CN103872701A - 一种储能型交直流混合微网及其控制方法 - Google Patents

一种储能型交直流混合微网及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种储能型交直流混合微网及其控制方法，储能型交直流混合微网包括交流微网、直流微网、电池储能***和能量管理***EMS，以及外部电网控制中心连接。其控制方法包括以下步骤：能量管理***EMS初始化，获取交流微网、直流微网发以及电池储能***蓄电池储能***的信息数据；实时获取外部公共电网的信息数据；根据上述获取到的数据进行对交流微网、直流微网发以及电池储能***进行调控。本发明能够提升能源利用效率，减小变换器的体积，组网、控制更加灵活，节省成本；提升整个***供电的可靠性。

Description

一种储能型交直流混合微网及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种储能型交直流混合微网及其控制方法。
背景技术
目前，无论是在大型供电***还是其它微网***中，主要是交流微网或者是直流微网的单一微网***。对于单一的微网***，存在这多方面的不足：越来越多的用电设备需要直流供电，通过交流电网转换为直流与直流转换为直流相比，不仅变换器设备体积大，成本高，而且交流转换效率低，能量损失严重；单一交流或直流微网，功率转换设备多，体积大，***供电可靠性低；同时随着对节能环保的日益重视，太阳能分布式发电、电梯节能能量回收***等都输出直流电能，需要方便可再生能源的灵活接入；另外大多数的微网***控制及管理简单，没有一套有效的能量控制方法充分考虑***的能源利用效率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种储能型交直流混合微网及其控制方法的设计方案。
    一种储能型交直流混合微网，包括交流微网、直流微网和电池储能***，还包括与交流微网、直流微网和电池储能***连接的能量管理***EMS，交流微网与直流微网通过一个或多个双向DC/AC变换器连接，交流微网与直流微网分别通过一个或多个双向AC/DC变换器与一个或多个双向DC/DC变换器与电池储能***连接；所述能量管理***EMS还与外部电网控制中心连接。
    所述交流微网包括交流母线，连接到交流母线用于与外部公共电网连接的一个或多个双向AC/AC变换器、用于与外部用电设备（相当于电动汽车以及交流负载等）行能量交换的一个或多个双向AC/DC变换器、用于连接其他交流发电***的一个或多个AC/AC变换器。
    所述直流微网包括直流母线，连接到直流母线用于连接其他直流发电***的一个或多个DC/DC变换器、用于连接外部用电设备（相当于电动汽车以及直负载等）的一个或多个双向DC/DC变换器及一个或多个DC/DC变换器。
    能量管理***EMS包括主控单元，与直流微网连接的直流微网监控单元、与交流微网连接的交流微网监控单元和与电池储能***连接的电池管理单元；所述直流微网监控单元、交流微网监控单元及电池管理单元均与主控单元连接。所述直流微网监控单元与交流微网监控单元通过通信总线分别与直流微网和交流微网的各个变换器连接；所述交流微网监控单元与连接交流微网和直流微网的各个变换器连接；所述电池管理单元通过一个或多个双向DC/DC变换器以及一个或多个的双向AC/DC变换器分别于与直流微网和交流微网连接。
    所述直流微网监控单元与交流微网监控单元通过通信总线分别与直流微网和交流微网的各个变换器连接；所述交流微网监控单元与连接交流微网和直流微网的各个变换器连接。
    一种储能型交直流混合微网的控制方法，包括以下步骤：（1）能量管理***EMS初始化；（2）能量管理***EMS获取交流微网、直流微网发以及电池储能***蓄电池储能***的信息数据；（3）能量管理***EMS实时获取外部公共电网的信息数据；（4）根据上述获取到的数据进行对交流微网、直流微网发以及电池储能***进行调控。
    步骤（2）所述的信息数据包括：（I）交流微网、直流微网、电池储能***以及外部公共电网的负荷状态；（II）交流微网、直流微网中发电***的发电功率，电池储能***当前剩余功率。步骤（3）所述的信息数据包括：外部公共电网负荷预测曲线，电动汽车充电预测曲线以及交直流微网中的发电***发电功率预测曲线。
    所述获取交流微网、直流微网、电池储能***以及外部公共电网负荷状态的方法为：通过与外部公共电网连接的双向AC/AC变换器的获取当前主节点功率的流动方向及大小；通过连接交流微网和直流微网的各个双向AC/ DC变换器、连接外部用电设备的各个双向AC/DC变换器以及外部用电设备各个双向DC/DC变换器的数据，并根据交流微网从节点恒功率控制原则：                                                ，与直流微网从节点恒功率控制原则：
Figure 902283DEST_PATH_IMAGE002
计算当前交流微网、直流微网和电池储能***的能量流动方向及大小；其中
Figure 2013107253868100002DEST_PATH_IMAGE003
为直流负载， 
Figure 385217DEST_PATH_IMAGE004
为交流负载， 
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为直流发电***发出功率， 
Figure 169372DEST_PATH_IMAGE006
为交流发电***发出功率，为电网提供功率，为电池储存***中存储的功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为电动汽车电池***所需功率。
所述步骤（4）的方法为：（41）能量管理***EMS根据各个预测曲线，判断是否需要将富裕电能回馈外部公共电网；（42）能量管理***EMS，根据负载大小通过效率最优算法获取最佳功率路径，并根据最佳功率路径调整的各个变换器的组合和负载分配组合。
步骤（41）判断是否需要将富裕电能回馈外部公共电网的方法为：根据各个预测数据计算未来单位时间内直流发电***的功率能否满电池储能***的储能要求，若满足则将发送相关指令到相关的双向AC/DC变换器将交流微网的多余电能回馈到外部公共网络；若未来单位时间内直流发电***的功率不能满足电池储能***的储能要求，且未来交直流微网内有较大的负载需求，将发送相关指令到相关的双向AC/DC变换器将交流微网多余电能储存在电池***中。
    所述步骤（42）还包括以下步骤：（42a）当能量管理***EMS检测到直流微网负载功率大于直流微网内直流发电设备的发电功率时，能量管理***EMS依据最佳功率路径目标函数：
计算出合理的功率路径。
（42b）当能量管理***EMS检测到交流微网负载功率大于交流微网内交流发电设备的发电功率，且直流微网中直流发电功率小于直流微网中直流负载功率时，能量管理***EMS依据最佳功率路径目标函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
计算出合理的功率路径。
（42c）当能量管理***EMS检测到交流微网负载功率大于交流微网内交流发电设备的发电功率，且直流微网中直流发电功率大于直流微网中直流负载功率时，能量管理***EMS依据最佳功率路径目标函数：
Figure 307726DEST_PATH_IMAGE012
计算出最佳功率路径。
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为双向DC/AC变换器正向转换效率函数，为双向DC/AC变换器逆向转换效率函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为双向AC/DC变换器正向转换效率函数，为AC/DC直流变换器逆向转换效率函数， 
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为双向DC/DC变换器正向转换效率函数， 
Figure 128417DEST_PATH_IMAGE018
为双向DC/DC变换器逆向转换效率函数， 
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为双向AC/AC变换器正向转换效率函数， 为双向AC/AC变换器逆向转换效率函数，为单向AC/AC变换器效率函数， 
Figure 714830DEST_PATH_IMAGE022
为单向DC/DC变换器效率函数。
综上所述，本发明具有以下有益效果：（1）通过各变换器的模块化、可以灵活接入负载和发电单元，减少交流变换为直流环境，提升能源利用效率，减小变换器的体积，同时，减少无功补偿设备投入，节省成本；（2）交直流微网采用分布式管理，大大提升***的控制效率，使控制更加灵活；（3）交直流微网采用交直流混合供电，加上电池储能***，提升整个***供电的可靠性；（4）和外部公共电网实时通信互动，在必要的时候进行能量存储和输出，可以起到对外部公共电网削峰填谷作用，对平衡整个电网起到积极作用，提高利用效率，降低用电成本；（5）组网灵活，从小到单体建筑大到区域供电，可快速组网。
附图说明
图1为本发明所述一种储能型交直流混合微网的整体结构示意图。
具体实施方式
为了让本领域的技术人员能够更好地了解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的阐述。
如图1所示，本发明揭示了一种储能型交直流混合微网，包括交流微网、直流微网和电池储能***，还包括与交流微网、直流微网和电池储能***连接的能量管理***EMS，交流微网与直流微网通过一个或多个双向DC/AC变换器连接，实现能量交换。
交流微网与直流微网分别通过一个或多个双向AC/DC变换器与一个或多个双向DC/DC变换器与电池储能***连接，可以对电池储能***进行充放电；能量管理***EMS还与外部电网控制中心连接。
交流微网包括交流母线（AC BUS），连接到交流母线用于与外部公共电网连接的一个或多个双向AC/AC变换器、用于与外部用电设备进行能量交换的一个或多个双向AC/DC变换器、用于连接其他交流发电***的一个或多个AC/AC变换器。发电***可以是如油机发电、风力发电等交流发电***。
直流微网包括直流母线（DC BUS），连接到直流母线用于连接其他直流发电***（如光伏发电***）的一个或多个DC/DC变换器、用于连接外部用电设备（如外部的负载电器，电动汽车充放电接口及其配套设备等）的一个或多个双向DC/DC变换器及一个或多个DC/DC变换器。
能量管理***EMS包括主控单元，与直流微网连接的直流微网监控单元、与交流微网连接的交流微网监控单元和与电池储能***连接的用于负责实时采集电池信息（电压、电流、温度、SOC等信息）的电池管理单元；所述直流微网监控单元、交流微网监控单元及电池管理单元均与主控单元连接。所述直流微网监控单元与交流微网监控单元通过通信总线分别与直流微网和交流微网的各个变换器连接；所述交流微网监控单元与连接交流微网和直流微网的各个变换器连接。所述直流微网监控单元与交流微网监控单元通过通信总线分别与直流微网和交流微网的各个变换器连接；所述交流微网监控单元与连接交流微网和直流微网的各个变换器连接。直流微网监控单元、交流微网监控单元和电池管理单元均通过通讯总线实现和其他节点（节点包括各个变换器）的数据和信息交换，并通过有线或无线网络和电网中心通信，实现信息传递。能量管理***EMS也可通过有线或无线的方式与外部电网控制中心连接，提交或获取相关的数据，如外部公共电网负荷预测曲线等。
本发明还揭示了一种储能型交直流混合微网控制方法，包括以下步骤。
（1）能量管理***EMS初始化。
（2）能量管理***EMS获取交流微网、直流微网发以及电池储能***蓄电池储能***的信息数据；包括：交流微网、直流微网、电池储能***以及外部公共电网的负荷状态；交流微网、直流微网中发电***的发电功率，电池储能***当前剩余功率。 
获取交流微网、直流微网、电池储能***以及外部公共电网负荷状态的方法为：通过与外部公共电网连接的双向AC/AC变换器的获取当前主节点功率的流动方向及大小；通过连接交流微网和直流微网的各个双向AC/ DC变换器、连接外部用电设备的各个双向AC/DC变换器以及外部用电设备各个双向DC/DC变换器的数据，并根据交流微网从节点恒功率控制原则：
Figure 904503DEST_PATH_IMAGE001
，与直流微网从节点恒功率控制原则：计算当前交流微网、直流微网和电池储能***的能量流动方向及大小；其中
Figure 370436DEST_PATH_IMAGE003
为直流负载， 
Figure 485154DEST_PATH_IMAGE004
为交流负载， 
Figure 845728DEST_PATH_IMAGE005
为直流发电***发出功率， 
Figure 232847DEST_PATH_IMAGE006
为交流发电***发出功率，
Figure 664965DEST_PATH_IMAGE007
为电网提供功率，
Figure 555561DEST_PATH_IMAGE008
为电池储存***中存储的功率，
Figure 352616DEST_PATH_IMAGE009
为电动汽车电池***所需功率。
（3）能量管理***EMS实时（从外部电网控制中心）获取外部公共电网的信息数据，包括：外部公共电网负荷预测曲线，并根据历史统计数据，实时查询电动汽车充电预测曲线以及交直流微网中的发电***发电功率预测曲线。
（4）根据上述获取到的数据进行对交流微网、直流微网发以及电池储能***进行调控。能量管理***EMS根据各个预测曲线，判断是否需要将富裕电能回馈外部公共电网；能量管理***EMS，根据负载大小通过效率最优算法获取最佳功率路径，并根据最佳功率路径调整的各个变换器的组合和负载分配组合。
判断是否需要将富裕电能回馈外部公共电网的方法为：根据各个预测数据计算未来单位时间内直流发电***的功率能否满电池储能***的储能要求，若满足则将发送相关指令到相关的双向AC/DC变换器将交流微网的多余电能回馈到外部公共网络；若未来单位时间内直流发电***的功率不能满足电池储能***的储能要求，且未来交直流微网内有较大的负载需求，将发送相关指令到相关的双向AC/DC变换器将交流微网多余电能储存在电池***中。
（42a）当能量管理***EMS检测到直流微网负载功率大于直流微网内直流发电设备的发电功率时，能量管理***EMS依据最佳功率路径目标函数：
Figure 961452DEST_PATH_IMAGE010
计算出合理的功率路径。
（42b）当能量管理***EMS检测到交流微网负载功率大于交流微网内交流发电设备的发电功率，且直流微网中直流发电功率小于直流微网中直流负载功率时，能量管理***EMS依据最佳功率路径目标函数：
Figure 446528DEST_PATH_IMAGE011
计算出合理的功率路径。
（42c）当能量管理***EMS检测到交流微网负载功率大于交流微网内交流发电设备的发电功率，且直流微网中直流发电功率大于直流微网中直流负载功率时，能量管理***EMS依据最佳功率路径目标函数：
Figure 457210DEST_PATH_IMAGE012
计算出最佳功率路径。
其中，
Figure 425166DEST_PATH_IMAGE013
为双向DC/AC变换器正向转换效率函数，为双向DC/AC变换器逆向转换效率函数，为双向AC/DC变换器正向转换效率函数，
Figure 160407DEST_PATH_IMAGE016
为AC/DC直流变换器逆向转换效率函数， 
Figure 299264DEST_PATH_IMAGE017
为双向DC/DC变换器正向转换效率函数， 
Figure 882692DEST_PATH_IMAGE018
为双向DC/DC变换器逆向转换效率函数， 
Figure 945457DEST_PATH_IMAGE019
为双向AC/AC变换器正向转换效率函数， 为双向AC/AC变换器逆向转换效率函数，为单向AC/AC变换器效率函数， 
Figure 311213DEST_PATH_IMAGE022
为单向DC/DC变换器效率函数。
本实施例只是本发明的较优实施方式，未进行详细描述的部分均采用公知的成熟技术。需要说明的是，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1. 一种储能型交直流混合微网，包括交流微网、直流微网和电池储能***，其特征在于，还包括与交流微网、直流微网和电池储能***连接的能量管理***EMS，交流微网与直流微网通过一个或多个双向DC/AC变换器连接，交流微网与直流微网分别通过一个或多个双向AC/DC变换器与一个或多个双向DC/DC变换器与电池储能***连接；所述能量管理***EMS还与外部电网控制中心连接。
2. 根据权利要求1所述的储能型交直流混合微网，其特征在于：所述交流微网包括交流母线，连接到交流母线用于与外部公共电网连接的一个或多个双向AC/AC变换器、用于与外部用电设备进行能量交换的一个或多个双向AC/DC变换器、用于连接其他交流发电***的一个或多个AC/AC变换器。
3. 根据权利要求2所述的储能型交直流混合微网，其特征在于：所述直流微网包括直流母线，连接到直流母线用于连接其他直流发电***的一个或多个DC/DC变换器、用于连接外部用电设备一个或多个双向DC/DC变换器及一个或多个DC/DC变换器。
4. 根据权利要求3所述的储能型交直流混合微网，其特征在于：能量管理***EMS包括主控单元，与直流微网连接的直流微网监控单元、与交流微网连接的交流微网监控单元和与电池储能***连接的电池管理单元；所述直流微网监控单元、交流微网监控单元及电池管理单元均与主控单元连接；
所述直流微网监控单元与交流微网监控单元通过通信总线分别与直流微网和交流微网的各个变换器连接；
所述交流微网监控单元与连接交流微网和直流微网的各个变换器连接；
所述电池管理单元通过一个或多个双向DC/DC变换器以及一个或多个的双向AC/DC变换器分别于与直流微网和交流微网连接。
5. 一种储能型交直流混合微网的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）能量管理***EMS初始化；
（2）能量管理***EMS获取交流微网、直流微网发以及电池储能***蓄电池储能***的信息数据；
（3）能量管理***EMS实时获取外部公共电网的信息数据；
（4）根据上述获取到的数据进行对交流微网、直流微网发以及电池储能***进行调控。
6. 根据权利要求5所述的一种储能型交直流混合微网的控制方法，其特征在于，步骤（2）所述的信息数据包括：
（I）交流微网、直流微网、电池储能***以及外部公共电网的负荷状态；
（II）交流微网、直流微网中发电***的发电功率，电池储能***当前剩余功率；步骤（3）所述的信息数据包括：外部公共电网负荷预测曲线，电动汽车充电预测曲线以及交直流微网中的发电***发电功率预测曲线。
7. 根据权利要求6所述的一种储能型交直流混合微网的控制方法，其特征在于，所述获取交流微网、直流微网、电池储能***以及外部公共电网负荷状态的方法为：通过与外部公共电网连接的双向AC/AC变换器的获取当前主节点功率的流动方向及大小；
通过连接交流微网和直流微网的各个双向AC/ DC变换器、连接外部用电设备的各个双向AC/DC变换器以及外部用电设备各个双向DC/DC变换器的数据，并根据交流微网从节点恒功率控制原则：
Figure 2013107253868100001DEST_PATH_IMAGE002
，与直流微网从节点恒功率控制原则：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
计算当前交流微网、直流微网和电池储能***的能量流动方向及大小；
其中其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为直流负载， 
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为交流负载， 
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为直流发电***发出功率， 
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为交流发电***发出功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为电网提供功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为电池储存***中存储的功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为电动汽车电池***所需功率。
8. 根据权利要求7所述的一种储能型交直流混合微网的控制方法，其特征在于，所述步骤（4）的方法为：
（41）能量管理***EMS根据各个预测曲线，判断是否需要将富裕电能回馈外部公共电网；
（42）能量管理***EMS，根据负载大小通过效率最优算法获取最佳功率路径，并根据最佳功率路径调整的各个变换器的组合和负载分配组合。
9. 根据权利要求8所述的一种储能型交直流混合微网的控制方法，其特征在于，步骤（41）判断是否需要将富裕电能回馈外部公共电网的方法为：根据各个预测数据计算未来单位时间内直流发电***的功率能否满电池储能***的储能要求，若满足则将发送相关指令到相关的双向AC/DC变换器将交流微网的多余电能回馈到外部公共网络；若未来单位时间内直流发电***的功率不能满足电池储能***的储能要求，且未来交直流微网内有较大的负载需求，将发送相关指令到相关的双向AC/DC变换器将交流微网多余电能储存在电池***中。
10. 根据权利要求9所述的一种储能型交直流混合微网控制方法，其特征在于，所述步骤（42）还包括以下步骤：
（42a）当能量管理***EMS检测到直流微网负载功率大于直流微网内直流发电设备的发电功率时，能量管理***EMS依据最佳功率路径目标函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
计算出合理的功率路径； 
（42b）当能量管理***EMS检测到交流微网负载功率大于交流微网内交流发电设备的发电功率，且直流微网中直流发电功率小于直流微网中直流负载功率时，能量管理***EMS依据最佳功率路径目标函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
计算出合理的功率路径； 
（42c）当能量管理***EMS检测到交流微网负载功率大于交流微网内交流发电设备的发电功率，且直流微网中直流发电功率大于直流微网中直流负载功率时，能量管理***EMS依据最佳功率路径目标函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
计算出最佳功率路径；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为双向DC/AC变换器正向转换效率函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为双向DC/AC变换器逆向转换效率函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为双向AC/DC变换器正向转换效率函数，为AC/DC直流变换器逆向转换效率函数， 
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为双向DC/DC变换器正向转换效率函数， 
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为双向DC/DC变换器逆向转换效率函数， 
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为双向AC/AC变换器正向转换效率函数， 
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为双向AC/AC变换器逆向转换效率函数，为单向AC/AC变换器效率函数， 
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为单向DC/DC变换器效率函数。
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