无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制方法和装置

申请号 CN201610850243.3 申请日 2016-09-23 公开(公告)号 CN106356836A 公开(公告)日 2017-01-25
申请人 许继集团有限公司; 国家电网公司; 许昌许继软件技术有限公司; 发明人 毋炳鑫; 李献伟; 谢卫华;
摘要 本 发明 涉及无通讯互联直流微 电网 离网 能量 平衡自主控制方法和装置,在直流微电网内部无法相互通讯时,获取储能装置自身的 荷电状态 ,以及储能DC/DC变流器的有功功率输出,然后根据储能装置的不同的荷电状态对直流 母线 电压 进行相应地调整,使 直流母线 电压稳定输出,同时,微电网中的各分布式电源变流器根据直流母线电压的变化情况,自动调整自身出 力 。本发明提供的控制方法能够平抑直流微电网系统离网运行中有功功率 波动 ,实现整个直流微电网离网状态下的能量平衡,尤其适用于各个变流器之间无通讯互联,更没有后台 控制器 集中控制的情况,并且能够提高直流微电网系统离网运行的可靠性,降低了直流微电网投资成本以及缩减了程序实现周期。
权利要求

1.一种无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制方法,其特征在于,首先,检测储能装置的SOC或者端电压以及储能DC/DC变流器的有功功率输出;然后,根据以下公式来调整储能DC/DC变流器的用于连接直流母线的一端输出的电压,使直流母线电压U稳定在一个设定的正常区间内:
U=Un+k*P+C,
其中,Un为直流母线电压额定值;k为储能DC/DC变流器输出电压调节系数,与储能装置的SOC或者端电压相关;P为储能DC/DC变流器有功功率输出;C为储能DC/DC变流器附加电压调节常数,与储能装置的SOC或者端电压相关;同时,微电网中的各分布式电源变流器根据直流母线电压的变化情况,自动调整自身出
2.根据权利要求1所述的无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制方法,其特征在于,
当储能装置的SOC或者端电压位于一个由设定的上正常阈值和下正常阈值构成的区间内时, 所述设定的正常区间为[UmL,UmH],UmL为设定的直
流母线正常运行时的低阈值,UmH为设定的直流母线正常运行时的高阈值,Pmax为储能DC/DC变流器的最大有功功率输出。
3.根据权利要求1所述的无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制方法,其特征在于,
当储能装置的SOC或者端电压大于设定的上正常阈值时,
所述设定的正常区间为[UmL,UmH],UmL为设定的直流母线正常运行时的
低阈值,UmH为设定的直流母线正常运行时的高阈值,Umax为所述直流母线电压的上限值,Umax>UmH,Pmax为储能DC/DC变流器的最大有功功率输出。
4.根据权利要求1所述的无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制方法,其特征在于,
当储能装置的SOC或者端电压小于设定的下正常阈值时,
所述设定的正常区间为[UmL,UmH],UmL为设定的直流母线正常运行时的
低阈值,UmH为设定的直流母线正常运行时的高阈值,Umin为直流母线电压的下限值,UmL>Umin,Pmax为储能DC/DC变流器的最大有功功率输出。
5.根据权利要求2或3或4所述的无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制方法,其特征在于,
设定一个小功率充放电区间[-Pm,Pm],当P位于[-Pm,Pm]时,在计算直流母线电压时,P取值为Pm。
6.根据权利要求4所述的无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制方法,其特征在于,
当储能装置的荷电状态小于设定的下正常阈值、且分布式电源变流器在最大出力下仍然无法满足全部负荷的功率需求时,根据预先设定的负荷优先等级切除一部分不重要负荷,保障重要负荷继续供电。
7.根据权利要求1所述的无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制方法,其特征在于,
实现所述微电网中的各分布式电源变流器根据直流母线电压的变化情况,自动调整自身出力的手段为:
当直流母线电压位于[Umin,UmH]时,分布式电源变流器的运行模式为最大功率跟踪模式;其中,UmH为设定的直流母线正常运行时的高阈值,Umin为直流母线电压的下限值。
8.根据权利要求7所述的无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制方法,其特征在于,
当直流母线电压U位于[UmH,Umax]时,分布式电源变流器限制功率运行,运行功率Pset的计算公式为:

其中, Umax为直流母线电压的上限值,Pmax为储能DC/DC变流器的最大有
功功率输出。
9.一种无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制装置,其特征在于,包括:
采集模,用于检测储能装置的SOC或者端电压以及储能DC/DC变流器的有功功率输出;
制模块,用于根据以下公式来调整储能DC/DC变流器的用于连接直流母线的一端输出的电压,使直流母线电压U稳定在一个设定的正常区间内:
U=Un+k*P+C,
其中,Un为直流母线电压额定值;k为储能DC/DC变流器输出电压调节系数,与储能装置的SOC或者端电压相关;P为储能DC/DC变流器有功功率输出;C为储能DC/DC变流器附加电压调节常数,与储能装置的SOC或者端电压相关;同时,微电网中的各分布式电源变流器根据直流母线电压的变化情况,自动调整自身出力。
10.根据权利要求9所述的无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制装置,其特征在于,
实现所述微电网中的各分布式电源变流器根据直流母线电压的变化情况,自动调整自身出力的手段为:
当直流母线电压位于[Umin,UmH]时,分布式电源变流器的运行模式为最大功率跟踪模式;
当直流母线电压U位于[UmH,Umax]时,分布式电源变流器限制功率运行,运行功率Pset的计算公式为:

其中,UmH为设定的直流母线正常运行时的高阈值,Umin为直流母线电压的下限值,Umax为直流母线电压的上限值,Pmax为储能DC/DC变流器的最大有功功率输出。

说明书全文

无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制方法和装置

技术领域

[0001] 本发明涉及无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制方法和装置,属于分布式发电直流微电网领域。

背景技术

[0002] 直流微电网比交流微电网省去了大量的变换装置,系统成本大大降低,如果将直流微电网应用到配电系统中,可使输出为直流电的分布式电源直接参与到家庭及企业使用的电子设备,增大了分布式能源的利用效率,有较好的应用前景。
[0003] 如图1所示,其为一种典型的直流微电网的拓扑结构,包括直流母线直流母线上连接有DC/DC变流器,该变流器与储能装置连接,比如:储能电池,由于该DC/DC变流器用于与储能装置连接,所以,将该变流器称为储能DC/DC变流器;而且,该直流微电网还包括分布式电源,通过对应的分布式电源变流器,比如DC/DC变流器或者分布式电源DC/AC变流器,与直流母线进行连接。
[0004] 直流微电网不存在频率相位无功功率等复杂控制,可以方便接入直流性质的微电源和直流负荷。直流微电网中各分布式电源分布分散,距离远近不同,因此直流微电网系统能量平衡管理难度比较大。在直流微电网的协调控制方案中,采用集中控制时,需要各控制器之间的通信联系,整个系统对控制部分及通信线路有很强的依赖性,当出现通信故障时,即微电网在离网运行下,直流微电网中的各个部分之间无法进行通讯,比如储能装置与其他直流负荷以及光伏组件等电源之间均无法实现通讯,那么,微电网中的直流母线上的电压就无法保持平衡,并且自恢复性难度大,可靠性大大降低。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制方法,用以解决在无法相互通讯时微电网中直流母线无法有效保持平衡的问题。本发明同时提供一种无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制装置。
[0006] 为实现上述目的,本发明的方案包括一种无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制方法,首先,检测储能装置的SOC或者端电压以及储能DC/DC变流器的有功功率输出;然后,根据以下公式来调整储能DC/DC变流器的用于连接直流母线的一端输出的电压,使直流母线电压U稳定在一个设定的正常区间内:
[0007] U=Un+k*P+C,
[0008] 其中,Un为直流母线电压额定值;k为储能DC/DC变流器输出电压调节系数,与储能装置的SOC或者端电压相关;P为储能DC/DC变流器有功功率输出;C为储能DC/DC变流器附加电压调节常数,与储能装置的SOC或者端电压相关;同时,微电网中的各分布式电源变流器根据直流母线电压的变化情况,自动调整自身出
[0009] 当储能装置的SOC或者端电压位于一个由设定的上正常阈值和下正常阈值构成的区间内时, 所述设定的正常区间为[UmL,UmH],UmL为设定的直流母线正常运行时的低阈值,UmH为设定的直流母线正常运行时的高阈值,Pmax为储能DC/DC变流器的最大有功功率输出。
[0010] 当储能装置的SOC或者端电压大于设定的上正常阈值时,所述设定的正常区间为[UmL,UmH],UmL为设定的直流母线正常运行时的
低阈值,UmH为设定的直流母线正常运行时的高阈值,Umax为所述直流母线电压的上限值,Umax>UmH,Pmax为储能DC/DC变流器的最大有功功率输出。
[0011] 当储能装置的SOC或者端电压小于设定的下正常阈值时,所述设定的正常区间为[UmL,UmH],UmL为设定的直流母线正常运行时的
低阈值,UmH为设定的直流母线正常运行时的高阈值,Umin为直流母线电压的下限值,UmL>Umin,Pmax为储能DC/DC变流器的最大有功功率输出。
[0012] 设定一个小功率充放电区间[-Pm,Pm],当P位于[-Pm,Pm]时,在计算直流母线电压时,P取值为Pm。
[0013] 当储能装置的荷电状态小于设定的下正常阈值、且分布式电源变流器在最大出力下仍然无法满足全部负荷的功率需求时,根据预先设定的负荷优先等级切除一部分不重要负荷,保障重要负荷继续供电。
[0014] 实现所述微电网中的各分布式电源变流器根据直流母线电压的变化情况,自动调整自身出力的手段为:
[0015] 当直流母线电压位于[Umin,UmH]时,分布式电源变流器的运行模式为最大功率跟踪模式;其中,UmH为设定的直流母线正常运行时的高阈值,Umin为直流母线电压的下限值。
[0016] 当直流母线电压U位于[UmH,Umax]时,分布式电源变流器限制功率运行,运行功率Pset的计算公式为:
[0017]
[0018] 其中, Umax为直流母线电压的上限值,Pmax为储能DC/DC变流器的最大有功功率输出。
[0019] 一种无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制装置,包括:
[0020] 采集模,用于检测储能装置的SOC或者端电压以及储能DC/DC变流器的有功功率输出;
[0021] 控制模块,用于根据以下公式来调整储能DC/DC变流器的用于连接直流母线的一端输出的电压,使直流母线电压U稳定在一个设定的正常区间内:
[0022] U=Un+k*P+C,
[0023] 其中,Un为直流母线电压额定值;k为储能DC/DC变流器输出电压调节系数,与储能装置的SOC或者端电压相关;P为储能DC/DC变流器有功功率输出;C为储能DC/DC变流器附加电压调节常数,与储能装置的SOC或者端电压相关;同时,微电网中的各分布式电源变流器根据直流母线电压的变化情况,自动调整自身出力。
[0024] 实现所述微电网中的各分布式电源变流器根据直流母线电压的变化情况,自动调整自身出力的手段为:
[0025] 当直流母线电压位于[Umin,UmH]时,分布式电源变流器的运行模式为最大功率跟踪模式;
[0026] 当直流母线电压U位于[UmH,Umax]时,分布式电源变流器限制功率运行,运行功率Pset的计算公式为:
[0027]
[0028] 其中,UmH为设定的直流母线正常运行时的高阈值,Umin为直流母线电压的下限值,Umax为直流母线电压的上限值,Pmax为储能DC/DC变流器的最大有功功率输出。在直流微电网内部无法相互通讯时,获取储能装置自身的荷电状态,以及储能DC/DC变流器的有功功率输出,然后根据储能装置的不同的荷电状态对直流母线电压进行相应地调整,使直流母线电压稳定输出,同时,微电网中的各分布式电源变流器根据直流母线电压的变化情况,自动调整自身出力。本发明提供的控制方法能够平抑直流微电网系统离网运行中有功功率波动,实现整个直流微电网离网状态下的能量平衡,尤其适用于各个变流器之间无通讯互联,更没有后台控制器集中控制的情况。在上述无通讯互联的情况下仍旧能够实现直流微电网离网运行的能量平衡,所以,本发明提供的控制方法不依赖于通讯,相应的,故障率较低。不但应用场合十分广泛,能够同时适用于有通讯互联的情况和无通讯互联的情况,并且能够提高直流微电网系统离网运行的可靠性,降低了直流微电网投资成本以及缩减了程序实现周期。
[0029] 而且,本发明中,通过对电压的调整控制实现最大利用分布式能源,达到离网能量自主平衡的目标,目的在于分布式能源的充分利用。附图说明
[0030] 图1是直流微电网拓扑图;
[0031] 图2是储能DC/DC变流器的控制策略示意图;
[0032] 图3是储能装置SOC充放电控制区域示意图;
[0033] 图4是储能DC/DC变流器的输出控制示意图。

具体实施方式

[0034] 方法实施例
[0035] 直流微电网系统如图1所示,包含分布式电源、电力电子变流器DC/DC和储能装置等等。在直流微电网自主运行过程中,蓄电池储能作为直流微电网的主控能量源,维持直流微电网电压稳定,平抑分布式电源和负荷的波动。在本实施例中,储能装置以蓄电池为例,当然,其也可以是其他类型的储能设备。
[0036] 微电网在无法实现通讯互联时,即运行在离网模式下,储能DC/DC变流器根据其直流侧蓄电池的SOC(或端电压)和输出功率的大小,按照公式U=Un+kiP+Ci改变输出电压值,从而实现在不同储能SOC即端电池电压情况下,对直流母线电压的自动调整。其中,Un为直流母线电压额定值,ki为储能DC/DC变流器输出电压调节系数,P为储能DC/DC变流器有功功率输出;Ci为储能DC/DC变流器附加电压调节常数。
[0037] 而且,为了更加有效地控制,直流微电网离网运行中的各分布式电源变流器根据直流母线电压的变化情况,自动调整在不同直流母线电压下自身变流器出力,平抑直流微电网系统离网运行中有功功率波动,从而实现整个直流微电网的能量平衡。比如在在满足一定条件时,按照功率输出调节公式:Pset=P+kpΔU,同时结合最大功率点跟踪(MPPT)控制,自动调整在不同直流母线电压下自身变流器出力。由于MPPT控制属于常规技术,这里就不再对MPPT控制策略本身进行具体说明。
[0038] 以下针对三种情况对上述控制方法进行说明。
[0039] 由于蓄电池的SOC与端电压存在着正比关系,蓄电池的SOC增大对应着其端电压增大,反之亦然。所以,本实施例以SOC为例对控制过程进行说明。
[0040] 如图2所示,在直流母线电压额定值Un高低两侧设定有一个区间[UmL,UmH],该区间为设定的直流母线电压的正常区间,UmL为设定的直流母线正常运行时的低阈值,即母线正常运行时的低值,UmH为设定的直流母线正常运行时的高阈值,即母线正常运行时的高值;Pmax为储能DC/DC变流器的最大有功功率输出;Umax为直流母线电压的上限值,可以理解为最大允许值;Umin为直流母线电压的下限值,可以理解为最小允许值;UmL>Umin,Umax>UmH。
[0041] 设定一个SOC的正常范围,为[SOCL,SOCH],其中,SOCL为设定的下正常阈值,SOCH为设定的上正常阈值。
[0042] 当蓄电池的SOC在上述正常范围内时,即端电压在对应的正常范围内时,储能DC/DC变流器按照功率曲线运行于U=Un+k1P+C1,如图2中的曲线1所示,其中,通过曲线1的控制,能够使直流母线电压在区间[Umin,
Umax]内,并且进一步使直流母线电压稳定在区间[UmL,UmH]之间。
[0043] 另外,为了避免储能DC/DC变流器在小功率充放电区间[-Pm,Pm]内来回进行充放电引起的电压波动,因此在小功率区间[-Pm,Pm]保持直流母线电压在U1值,其中,U1=Un+k1Pm+C1。一般情况下,Pm的取值较小,所以,在本实施例中,Pm=5%Pmax,当然,本发明并不局限于该实施方式。
[0044] 而且,分布式电源变流器结合自身的MPPT控制,调整自身的功率输出,保证蓄电池工作在补充不放或小功率充电模式,维持直流微电网系统稳定运行。
[0045] 当蓄电池的SOC或端电压过高时,即SOC大于上述SOCH时,储能DC/DC变流器按照功率曲线运行于U=Un+k2P+C2,如图2中的曲线2所示,其中,通过曲线2的控制,能够使直流母线电压在区间[Umin,Umax]内,并且进一步使直流母线电压稳定在区间[UmL,UmH]之间。
[0046] 另外,为了避免储能DC/DC变流器在小功率充放电区间[-Pm,Pm]来回进行充放电引起的电压波动,因此在小功率区间[-Pm,Pm]保持直流母线电压在U2值,U2=Un+k2Pm+C2。并且,限制分布式电源发电出力,使蓄电池工作在一直放电模式。
[0047] 当蓄电池的SOC或端电压偏低时,即SOC小于上述SOCL时,储能DC/DC变流器按照功率曲线运行于U=Un+k3P+C3,如图2中的曲线3所示,其中,通过曲线3的控制,能够使直流母线电压在区间[Umin,Umax]内,并且进一步使直流母线电压稳定在区间[UmL,UmH]之间。
[0048] 另外,为了避免储能DC/DC变流器在小功率充放电区间[-Pm,Pm]来回进行充放电引起的电压波动,因此在小功率区间[-Pm,Pm]保持直流母线电压在U3值,U3=Un+k3Pm+C3。而且,放开分布式电源变流器出力限制,分布式电源变流器根据自身MPPT输出,最大化利用分布式电源发电。
[0049] 如图3所示,为蓄电池充放电控制与SOC之间的关系示意图。
[0050] 另外,当蓄电池的SOC或端电压较低时,即SOC小于上述SOCL时,且分布式电源变流器在最大出力下依然无法满足全部负载的功率需求时,储能DC/DC变流器根据事先划定的负荷等级(即负荷的优先投入等级)通过出口继电器切除一部分不重要负荷,保障重要负荷继续供电。
[0051] 上述提到,分布式电源变流器根据储能DC/DC变流器调整的母线电压大小,自动调整自身出力,以下对其具体的调节过程进行说明:
[0052] 如图4中的曲线(1)所示,当母线电压最低值Umin≤直流母线电压Udc≤母线电压正常运行高值UmH时,分布式电源变流器与MPPT控制方式配合,分布式电源变流器保持最大功率跟踪MPPT控制。
[0053] 如图4中的曲线(2)所示,当母线电压正常运行高值UmH≤直流母线电压Udc≤母线电压最高值Umax时,分布式电源变流器进行功率电压下垂控制,根据不同的母线电压调整自身功率输出,具体为:分布式电源变流器按照公式 计算得到的运行功率Pset进行限制功率运行,即低功率运行。其中,Pset是分布式电源变流器功率输出设定值;kp为分布式电源功率调节系数, U为直流母线电压。另外,在分布式电源进行
限功率运行过程中,本实施例采用了单斜率曲线,也可以根据实际需要采用多折线曲线控制调整自身输出。
[0054] 所以,本发明目的不仅仅是将直流母线电压稳定在[UmL,UmH]区间内,而是在[Umin,Umax]区间最大限度的进行新能源的利用:当电压较低时,进行最大功率跟踪;当电压较高时,进行限功率运行。
[0055] 装置实施例
[0056] 本实施例提供了一种无通讯互联直流微电网离网能量平衡自主控制装置,包括:
[0057] 采集模块,用于检测储能装置的SOC或者端电压以及储能DC/DC变流器的有功功率输出;
[0058] 控制模块,用于根据以下公式来调整储能DC/DC变流器的用于连接直流母线的一端输出的电压,使直流母线电压U稳定在一个设定的正常区间内:
[0059] U=Un+k*P+C,
[0060] 其中,Un为直流母线电压额定值;k为储能DC/DC变流器输出电压调节系数,与储能装置的SOC或者端电压相关;P为储能DC/DC变流器有功功率输出;C为储能DC/DC变流器附加电压调节常数,与储能装置的SOC或者端电压相关;同时,微电网中的各分布式电源变流器根据直流母线电压的变化情况,自动调整自身出力。
[0061] 所以,该控制装置本质上仍旧是控制方法,并且具有与控制方法相同的保护范围,由于该控制方法在上述方法实施例中已做出了详细的描述,这里不再赘述。
[0062] 以上给出了具体的实施方式,但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案,对本领域普通技术人员而言,根据本发明的教导,设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
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