CN113690947A - 一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略，所述方法包括：面向典型家庭用户能量供给与需求情况，设计以家用电能路由器为核心的家庭能量***总体架构；考虑光伏的间歇性，采用一种改进的变步长扰动观测方法对光伏***进行控制；基于锂电池与超级电容器构建混合储能***，通过转换器将***并联到直流母线，基于下垂控制理论调节充放电功率；并网变流器采用功率下垂控制以确保并网过程中电能的稳定传输，为使交流侧电流动态响应速度更快，采用一种基于dq坐标系的矢量解耦直流控制策略；面向***并网和离网两种模式以及直流母线电压在允许的三级变化范围，共计六种运行模式，提出家用电能路由器相应的功率控制策略。

Description

一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略
技术领域
本发明涉及直流微网功率控制领域，尤其涉及一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略。
背景技术
随着能源行业的不断发展，现有的电力***仍然是未来能源互联网的主体。尽管能源互联网能源形式多样，但电能可以很容易地转换成其他形式的能量，电能在传输效率和经济性方面具有巨大优势。因此，家用电能路由器作为一种家庭用户级别的能量管理装置也受到广泛关注。
目前，传统配电网面临着各种各样的问题和挑战：一方面，目前配电网结构的脆弱性不足以支持大量可再生能源的接入，而且节点自治性差、自由度低的问题日益严重；另一方面，分布式电源具有高不确定性、高不可控性、分布广、位置偏远、运行环境恶劣、设备可靠性低、运行维护工作量大等特点。电力***也正朝着“源网荷储”协调优化运行的新阶段发展，将成为未来能源互联网的核心和纽带。在未来，电力***由自下而上的电能自治单元通过点对点互连形成。它是一个开放、互联、对等和共享的***，需要高度集成信息和电能，需要精确、连续、快速和灵活的控制方法。传统的分布式发电并网装置无法实现对用户电能的调度和独立管理，用户侧缺乏实现电能管理和控制的设备。在此背景下，基于电力电子技术的“电力路由器”概念应运而生。电力路由器是从电力电子变压器的结构演变而来的，其发展过程经历了高频变压器、全电子变压器、智能高频变压器、高压高频变压器、多端口路由变压器几个阶段。目前，电力路由器可以实现分布式能源发电设备、储能设备和现有电网的智能管理和控制，实现电能调度控制功能。
其中，基于多端口路由变压器结构的电源路由器一般用于中小功率场合，适用于用户侧低压配电***与家庭分布式电源之间的功率转换和功率控制。现有电源路由器的电气拓扑设计已基本成熟，但对其控制策略的研究迫在眉睫。现有研究大多讨论了孤岛模式下直流微电网的运行和控制。由于缺乏后备储能设备，当能量过剩或短缺时***稳定性差，应用受到限制；也有直接研究并网下的运行状态，但在电网的大力支持下，忽略了光伏等微电源与储能的协调控制，没有充分考虑剩余容量等因素的影响，损害电池使用寿命。因此，目前亟需研究一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略。
发明内容
本发明提供了一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略，该方法可靠、有效实现对以面向家用电能路由器为核心的直流微网功率控制。
本发明通过下述技术方案来实现：一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略，步骤如下：
S1：面向典型家庭用户能量供给与需求情况，以家用电能路由器为核心，设计家庭能量管理***总体架构，涵盖电网接口、光伏***、混合储能***、交流负荷和直流负荷，作为家庭用户的家庭能量管理***，家用电能路由器连接到电网、光伏***、混合储能***、交流负荷和直流负荷，并设置电表；
S2：采用一种改进的变步长扰动观测方法对光伏***进行控制；
S3：基于锂电池与超级电容器构建混合储能***，通过转换器将混合储能***并联到直流母线，以下垂控制理论为基础，根据直流母线电压的大小调节充放电功率；
S4：并网变流器采用功率下垂控制以确保并网过程中电能的稳定传输，为使交流侧电流动态响应速度更快，采用一种基于dq坐标系的矢量解耦直流控制策略；
S5：根据家庭能量管理的特点和直流微网控制要求，家庭能量管理***分为并网和离网两种模式，直流母线电压在允许的变化范围内分为三级，家庭能量管理***共计六种运行模式，提出家用电能路由器相应的功率控制策略。
进一步优选，步骤S1中，当家庭能量管理***有足够的电能时，可以确保负载正常运行，当家庭能量管理***电能不足时，可通过负荷转换器调节以降低功率运行，以维持家庭能量管理***功率平衡。
进一步优选，步骤S2具体为：首先采集光伏电池的输出电压和电流信号，然后计算输出功率；通过比较前一时刻的电压幅值与当前电压幅值之间的绝对差值，得出误差精度，进而可以判断光伏电池是否在最大工作功率点附近运行；如果是，此时光伏***将继续运行；否则将根据步长中给出的公式为参考电压指定一个新值。
进一步优选，步骤S3中，混合储能***由锂电池与超级电容器构成；根据下垂控制的理论思想，超级电容器充放电功率-直流母线电压(P SC-U dc)、锂电池充放电功率-超级电容器电压(P Bat -U SC)的下垂特性的数学表达式如下：
Figure 5075DEST_PATH_IMAGE001
式中，P SC表示超级电容器功率、P SC_disc_Limit表示超级电容器放电功率限制、P SC_char_Limit表示超级电容器充电功率限制、P Bat表示锂电池功率、P Bat_disc_Limit锂电池放电功率限制、P Bat_char_Limit表示锂电池充电功率限制；U dc表示直流母线电压、U dc_low表示直流母线电压下限、Udc_high表示直流母线电压上限、U SC表示超级电容器电压、U SC-low 表示超级电容器电压下限以及U SC_high表示超级电容器电压上限；k1代表P SC-U dc下垂特性曲线的下垂系数和k2代表P Bat -U SC下垂特性曲线的下垂系数、C1代表P SC-U dc下垂特性曲线的截距，为常数、C2代表P Bat -U SC下垂特性曲线的截距，为常数；
基于下垂控制理论，设计混合储能变流器控制电路，锂电池和超级电容器通过转换器并联到直流母线，根据直流母线电压的大小调节充放电功率。
进一步优选，步骤S4中， 为了保证并网过程中电能的稳定传输，并网变流器在并网模式下采用功率降控制，并网变流器电源直流母线电压P GCC -U dc 下垂特性的数学表达式为：
Figure 976442DEST_PATH_IMAGE002
式中，P GCC表示并网变流器功率、P GCC_rect_Limit表示并网变流器最大整流功率、P GCC_inv_Limit表示并网变流器最大逆变功率；U dc_low1表示直流母线电压一级下限、U dc_low2表示直流母线电压二级下限、U dc_high1表示直流母线电压一级上限、U dc_high2表示直流母线电压二级上限、k3表示P GCC -U dc 下垂特性曲线的下垂系数、C3表示P GCC -U dc 下垂特性曲线的截距一、C4表示P GCC -U dc 下垂特性曲线的截距二，C3和C4为常数。
进一步优选，步骤S5中，通过直流母线将分布式电源、储能、负载以及MG和配电网的交换电源解耦，可以得到直流微网的直流母线等效电路，直流母线功率平衡为：
Figure 514870DEST_PATH_IMAGE003
式中，P C 表示直流母线等效电容功率、P PV 表示光伏***发电功率、P G 表示电网功率、P HES 表示混合储能***功率、P L 表示负载功率；
直流母线电压U dc和直流母线等效电容功率P C 关系为：
Figure 571688DEST_PATH_IMAGE004
Figure 978399DEST_PATH_IMAGE005
式中C表示等效电容，如需维持电压稳定，则有：
Figure 945218DEST_PATH_IMAGE006
Figure 47690DEST_PATH_IMAGE007
式中，I HES 表示混合储能***电流；
在并网模式下，光伏***通常采用MPPT控制策略。当U dc ≥U dc_high 或U dc ≤U dc_low 时，并网变流器采用下垂控制策略；当U dc_low ≤U dc ≤U dc_high ，混合储能***用作主控制单元，采用下垂控制策略；
在离网模式下，并网变流器不工作。当U dc ≥U dc_high ，光伏***从MPPT控制策略运行转换为降功率控制；当U dc_low ≤U dc ≤U dc_high 时，混合储能***为主控单元，采用下垂控制；当U dc ≤U dc_low 时，负荷转换器执行削负荷操作，以保持直流母线电压稳定。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明与现有的电能路由器相比，本多端口电能路由器拓扑，不仅实现了电压转换、可靠的电气隔离、独立端口设计、双向能量流等基本要求，而且降低了设备成本，提高了效率，减少了占用空间，提升了使用的灵活性。
2、本发明提出一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略，可应对多种场景，该方法能够可靠、有效实现对以面向家用电能路由器为核心的直流微网功率控制。
附图说明
图1为家用电能路由器应用场景；
图2为家庭能量管理***总体架构图；
图3为混合储能***下垂控制地电路；
图4为基于dq坐标系的矢量解耦直流控制电路；
图5为家用电能路由器功率控制示意图；
图6为并网模式仿真结果；
图7为离网模式仿真结果；
图8为并网-离网-再并网操作仿真结果；
图中：1-光伏***；2-交流负荷和直流负荷；3-电表；4-电网；5-电能路由器；6-混合储能***；AC\DC表示交流-直流转换器；DC\DC表示直流-直流转换器；PI表示比例积分控制器；PWM表示脉冲宽度调制器；Ib- Usc下垂表示锂电池电流-超级电容器电压下垂特性；Isc- Udc下垂表示超级电容器电流-母线电压下垂特性；abc/dq表示abc到dq坐标轴转换；ωL表示电感感抗；Ib表示锂电池输出电流；Usc、Usc_ref分别表示超级电容器的电压和电压参考值；Isc表示超级电容器的输出电流；Udc、Udc_ref分别表示直流母线电压及其参考值；u a 、u b 、u c 分别表示三相电压；i a 、i b 、i c 分别表示三相电流；u d 、u q 分别表示dq坐标轴的电压分量；i d 、i q 分别表示dq坐标轴的电流分量；U dc_high 、U dc_rate 、U dc_low 分别表示直流母线电压划分的高、中、低三个电压等级。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为有效实现对以面向家用电能路由器为核心的直流微网功率控制，本发明实施例提供了一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略，详见下文描述：
S1：面向典型家庭用户能量供给与需求情况，以家用电能路由器5为核心，设计家庭能量管理***总体架构（如图1和图2所示），涵盖电网接口、光伏***1、混合储能***6、交流负荷和直流负荷2等；
S2：考虑到光的间歇性和波动性，MPPT算法可使光伏始终输出最大功率，采用一种改进的变步长扰动观测方法对光伏***1进行控制；
S3：基于锂电池与超级电容器构建混合储能***6，通过转换器将混合储能***6并联到直流母线，以下垂控制理论为基础，根据直流母线电压的大小调节充放电功率；
S4：并网变流器采用功率下垂控制以确保并网过程中电能的稳定传输，为使交流侧电流动态响应速度更快，采用一种基于dq坐标系的矢量解耦直流控制策略；
S5：根据家庭能量管理的特点和直流微网控制要求，家庭能量管理***分为并网和离网两种模式，直流母线电压在允许的变化范围内分为三级，家庭能量管理***共计六种运行模式，提出家用电能路由器相应的功率控制策略。
关于步骤S1： 作为家庭用户的家庭能量管理***，家用电能路由器5连接到电网4、光伏***1、混合储能***6、交流负荷和直流负荷2，并设置电表3，如图1所示。用户的交流负荷和直流负荷2主要包括供热、照明等冷热电气设备。当家庭能量管理***有足够的电能时，可以确保负载正常运行，当家庭能量管理***电能不足时，可通过负荷转换器调节以降低功率运行，以维持家庭能量管理***功率平衡。
关于步骤S2：首先采集光伏电池的输出电压和电流信号，然后计算输出功率；通过比较前一时刻的电压幅值与当前电压幅值之间的绝对差值，得出误差精度，进而可以判断光伏电池是否在最大工作功率点附近运行；如果是，此时光伏***1将继续运行；否则将根据步长中给出的公式为参考电压指定一个新值。
关于步骤S3：混合储能***6由锂电池与超级电容器构成，锂电池储能是一种能量型储能，具有较高的能量密度，但功率密度较低，适用于能源需求量大的场合。超级电容器为功率型储能，功率密度高，但能量密度低，适用于短时间内功率需求大的场合。将锂电池和超级电容器结合作为混合储能***6，可以兼顾两者的优点，不仅可以提高利用效率，还可以减少充放电次数，延长使用寿命。
根据下垂控制的理论思想，超级电容器充放电功率-直流母线电压(P SC-U dc)、锂电池充放电功率-超级电容器电压(P Bat -U SC)的下垂特性的数学表达式如下：
Figure 60646DEST_PATH_IMAGE001
式中，P SC表示超级电容器功率、P SC_disc_Limit表示超级电容器放电功率限制、P SC_char_Limit表示超级电容器充电功率限制、P Bat表示锂电池功率、P Bat_disc_Limit锂电池放电功率限制、P Bat_char_Limit表示锂电池充电功率限制；U dc表示直流母线电压、U dc_low表示直流母线电压下限、Udc_high表示直流母线电压上限、U SC表示超级电容器电压、U SC-low 表示超级电容器电压下限以及U SC_high表示超级电容器电压上限；k1代表P SC-U dc下垂特性曲线的下垂系数和k2代表P Bat -U SC下垂特性曲线的下垂系数、C1代表P SC-U dc下垂特性曲线的截距，为常数、C2代表P Bat -U SC下垂特性曲线的截距，为常数。
基于下垂控制理论，设计混合储能变流器控制电路，锂电池和超级电容器通过转换器并联到直流母线，根据直流母线电压的大小调节充放电功率。如图3所示，锂电池控制电路结构方面，基于锂电池电流-超级电容器电压的下垂特性，将输入信号传递至PI控制器，再经过PWM调制器进行信号调制，输出控制信号；超级电容器控制电路结构方面，基于超级电容器电流-直流母线电压的下垂特性，将输入信号传递至PI控制器，再经过PWM调制器进行信号调制，最后输出控制信号。
关于步骤S4： 为了保证并网过程中电能的稳定传输，并网变流器在并网模式下采用功率降控制。并网变流器电源直流母线电压（P GCC -U dc ）下垂特性的数学表达式为：
Figure 536626DEST_PATH_IMAGE002
式中，P GCC表示并网变流器功率、P GCC_rect_Limit表示并网变流器最大整流功率、P GCC_inv_Limit表示并网变流器最大逆变功率；U dc_low1表示直流母线电压一级下限、U dc_low2表示直流母线电压二级下限、U dc_high1表示直流母线电压一级上限、U dc_high2表示直流母线电压二级上限、k3表示P GCC -U dc 下垂特性曲线的下垂系数、C3表示P GCC -U dc 下垂特性曲线的截距一、C4表示P GCC -U dc 下垂特性曲线的截距二，C3和C4为常数。
根据是否检测到交流侧电流信号作为反馈量和控制量，并网变流器的控制策略可分为“间接电流控制”和“直流电流控制”。与间接电流控制相比，直流控制引入交流侧电流反馈，***的交流侧电流动态响应速度更快。因此并网变流器采用一种基于dq坐标系的矢量解耦直流控制策略，如图4所示，通过将a、b、c三相电压、电流通过abc-dq相坐标变换为d、q电压、电流分量，然后通过PI控制器再经过PWM调制器输出控制信号。
关于步骤S5：对于直流微网，由于无需考虑无功功率，直流母线电压是重要的指标，反映了***功率平衡。分布式电源、负载功率的随机变化以及与电网的功率交换都会对母线电压产生一定的影响。通过直流母线将分布式电源、储能、负载以及MG和配电网的交换电源解耦，可以得到直流微网的直流母线等效电路。直流母线功率平衡为：
Figure 951427DEST_PATH_IMAGE008
式中，P C 表示直流母线等效电容功率、P PV 表示光伏***发电功率、P G 表示电网功率、P HES 表示混合储能***功率、P L 表示负载功率。
直流母线电压U dc和直流母线等效电容功率P C 关系为：
Figure 362817DEST_PATH_IMAGE009
Figure 128648DEST_PATH_IMAGE010
式中C表示等效电容，如需维持电压稳定，则有：
Figure 877161DEST_PATH_IMAGE011
Figure 552993DEST_PATH_IMAGE012
式中，I HES 表示混合储能***电流。理论上，只要混合储能***6能够提供足够大的电流，无论光伏功率和负载如何变化，直流母线电压U dc都可以保持稳定。但事实上，混合储能***6的电流不可能达到无穷大。因此，直流母线电压允许在小范围内波动，并可在一定范围内稳定。
根据家庭能量管理的特点和直流微网控制要求，家庭能量管理***分为并网和离网两种模式，直流母线电压在允许的变化范围内分为三级，家庭能量管理***共计六种运行模式，提出家用电能路由器相应的功率控制策略。
在并网模式下，光伏***1通常采用MPPT控制策略。当U dc ≥U dc_high 或U dc ≤U dc_low 时，并网变流器采用下垂控制策略；当U dc_low ≤U dc ≤U dc_high ，混合储能***6用作主控制单元，采用下垂控制策略。
在离网模式下，并网变流器不工作。当U dc ≥U dc_high ，光伏***1从MPPT控制策略运行转换为降功率控制；当U dc_low ≤U dc ≤U dc_high 时，混合储能***6为主控单元，采用下垂控制；当U dc ≤U dc_low 时，负荷转换器执行削负荷操作，以保持直流母线电压稳定。
下面以具体的实验来验证本发明实施例提供的方法的可行性，详见下文描述：
基于PSCAD / EMTDC仿真平台基于电能路由器5搭建直流微网，基于搭建的模型进行仿真，各设备在并网和离网模式下的具体控制方法如表1所示。
Figure 994338DEST_PATH_IMAGE013
并网模式下的各种场景，包括以下两类：
一、当照明条件良好时，光伏发电产生的电力优先于用户负荷。（1）混合储能***6未达到最大充放电功率，光伏***1的功率大于用户负载所需的功率，光伏发电优先于负载，剩余功率用于为混合储能***6充电。光伏发电的剩余功率未被完全吸收，然后集成到电网中；光伏发电的功率小于用户负荷所需的功率，当用户负载由电网供电时，光伏的功率用于为电池充电。（2）混合储能***6达到最大充放电功率，光伏***1的功率大于用户负载所需的功率，光伏发电的功率优先于负荷，剩余功率全部并网；光伏的功率小于用户负载所需的功率，光伏和电网一起提供负荷。
二、在夜间或多云时，光伏没有输出，电网向负荷供电。（1）混合储能***6未达到最大充放电功率，电网4为负载供电，并为电池充电；（2）混合储能***6达到最大充放电功率，电网向负荷供电。
离网模式的各种场景包括以下两类：
一、当照明条件良好时，光伏发电产生的电力优先于用户负荷。（1）光伏的功率大于用户负载所需的功率，将剩余功率存储在混合储能***6中；（2）光伏的功率小于用户负载所需的功率，混合储能***6和光伏***1一起向负载供电。
二、在夜间或多云时，光伏***1没有输出，此时混合储能***6向负载供电。
并网模式的仿真结果如图6所示；离网模式的仿真结果如图7所示；为了验证***并网和离网切换的可行性和稳定性，切换操作的仿真结果如图8所示。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略，其特征在于，步骤如下：
S1：面向典型家庭用户能量供给与需求情况，以家用电能路由器为核心，设计家庭能量管理***总体架构，涵盖电网接口、光伏***、混合储能***、交流负荷和直流负荷，作为家庭用户的家庭能量管理***，家用电能路由器连接到电网、光伏***、混合储能***、交流负荷和直流负荷，并设置电表；
S2：采用一种改进的变步长扰动观测方法对光伏***进行控制；
S3：基于锂电池与超级电容器构建混合储能***，通过转换器将混合储能***并联到直流母线，以下垂控制理论为基础，根据直流母线电压的大小调节充放电功率；
S4：并网变流器采用功率下垂控制以确保并网过程中电能的稳定传输，为使交流侧电流动态响应速度更快，采用一种基于dq坐标系的矢量解耦直流控制策略；
S5：根据家庭能量管理的特点和直流微网控制要求，家庭能量管理***分为并网和离网两种模式，直流母线电压在允许的变化范围内分为三级，家庭能量管理***共计六种运行模式，提出家用电能路由器相应的功率控制策略。
2.根据权利要求1所述的一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略，其特征在于，步骤S1中，当家庭能量管理***有足够的电能时，可以确保负载正常运行，当家庭能量管理***电能不足时，通过负荷转换器调节以降低功率运行，以维持家庭能量管理***功率平衡。
3.根据权利要求1所述的一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略，其特征在于，步骤S2具体为：首先采集光伏电池的输出电压和电流信号，然后计算输出功率；通过比较前一时刻的电压幅值与当前电压幅值之间的绝对差值，得出误差精度，进而可以判断光伏电池是否在最大工作功率点附近运行；如果是，此时光伏***将继续运行；否则将根据步长中给出的公式为参考电压指定一个新值。
4.根据权利要求1所述的一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略，其特征在于，步骤S3中，混合储能***由锂电池与超级电容器构成；根据下垂控制的理论思想，超级电容器充放电功率-直流母线电压P SC-U dc、锂电池充放电功率-超级电容器电压P Bat -U SC的下垂特性的数学表达式如下：
Figure 577247DEST_PATH_IMAGE001
式中，P SC表示超级电容器功率、P SC_disc_Limit表示超级电容器放电功率限制、P SC_char_Limit表示超级电容器充电功率限制、P Bat表示锂电池功率、P Bat_disc_Limit锂电池放电功率限制、P Bat_char_Limit表示锂电池充电功率限制；U dc表示直流母线电压、U dc_low表示直流母线电压下限、Udc_high表示直流母线电压上限、U SC表示超级电容器电压、U SC-low 表示超级电容器电压下限以及U SC_high表示超级电容器电压上限；k1代表P SC-U dc下垂特性曲线的下垂系数和k2代表P Bat -U SC下垂特性曲线的下垂系数、C1代表P SC-U dc下垂特性曲线的截距，为常数、C2代表P Bat -U SC下垂特性曲线的截距，为常数；
基于下垂控制理论，设计混合储能变流器控制电路，锂电池和超级电容器通过转换器并联到直流母线，根据直流母线电压的大小调节充放电功率。
5.根据权利要求4所述的一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略，其特征在于，步骤S4中， 为了保证并网过程中电能的稳定传输，并网变流器在并网模式下采用功率降控制，并网变流器电源直流母线电压P GCC -U dc 下垂特性的数学表达式为：
Figure 725332DEST_PATH_IMAGE002
式中，P GCC表示并网变流器功率、P GCC_rect_Limit表示并网变流器最大整流功率、P GCC_inv_Limit表示并网变流器最大逆变功率；U dc_low1表示直流母线电压一级下限、U dc_low2表示直流母线电压二级下限、U dc_high1表示直流母线电压一级上限、U dc_high2表示直流母线电压二级上限、k3表示P GCC -U dc 下垂特性曲线的下垂系数、C3表示P GCC -U dc 下垂特性曲线的截距一、C4表示P GCC -U dc 下垂特性曲线的截距二，C3和C4为常数。
6.根据权利要求4所述的一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略，其特征在于，步骤S5中，通过直流母线将分布式电源、储能、负载以及MG和配电网的交换电源解耦，可以得到直流微网的直流母线等效电路，直流母线功率平衡为：
Figure 405712DEST_PATH_IMAGE003
式中，P C 表示直流母线等效电容功率、P PV 表示光伏***发电功率、P G 表示电网功率、P HES 表示混合储能***功率、P L 表示负载功率；
直流母线电压U dc和直流母线等效电容功率P C 关系为：
Figure 879418DEST_PATH_IMAGE004
Figure 878205DEST_PATH_IMAGE005
式中C表示等效电容，如需维持电压稳定，则有：
Figure 564401DEST_PATH_IMAGE006
Figure 364867DEST_PATH_IMAGE007
式中，I HES 表示混合储能***电流；
在并网模式下，光伏***通常采用MPPT控制策略；当U dc ≥U dc_high 或U dc ≤U dc_low 时，并网变流器采用下垂控制策略；当U dc_low ≤U dc ≤U dc_high ，混合储能***用作主控制单元，采用下垂控制策略；
在离网模式下，并网变流器不工作；当U dc ≥U dc_high ，光伏***从MPPT控制策略运行转换为降功率控制；当U dc_low ≤U dc ≤U dc_high 时，混合储能***为主控单元，采用下垂控制；当U dc ≤U dc_low 时，负荷转换器执行削负荷操作，以保持直流母线电压稳定。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114204542A (zh) * 2021-12-14 2022-03-18 国网江苏省电力有限公司南通供电分公司 考虑风险敏感的能量路由器直流母线电压稳定性控制方法
CN116231707A (zh) * 2023-02-10 2023-06-06 广州汇锦能效科技有限公司 一种家用光伏及储能智慧能源***
CN116826848A (zh) * 2023-08-30 2023-09-29 大秦数字能源技术股份有限公司 一种用于直流耦合孤岛***的能量控制方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102904278A (zh) * 2012-09-20 2013-01-30 江苏万丰光伏有限公司 分布式并网光伏***电源
CN106058934A (zh) * 2016-07-21 2016-10-26 深圳市盛弘电气股份有限公司 微电网***及其控制方法
CN106803672A (zh) * 2016-12-06 2017-06-06 上海电力学院 家庭型能源局域网的能源路由器及控制策略
US20180219381A1 (en) * 2017-01-27 2018-08-02 Duke Energy Corporation Apparatuses including power electronics circuitry, and related methods of operation
CN108539729A (zh) * 2018-05-08 2018-09-14 上海电力学院 基于孤岛模式光储直流微电网的协调控制方法
CN110445183A (zh) * 2019-09-11 2019-11-12 清华大学 微网***中光伏变换器自治模式切换控制方法
CN113472016A (zh) * 2021-06-08 2021-10-01 浙江工业大学 一种户用型能量路由器的控制方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102904278A (zh) * 2012-09-20 2013-01-30 江苏万丰光伏有限公司 分布式并网光伏***电源
CN106058934A (zh) * 2016-07-21 2016-10-26 深圳市盛弘电气股份有限公司 微电网***及其控制方法
CN106803672A (zh) * 2016-12-06 2017-06-06 上海电力学院 家庭型能源局域网的能源路由器及控制策略
US20180219381A1 (en) * 2017-01-27 2018-08-02 Duke Energy Corporation Apparatuses including power electronics circuitry, and related methods of operation
CN108539729A (zh) * 2018-05-08 2018-09-14 上海电力学院 基于孤岛模式光储直流微电网的协调控制方法
CN110445183A (zh) * 2019-09-11 2019-11-12 清华大学 微网***中光伏变换器自治模式切换控制方法
CN113472016A (zh) * 2021-06-08 2021-10-01 浙江工业大学 一种户用型能量路由器的控制方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114204542A (zh) * 2021-12-14 2022-03-18 国网江苏省电力有限公司南通供电分公司 考虑风险敏感的能量路由器直流母线电压稳定性控制方法
CN114204542B (zh) * 2021-12-14 2024-03-29 国网江苏省电力有限公司南通供电分公司 考虑风险敏感的能量路由器直流母线电压稳定性控制方法
CN116231707A (zh) * 2023-02-10 2023-06-06 广州汇锦能效科技有限公司 一种家用光伏及储能智慧能源***
CN116231707B (zh) * 2023-02-10 2024-01-30 广州汇锦能效科技有限公司 一种家用光伏及储能智慧能源***
CN116826848A (zh) * 2023-08-30 2023-09-29 大秦数字能源技术股份有限公司 一种用于直流耦合孤岛***的能量控制方法
CN116826848B (zh) * 2023-08-30 2023-11-07 大秦数字能源技术股份有限公司 一种用于直流耦合孤岛***的能量控制方法

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