CN113937751A - 一种直流微网群功率协调控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流微网群功率协调控制方法及系统，包括微网内部的协调控制和微网间的协调控制，微网内部采用基于电压分层的微网控制方法，根据母线电压所在区域的不同分为不同的控制模式，由高到低分别由光伏变换器、储能和负载变换器工作在电压源模式，维持母线电压的稳定；微网间的控制策略将微网的功率状态分为功率盈余、自给自足和功率缺额三种，每种状态可对应设计一种微网并网端口的控制曲线，并控制并网端口按照控制曲线运行，实现微网间的功率的协调控制；本发明中的群控制策略无需与其他微网之间进行通信，能够提升系统的稳定性。

Description

一种直流微网群功率协调控制方法及系统

技术领域

本发明属于新能源并网及控制技术领域，具体涉及一种直流微网群功率协调控制方法及系统。

背景技术

近些年来，在国家政策的大力推动下，我国风电、太阳能等可再生能源发电技术迅速发展，装机容量持续快速增长，分布式电源接入的渗透率也越来越高。微电网通过将分布式电源、储能、负荷等集成在一起，再接入配电网中，可减少分布式发电的波动性对配网造成的冲击。相比交流微电网，直流微电网可更高效可靠地接纳风、光等分布式可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负荷。并且可仅通过微网的母线电压反应功率波动，不存在交流微网的频率波动、相位不同步和无功功率等问题。

但由于分布式发电的波动性，使得单个直流微网运行时存在负荷供电可靠性低和分布式发电利用率不高的缺点。随着直流微网的发展，区域内多个微网的存在使微网之间的互联成为可能，多个微网的区域自治消纳和广域对等互联，可最大程度适应接入的分布式能源的动态特性，提升新能源发电的利用率。直流微网的协调控制是实现微网稳定运行的前提条件，而微网群分散协同的能量管理可实现多微网供需关系的动态平衡。

基于母线电压将系统的运行模式分为三种，分别为光伏降功率稳压模式、储能稳压充电和储能稳压放电模式，设计了单个微网时不同工况下的协调控制策略，但没有考虑多个储能或多个光伏同时存在的情况下功率分配的问题。现有采用了一种连接到直流公共母线的一种多微网拓扑，设计基于微网内部的功率情况进行多微网协调控制的策略，但只适用于两个微网并联的情况，不具有拓展性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种直流微网群功率协调控制方法及系统，实现多微网间的能量协调控制和功率的优化管理，提升分布式发电的利用率和负载供电的可靠性，且无需与其他微网之间进行通信，提升系统的稳定性。

本发明采用以下技术方案：

一种直流微网群功率协调控制方法，设计基于母线电压分层的直流微网内的协调控制策略，确定直流微网内部的功率情况；对直流微网内部的功率情况进行分类，将直流微网的状态划分为功率缺额、自给自足和功率盈余三种状态；设计功率缺额、自给自足和功率盈余状态下直流微网并网变换器并网端口的控制曲线；采样公共母线的电压U_CB，判断公共母线电压U_CB位于控制曲线的区域，根据区域判断并网变换器采用功率环控制或者电压环控制，通过驱动信号控制并网变换器运行，实现直流微网群的协调控制。

具体的，基于母线电压分层的直流微网内的协调控制策略中，根据电压设计储能变换器和光伏变换器的控制曲线，储能变换器控制曲线中，当直流微网的母线电压U_dc在U_up<U_dc<U_max时，储能工作在限流充电模式，充电功率达到最大；当电压U_dc在U_min<U_dc<U_up时，储能工作在下垂模式，根据光伏和负载的功率情况选择自身输出功率，维持母线电压稳定；当电压U_dc<U_min时，储能工作在限流放电模式，放电功率达到最大，U_up为U^*至U_max的某一值，U^*为母线的额定电压，U_max为母线电压的最大值，U_min为母线电压的最小值；

光伏变换器控制曲线中，当直流微网的母线电压U_dc在U_up<U_dc<U_max时，光伏工作在限功率工作模式，根据储能所能吸收的最大功率和负载所消耗的功率判断自身为维持微网功率平衡所需处于的工作状态，维持母线电压的稳定；当电压U_dc<U_up时，光伏工作在最大功率点跟踪模式，输出所能输出的最大功率，光伏的利用率达到最大；

当U_dc>U_min时，负载工作在正常工作模式；当U_dc<U_min时，负载工作在降功率模式。

进一步的，储能变换器的控制曲线为：

其中，U_dc为直流微网的母线电压，P_b为储能的功率，P_{b_min}为储能所能吸收的最大功率，其值为负，P_{b_max}为储能所能放出的最大功率，电压值U_down选取为直流母线的额定电压值，U_min为0.95U_down,U_max为1.05U_down；

光伏变换器的控制曲线为：

其中，U_dc为直流微网的母线电压，P_pv为光伏向外输出的功率，P_{pv_mppt}为光伏在某一光照和温度下的所能输出的最大功率。

进一步的，直流微网的工作模式具体为：

模式一、U_up<U_dc≤U_max：

储能工作在限流充电模式，充电功率达到最大，负载工作在正常工作模式，光伏工作在限功率模式，光伏作为稳压单元维持微网的功率平衡；

模式二、U_down<U_dc≤U_up：

储能工作在稳压充电模式，负载工作在正常工作模式，光伏工作在最大功率点跟踪模式，储能作为稳压单元维持微网的功率平衡；

模式三、U_min<U_dc≤U_down：

储能工作在稳压放电模式，负载工作在正常工作模式，光伏工作在最大功率点跟踪模式，储能作为稳压单元维持微网的功率平衡；

模式四、U_dc≤U_min：

储能工作在限流放电模式，放电功率达到最大，负载工作在降功率运行模式，光伏工作在最大功率点跟踪模式，负载作为稳压单元维持直流微网的功率平衡。

具体的，功率盈余为：

P_{pv_mppt}-P_load+P_{b_min}＞0

自给自足为：

P_{pv_mppt}-P_load+P_{b_min}＜0＜P_{pv_mppt}-P_load+P_{b_max}

功率缺额为：

P_{pv_mppt}-P_load+P_{b_max}＜0

其中，P_{b_min}为储能所能吸收的最大功率；P_{b_max}为储能所能放出的最大功率，P_{pv_mppt}为光伏所能输出的最大功率；P_load为负载所消耗的功率。

进一步的，直流微网在功率缺额态下，可输出功率为：

P_e+P_{b_min}≤P≤0

理想输出功率为：

P_e+P_{b_min}≤P≤P_e+P_{b_max}

直流微网在自给自足状态下输出功率为：

P_e+P_{b_min}≤P≤P_e+P_{b_max}

直流微网在功率盈余状态下，输出功率为：

0≤P≤P_e+P_{b_max}

理想输出功率为：

P_e+P_{b_min}≤P≤P_e+P_{b_max}

其中，P表示微网通过并网端口与公共母线交换的功率，P_e表示微网内部源荷的功率情况，P_{b_max}为储能的最大输出功率，P_{b_min}为储能最大吸收功率。

具体的，当直流微网处于功率缺额的状态时，并网端口的控制曲线设计为：

其中，P_MG为微网通过并网变换器与公共母线交换的功率，U_CB为公共母线的电压；U^*为公共母线的额定电压；U_max为公共母线的最大电压；U_min为公共母线的最小电压，U_up为U^*至U_max间的某一值，U_down为U^*至U_min的某一值，P_min为P_e+P_{b_min}，P_max为P_e+P_{b_max}。

具体的，当直流微网处于自给自足的状态时，并网端口的控制曲线设计为：

其中，P_MG为微网通过并网变换器与公共母线交换的功率，U_CB为公共母线的电压；U^*为公共母线的额定电压；U_max为公共母线的最大电压；U_min为公共母线的最小电压，U_up为U^*至U_max间的某一值，U_down为U^*至U_min的某一值，P_min为P_e+P_{b_min}，P_max为P_e+P_{b_max}。

具体的，当直流微网处于功率盈余的状态时，并网端口的控制曲线设计为：

其中，P_MG为微网通过并网变换器与公共母线交换的功率，U_CB为公共母线的电压；U^*为公共母线的额定电压；U_max为公共母线的最大电压；U_min为公共母线的最小电压，U_up为U^*至U_max间的某一值，U_down为U^*至U_min的某一值，P_min为P_e+P_{b_min}，P_max为P_e+P_{b_ma}。

本发明的另一技术方案是，一种直流微网群功率协调控制系统，包括：

功率模块，设计基于母线电压分层的直流微网内的协调控制策略，确定直流微网内部的功率情况；

分类模块，对直流微网内部的功率情况进行分类，将直流微网的状态划分为功率缺额、自给自足和功率盈余三种状态；

曲线模块，设计功率缺额、自给自足和功率盈余状态下直流微网并网变换器的控制曲线；

控制模块，采样公共母线的电压U_CB，判断公共母线电压U_CB位于控制曲线的区域，根据区域判断并网变换器采用功率环控制或者电压环控制，通过驱动信号控制并网变换器运行，实现直流微网群的协调控制。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种直流微网群功率协调控制方法，先对微网内部的协调策略进行设计，然后对微网内部功率情况进行分类，根据分类结果对微网间协调控制的曲线进行设计，最后采样并网端口的电压和功率使其按照控制曲线运行，整个过程的设计步骤可完整地指导微网群协调控制的设计过程，并且具有通用性。

进一步的，设计了储能变换器和光伏变换器根据母线电压范围的不同选择不同的工作模式，只需采集母线电压的信息而无需变换器间的通信，提高了系统的可靠性。

进一步的，对储能变换器和光伏变换器的控制曲线进行设计，可指导变换器的运行。

进一步的，对四种直流微网的工作模式进行说明，可根据母线电压的不同选择不同的工作模式，在每个工作模式下都有一个稳压单元维持母线电压的稳定，可实现微网内单元的协调控制。该策略适用于微网孤岛运行和多个微网协调运行的情况，在微网运行模式改变时无需改变微网内变换器的控制策略，具有广泛的适用性。

进一步的，对微网的功率情况进行了分类，分为了功率盈余、自给自足和功率缺额三类，不同的功率情况的对外特性需要分别进行分析。

进一步的，对直流微网在三种状态下的输出功率和吸收功率的范围进行了分析，并给出了功率盈余情况下的理想输出功率和功率缺额情况下的理想吸收功率，为下面设计多微网协调控制策略中，实现系统稳定的基础上保证可再生能源利用率最大和负载供电可靠性最高做准备。

进一步的，给出了直流微网处于功率缺额的状态时，并网端口的控制曲线，可仅根据自身微网的功率状态给出控制曲线，降低了控制系统设计的复杂程度，并只需根据公共母线的电压调整运行模式，微网间无需通信。

进一步的，给出了直流微网处于自给自足的状态时，并网端口的控制曲线，可仅根据自身微网的功率状态给出控制曲线，降低了控制系统设计的复杂程度，并只需根据公共母线的电压调整运行模式，微网间无需通信。

进一步的，给出了直流微网处于功率盈余的状态时，并网端口的控制曲线，可仅根据自身微网的功率状态给出控制曲线，降低了控制系统设计的复杂程度，并只需根据公共母线的电压调整运行模式，微网间无需通信。

综上所述，本发明方法无需与其他微网之间进行通信，能够提升系统的稳定性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明中直流微网群结构；

图2为本发明中基于电压分层的微网协调控制策略；

图3为本发明中直流微网运行模式切换图；

图4为本发明中光伏接口变化器的控制框图；

图5为本发明中储能接口变化器的控制框图；

图6为本发明中非重要负载接口变化器的控制框图；

图7为本发明中直流微网群协调控制策略曲线图；

图8为本发明中直流微网并网端口的控制框图；

图9为本发明中一个实例的仿真波形图，(a)为并网端口功率和公共母线电压波形，(b)为直流微网1功率和电压波形，(c)为直流微网2功率和电压波形，(d)为直流微网3功率和电压波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

请参阅图1，直流微网群由多个直流微网并联组成，直流微网包含一条直流母线和并联在直流母线上的光伏端口、储能端口和负载端口；直流微网通过并网端口并联在一根公共直流母线上；直流微网的能量流动通过直流微网内的直流母线实现，直流微网间的能量流动通过公共直流母线的连接实现。

本发明提供了一种直流微网群功率协调控制方法，基于公共直流母线电压分段，包括直流微网内部的协调控制和直流微网间的协调控制；单个直流微网的内部协调控制策略采用基于电压分层的微网控制方法，根据母线电压所在区域的不同分为不同的控制模式，共分为了四个区域，由高到低分别由光伏变换器、储能和负载变换器工作在电压源模式，维持母线电压的稳定，而令其他变换器工作在电流源模式；直流微网间的协调控制由微网内部的功率情况判断其所处状态，分为功率盈余、自给自足和功率缺额三种状态，每种状态可对应设计一种微网并网端口的控制曲线，并控制并网端口按照控制曲线运行，实现直流微网间的功率的协调控制。

请参阅图2，本发明一种直流微网群功率协调控制方法，通过设计直流微网内的协调控制策略，给出直流微网内变换器的控制框图；通过对直流微网的功率情况进行分类，将直流微网的状态划分为功率缺额、自给自足和功率盈余三种状态；通过设计三种状态下的直流微网并网变换器的控制曲线；通过得到驱动信号控制并网变换器的运行，实现直流微网群的协调控制。具体包括以下步骤：

S1、设计基于母线电压分层的直流微网内协调控制策略，确定直流微网内部的功率情况；

请参阅图2，根据电压范围的不同设计变换的控制曲线，储能变换器的控制曲线设计为：

其中，U_dc为直流微网的母线电压，P_b为储能的功率，向外输出功率时其值为正，吸收功率时其值为负，P_{b_min}为储能所能吸收的最大功率，其值为负，P_{b_max}为储能所能放出的最大功率，其值为正，电压值U_down选取为直流母线的额定电压值，根据标准，直流母线电压的允许范围为+10％～-10％，为留有裕量，U_min选取为0.95U_down,U_max选取为1.05U_down，U_up的取值为：

储能的控制曲线表示当电压U_dc在U_up<U_dc<U_max范围时，储能工作在限流重充电模式，充电功率达到最大；当电压U_dc在U_min<U_dc<U_up范围时，储能工作在下垂模式，根据光伏和负载的功率情况来选择自身输出的功率，维持母线电压的稳定；当电压U_dc<U_min时，储能工作在限流放电模式，放电功率达到最大。

光伏变换器的控制曲线设计为：

其中，U_dc为直流微网的母线电压，P_pv为光伏向外输出的功率，P_{pv_mppt}为光伏在某一光照和温度下的所能输出的最大功率。

光伏的控制曲线具体为：

当电压U_dc在U_up<U_dc<U_max时，光伏工作在限功率工作模式，根据储能所能吸收的最大功率和负载所消耗的功率判断自身为维持微网功率平衡所需处于的工作状态，维持母线电压的稳定；当电压U_dc<U_up时，光伏工作在最大功率点跟踪模式，输出所能输出的最大功率，光伏的利用率达到最大。

可控负载的控制模式分为以下两种：

当U_dc>U_min时，负载工作在正常工作模式，需要的功率即为实际吸收的功率；

当U_dc<U_min时，负载工作在降功率模式，降低自身吸收的功率以维持母线电压的稳定，使母线电压不会跌落到U_min以下。

直流微网1参数：

U_max＝780V，U_min＝720V，U_up＝765V，U_down＝750V，P_{b_min}＝-20kW，P_{b_max}＝40kW，P_{pv_mppt}＝20kW，P_load＝85kW。

直流微网2参数：

U_max＝400V，U_min＝360V，U_up＝390V，U_down＝380V，P_{b_min}＝-20kW，P_{b_max}＝40kW，P_{pv_mppt}＝40kW，P_load＝70kW。

直流微网3参数：

U_max＝780V，U_min＝720V，U_up＝765V，U_down＝750V，P_{b_min}＝-40kW，P_{b_max}＝80kW，P_{pv_mppt}＝125kW，P_load＝75kW。

公共母线参数：

U_max＝3060V，U_up＝3030V，U^*＝3000V，U_down＝2970V，U_min＝2940V。

将给定的参数代入式(1)中，直流微网1的储能控制曲线如下：

直流微网2的储能控制曲线如下：

直流微网3的储能控制曲线如下：

将给定的参数代入式(3)中，直流微网1的光伏控制曲线如下：

直流微网2的光伏控制曲线如下：

直流微网3的光伏控制曲线如下：

请参阅图3，直流微网的工作模式分为以下四种：

模式一U_up<U_dc≤U_max：

储能工作在限流充电模式，充电功率达到最大，负载工作在正常工作模式，光伏工作在限功率模式，由光伏作为稳压单元维持微网的功率平衡。

模式二U_down<U_dc≤U_up：

储能工作在稳压充电模式，负载工作在正常工作模式，光伏工作在最大功率点跟踪模式，由储能作为稳压单元维持微网的功率平衡。

模式三U_min<U_dc≤U_down：

储能工作在稳压放电模式，负载工作在正常工作模式，光伏工作在最大功率点跟踪模式，由储能作为稳压单元维持微网的功率平衡。

模式四U_dc≤U_min：

储能工作在限流放电模式，放电功率达到最大，负载工作在降功率运行模式，光伏工作在最大功率点跟踪模式，由于微网内的供电单元无法满足负载的供电要求，由负载主动降低消耗功率维持母线电压的稳定，由可控负载作为稳压单元维持直流微网的功率平衡。

当系统功率充足且没有其他设备可以吸收光伏产生的额外功率时，直流微网工作在模式一；

当光伏发出的功率下降或者负载的功率增加时，分布式发电发出的功率可被直流微网内其他设备全部吸收，直流微网工作在模式二；

当分布式电源发出的功率继续下降或者负载的功率继续上升，以至于需要储能放电时，直流微网工作在模式三；

当储能放出的功率也无法满足负载的功率缺额时，可控负载为维持母线电压降低自身的功率需求，直流微网工作在模式四。

请参阅图5，当储能工作在稳压充放电模式时，储能电流的给定值在限幅值的范围内，放电时电流给定值为正，充电时电流给定值为负，储能采用下垂控制，采样输出电流I_DC，经过下垂系数K与电压给定值U_DC ^*相减，得到实际的电压给定值，再与实际采样到的母线电压值U_DC相减，得到偏差值，经过PI控制器后，再经过限幅模块，最后经过电流环生成PWM控制信号。限幅模块的作用是将储能的充放电功率限制在合适的范围内；

当储能工作在限流充放电模式时，此时储能控制环的限流模块起作用，电流给定为限幅值，电压环失去作用。

其中，电流限幅模块还受到SOC管理模块的控制，为防止储能过充、过放，SOC管理器的作用为：当储能的SOC值过高时，为防止储能过充，将储能的电流下限设置为0，储能只放电不充电；当储能的SOC值过低时，为防止储能过放，将储能电流的上限设置为0，电流给定值为负，此时储能不放电，只充电。

请参阅图4，当光伏工作在最大功率点跟踪(MPPT)工作模式时，MPPT算法采集光伏两端的电压U_pv和电流I_pv，输出最大功率点的光伏电压给定值U_pv ^*，与反馈量U_pv相减后送到PI控制器中，输出电流环的给定值i^* _L，与实际检测到的电流值i_L相减后，经过电流环的PI控制器，生成PWM信号，给到光伏接口变换器的开关管上，使光伏工作在MPPT工作模式；当光伏工作在降功率模式时，光伏接口变换器采用下垂控制策略，采样输出电流I_DC经过下垂系数K与电压给定值U_DC ^*相减，得到实际的电压给定值，再经过电压电流双环得到PWM信号，经过驱动给到变换器的开关管中，系数K用于模拟变换器的输出阻抗，合理分配电压源型控制变换器的输出电流。

请参阅图6，在电压电流双环的基础上加入了电压补偿环节，采样母线电压U_DC与母线电压最小值U_min相减，得到偏差值经过PI控制器，与负载输出电压额定值U^* _o相减，得到负载输出电压的给定值，经过电压电流双环后，再经过PWM生成器生成PWM信号，给到可控负荷变换器的开关管中。

当母线电压值U_DC小于电压下限U_min时，其差值经过PI控制器反馈到负载电压给定值U^* _o上，负载电压的实际给定值变小，负载工作在降功率模式，直到母线电压稳定在U_min处，微网内功率供求关系达到平衡，此时由可控负荷稳定母线电压。而当母线电压在正常范围内时，电压补偿环节无输出，负载工作在额定工作状态。

S2、根据步骤S1确定的直流微网内部的功率情况判断运行状态，将直流微网的状态划分为功率缺额、自给自足和功率盈余三种状态；

考虑直流微网内部的工作状态，单个直流微网内部的功率情况可分为功率盈余、自给自足和功率缺额三种，其划分范围为：

功率盈余：

P_{pv_mppt}-P_load+P_{b_min}＞0 (10)

自给自足：

P_{pv_mppt}-P_load+P_{b_min}＜0＜P_{pv_mppt}-P_load+P_{b_max} (11)

功率缺额：

P_{pv_mppt}-P_load+P_{b_max}＜0 (12)

其中，P_{b_min}为储能所能吸收的最大功率，其值为负；P_{b_max}为储能所能放出的最大功率，其值为正，P_{pv_mppt}为光伏所能输出的最大功率，其值为正；P_load为负载所消耗的功率，其值为正。

功率盈余指的是光伏单元在最大功率点所发出的功率在供负载所消耗后仍大于储能所吸收的最大功率，此时若微网的并网端口不工作，只能通过降低光伏端口输出功率的方法来维持微网的内部功率平衡，对应步骤S1中的运行模式一，这种方法虽然使系统稳定运行，但会降低光伏的利用率，造成能源的浪费，所以将微网接入微网群运行，可以通过并网端口将多余的能量输送出去，既能维持系统的稳定，又可以提升能源的利用率；自给自足指的是储能支撑微网内部的母线电压，根据光伏和负载的功率关系来选择输出或者吸收的功率，对应运行模式二和三，此时可无需通过与外部微网的能量交换来使微网稳定运行；功率缺额指的是光伏工作在最大功率点输出的功率加上储能所能输出的最大功率仍然无法满足负载的需求，此时若微网单独运行，工作在模式四，可控负载降功率运行，但这样会影响用户的用电体验，当微网接入微网群时，通过并网端口从其他微网吸收缺额功率来维持系统的稳定。

这三种情况下，直流微网在保证自身稳定运行的前提下，通过并网端口与公共母线进行能量交换的范围为：

直流微网功率盈余时可输出功率的范围为：

0≤P≤P_e+P_{b_max} (13)

直流微网功率盈余时理想输出功率的范围为：

P_e+P_{b_min}≤P≤P_e+P_{b_max} (14)

直流微网自给自足时可输出功率的范围为：

P_e+P_{b_min}≤P≤P_e+P_{b_max} (15)

直流微网功率缺额时可输出功率的范围为：

P_e+P_{b_min}≤P≤0 (16)

直流微网功率缺额时理想输出功率的范围为：

P_e+P_{b_min}≤P≤P_e+P_{b_max} (17)

其中，P表示微网通过并网端口与公共母线交换的功率，P>0时，微网通过并网端口向外输送功率；P<0时，微网通过并网端口吸收功率，P_e＝P_{pv_mppt}-P_load，表示微网内部源荷的功率情况，P_{b_max}(P_{b_max}>0)为储能的最大输出功率，P_{b_min}(P_{b_min}<0)为储能最大吸收功率。

对于直流微网与公共母线交换功率：

当直流微网内部状态为功率盈余时，可向外输送功率，可输送的最大功率为光伏输出的最大功率减去负载消耗的功率后所剩余的功率，加上储能所能发出的最大功率，即P_e+P_{b_max}，而理想的输出功率下限是光伏的最大输出功率减去负载消耗的功率减去储能所能吸收的最大功率后，多出来的功率，即P_e+P_{b_min}。

当通过并网端口向公共母线输出的功率大于这个下限的时候，保证光伏工作在最大功率点，不会造成能源的浪费，所以理想的输出功率的范围是P_e+P_{b_min}～P_e+P_{b_max}，其中P_e+P_{b_max}>P_e+P_{b_min}>0。

当直流微网内部状态是自给自足时，直流微网由储能维持内部母线电压的稳定，储能的功率余量可用来与外部进行能量交换，此时能量路由器既可吸收功率又可以发出功率，范围为P_e+P_{b_min}～P_e+P_{b_max}，其中P_e+P_{b_min}<0<P_e+P_{b_max}。

当直流微网内部状态是功率缺额时，需从外部吸收功率，可吸收功率的最大值为P_e+P_{b_min}，而理想的吸收功率的上限P_e+P_{b_max},此时吸收的功率刚好可以满足微网负载的全部需求，其中P_e+P_{b_min}<P_e+P_{b_max}<0。

根据给定的条件，判断直流微网1处于功率缺额状态，直流微网2处于自给自足状态，直流微网3处于功率盈余状态。

S3、根据步骤S2得到的直流微网的运行状态设计微网并网端口控制曲线，实现微网群间的协调控制；

请参阅图7，当直流微网处于功率缺额的状态时，并网端口的控制曲线设计为：

当直流微网处于自给自足的状态时，并网端口的控制曲线设计为：

当直流微网处于功率盈余的状态时，并网端口的控制曲线设计为：

其中，P_MG为微网通过并网变换器与公共母线交换的功率，其值为正时，表示微网向公共母线输送功率；其值为负时，表示微网从公共母线吸收功率，U_CB为公共母线的电压；U^*为公共母线的额定电压；U_max为公共母线的最大电压，设定为U^*的1.02倍；U_min为公共母线的最小电压，设定为U^*的0.98倍；U_up设定为1.01U^*；U_down设定为0.99U^*；另外：

P_minn＝P_{pv_mppt}-P_load+P_{b_min} (21)

P_maxn＝P_{pv_mppt}-P_load+P_{b_max} (22)

其中，n表示微网不同的功率状态。当n为1时，微网时功率缺额的状态，P_min1和P_max1值为负；当n为2时，微网时自给自足的状态，P_min2值为负，P_max2值为正；当n为3时，微网时功率盈余的状态，P_min3和P_max3值为正。

以三个微网分别为功率盈余、自给自足和功率缺额的状态来解释微网群的协调运行模式，设定直流微网1为功率缺额的状态，直流微网2为自给自足的状态，直流微网3为功率盈余的状态。

当公共母线电压U_CB处于U_up≤U_CB<U_max范围时，位于区域四，直流微网1和直流微网2的并网端口采用定功率控制，给定功率分别为P_min1和P_min2，直流微网3并网端口采用下垂控制，由直流微网3稳定母线电压；

当直流微网1中的盈余功率减少或直流微网2和直流微网3吸收的最大功率变大时，公共母线电压下降，进入区域三，电压范围为U^*≤U_CB<U_up，直流微网3并网端口采用定功率控制，给定功率P_min3，直流微网1和直流微网2采用下垂控制分配吸收功率；

当直流微网1中的盈余功率进一步减少或直流微网2和直流微网3可吸收的最大功率继续变大时，进入区域二，电压范围为U_down≤U_CB<U^*，直流微网1并网端口采用定功率控制，给定功率P_max1，直流微网2和直流微网3采用下垂控制分配输出功率；

当公共母线电压继续下降时，进入区域一，电压范围为U_min≤U_CB<U_down，此时直流微网2和直流微网3达到输出的最大功率，并网端口采用定功率控制，给定功率分别为P_max2和P_max3，直流微网1并网端口采用下垂控制稳定公共母线电压。

当微网并网端口采用定功率控制时，其对于公共母线可视为电流源，采用下垂控制时，对于公共母线来讲，并网端口可视为电压源，用于稳定公共直流母线的电压。

其中，当三个微网功率状态相同时，并网变换器不工作，无需进行微网间的协调控制。

根据给定条件，微网1的控制曲线设计为：

微网2的控制曲线设计为：

微网3的控制曲线设计为：

S4、给出并网变换器的控制框图，采样公共母线的电压U_CB，判断公共母线电压U_CB位于步骤S3设计的控制曲线的哪个区域，根据区域判断并网变换器采用功率环控制或者电压环控制，控制信号经过PWM生成器后得到PWM信号，经过驱动后给到并网变换器的开关管中。

请参阅图8，微网1并网变换器的控制中，采样公共母线的电压U_CB，经过式(23)所给出的控制曲线，经过功率环或电压环后得到PWM信号，经过驱动后给到微网1并网变换器的开关管中；微网2采样得到的公共母线电压U_CB经过式(24)所给出的控制曲线，经过功率环或电压环后控制微网2的并网变换器；微网3采样得到的公共母线电压U_CB经过式(25)所给出的控制曲线，经过功率环或电压环后控制微网3的并网变换器。

本发明再一个实施例中，提供一种直流微网群功率协调控制系统，该系统能够用于实现上述直流微网群功率协调控制方法，具体的，该直流微网群功率协调控制系统包括功率模块、分类模块、曲线模块以及控制模块。

其中，功率模块，设计基于母线电压分层的直流微网内的协调控制策略，确定直流微网内部的功率情况；

分类模块，对直流微网内部的功率情况进行分类，将直流微网的状态划分为功率缺额、自给自足和功率盈余三种状态；

曲线模块，设计功率缺额、自给自足和功率盈余状态下直流微网并网变换器的控制曲线；

控制模块，采样公共母线的电压U_CB，判断公共母线电压U_CB位于控制曲线的区域，根据区域判断并网变换器采用功率环控制或者电压环控制，通过驱动信号控制并网变换器运行，实现直流微网群的协调控制。

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于直流微网群功率协调控制方法的操作，包括：

设计基于母线电压分层的直流微网内的协调控制策略，确定直流微网内部的功率情况；对直流微网内部的功率情况进行分类，将直流微网的状态划分为功率缺额、自给自足和功率盈余三种状态；设计功率缺额、自给自足和功率盈余状态下直流微网并网变换器的控制曲线；采样公共母线的电压U_CB，判断公共母线电压U_CB位于控制曲线的区域，根据区域判断并网变换器采用功率环控制或者电压环控制，通过驱动信号控制并网变换器运行，实现直流微网群的协调控制。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关直流微网群功率协调控制方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：

设计基于母线电压分层的直流微网内的协调控制策略，确定直流微网内部的功率情况；对直流微网内部的功率情况进行分类，将直流微网的状态划分为功率缺额、自给自足和功率盈余三种状态；设计功率缺额、自给自足和功率盈余状态下直流微网并网变换器的控制曲线；采样公共母线的电压U_CB，判断公共母线电压U_CB位于控制曲线的区域，根据区域判断并网变换器采用功率环控制或者电压环控制，通过驱动信号控制并网变换器运行，实现直流微网群的协调控制。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

仿真实验

请参阅图9，给出了给定条件下的仿真结果，0.5s时并网端口投入运行，系统由微网独立运行变为微网群协控运行，主要体现在并网端口的控制策略上，利用并网端口进行微网群间的能量交换，给定条件对应图7中的区域2。

如图9(a)所示，微网1从公共母线吸收缺额功率25kW，并网变换器2和并网变换器3采用下垂控制分配各自的功率，分别输出功率1kW和24kW，并网后公共直流母线电压下降到2997V。

图9(b)表示微网1的功率情况，0.5s之前微网独立运行，可控负载功率需求较大，光伏工作在最功率点，输出功率20kW，储能的输出功率达到最大40kW，负载降功率运行，消耗功率调整为50kW，微网母线电压稳定在720V；0.5s之后并网端口投入运行，微网从公共母线吸收功率25kW,负载的缺额功率得到补偿，工作在正常工作模式，消耗功率回到75kW,微网母线电压稳定不变。

图9(c)表示微网2的功率情况，0.5s之前微网独立运行，微网内储能稳压放电，功率为30kW，母线电压在366.8V附近波动，光伏工作在最大功率点，输出功率40kW；0.5s之后并网端口2投入运行，微网向公共母线输出功率1kW，储能的输出功率增大，变为31kW，母线电压下降至366.5V。

图9(d)表示微网3的功率情况，0.5s之前微网独立运行，光伏工作在最大功率点时的功率较大，负载正常运行，储能吸收的功率达到最大-40kW，为维持母线电压，光伏降功率运行，输出功率调整为115kW，微网母线电压稳定在765.5V；0.5s之后并网端口投入运行，微网向公共母线输出功率24W，光伏的盈余功率被消耗，工作在最大功率点，储能吸收的功率变为26kW，微网母线电压变为759V。

综上所述，本发明一种直流微网群功率协调控制方法及系统，适用于微网孤岛运行和多个微网协调运行的情况，在微网运行模式改变时无需改变微网内变换器的控制策略，具有广泛的适用性；所提出的协调控制策略可以很好地进行多微网之间的能量协调控制，通过与其他微网的能量互济，可提升分布式能源的利用率并保证负载的稳定可靠运行；所设计的微网间的控制策略，无需与其他微网进行通信，在某个微网工作异常退出运行时，其他微网无需进行控制策略的切换，并网端口可自行调整，提升了系统的可靠性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流微网群功率协调控制方法，其特征在于，设计基于母线电压分层的直流微网内的协调控制策略，确定直流微网内部的功率情况；对直流微网内部的功率情况进行分类，将直流微网的状态划分为功率缺额、自给自足和功率盈余三种状态；设计功率缺额、自给自足和功率盈余状态下直流微网并网变换器并网端口的控制曲线；采样公共母线的电压U_CB，判断公共母线电压U_CB位于控制曲线的区域，根据区域判断并网变换器采用功率环控制或者电压环控制，通过驱动信号控制并网变换器运行，实现直流微网群的协调控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于母线电压分层的直流微网内的协调控制策略中，根据电压设计储能变换器和光伏变换器的控制曲线，储能变换器控制曲线中，当直流微网的母线电压U_dc在U_up<U_dc<U_max时，储能工作在限流充电模式，充电功率达到最大；当电压U_dc在U_min<U_dc<U_up时，储能工作在下垂模式，根据光伏和负载的功率情况选择自身输出功率，维持母线电压稳定；当电压U_dc<U_min时，储能工作在限流放电模式，放电功率达到最大，U_up为U^*至U_max的某一值，U^*为母线的额定电压，U_max为母线电压的最大值，U_min为母线电压的最小值；

光伏变换器控制曲线中，当直流微网的母线电压U_dc在U_up<U_dc<U_max时，光伏工作在限功率工作模式，根据储能所能吸收的最大功率和负载所消耗的功率判断自身为维持微网功率平衡所需处于的工作状态，维持母线电压的稳定；当电压U_dc<U_up时，光伏工作在最大功率点跟踪模式，输出所能输出的最大功率，光伏的利用率达到最大；

当U_dc>U_min时，负载工作在正常工作模式；当U_dc<U_min时，负载工作在降功率模式。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，储能变换器的控制曲线为：

其中，U_dc为直流微网的母线电压，P_b为储能的功率，P_{b_min}为储能所能吸收的最大功率，其值为负，P_{b_max}为储能所能放出的最大功率，电压值U_down选取为直流母线的额定电压值，U_min为0.95U_down,U_max为1.05U_down；

光伏变换器的控制曲线为：

其中，U_dc为直流微网的母线电压，P_pv为光伏向外输出的功率，P_{pv_mppt}为光伏在某一光照和温度下的所能输出的最大功率。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，直流微网的工作模式具体为：

模式一、U_up<U_dc≤U_max：

储能工作在限流充电模式，充电功率达到最大，负载工作在正常工作模式，光伏工作在限功率模式，光伏作为稳压单元维持微网的功率平衡；

模式二、U_down<U_dc≤U_up：

储能工作在稳压充电模式，负载工作在正常工作模式，光伏工作在最大功率点跟踪模式，储能作为稳压单元维持微网的功率平衡；

模式三、U_min<U_dc≤U_down：

储能工作在稳压放电模式，负载工作在正常工作模式，光伏工作在最大功率点跟踪模式，储能作为稳压单元维持微网的功率平衡；

模式四、U_dc≤U_min：

储能工作在限流放电模式，放电功率达到最大，负载工作在降功率运行模式，光伏工作在最大功率点跟踪模式，负载作为稳压单元维持直流微网的功率平衡。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，功率盈余为：

P_{pv_mppt}-P_load+P_{b_min}＞0

自给自足为：

P_{pv_mppt}-P_load+P_{b_min}＜0＜P_{pv_mppt}-P_load+P_{b_max}

功率缺额为：

P_{pv_mppt}-P_load+P_{b_max}＜0

其中，P_{b_min}为储能所能吸收的最大功率；P_{b_max}为储能所能放出的最大功率，P_{pv_mppt}为光伏所能输出的最大功率；P_load为负载所消耗的功率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，直流微网在功率缺额态下，可输出功率为：

P_e+P_{b_min}≤P≤0

理想输出功率为：

P_e+P_{b_min}≤P≤P_e+P_{b_max}

直流微网在自给自足状态下输出功率为：

P_e+P_{b_min}≤P≤P_e+P_{b_max}

直流微网在功率盈余状态下，输出功率为：

0≤P≤P_e+P_{b_max}

理想输出功率为：

P_e+P_{b_min}≤P≤P_e+P_{b_max}

其中，P表示微网通过并网端口与公共母线交换的功率，P_e表示微网内部源荷的功率情况，P_{b_max}为储能的最大输出功率，P_{b_min}为储能最大吸收功率。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当直流微网处于功率缺额的状态时，并网端口的控制曲线设计为：

其中，P_MG为微网通过并网变换器与公共母线交换的功率，U_CB为公共母线的电压；U^*为公共母线的额定电压；U_max为公共母线的最大电压；U_min为公共母线的最小电压，U_up为U^*至U_max间的某一值，U_down为U^*至U_min的某一值，P_min为P_e+P_{b_min}，P_max为P_e+P_{b_max}。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当直流微网处于自给自足的状态时，并网端口的控制曲线设计为：

其中，P_MG为微网通过并网变换器与公共母线交换的功率，U_CB为公共母线的电压；U^*为公共母线的额定电压；U_max为公共母线的最大电压；U_min为公共母线的最小电压，U_up为U^*至U_max间的某一值，U_down为U^*至U_min的某一值，P_min为P_e+P_{b_min}，P_max为P_e+P_{b_max}。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当直流微网处于功率盈余的状态时，并网端口的控制曲线设计为：

其中，P_MG为微网通过并网变换器与公共母线交换的功率，U_CB为公共母线的电压；U^*为公共母线的额定电压；U_max为公共母线的最大电压；U_min为公共母线的最小电压，U_up为U^*至U_max间的某一值，U_down为U^*至U_min的某一值，P_min为P_e+P_{b_min}，P_max为P_e+P_{b_ma}。

10.一种直流微网群功率协调控制系统，其特征在于，包括：

功率模块，设计基于母线电压分层的直流微网内的协调控制策略，确定直流微网内部的功率情况；

分类模块，对直流微网内部的功率情况进行分类，将直流微网的状态划分为功率缺额、自给自足和功率盈余三种状态；

曲线模块，设计功率缺额、自给自足和功率盈余状态下直流微网并网变换器的控制曲线；

控制模块，采样公共母线的电压U_CB，判断公共母线电压U_CB位于控制曲线的区域，根据区域判断并网变换器采用功率环控制或者电压环控制，通过驱动信号控制并网变换器运行，实现直流微网群的协调控制。

Images