化功率不均衡的现象。

实施例3：

本实施例中利用耦合变换器的公式(5)和公式(6)进行直流侧与交流侧整体的功率均分，相较于现有技术，一定程序可以改进功率不均衡的问题。本实施中，直流侧和交流侧的控制规则可以选择实施例1中的控制算法或实施例2中的控制算法进行控制，也可以选择现有的控制算法进行控制。

综上所述，本发明提供的一种交直流混合电网的能量管理系统及其方法可以极大地优化现有能量管理系统在功率分配上不均的问题，对应用于风光储微电网具有较大的前景。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种交直流混合电网的能量管理系统，其特征在于：交流子网、直流子网以及耦合变换器，所述交流子网、直流子网均与所述耦合变换器连接；

其中，所述直流子网中接入直流电源和直流负载，所述交流子网中接入交流电源和交流负载；所述耦合变换器进行DC/AC功率或AC/DC功率变换，以控制直流子网和交流子网的功率流向实现功率均分；

所述直流子网中的电源并联连接，且所述直流子网中每个下垂电源的输出电压按照如下公式确定：

V_dc ^*和V_i分别是直流侧额定电压和直流子网中第i个下垂电源的输出电压，P^*和P_i分别是直流侧额定功率和直流子网中第i个下垂电源的输出功率；δV为分布式控制项，k₁为下垂系数，EN_i为直流子网中第i个下垂电源的逻辑使能信号，

是EN_i的逻辑取反，当输出功率P_i大于P^*时，EN_i由1变为0，k_p2，k_i2均为功率均分项的PI控制因数，k_p3，k_i3是功率限制项的PI控制因数，s为PID控制的积分，表示拉普拉斯变换下的积分符号。

2.根据权利要求1所述的能量管理系统，其特征在于：所述交流子网中的电源并联连接，且所述交流子网中每个下垂电源的输出频率以及输出电压按照如下公式确定：

v_i＝v^*-nQ_i

式中，p^*和p_i分别是交流侧额定有功功率和交流子网中第i个下垂电源的输出有功功率，ω^*和ω_i分别是额定角频率和交流子网中第i个下垂电源的输出角频率，v^*和v_i分别是交流侧额定电压幅值和交流子网中第i个下垂电源的输出电压幅值，m_p，m_i分别为比例有功下垂系数、积分有功下垂系数，en_i为交流子网中第i个下垂电源的使能信号，当输出功率p_i大于p^*时，en_i为1；Q_i是交流子网中第i个下垂电源的输出无功功率，n为比例无功下垂系数，s为PID控制的积分，表示拉普拉斯变换下的积分符号。

3.根据权利要求1所述的能量管理系统，其特征在于：所述耦合变换器的输出参考电流按照如下公式确定，所述耦合变换器利用所述输出参考电流控制直流子网和交流子网的功率流向；

其中，i_{j_ref}是第j个耦合变换器的输出参考电流，k_p4、k_i4是耦合变换器的PI控制器的比例、积分系数，V_j和f_j为第j个耦合变换器所测量的直流侧电压和交流侧频率，V^*和f^*分别是直流侧额定电压和交流侧额定频率，λ为标幺化比例系数，s为PID控制的积分，表示拉普拉斯变换下的积分符号。

4.根据权利要求3所述的能量管理系统，其特征在于：标幺化比例系数λ的计算公式如下：

式中，k₁为直流子网中的下垂系数，m_p为交流子网中的比例有功下垂系数。

5.根据权利要求1所述的能量管理系统，其特征在于：所述交直流混合电网为风光储能混合微电网；

所述直流子网中设有光伏电池组和储能电池，所述交流子网中设有风力发电机组、交流柴油发电机组和储能电池。

6.一种交直流混合电网的能量管理方法，其特征在于：包括如下步骤：

耦合变换器测量得到直流侧电压和交流侧频率，并依据所述直流侧电压和交流侧频率与对应的直流侧额定电压和交流侧额定频率的差值控制直流子网和交流子网的功率流向进行功率均分；

其中，交直流混合电网中交流子网、直流子网均与所述耦合变换器连接，所述直流子网中接入直流电源和直流负载，所述交流子网中接入交流电源和交流负载；

还包括：采集直流子网中电源的输出功率，并按照如下公式对直流子网中的电源进行功率均分以及功率限制：

V_dc ^*和V_i分别是直流侧额定电压和直流子网中第i个下垂电源的输出电压，P^*和P_i分别是直流侧额定功率和直流子网中第i个下垂电源的输出功率；δV为分布式控制项，k₁为下垂系数，EN_i为直流子网中第i个下垂电源的逻辑使能信号，

是EN_i的逻辑取反，当输出功率P_i大于P^*时，EN_i由1变为0，k_p2，k_i2均为功率均分项的PI控制因数，k_p3，k_i3是功率限制项的PI控制因数，s为PID控制的积分，表示拉普拉斯变换下的积分符号。

7.根据权利要求6所述的能量管理方法，其特征在于：所述耦合变换器依据所述直流侧电压和交流侧频率与对应的直流侧额定电压和交流侧额定频率的差值控制直流子网和交流子网的功率流向进行功率均分的过程为：

先利用如下公式计算出输出参考电流；再将依据所述输出参考电流控制直流子网和交流子网的功率流向；

其中，i_{j_dref}是第j个耦合变换器的输出参考电流，k_p4，k_i4是耦合变换器的PI控制器的比例、积分系数，V_j和f_j为第j个耦合变换器所测量的直流侧电压和交流侧频率，V^*和f^*分别是直流侧额定电压和交流侧额定频率，λ为标幺化比例系数，s为PID控制的积分，表示拉普拉斯变换下的积分符号。

8.根据权利要求6所述的能量管理方法，其特征在于：还包括：采集交流子网中电源的输出有功功率，并按照如下公式对交流子网中的电源进行功率均分以及功率限制：

v_i＝v^*-nQ_i

式中，p^*和p_i分别是交流侧额定有功功率和交流子网中第i个下垂电源的输出有功功率，ω^*和ω_i分别是额定角频率和交流子网中第i个下垂电源的输出角频率，v^*和v_i分别是交流侧额定电压幅值和交流子网中第i个下垂电源的输出电压幅值，m_p，m_i分别为比例有功下垂系数、积分有功下垂系数，en_i为交流子网中第i个下垂电源的使能信号，当输出功率p_i大于p^*时，en_i为1；Q_i是交流子网中第i个下垂电源的输出无功功率，n为比例无功下垂系数，s为PID控制的积分，表示拉普拉斯变换下的积分符号。

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