CN114977213A - 一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法 - Google Patents

一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法 Download PDF

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Abstract

一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法，包括以下步骤：搭建风力发电系统模型，使其通过PWM整流器接入直流微电网；控制PWM整流器网侧输入电压的开关状态，将PWM整流器的三个桥臂输入电压矢量分为多种开关状态；通过直接功率控制策略，控制PWM整流器的瞬时有功功率、无功功率；采用低通滤波器对超级电容和蓄电池所承担的功率进行分配，计算蓄电池与超级电容各自的SOC与端电压，设计储能装置的分区限值管理策略；通过对系统中风机所发功率与负荷所需功率进行对比，确定双向DC/DC变换器的控制方式。本发明方法能够避免复杂的参数设定以及大量计算，控制灵活的同时考虑到了储能装置的使用寿命，提高了运行的经济性。

Description

一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法
技术领域
本发明涉及微电网控制技术领域，具体涉及一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法。
背景技术
当前清洁能源在现代电力系统中的比重不断提高，世界各国都更加关注新能源的发展，然而，风能和太阳能等新能源都具有间歇性和随机性等特点，导致其发电时的输出功率存在不连续和不稳定等缺陷，若不采取适当的控制策略而直接将其并入电网，将会对电网的安全可靠运行带来极大的影响。
低碳能源的迫切需求推动了微电网的发展，微电网是一种将分布式电源、储能装置、可控负荷等单元结合在一起的新型电网形式，存在交直流灵活供电模式并且可运行在孤岛和并网两种状态。与交流微电网相比，直流微电网具有高效接纳风电、光伏等分布式发电单元、负荷与储能单元、控制方法简单，不存在交流微网中的无功功率流动以及组网灵活等优点而获得了进一步发展，得到了国内外专家的广泛关注。
由于直流微电网中没有无功功率的流动，并且不需要考虑交流系统中频率、相位等复杂的控制，因此直流母线电压成为衡量直流微电网稳定运行的重要指标，由于可再生能源发电的间断性及负荷波动的不可预测性，需要将储能装置整合到直流微电网中，以维持正常电压水平下系统的功率平衡，而作为直流微电网的重要组成部分，储能系统在平抑系统功率波动、稳定直流母线电压方面有着非常重要作用：储能装置可以通过储存、释放能量的方式为电力系统提供能量支撑与功率补偿，另外，储能技术的发展将有效解决分布式发电单元与负荷需求之间的供需矛盾，提高整个微电网的供电稳定性。
然而，单一的储能装置很难同时满足高能量密度、高功率密度和使用寿命长等特点，这就需要将两种或者两种以上不同的储能元件组合成混合储能系统，在合适的控制策略下发挥出每种储能装置的优势，实现优势互补，对微电网的功率波动起到抑制作用。
在各种储能介质中，蓄电池储能(Battery Energy Storage System,BESS)具有能量密度大、容量高、工艺成熟等优点；而超级电容(Supercapacitors,SC)具有功率密度高，响应速度快的特点，能迅速对功率突变进行响应，且能频繁地进行充放电动作，在稳定电压和功率平衡方面有良好的发展前景，适用于具有可再生能源发电和负荷功率频繁波动的微电网场合，可以看出，蓄电池与超级电容优缺互补，蓄电池和超级电容结合而成的混合储能系统运用于微电网中，可以充分发挥两者的优势，充分满足微电网日益增长的功率和能量需求。
发明内容
本发明提出一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法，使用低通滤波器对超级电容和蓄电池所承担的功率进行分配，以充分利用两种不同类型储能装置的优势；另外，通过双向DC/DC变换器控制储能装置与直流母线侧能量的双向流动，有利于维持电力系统的稳定运行。相较于传统方法，本发明方法能够避免复杂的参数设定以及大量计算，控制灵活的同时考虑到了储能装置的使用寿命，提高了运行的经济性。
本发明采取的技术方案为：
一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法，包括以下步骤：
步骤1：搭建风力发电系统模型，使其通过PWM整流器接入直流微电网；
步骤2：结合PWM整流器的特点，控制PWM整流器网侧输入电压的开关状态，将PWM整流器的三个桥臂输入电压矢量分为多种开关状态；
步骤3：通过直接功率控制策略，控制PWM整流器的瞬时有功功率、无功功率；从而进一步控制瞬时电流、减小电流谐波畸变率和电流与电压的相位差；
步骤4：综合考虑功率型储能与能量型储能各自的特点，采用低通滤波器对超级电容和蓄电池所承担的功率进行分配，另外，为了兼顾储能装置的使用寿命，防止储能装置处于过充过放状态，通过计算蓄电池与超级电容各自的SOC与端电压，设计储能装置的分区限值管理策略；
步骤5：当直流微电网内风力发电系统输出功率小于负荷所需功率时，双向DC/DC变换器运行在Boost工作模式，此时储能装置放电，以弥补风力发电系统中的功率缺额；
当直流微电网内风力发电系统输出功率大于负荷所需功率时、双向DC/DC变换器运行在Buck工作模式，此时将风力发电系统中盈余的功率提供给储能装置进行充电。
所述步骤1中，考虑到直驱式永磁同步发电机(Permanent Magnet SynchronousGenerator,PMSG)具有功率密度大、体积小、重量轻等优点，因此本发明采用的风力发电机是PMSG。含储能与风力发电单元的直流微网结构如图1所示。其主要控制任务是精确控制PMSG的输出转矩和功率，而实现这一精确控制目标离不开机侧PWM变流器。由于机侧PWM变流器的结构具有三组桥臂，对三组桥臂均加上频率和幅值相等、相位互差120°的正弦波作为调制信号，每一个桥臂都有导通和关断两种开关状态，即某个桥臂处于导通状态则代表该桥臂的上桥臂导通、下桥臂关断，某个桥臂处于关断状态则反之，采用开关函数Sj(j＝a,b,c)来描述桥臂的通断状态，即：
Figure BDA0003640951270000031
风力发电机等效模型的定子电压和电磁转矩方程分别如式(2)和式(3)所示：
Figure BDA0003640951270000032
Figure BDA0003640951270000033
式中：ud、id、Ld分别代表定子电压直轴分量、定子电流直轴分量和定子绕组直轴电感；
uq、iq和Lq分别表示定子电压交轴分量、定子电流交轴分量和定子绕组交轴电感；
Rs和ψf分别为定子电阻和转子永磁体磁链；
ωe为发电机转子角频率；Te为电磁转矩；pn为极对数。
所述步骤2中，PWM整流器网侧的输入电压ur可通过功率开关器件的导通与关断状态进行控制，考虑到通常情况下电源电压u恒定，则通过控制PWM整流器输入电压ur的幅值和相位便可控制交流侧电流i的幅值和相位，从而可在最大程度上降低电流的谐波畸变率并减小电流与电压的相位差以提高功率因数。
当PWM整流器处于正常工作状态时，每一个桥臂的上、下桥臂一个处于导通状态、另一个处于关断状态；例如SaSbSc＝001代表开关管S4、S6、S5导通，其余三个开关管关断，则三个桥臂共有8种开关组合工作状态，其中，000和111分别表示三个桥臂的所有下桥臂导通和所有上桥臂导通，这两种开关状态下整流器交流侧电压矢量的幅值为零，称为“零矢量”。
PWM整流器的三个桥臂输入电压矢量ur共有8种开关状态，即：V0(000)、V1(100)、V2(110)、V3(010)、V4(011)、V5(001)、V6(101)、V7(111)，输入电压有如下形式：
Figure BDA0003640951270000034
式中，Udc为直流母线电压，j表示选择的桥臂，Su、Sv、Sw分别表示三相整流电路的桥臂开关状态。
可以看出，PWM整流器的输入电压是以2/3Udc为半径旋转的矢量圆，通过三相/两相坐标变换，可以将电压矢量分解为两相静止坐标系下的矢量uα和uβ，从而判断出电压矢量所属的扇区，根据电压矢量图画出扇区，如图2所示。
所述步骤3中，关于模型预测方面的控制策略主要有矢量控制、直接转矩控制和直接功率控制等。考虑到单一的矢量控制运算量比较大和控制系统比较复杂等缺陷，然而直接转矩控制具有开关频率不恒定、磁链和电流波动大等不足之处，本发明采用直接功率控制。
直接功率控制策略是指在交流电压稳定的前提下，通过控制PWM整流器的瞬时有功和无功功率，以达到控制瞬时电流的目的；减小电流谐波畸变率和电流与电压的相位差，具有控制算法简单、更快地系统响应速度和更低的谐波畸变率等优点。本发明采用基于空间电压矢量的MPDPC策略，模型预测控制框图如图3所示。采用电压外环、功率内环的控制结构，可降低电流谐波畸变率，提高系统运行性能。
PWM整流器的数学模型为：
Figure BDA0003640951270000041
式中，u为发电机侧电压矢量、i为发电机侧电流矢量，ur为整流器网侧电压矢量；R、L分别为滤波电路的电阻和电抗。
模型预测算法如下：
由于u＝|u|ejωt，故电网电压的变化率表示为：
Figure BDA0003640951270000042
式中，ω表示系统的角频率、ejωt是电源电压u通过欧拉式表达的相量形式、j的含义同上
根据瞬时功率理论，计算出复功率S如式(7)所示：
S＝p+jq＝1.5(i*u) (7)
其中，i*代表相量i的共轭，p、q分别表示复功率S的实部和虚部，即有功功率和无功功率。
结合式(5)、式(6)和式(7),对复功率S的变化量进行分解，可得到复功率S的变化量为：
Figure BDA0003640951270000043
其中，ur *是整流侧输入电压ur的共轭；
将复功率S的实部和虚部分解可得：
Figure BDA0003640951270000051
式中，Re(ur *u)、Im(ur *u)分别表示ur *与电源电压u相量乘积的实部、虚部。
其中，式(9)为计算有功和无功功率偏差提供了依据，从而可计算出下一控制周期有功和无功功率的预测值，如式(10)和式(11)所示:
Figure BDA0003640951270000052
Figure BDA0003640951270000053
式中，tsp表示控制周期。
pk+1与qk+1分别表示k+1时刻的有功功率与无功功率；pk与qk分别表示k时刻的有功功率与无功功率；uk、
Figure BDA0003640951270000054
分别表示k时刻的电源电压和整流侧输入电压。
Figure BDA0003640951270000055
表示k时刻整流侧输入电压的共轭复数；
Figure BDA0003640951270000056
与
Figure BDA0003640951270000057
分别表示k时刻整流侧输入电压的共轭复数与电源电压乘积的实部和虚部；
MPDPC通过通过直接控制功率，选择出最适合的电压矢量，使得计算出的功率尽可能接近功率给定值，从而达到代价函数g最小的目标。
Figure BDA0003640951270000058
式中，Pref、Qref分别表示给定的有功和无功功率。
通过控制无功功率给定值Qref为零，以达到系统运行于单位功率因数的效果。控制目的是使有功和无功功率尽可能接近其功率给定值，使得复功率波动最小。
所述步骤4中，由于风力发电存在波动性和间歇性等问题，会严重影响微电网中的功率平衡与母线电压稳定。同时考虑到功率型储能与能量型储能各自的特点，可利用混合储能存储或释放电能的方式平抑微电网中的功率波动、稳定直流母线电压。储能系统主要是由混合储能装置和双向DC/DC变换器组成，通过双向DC/DC变换器可控制储能侧与直流母线侧能量的双向流动。有效地解决分布式能源发电与负荷需求之间的供需矛盾，进一步提高微电网的稳定性。
蓄电池与超级电容各自的数学模型分别如图4和图5所示。
蓄电池端电压Ubat与荷电状态(State of Charge,SOC)的表达式为：
Ubat＝E-Rbibat (13)
式中，E是电压源，Rb是恒定内阻，Ubat是蓄电池端电压，ibat表示蓄电池的电流；
Figure BDA0003640951270000061
式中，Erest、Erated分别表示蓄电池的额定容量和剩余容量。
超级电容具有功率密度大、循环使用寿命长和维护方便等特点，因此在功率波动方面有着重要作用，在实际工程中超级电容主要采用如图5所示的经典RC串联模型。
超级电容经典RC模型等效电路的电路方程为：
Figure BDA0003640951270000062
式中，C与Rs分别表示超级电容经典模型中的理想电容和等效串联内阻，isc为超级电容器工作电流；usc为超级电容的端电压。
超级电容的SOC数学表达式为：
Figure BDA0003640951270000063
式中，QN为超级电容总电荷存储量；Qt为超级电容在t时刻存储的电荷量；
umax、umin分别为超级电容的最大、最小工作电压；u0为超级电容的初始电压值。
所述步骤4中，蓄电池与超级电容所承担的功率分配，通过低通滤波器来实现，根据蓄电池与超级电容各自的特性，由蓄电池承担功率变化低频的部分，超级电容承担高频功率波动，低通滤波器的传递函数为：
Figure BDA0003640951270000064
式中，T为滤波器时间常数；s为微分算子；
将s＝jω代入式(17)，得到低通滤波器的传递函数和幅频特性函数分别如式(18)和式(19)所示：
Figure BDA0003640951270000071
Figure BDA0003640951270000072
低通滤波器的幅频特性如图6所示，低通滤波器对高频信号的通过有很强的抑制作用，低频信号更容易通过，其中，ωc＝1/T是低通滤波器的截止频率。当滤波时间常数T越大，截止频率越低，即允许通过该滤波器信号频率越低，更多信号能通过低通滤波器，得到的信号越平滑；根据直流微电网中各单元功率关系与低通滤波器的原理，可得系统运行状态下混合储能装置所承担的功率为：
Phess＝Pbat+Psc＝Pload-Pwt(20)
其中，Phess表示混合储能装置承担的功率，Pbat表示蓄电池所承担的功率，Psc表示超级电容承担的功率，Pload表示负荷所需功率，Pwt表示风机所发功率；
将混合储能装置承担的功率Phess经过低通滤波器后得到平滑的部分，作为蓄电池承担的参考功率:
Figure BDA0003640951270000073
式(21)中，滤波时间常数T可根据蓄电池需要平抑功率波动的频带确定，混合储能装置承担功率Phess中的剩余波动部分由超级电容承担：
Figure BDA0003640951270000074
储能装置的分区限值管理策略即为:
当蓄电池的SOC或超级电容的端电压Usc低于其最小限值SOCmin或Usc_min时，禁止蓄电池或超级电容放电，只允许蓄电池或超级电容充电；当蓄电池的SOC或超级电容的端电压Usc高于其最大限值SOCmax或Usc_max时，禁止储能装置充电，只允许储能装置放电。以防止过度充放电对储能装置造成损坏，影响其循环使用寿命。
考虑到深度充放电对储能装置的循环使用寿命有很大的影响，超级电容和蓄电池的控制都要遵循前述的储能装置分区限值管理策略，通过储能装置的充电和放电来平抑系统中的功率波动，在超级电容的端电压达到其限充或限放状态时，由蓄电池承担储能装置的所有功率任务，在蓄电池的SOC达到限充或限放状态时，由超级电容承担储能装置的所有功率任务。
所述步骤5中，当双向DC/DC变换器工作在降压(Buck)模式时，直流母线侧的能量流向储能侧，工作于升压(Boost)模式时则相反，其拓扑结构图和控制框图分别如图7和图8所示。
为了实现双向流动储能侧与直流母线侧的功率，首先将储能实际工作电流i与参考电流iref的误差送入PI控制器，再通过对PI控制器的输出进行限幅以保护开关管，当直流母线侧有功率盈余时，即风力发电系统输出功率Pwt大于负载需求功率Pload时，通过储能存储电能的方式平抑系统中的功率波动，双向DC/DC变换器采用Buck模式进行工作，此时T1管导通，T2管处于关断状态，通过对T1管的占空比进行控制使得直流母线侧的能量流向储能侧，达到系统给储能充电的目的。
Buck模式下的储能装置的端电压为：
Figure BDA0003640951270000081
式中，U0和Udc分别为储能的端电压和直流母线侧电压；ton和toff分别为T1管处于导通和关断状态的时间。
当微电网中出现功率缺额时，即风力发电系统输出功率Pwt小于负载需求功率Pload时，此时需通过储能释放电能的方式为系统提供功率补偿，双向DC/DC变换器采用Boost模式进行工作；此时T2管导通，T1管处于关断状态，通过对T2管的占空比进行控制，使得储能侧的能量流向直流母线侧，达到储能放电给系统提供功率补偿的目的。
Boost模式下直流母线电压为：
Figure BDA0003640951270000082
本发明一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法，技术效果如下：
1)本发明控制方法步骤1中，直驱式永磁同步发电机的优势在于：功率密度大、体积小、重量轻等优点，风力发电由于具有技术成熟、大规模开发等优势条件，因此其在分布式能源的开发中备受关注。
2)本发明控制方法步骤2中，通过矢量控制与模型预测直接功率控制，可有效降低系统中的功率误差，控制网侧电流为正弦波且与电压同相位，可使系统运行于单位功率因数状态，可有效降低由于电力电子器件的不规律开合所导致的谐波污染并提高直流微电网的电能质量。
3)本发明控制方法步骤3中，直接功率控制是指在交流电压稳定的前提下，通过控制PWM整流器的瞬时有功和无功功率以达到控制瞬时电流的目的，减小电流谐波畸变率和电流与电压的相位差，具有控制算法简单、更快地系统响应速度和更低的谐波畸变率等优点。
4)本发明控制方法步骤4中，综合考虑功率型储能与能量型储能各自的特点，采用低通滤波器对超级电容和蓄电池所承担的功率进行分配，另外，为了兼顾储能装置的使用寿命，防止储能装置处于过充过放状态，通过计算超级电容与蓄电池各自承担的功率与端电压，设计储能装置的分区限值管理策略；
5)本发明控制方法步骤5中，使用双向DC/DC变换器的Boost和Buck两种工作模式实现储能侧与直流母线侧能量的双向流动，当直流母线侧有功率盈余时，双向DC/DC变换器工作在Buck模式，给储能装置充电，当直流母线侧出现功率缺额时，双向DC/DC变换器工作在Boost模式，储能装置放电以补充系统中的功率缺额。
6)本发明结合超级电容和蓄电池二者的优势，引入源荷功率差信息，通过低通滤波器将功率变化低频的部分交给蓄电池承担，可减少其循环使用次数，优化其充放电过程，由于超级电容具有功率密度大、响应速度快的优点，可将功率变化高频的部分交给超级电容器承担，此外，通过双向DC/DC变换器来确定储能装置的工作方式，以防止储能装置处于频繁的充放电状态，延长储能设备的使用寿命，提高系统运行经济性。
7)本发明方法能够避免复杂的参数设定以及大量计算，控制灵活的同时考虑到了储能装置的使用寿命，提高了运行的经济性。
附图说明
图1为含风电与储能单元的直流微网结构图。
图2为电压矢量扇区划分图。
图3为模型预测控制框图。
图4为蓄电池的数学模型示意图。
图5为超级电容的数学模型示意图。
图6为低通滤波器的幅频特性图。
图7为双向DC/DC变换器拓扑结构图
图8为双向DC/DC变换器控制框图。
具体实施方式
针对在含风力发电的直流微网中存在功率脉动大、直流母线电压波动剧烈、输入电流谐波大以及功率因数低等问题，本发明提出一种含风电接入的直流微电网协调控制方法，以直驱式永磁同步发电机为研究对象，结合模型预测与直接功率控制，提出了一种适用于风力发电系统的双矢量模型预测直接功率控制策略，基于矢量控制策略并引入零矢量，有效降低了风力发电系统中的功率脉动与电流谐波，确保风力发电机运行于高功率因数状态。此外，通过额外配置储能装置，可平抑由于风力发电时间分布不均所带来的直流母线电压不稳定与功率波动问题。仿真结果表明所提控制策略有利于实现单位功率因数、正弦化网侧电流、有效抑制系统内功率波动和提高直流微电网运行稳定性。
针对在含风力发电的直流微电网中存在功率波动的情况，考虑到不同储能设备对功率波动抑制效果各有优缺。本发明提出一种含混合储能与风力发电的直流微电网协调控制方法，采用由蓄电池和超级电容组成混合储能系统，以平抑直流微电网中的功率波动，利用低通滤波器对蓄电池和超级电容承担的功率进行分配，进而通过对比风力发电机所发功率与负荷所需功率以控制双向DC/DC变换器的工作模式，从而达到维持系统内功率平衡的效果。
一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法，具体包括以下步骤：
步骤一：搭建包含风力发电系统与混合储能系统的直流微电网系统，作为电力系统稳定性的测试系统。利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建含混合储能系统的直流微电网系统，所研究的直流母线电压额定值设为600V，风力发电系统最大输出功率为10kW，负载功率为5kW。为了加快超级电容端电压以及蓄电池SOC变化速度，进行如下设置：超级电容电压运行上、下限分别为170V，130V，额定容量为10F；蓄电池容量为30A·h，端电压为150V，SOC正常工作在20％～90％。其他参数可于如表1所示：
表1直流微电网相关参数
Figure BDA0003640951270000101
该直流微电网系统中，通过控制三相PWM整流器可精确控制风力发电机的输出功率，通过对PWM整流器三组桥臂的通断状态进行控制可精确调节三个桥臂的输入电压，从而精确控制风力发电机的输出功率。
当整流器处于正常工作状态时每一个桥臂的上下桥臂必定是一个处于导通状态、另一个处于关断状态，例如SaSbSc＝001代表开关管S4、S6、S5导通，其余三个开关管关断，则三个桥臂共有8种开关组合工作状态，其中000和111分别表示三个桥臂的所有下桥臂导通和所有上桥臂导通，这两种开关状态下整流器交流侧电压矢量的幅值为零，称为“零矢量”。则整流器的三个桥臂输入电压矢量ur共有8种开关状态，即V0(000)、V1(100)、V2(110)、V3(010)、V4(011)、V5(001)、V6(101)、V7(111)，输入电压有如下形式：
Figure BDA0003640951270000111
步骤二：为了稳定直流母线电压，定义ΔP为风力发电系统输出功率与负荷所需功率之差，即ΔP＝Pwt-Pload，Pwt与Pload分别表示风力发电系统输出功率与负荷所需功率，本发明设置基于源荷功率差信号ΔPlay作为蓄电池与超级电容的工作模式切换点，当|ΔP|≥|ΔPlay|时，由超级电容器承担系统中的功率波动，当|ΔP|<|ΔPlay|时，由蓄电池承担系统中的功率波动。在储能系统中，各单元一般按照其容量大小成比例分配负荷功率，ΔPlay可设定为
△Play＝γ△Pmax (25)
式(25)中，γ为超级电容动作区域占系统最大源荷功率差的比值，ΔPmax为系统中可能出现的最大源荷功率差，β为系统中超级电容容量占整个储能装置容量的比值。ΔPlay的取值亦不能过小，否则不能有效地利用两种储能装置的优势，综上，γ取(0.5～1)β为宜。
另外，考虑到超级电容的容量一般较低，需要设置其端电压Usc在正常上下限Usc_max，Usc_min内工作，考虑到蓄电池不能频繁充放电的特点，为提高其使用寿命，必须设置其SOC在正常的上下限SOCmax、SOCmin范围内工作。取超级电容的端电压为160V，蓄电池的SOC为80％，均满足要求。
步骤三：通过低通滤波器分配超级电容和蓄电池各自所需承担的功率，分别如式(8)和式(9)所示，
Figure BDA0003640951270000112
式中，滤波时间常数T可根据蓄电池需要平抑功率波动的频带确定。混合储能系统承担功率Phess中的剩余波动部分由超级电容承担：
Figure BDA0003640951270000113
步骤四：本发明采用基于空间电压矢量的MPDPC策略，采用电压外环、功率内环的控制结构，通过直接功率控制可有效控制PWM整流器的瞬时有功和无功功率以达到控制瞬时电流、减小电流与电压的相位差并将电流谐波畸变率控制在国家标准规定的5％以下的目的，具有控制算法简单、更快地系统响应速度和更低的谐波畸变率等优点。
Figure BDA0003640951270000121
Figure BDA0003640951270000122
式中，tsp表示控制周期。
MPDPC通过直接控制功率选择出最适合的电压矢量，使得计算出的功率尽可能接近功率给定值，从而达到代价函数g最小的目标。
Figure BDA0003640951270000123
通过控制无功功率给定值Qref为零以达到系统运行于单位功率因数的效果，控制目的是使有功和无功功率尽可能接近其功率给定值，使得复功率波动最小。
步骤五：通过双向DC/DC变换器可实现储能侧与直流母线侧能量的双向流动，当风力发电所发功率大于负载所需功率时，此时将系统中盈余的功率提供给储能进行充电；当风力发电所发功率小于负载所需功率时，此时利用储能装置放电以补偿系统中的功率缺额。并通过低通滤波器分配超级电容和蓄电池各自所承担的功率分量。
图1为含风电与储能单元的直流微网结构，该直流微电网整体包括混合储能系统，双向DC/DC变换器控制系统、风力发电系统以及PWM整流器等部分。其中，风力发电机通过三相PWM整流器与直流母线相连，可精确控制风力发电机的输出功率和整流器网侧的输入电压，混合储能系统通过双向DC/DC变换器实现蓄电池和超级电容与直流母线侧能量的双向流动。
图2为整流器输入电压矢量划分图，通过三相/两相坐标变换，可将电压矢量分解为两相静止坐标系下的矢量uα和uβ，从而判断出电压矢量所属的扇区，从而精确控制整流器的输入电压。
图3为模型预测控制框图，采用电压外环、功率内环的控制结构，通过控制PWM整流器的瞬时有功和无功功率以达到控制瞬时电流的目的，减小电流谐波畸变率和电流与电压的相位差，具有控制算法简单、更快地系统响应速度和更低的谐波畸变率等优点。
图6为低通滤波器的幅频特性图。利用低通滤波器可将混合储能装置所承担的功率分量分为高频和低频部分，并分别交由超级电容和蓄电池承担。
图7和图8分别为双向DC/DC变换器的拓扑结构图和控制框图，通过双向DC/DC变换器的Boost和Buck两种工作模式可控制储能侧与直流母线侧能量的双向流动，从而平抑系统中的功率波动，提高直流微电网运行的稳定性。

Claims (9)

1.一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：搭建风力发电系统模型，使其通过PWM整流器接入直流微电网；
步骤2：结合PWM整流器的特点，控制PWM整流器网侧输入电压的开关状态，将PWM整流器的三个桥臂输入电压矢量分为多种开关状态；
步骤3：通过直接功率控制策略，控制PWM整流器的瞬时有功功率、无功功率；
步骤4：采用低通滤波器对超级电容和蓄电池所承担的功率进行分配，计算蓄电池与超级电容各自的SOC与端电压，设计储能装置的分区限值管理策略；
步骤5：当直流微电网内风力发电系统输出功率小于负荷所需功率时，双向DC/DC变换器运行在Boost工作模式，此时储能装置放电；
当直流微电网内风力发电系统输出功率大于负荷所需功率时、双向DC/DC变换器运行在Buck工作模式，此时将风力发电系统中盈余的功率提供给储能装置进行充电。
2.根据权利要求1所述一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤1中，PWM整流器具有三组桥臂，对三组桥臂均加上频率和幅值相等、相位互差120°的正弦波作为调制信号，每一个桥臂都有导通和关断两种开关状态，即某个桥臂处于导通状态则代表该桥臂的上桥臂导通、下桥臂关断，某个桥臂处于关断状态则反之，采用开关函数Sj(j＝a,b,c)来描述桥臂的通断状态，即：
Figure FDA0003640951260000011
风力发电机等效模型的定子电压和电磁转矩方程分别如式(2)和式(3)所示：
Figure FDA0003640951260000012
Figure FDA0003640951260000013
式中：ud、id、Ld分别代表定子电压直轴分量、定子电流直轴分量和定子绕组直轴电感；uq、iq和Lq分别表示定子电压交轴分量、定子电流交轴分量和定子绕组交轴电感；Rs和ψf分别为定子电阻和转子永磁体磁链；ωe为发电机转子角频率；Te为电磁转矩；pn为极对数。
3.根据权利要求1所述一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤2中，当PWM整流器处于正常工作状态时，每一个桥臂的上、下桥臂一个处于导通状态、另一个处于关断状态；三个桥臂共有8种开关组合工作状态，其中，000和111分别表示三个桥臂的所有下桥臂导通和所有上桥臂导通，这两种开关状态下整流器交流侧电压矢量的幅值为零；
PWM整流器的三个桥臂输入电压矢量ur共有8种开关状态，即：V0(000)、V1(100)、V2(110)、V3(010)、V4(011)、V5(001)、V6(101)、V7(111)，输入电压有如下形式：
Figure FDA0003640951260000021
式中，Udc为直流母线电压，j表示选择的桥臂，Su、Sv、Sw分别表示三相整流电路的桥臂开关状态。
4.根据权利要求3所述一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤2中，PWM整流器的输入电压是以2/3Udc为半径旋转的矢量圆，通过三相/两相坐标变换，可以将电压矢量分解为两相静止坐标系下的矢量uα和uβ，从而判断出电压矢量所属的扇区，根据电压矢量图画出扇区。
5.根据权利要求3所述一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤3中，直接功率控制策略是指在交流电压稳定的前提下，通过控制PWM整流器的瞬时有功和无功功率，以达到控制瞬时电流的目的；
PWM整流器的数学模型为：
Figure FDA0003640951260000022
式中，u为发电机侧电压矢量、i为发电机侧电流矢量，ur为整流器网侧电压矢量；R、L分别为滤波电路的电阻和电抗；
模型预测算法如下：
由于u＝|u|ejωt，故电网电压的变化率表示为：
Figure FDA0003640951260000023
式中，ω表示系统的角频率、ejωt是电源电压u通过欧拉式表达的相量形式、j的含义同上
计算复功率S如式(7)所示：
S＝p+jq＝1.5(i*u) (7)
其中，i*代表相量i的共轭，p、q分别表示复功率S的实部和虚部，即有功功率和无功功率；
结合式(5)、式(6)和式(7),对复功率S的变化量进行分解，得到复功率S的变化量为：
Figure FDA0003640951260000031
其中，ur *是整流侧输入电压ur的共轭；
将复功率S的实部和虚部分解可得：
Figure FDA0003640951260000032
式中，Re(ur *u)、Im(ur *u)分别表示ur *与电源电压u相量乘积的实部、虚部；
其中，式(9)为计算有功和无功功率偏差提供了依据，从而计算出下一控制周期有功和无功功率的预测值，如式(10)和式(11)所示:
Figure FDA0003640951260000033
Figure FDA0003640951260000034
式中，tsp表示控制周期；
pk+1与qk+1分别表示k+1时刻的有功功率与无功功率；
pk与qk分别表示k时刻的有功功率与无功功率；uk、
Figure FDA0003640951260000035
分别表示k时刻的电源电压和整流侧输入电压；
Figure FDA0003640951260000036
表示k时刻整流侧输入电压的共轭复数；
Figure FDA0003640951260000037
与
Figure FDA0003640951260000038
分别表示k时刻整流侧输入电压的共轭复数与电源电压乘积的实部和虚部；
通过通过直接控制功率，选择出最适合的电压矢量，使得计算出的功率尽可能接近功率给定值，从而达到代价函数g最小的目标；
Figure FDA0003640951260000041
式中，Pref、Qref分别表示给定的有功和无功功率。
6.根据权利要求3所述一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤4中，蓄电池端电压Ubat与荷电状态SOC的表达式为：
Ubat＝E-Rbibat (13)
式中，E是电压源，Rb是恒定内阻，Ubat是蓄电池端电压，ibat表示蓄电池的电流；
Figure FDA0003640951260000042
式中，Erest、Erated分别表示蓄电池的额定容量和剩余容量；
超级电容经典RC模型等效电路的电路方程为：
Figure FDA0003640951260000043
式中，C与Rs分别表示超级电容经典模型中的理想电容和等效串联内阻，isc为超级电容器工作电流；usc为超级电容的端电压；
超级电容的SOC数学表达式为：
Figure FDA0003640951260000044
式中，QN为超级电容总电荷存储量；Qt为超级电容在t时刻存储的电荷量；umax、umin分别为超级电容的最大、最小工作电压；u0为超级电容的初始电压值。
7.根据权利要求6所述一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤4中，蓄电池与超级电容所承担的功率分配，通过低通滤波器来实现，根据蓄电池与超级电容各自的特性，由蓄电池承担功率变化低频的部分，超级电容承担高频功率波动，低通滤波器的传递函数为：
Figure FDA0003640951260000045
式中，T为滤波器时间常数；s为微分算子；
将s＝jω代入式(17)，得到低通滤波器的传递函数和幅频特性函数分别如式(18)和式(19)所示：
Figure FDA0003640951260000051
Figure FDA0003640951260000052
系统运行状态下混合储能装置所承担的功率为：
Phess＝Pbat+Psc＝Pload-Pwt (20)
其中，Phess表示混合储能装置承担的功率，Pbat表示蓄电池所承担的功率，Psc表示超级电容承担的功率，Pload表示负荷所需功率，Pwt表示风机所发功率；
将混合储能装置承担的功率Phess经过低通滤波器后得到平滑的部分，作为蓄电池承担的参考功率:
Figure FDA0003640951260000053
式(21)中，滤波时间常数T可根据蓄电池需要平抑功率波动的频带确定，混合储能装置承担功率Phess中的剩余波动部分由超级电容承担：
Figure FDA0003640951260000054
8.根据权利要求6所述一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤4中，储能装置的分区限值管理策略即为:
当蓄电池的SOC或超级电容的端电压Usc低于其最小限值SOCmin或Usc_min时，禁止蓄电池或超级电容放电，只允许蓄电池或超级电容充电；当蓄电池的SOC或超级电容的端电压Usc高于其最大限值SOCmax或Usc_max时，禁止储能装置充电，只允许储能装置放电。
9.根据权利要求1所述一种含风力发电与混合储能的直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤5中，为了实现双向流动储能侧与直流母线侧的功率，首先将储能实际工作电流i与参考电流iref的误差送入PI控制器，再通过对PI控制器的输出进行限幅以保护开关管，当直流母线侧有功率盈余时，即风力发电系统输出功率Pwt大于负载需求功率Pload时，通过储能存储电能的方式平抑系统中的功率波动，双向DC/DC变换器采用Buck模式进行工作，此时T1管导通，T2管处于关断状态，通过对T1管的占空比进行控制使得直流母线侧的能量流向储能侧，达到系统给储能充电的目的；
Buck模式下的储能装置的端电压为：
Figure FDA0003640951260000061
式中，U0和Udc分别为储能的端电压和直流母线侧电压；ton和toff分别为T1管处于导通和关断状态的时间；
当微电网中出现功率缺额时，即风力发电系统输出功率Pwt小于负载需求功率Pload时，此时需通过储能释放电能的方式为系统提供功率补偿，双向DC/DC变换器采用Boost模式进行工作；此时T2管导通，T1管处于关断状态，通过对T2管的占空比进行控制，使得储能侧的能量流向直流母线侧，达到储能放电给系统提供功率补偿的目的；
Boost模式下直流母线电压为：
Figure FDA0003640951260000062
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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