CN110544938A - 一种含电池和超级电容的低压微电网并离网控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种含电池和超级电容的低压微电网并离网控制方法，包括如下步骤：步骤1，提出储能变流器功率控制方法，根据有功无功指令与实际值通过比例积分调节器闭环调节储能变流器交流输出电压的幅值、角频率，实现精确的有功无功控制；步骤2，微网控制器实时采集两台储能变流器输出的有功功率和无功功率，断路器两侧的电压和断路器上的电流，并结合当前微网需要实现的运行模式，对两台储能变流器下发有功无功指令，实现预期的运行模式；此种控制方法可实现并网模式下精确的有功无功控制，离网状态下电池单独承担稳态负荷、电池和超级电容共同承担瞬态负荷的控制效果，以及平滑的并离网切换。
Description
技术领域
本发明属于微电网技术领域，特别涉及一种含电池和超级电容等储能装置的低压微电网并离网控制方法。
背景技术
在微电网中，为了实现***在离网情况可以带负载稳定运行，通常需要设置储能***作为离网情况下的电能来源，各种类型的储能电池已经广泛应用到分布式微电网中。近年来，随着储能技术的发展，超级电容器作为新型储能元件常与储能电池一起使用。与传统的储能电池相比，超级电容充放电功率更大、速度更快，但是总的储能容量不如电池，所以如何协调利用电池与超级电容、综合发挥各自的优势是提升微电网运行特性的关键。
中国专利申请CN201310544629.8公布了一种微电网离网协调控制***及其方法，该发明侧重于微电网离网调度方法的宏观研究，未对微网中储能变流器的功率控制方法详细阐述，同时也未将微电网并离网切换方法与储能变流器功率控制结合在一起。
中国专利申请CN201610071182.0公布了一种微电网***，该发明方法适用于含有单一储能单元的微网***，由于不含微网控制器，对于含电池和超级电容等混合储能单元的微网***不适用。
含电池和超级电容作为储能***的低压微电网，如果需要既要运行在并网状态又要能运行在离网状态，这就要求与储能单元相连的储能变流器工作在电压源模式。与传统的电流源控制模式相比，电压源模式下储能变流器在并网工况下有功功率和无功功率控制精度不足。为了提高并网情况下的功率控制精度并同时考虑到低压微电网中一次电缆主要呈现阻性，本发明提出储能变流器功率控制策略。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种含电池和超级电容的低压微电网并离网控制方法，实现并网模式下精确的有功无功控制，离网状态下电池单独承担稳态负荷、电池和超级电容共同承担瞬态负荷的效果以及平滑的并离网切换。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种含电池和超级电容的低压微电网并离网控制方法，包括如下步骤：
步骤1，提出储能变流器功率控制方法，根据有功无功的指令与实际值通过比例积分调节器闭环调节储能变流器交流输出电压的幅值、角频率，实现精确的有功无功控制。
步骤2，微网控制器通过模数转换器实时采集两台储能变流器输出的交流电压、交流电流的幅值和相位计算出有功功率和无功功率，并同时采集断路器两侧的电压和断路器上的电流，结合当前微网需要实现的运行模式，应用并网模式控制子模块、离网模式控制子模块、并网转离网控制子模块和离网转并网控制子模块这四种子模块之一对两台储能变流器下发有功无功指令，实现预期的微网运行模式；
采用上述方案后，本发明的特点在于：为了提高并网情况下的功率控制精度并同时考虑到低压微电网中一次电缆主要呈现阻性，提出电压源模式下储能变流器功率控制器结构，建立功率模型，并在此控制器结构的基础上，提出微网控制器与电池和超级电容储能变流器的交互策略，实现并网模式下精确的有功无功控制，离网状态下电池单独承担稳态负荷、电池和超级电容共同承担瞬态负荷的效果以及平滑的并离网切换。
附图说明
图1是本发明的控制流程示意图；
图2是本发明中储能变流器功率控制模块的原理示意图；
图3是本发明中微网控制器并网转离网控制子模块的工作原理流程图；
图4是本发明中微网控制器离网转并网控制子模块的工作原理流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
在低压微电网中，电池和超级电容分别通过一台储能变流器与微电网低压交流母线相连，该母线通过联络线断路器与大电网连接；针对此架构，结合图1所示，本发明提供一种含电池和超级电容的低压微电网并离网控制方法，首先提出储能变流器功率控制方法，根据有功无功的指令与实际值通过比例积分调节器闭环调节储能变流器交流输出电压的幅值、角频率，实现精确的有功无功控制，然后应用微网控制器通过模数转换器实时采集两台储能变流器输出的交流电压、交流电流的幅值和相位计算出有功功率和无功功率，并同时采集断路器两侧的电压和断路器上的电流，结合当前微网需要实现的运行模式，应用并网模式控制子模块、离网模式控制子模块、并网转离网控制子模块和离网转并网控制子模块这四种子模块之一对两台储能变流器下发有功无功指令，实现预期的微网运行模式。
具体实现时，可通过储能变流器功率控制模块和微网控制器模块，储能变流器功率控制模块接收微网控制器模块下发的有功无功指令，实现精确的有功无功控制。当微电网运行模式在并网或离网之间转换时，储能变流器功率控制模块同时还会接收微网控制器下发的角频率电压调整量，进行转离网时的联络线功率控制和转并网时的交流电压幅值和角频率的调整，以实现平滑的运行模式切换。
下面分别对储能变流器功率控制模块和微网控制器模块的工作方式原理进行阐述。
图2所示是储能变流器功率控制模块，该模块通过计算有功功率指令标幺值Pref和无功功率指令标幺值Qref与实际值P和Q的偏差，分别经过两个比例积分(PI)调节器得到交流输出电压幅值改变量标幺值ΔU和角频率改变量标幺值Δω，从而动态调整交流输出电压的幅值和角频率，该调整作用到有功功率和无功功率模型上，来进行有功和无功的精确控制。
有功功率和无功功率模型，可按照如下公式进行近似描述：
式中，P为储能变流器输出有功功率标幺值，正数代表发出有功，负数代表吸收有功，Q为储能变流器输出无功功率标幺值，正数代表发出无功，负数代表吸收无功，Ub为交流母线线电压额定值，Sb为储能变流器功率额定值，R为储能变流器交流输出侧到交流母线之间一次电缆单相电阻，ΔU为有功环PI调节器输出的电压幅值的改变量标幺值，Δω为无功环调节器输出的电压角频率的改变量标幺值。
微网控制器模块包含并网模式控制子模块、离网模式控制子模块、并网转离网控制子模块和离网转并网控制子模块。
并网模式控制子模块内容为：
微网控制器直接给电池的储能变流器下发有功指令Pref和无功指令Qref，该指令数值为微网使用者需要微网***向电网馈送的有功功率和无功功率，而超级电容的储能变流器有功和无功指令直接设置为零。
离网模式控制子模块内容为：
微网控制器将两台储能变流器实际输出的有功和无功功率之和作为有功指令Pref和无功指令Qref下发给电池的储能变流器，超级电容的储能变流器的有功无功指令仍设置为零。由于微网控制器下发指令是周期性的，当微电网负载突变时，若两台储能变流器控制***参数相同且一次***配置相似，瞬间增加的负载会在两台储能变流器之间均分，随后等到微网控制器再次下发有功和无功指令给电池的储能变流器时，超级电容上的功率均会转移到电池上，从而达到电池单独承担稳态负荷、电池和超级电容共同承担瞬态负荷的效果，解决同功率的大容量电池与小容量超级电容的并联控制，充分利用超级电容功率大容量小的特点。
如图3所示，并网转离网控制子模块内容为：
设Pin和Qin为当前经联络线流入微网有功功率和无功功率的标幺值，流入为正。对于电池的储能变流器，当未进行转离网流程时，该模块输出的有功无功调整量PL和QL均设置为零，当进行转离网流程时，PL和QL分别设置为Pin和Qin。对于超级电容的储能变流器，PL和QL恒为零。该模块对进行功率调整后的联络线实时功率持续判断，当有功功率和无功功率均小于转离网功率阈值后，发出分断路器指令。
如图4所示，离网转并网控制子模块内容为：
输入联络线断路器***侧电压幅值Usys、微网侧电压幅值Umg以及***侧电压角频率ωsys、微网侧电压角频率ωmg，用***侧电气量减去微网侧电气量得到联络线断路器两侧交流电压幅值差标幺值ΔUg和角频率差标幺值Δωg下发给电池的储能变流器，分别叠加到ΔU和Δω上，若在一定时间窗口内断路器两侧电压的幅值差、角频率差和相角差均小于并网阈值，微网控制器合上联络线开关，否则本次转并网失败，等待下一次并网指令。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实例方法中的全部或者部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件完成的，所述的程序可以存储在可读取介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中读取介质包括磁盘、光盘、只读存储器或随机存储器等。
以上实施例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，均落入本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种含电池和超级电容的低压微电网并离网控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，提出储能变流器功率控制方法，内容是：根据有功无功的指令与实际值通过比例积分调节器闭环调节储能变流器交流输出电压的幅值、角频率，实现精确的有功无功控制；
步骤2，微网控制器通过模数转换器实时采集两台储能变流器输出的交流电压、交流电流的幅值和相位计算出有功功率和无功功率，并同时采集断路器两侧的电压和断路器上的电流，结合当前微网需要实现的运行模式，应用并网模式控制子模块、离网模式控制子模块、并网转离网控制子模块和离网转并网控制子模块这四种子模块之一对两台储能变流器下发有功无功指令，实现预期的微网运行模式。
2.如权利要求1所述的一种含电池和超级电容的低压微电网并离网控制方法，其特征在于：所述步骤1中，储能变流器功率控制方法，其功能是：计算有功功率指令标幺值Pref和无功功率指令标幺值Qref与实际值P和Q的偏差，分别经过两个比例积分调节器得到交流输出电压幅值改变量标幺值ΔU和角频率改变量标幺值Δω，从而动态调整交流输出电压的幅值和角频率，该调整作用到有功功率和无功功率模型上，进行有功和无功的精确控制。
3.如权利要求2所述的一种含电池和超级电容的低压微电网并离网控制方法，其特征在于：所述有功功率和无功功率模型的描述如下：
其中，P为储能变流器输出有功功率标幺值，正数代表发出有功，负数代表吸收有功；Q为储能变流器输出无功功率标幺值，正数代表发出无功，负数代表吸收无功；Ub为交流母线线电压额定值，Sb为储能变流器功率额定值，R为储能变流器交流输出侧到交流母线之间一次电缆单相电阻，ΔU为有功环比例积分调节器输出的电压幅值的改变量标幺值，Δω为无功环调节器输出的电压角频率的改变量标幺值。
4.如权利要求1所述的一种含电池和超级电容的低压微电网并离网控制方法，其特征在于：所述步骤2中，微网控制器设置并网模式控制子模块，其功能是：微网控制器直接给电池的储能变流器下发有功指令Pref和无功指令Qref，该指令数值为微网使用者需要微网***向电网馈送的有功功率和无功功率，而超级电容的储能变流器有功和无功指令直接设置为零。
5.如权利要求1所述的一种含电池和超级电容的低压微电网并离网控制方法，其特征在于：所述步骤2中，微网控制器设置离网模式控制子模块，其功能是：微网控制器将两台储能变流器实际输出的有功和无功功率之和作为有功指令Pref和无功指令Qref下发给电池的储能变流器，超级电容的储能变流器的有功无功指令仍设置为零。
6.如权利要求1所述的一种含电池和超级电容的低压微电网并离网控制方法，其特征在于：所述步骤2中，微网控制器设置并网转离网控制子模块，其功能是：设Pin和Qin为当前经联络线流入微网有功功率和无功功率的标幺值，流入为正；对于电池的储能变流器，当未进行转离网流程时，并网转离网控制子模块输出的有功无功调整量PL和QL均设置为零，当进行转离网流程时，PL和QL分别设置为Pin和Qin；对于超级电容的储能变流器，PL和QL恒为零；并网转离网控制子模块对进行功率调整后的联络线实时功率持续判断，当有功功率和无功功率均小于转离网功率阈值后，发出分断路器指令。
7.如权利要求1所述的一种含电池和超级电容的低压微电网并离网控制方法，其特征在于：所述步骤2中，微网控制器设置离网转并网控制子模块，其功能是：输入联络线断路器***侧电压幅值Usys、微网侧电压幅值Umg以及***侧电压角频率ωsys、微网侧电压角频率ωmg，用***侧电气量减去微网侧电气量得到联络线断路器两侧交流电压幅值差标幺值ΔUg和角频率差标幺值Δωg下发给电池的储能变流器，分别叠加到ΔU和Δω上，其中，ΔU为有功环比例积分调节器输出的电压幅值的改变量标幺值，Δω为无功环调节器输出的电压角频率的改变量标幺值；若在一定时间窗口内断路器两侧电压的幅值差、角频率差和相角差均小于并网阈值，微网控制器合上联络线开关，否则本次转并网失败，等待下一次并网指令。
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