CN110649590B - 一种联网型直流微电网能量协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种联网型直流微电网能量协同控制方法，包括根据直流微电网的直流母线电压值划分不同的电压级层，将电压级层设为各工作模式，且各个工作模式中具有至少一个本地单元控制直流母线电压，保持***功率平衡；针对直流微电网中各本地单元设计控制方法，针对直流母线电压变化时切换不同的工作模式。本发明提供的联网型直流微电网能量协同控制方法，能够根据直流微电网的工作电压值实施调整工作模式，维持了***功率平衡，满足了在无通信条件下各单元“即插即用”要求。
Description
技术领域
本发明涉及直流微电网能量协调技术领域，特别是，涉及联网型的直流微电网能量协同控制方法。
背景技术
在针对微电网的研究中，直流微电网通过直流母线连接分布式电源和储能向***相应的负荷提供能量，由于光伏等新能源发电单元产生的电能大部分为直流电，采用直流微电网不仅减少了交直流变换装置，降低了成本和不必要的损耗，并且直流电网内不存在频率波动、无功功率损失等问题，因此对直流微电网的研究越来越热门。
由于分布式能源通常具有一定间歇性、波动性，因此微网***需要与可靠的公共电网相联，同时随着通信技术和电力电子技术的发展，传统电网正在逐步向智能电网转型与发展，将形成基于能量路由器(Energy Router，ER)的智能能源网络，能量路由器作为连接公共电网与微电网的关键设备，能够起到提高分布式能源消纳与电能灵活使用的作用。
智能微电网的控制方法主要分为主从控制、对等控制和分层控制，其中，分层控制在智能微电网***中较为广泛得得到了应用。目前针对智能微网研究主要集中在能量路由器拓扑及微网***架构上，对微网与公共电网的交互研究较少。因此，提出一种针对包含能量路由器的联网型直流微电网分布式控制，同时考虑储能单元的SOC情况和额定功率限值，实现无通信条件下各单元“即插即用”要求的方法十分有必要。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种联网型直流微电网能量协同控制方法，包括，
根据直流微电网的直流母线电压值划分不同的电压级层，将电压级层设为各工作模式，且各个工作模式中具有至少一个本地单元控制直流母线电压，保持***功率平衡；
针对直流微电网中各本地单元设计控制方法，针对直流母线电压变化时切换不同的工作模式。
作为本发明所述联网型直流微电网能量协同控制方法的一种优选方案，其中：所述工作模式根据所述直流母线电压值划分，所述直流母线电压值参考直流母线电压波动范围上下限UH2～UL2和分层电压值范围上下限UH1～UL1。
作为本发明所述联网型直流微电网能量协同控制方法的一种优选方案，其中：所述本地单元包括能量路由器，所述能量路由器连接所述直流微电网和公共电网。
作为本发明所述联网型直流微电网能量协同控制方法的一种优选方案，其中：所述直流微电网包括发电单元、储能单元和负荷单元。
作为本发明所述联网型直流微电网能量协同控制方法的一种优选方案，其中：当所述直流母线电压值在于UL1～UH1内时，将所述直流微电网设为工作模式1；在所述工作模式1中，所述发电单元按照发电最大消纳原则采用MPPT控制，由储能单元为主要控制单元来维持***功率和能量平衡，能量路由器处于备用状态。
作为本发明所述联网型直流微电网能量协同控制方法的一种优选方案，其中：当所述直流母线电压值在于UL1～UH1内时，储能单元可能进入限功率状态，依靠能量路由器维持直流母线电压稳定，分布式电源在MPPT模式下工作，此时直流微电网为工作模式2。
作为本发明所述联网型直流微电网能量协同控制方法的一种优选方案，其中：当所述直流母线电压值在(UH1，UH2)范围内时，直流微电网***内功率过剩，此时可通过能量路由器向交流电网输出能量并控制直流母线电压，此时直流微电网为工作模式2-1；
当所述直流母线电压值在(UL1，UL2)范围内时，直流微电网***内缺乏能量，此时交流电网可通过能量路由器向直流微电网提供能量，此时直流微电网为工作模式2-2。
作为本发明所述联网型直流微电网能量协同控制方法的一种优选方案，其中：所述直流母线电压范围在于直流母线电压上限UH2和最大限制UH3内时，能量路由器工作在限功率状态，分布式发电单元将由MPPT模式切换至降压恒功率模式，以维持***功率平衡。
作为本发明所述联网型直流微电网能量协同控制方法的一种优选方案，其中：针对所述储能单元，采用基于SOC的自适应下垂控制；针对所述能量路由器的整流级采用双环控制，针对所述能量路由器的隔离级采用电压环和电流环的双闭环控制；针对所述发电单元，采用降功率恒压控制。
本发明的有益效果：本发明提供的联网型直流微电网能量协同控制方法，能够根据直流微电网的工作电压值实施调整工作模式，维持了***功率平衡，满足了在无通信条件下各单元“即插即用”要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明所采用的直流微电网结构；
图2为本发明采用的能量路由器拓扑结构；
图3为本发明储能单元控制的双象限下垂曲线；
图4为本发明采用的能量路由器整流级控制；
图5为本发明采用的能量路由器隔离级控制；
图6为本发明采用的光伏发电单元控制；
图7为本发明在光伏波动工况下直流微电网的工况图；
图8为本发明在负荷波动及电网故障工况下的直流微电网的工况图；
图9为本发明的联网型直流微电网能量协同控制方法的步骤图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
图1为本发明所采用的直流微电网结构，由图1可以看出，本发明所研究的直流微电网包含了以光伏为代表的分布式发电单元，能够补偿微网能量缺额、保证微网平衡的储能单元，多类型的负荷单元，以及连接直流微电网与交流电网的能量路由器(ER)，支持能量在直流微网与外界电网间双向流动。各单元均通过双向DC-DC变换器连接在直流母线上。
本发明涉及一种联网型直流微电网能量协同控制方法，包括以下步骤：
步骤一：根据直流微电网的母线电压值划分不同的电压级层，定义不同的电压级层为不同的工作模式，并保证每个工作模式中都有至少一个单元控制直流母线电压，保持***功率平衡。
在直流微电网中，母线电压是否稳定是***内有功功率是否处于平衡的直接表示。根据直流母线电压值划分的工作模式具体为：设置直流母线额定电压U取380V，直流母线电压的变化量ΔU，其中，直流母线波动范围的上下限为UH2、UL2，分层电压的上下限为UH1、UL1，将直流微电网运行模式分为以下工作模式：
工作模式1：直流母线额定电压的波动范围|ΔU|<10V，即电压在UL1～UH1，分布式发电单元按照我国可再生能源发电最大消纳原则采用MPPT控制，由储能单元为主要控制单元来维持***功率和能量平衡，能量路由器处于备用状态。
工作模式2：母线电压波动范围为10V<|ΔU|<20V时，此时微网内发电单元与负荷单元的供需差不断增大或减小，储能单元可能进入限功率状态，此时可以依靠能量路由器维持直流母线电压稳定。分布式电源依然工作在MPPT模式。
此工作模式下又可细分为两种模式：当母线电压为(UH1，UH2)区间时，直流微电网***内功率过剩，此时可通过能量路由器向交流电网输出能量并控制直流母线电压，定义此时为工作模式2-1；当母线电压为(UL1，UL2)区间时，直流微电网***内缺乏能量，此时交流电网可通过能量路由器向直流微电网提供能量，定义此时为工作模式2-2。
若本地负荷需求无法满足导致母线电压下降得过低时，为维持母线电压稳定，能量路由器采取切负荷工作，直流微网通过能量路由器接收能量。
工作模式3：发电单元发电过剩导致母线电压偏高，母线电压范围为(UH2～UH3)时，其中UH3为直流母线电压波动的最大限制，能量路由器工作在限功率状态，分布式发电单元将由MPPT模式切换至降压恒功率模式，以维持***功率平衡。
步骤二、针对直流微电网中各本地单元设计控制方法，以应对直流母线电压变化时***不同工作模式的切换。
针对储能单元，本文采用基于SOC的自适应下垂控制，针对传统
下垂控制不能根据储能单元不同容量分配功率的特点进行改进。传统下垂控制方程表示为：
Urefi＝U0-kiPrefi (2)
式中，Urefi和Prefi分别为第i个储能单元的输出电压和输出有功功率，U0为额定母线参考电压值，ki为下垂系数。
改进后的下垂系数表示为：
式中，ki′为改进后的下垂系数；SOCi、SOCmax、SOCmin分别为储能单元的SOC值及SOC上下限值；Prefi<0时储能单元工作在充电模式，Prefi>0时储能单元工作在放电模式。改进后的下垂控制式则表示为：
Urefi＝U0-k′i Prefi (4)
以充电模式为例：默认各储能单元的输出电压均相等，联合式(2)～(4)可以得到：
通过式(5)和图4可得知，充电模式时，SOC较大的储能单元充电功率较小，放电模式时，SOC较小的储能单元放电较慢，反之亦然。该策略能有效实现储能单元输出功率的合理分配，满足即插即用的要求。
考虑到储能充电和放电频繁会影响电池寿命，设置当储能单元的SOC达到限值时，储能停止充电或放电。
能量路由器的基本结构如图2所示，主要分为整流级、隔离级(DAB)、逆变级，本文研究部分主要为直流微网，因此不包括逆变级。能量路由器可以实现电网之间的功率交换，同时隔离级可以保证电能质量和***稳定性。当直流微电网内存在多余功率时，可以通过能量路由器将能量传给交流电网；当直流微电网内出现功率缺额时，能量路由器会通过交流电网向直流微电网输送功率。
针对能量路由器的整流级，采用的是双闭环反馈控制策略，保证输出的电压稳定，其中电压环和电流环的双环控制也保证了响应速度。由整流***的数学模型可知，整流级的电压和电流存在耦合，因此需要设计电压电流解耦模块，实现无静差控制。***控制如图5所示，其中，U0为直流侧电压的参考值和实际采样值，iabc为交流侧三相输入电流，id、iq为经过dq变换后的电流d轴、q轴电流值，/>为电流内环d轴、q轴参考值，ud、uq为交流侧三相输入电压经dq变换后的d轴、q轴电压值，/>为内环输出电压值。
针对隔离级控制，由于隔离级直接与直流微电网的母线相连，因此隔离级的主要目标是输出稳定的直流母线电压。因此采用的是双闭环控制，如图5所示，其中，Udc_ref为直流母线电压参考值，Udc为直流母线电压实际值，Idc_ref为经电压外环得到的直流侧电流参考值，Idc为实际电流值。
针对光伏发电单元，当直流微电网工作在工作模式3时，光伏发电单元存在剩余功率，影响了直流微电网的稳定运行，因此类似于ER控制，将光伏发电单元控制切换至降功率恒压控制。如图6所示，其中，Vpv为光伏发电单元端电压，Ipv为光伏发电单元输出电流，Ipv_ref为经PI控制得到的参考电流，Vpv_ref为电压参考值。为证明本发明协调控制策略方法的有效性，本实施例搭建了如图1所示的直流微电网模型，其中包含1组分布式光伏发电单元，额定功率15kW；2组储能能源，储能单元1和储能单元2的额定功率分别为3kW和6kW，限制充放电安全限制范围为20％～90％；所有分布式单元通过能量路由器连接至交流大电网，能量路由器额定功率为6kW。直流微电网额定母线电压设定为380V，文中划分的电压区间如表1所示。
表1电压级层区间划分
图7为本发明模型在光伏波动情况下直流微电网的运行状态。初始状态时，分布式光伏单元发出功率为8kW，***中初始直流负荷为4.5kW，储能单元工作在放电状态，储能单元1和储能单元2的功率分别为1.5kW和2kW，SOC值分别为70％和60％，能量路由器处于待机状态，此时***运行在工作模式1，直流母线电压对应为384.4V。
t＝1s时，光伏单元发电功率增大至12kW，直流微电网***的总功率增加，直流母线电压相应地上升。储能单元对直流母线电压失去控制作用，变为限功率控制，此时***工作在模式2-1的电压级层内，直流母线电压上升至396.9V左右。通过能量路由器将***内剩余的功率传输给交流电网，并控制直流母线电压稳定，光伏***工作在MPPT模式。
t＝2s时，光伏单元发电功率继续增大至14.7kW，直流母线电压持续升高至407V，能量路由器继续向交流电网输出功率，此时能量路由器运行在最大功率状态。此时为了维持***内功率平衡，光伏单元由MPPT模式切换至恒功率模式，并控制直流母线电压，此时***运行在工作模式3。
同时，当采用改进的自适应下垂控制时，SOC较大的储能单元承担的输出功率较多，而SOC较小的储能单元输出的功率较少，与传统的下垂控制策略相比，该控制策略能根据储能单元的SOC合理分配输出功率。
图8为本发明模型在负载波动情况和电网故障工况下直流微电网的运行状态。初始状态时，光伏单元不工作，直流微电网内初始负荷为12kW，储能单元以最大功率输出为负荷提供能量，储能单元1和单元2的SOC为80％、70％。同时能量路由器也向微电网传输功率并控制直流母线电压，此时***运行在工作模式2-2，直流母线电压约为366.7V。
t＝1s时，光伏单元开始出力，输出功率为13.4kW，直流母线电压上升至387V左右，此时***工作在模式1。能量路由器无需从交流电网吸取功率输送，因此处于待机状态，此时由储能单元进行母线电压控制。
t＝2s时，直流微电网***内负荷功率减少4kW，能量路由器将***内多余功率向交流电网传输，并控制直流母线电压稳定，此时***工作在工作模式2-1下。
t＝3s时，设置交流电网出现故障，能量路由器切断与交流电网的连接，直流微电网能运行在孤岛模式。当t＝3.6s时交流电网恢复正常运行，直流微电网依然能恢复至故障前的运行模式。同时，改进的自适应下垂控制也能实现合理的储能单元功率输出，并应对***中出现的故障工况。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种联网型直流微电网能量协同控制方法，其特征在于：包括，
根据直流微电网的直流母线电压值划分不同的电压级层，将电压级层设为各工作模式，且各个工作模式中具有至少一个本地单元控制直流母线电压，保持***功率平衡；
针对直流微电网中各本地单元设计控制方法，针对直流母线电压变化时切换不同的工作模式；
所述工作模式根据所述直流母线电压值划分，所述直流母线电压值参考直流母线电压波动范围上下限UH2～UL2和分层电压值范围上下限UH1～UL1；
所述本地单元包括能量路由器，所述能量路由器连接所述直流微电网和公共电网；所述直流母线电压范围在于直流母线电压上限UH2和最大限制UH3内时，能量路由器工作在限功率状态，分布式发电单元将由MPPT模式切换至降压恒功率模式，以维持***功率平衡；
针对储能单元，采用基于SOC的自适应下垂控制；针对所述能量路由器的整流级采用双环控制，针对所述能量路由器的隔离级采用电压环和电流环的双闭环控制；针对所述发电单元，采用降功率恒压控制;
当所述直流母线电压值在于UL1～UH1内时，将所述直流微电网设为工作模式1；在所述工作模式1中，所述发电单元按照发电最大消纳原则采用MPPT控制，由储能单元为主要控制单元来维持***功率和能量平衡，能量路由器处于备用状态;
当所述直流母线电压值在UH1～UH2范围内时，直流微电网***内功率过剩，此时可通过能量路由器向交流电网输出能量并控制直流母线电压，此时直流微电网为工作模式2-1；
当所述直流母线电压值在UL1～UL2范围内时，直流微电网***内缺乏能量，此时交流电网可通过能量路由器向直流微电网提供能量，此时直流微电网为工作模式2-2;
若本地负荷需求无法满足导致母线电压下降得过低时，为维持母线电压稳定，能量路由器采取切负荷工作，直流微网通过能量路由器接收能量;
发电单元发电过剩导致母线电压偏高，母线电压范围为UH2～UH3时，其中UH3为直流母线电压波动的最大限制，能量路由器工作在限功率状态，分布式发电单元将由MPPT模式切换至降压恒功率模式，以维持***功率平衡为工作模式3；
当直流微电网内存在多余功率时，可以通过能量路由器将能量传给交流电网；当直流微电网内出现功率缺额时，能量路由器会通过交流电网向直流微电网输送功率；
针对能量路由器的整流级，采用的是双闭环反馈控制策略，保证输出的电压稳定，其中电压环和电流环的双环控制也保证了响应速度；由整流***的数学模型可知，整流级的电压和电流存在耦合，因此需要设计电压电流解耦模块，实现无静差控制；
针对隔离级控制，由于隔离级直接与直流微电网的母线相连，因此隔离级的主要目标是输出稳定的直流母线电压，因此采用的是双闭环控制；
针对光伏发电单元，当直流微电网工作在工作模式3时，光伏发电单元存在剩余功率，影响了直流微电网的稳定运行，因此类似于ER控制，将光伏发电单元控制切换至降功率恒压控制。
2.根据权利要求1所述的联网型直流微电网能量协同控制方法，其特征在于：所述直流微电网包括发电单元、储能单元和负荷单元。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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