CN107681649B - 一种控制直流微电网母线电压稳定的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种控制直流微电网母线电压稳定的方法，包括：步骤S1，预先根据所述直流微电网母线电压相较于额定电压的波动范围，将所述直流微电网母线电压划分为四个层级；步骤S2，根据所述直流微电网的母线电压相较于额定电压的实际波动情况，确定所述直流微电网母线电压位于所述四个层级中的哪一个层级；步骤S3，根据所确定出的所述母线电压的层级，采用直流微电网系统中与所述层级相对应的分布式电源维持所述母线电压的稳定。本发明优点在于：可最大程度提升直流微电网的使用范围及其运行的独立性，达到清洁能源最大化利用的效果。
Description
技术领域
本发明涉及电压控制技术领域，尤其涉及一种控制直流微电网母线电压稳定的方法。
背景技术
近年来，新能源发电在电力系统中所占的比例日益提高，微电网在整合新能源发电和配电网方面有着诸多优势，因此受到国内外的广泛关注。微电网一般由分布式发电单元、储能单元、电力变换单元和负荷单元等组成。根据微电网系统中电流和电压的类型，微电网可分为直流微电网、交流微电网和交直流混合微电网。相较于交流微电网，直流微电网具有诸多优势：
1)部分直流负荷无需级联变换器可直接连于公共母线上，降低系统损耗、提高系统效率；
2)灵活简便的整合多样的分布式电源，如光电、风电、燃气发电等；
3)不需进行直流母线与配电网的同步控制。因此，直流微电网是未来智能配用电系统的重要组成部分。
直流微电网系统内不存在频率稳定和无功优化等问题，直流母线电压是唯一衡量系统有功功率是否平衡的依据。因此，稳定直流母线电压是直流微电网运行控制的首要目标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种控制直流微电网母线电压稳定的方法，可最大程度提升直流微电网的使用范围及其运行的独立性，达到清洁能源最大化利用的效果。
为了解决上述技术问题发明提供一种控制直流微电网母线电压稳定的方法，包括：
步骤S1，预先根据所述直流微电网母线电压相较于额定电压的波动范围，将所述直流微电网母线电压划分为四个层级；
步骤S2，根据所述直流微电网的母线电压相较于额定电压的实际波动情况，确定所述直流微电网母线电压位于所述四个层级中的哪一个层级；
步骤S3，根据所确定出的所述母线电压的层级，采用直流微电网系统中与所述层级相对应的分布式电源维持所述母线电压的稳定。
其中，当确定出所述母线电压位于所述四个层级中的第一层级时，采用所述直流微电网系统中的储能电池对所述直流微电网母线电压维持稳定；
当确定出所述母线电压位于所述四个层级中的第二层级时，采用所述直流微电网系统中的光伏单元对所述直流微电网母线电压维持稳定；
当确定出所述母线电压位于所述四个层级中的第三层级时，采用所述直流电网系统中的燃气轮机对所述直流微电网母线电压维持稳定；
当确定出所述母线电压位于所述四个层级中的第四层级时，采用所述直流电网系统外接的交流电网对所述直流微电网母线电压维持稳定。
其中，当所述直流微电网母线电压大于或等于所述额定电压的第一百分比，小于或等于所述额定电压的第二百分比时，确定所述母线电压位于所述四个层级中的所述第一层级。
其中，所述第一百分比为95%，所述第二百分比为105%。
其中，当所述直流微电网母线电压大于所述额定电压的第二百分比，小于或等于所述额定电压的第三百分比时，确定所述母线电压位于所述四个层级中的所述第二层级。
其中，所述第三百分比为108%。
其中，当所述直流微电网母线电压小于所述额定电压的第一百分比，大于或等于所述额定电压的第四百分比时，确定所述母线电压位于所述四个层级中的所述第三层级。
其中，所述第四百分比为92%。
其中，当所述直流微电网母线电压小于所述额定电压的第四百分比，大于所述额定电压的第三百分比时，确定所述母线电压位于所述四个层级中的所述第四层级。
其中，所述储能电池具体采用自适应下垂控制方式维持所述直流微电网母线电压的稳定。
其中，所述光伏单元具体采用双PI控制方式维持所述直流微电网母线电压的稳定。
其中，所述燃气轮机具体采用双PI控制方式维持所述直流微电网母线电压的稳定。
其中，当采用直流微电网系统中与所述层级相对应的分布式电源维持所述母线电压的稳定时，所述相对应的分布式电源工作在恒压控制模式，其他的分布式电源工作在功率控制模式。
本发明实施例的有益效果在于：
本发明的实施例通过分层级控制稳定直流微电网母线电压，一方面，提高了直流微电网系统的稳定性，提升了直流微电网的运作独立性；另一方面，提升了直流微电网的使用范畴，从而实现清洁能源的最大化利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种控制直流微电网母线电压稳定的方法一个实施例的流程示意图。
图2为本发明的直流微电网系统的一个实施例的结构示意图。
图3为本发明的储能电池下垂特性曲线的一个实施例的示意图。
图4为本发明的储能电池变换器控制原理的一个实施例的示意图。
图5为本发明的光伏变换器控制原理的一个实施例的示意图。
图6为本发明的燃气轮机变换器控制原理的一个实施例的示意图。
图7为本发明的网侧变换器控制原理的一个实施例的示意图。
图8为本发明的直流母线电压仿真波形的一个实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行举例说明。
图1为一种控制直流微电网母线电压稳定的方法一个实施例的流程示意图。其应用在直流微电网系统中，例如，图2即为本发明针对的典型直流微电网系统的结构图。如附图2所示，本发明实施例的系统仅有一条公共母线10，其包括多个分布式电源，所述分布式电源可包括燃气轮机20，光伏单元30、以及储能电池40，其中，燃气轮机通过AC/DC变换器21接入直流母线，用于提供非间歇性能源，光伏单元30通过DC/DC变换器31接入直流母线10，储能电池40和双向DC/DC变换器41构成储能系统，实现功率双向流动。直流负载50通过DC/DC变换器51和直流母线10相连，交流负载60通过DC/AC变换器61和直流母线10相连。交流大电网70通过双向DC/AC变换器71与直流母线10（例如，隔离变压器）相连。
本发明实施例，可采用图1所示的控制直流微电网母线电压稳定的方法来控制图2所示的典型直流微电网系统的直流母线电压的稳定，如图1所示，所述方法可包括：
步骤S1，预先根据所述直流微电网母线电压相较于额定电压的波动范围，将所述直流微电网母线电压划分为四个层级。
步骤S2，根据所述直流微电网的母线电压相较于所述额定电压的实际波动情况，确定所述直流微电网母线电压位于所述四个层级中的哪一个层级。
步骤S3，根据所确定出的所述母线电压的层级，采用直流微电网系统中与所述层级相对应的分布式电源维持所述母线电压的稳定。具体实现中，作为一种举例，当确定出所述母线电压位于所述四个层级中的第一层级时，采用所述直流微电网系统中的储能电池对所述直流微电网母线电压维持稳定；当确定出所述母线电压位于所述四个层级中的第二层级时，采用所述直流微电网系统中的光伏单元对所述直流微电网母线电压维持稳定；当确定出所述母线电压位于所述四个层级中的第三层级时，采用所述直流电网系统中的燃气轮机对所述直流微电网母线电压维持稳定；当确定出所述母线电压位于所述四个层级中的第四层级时，采用所述直流电网系统外接的交流电网对所述直流微电网母线电压维持稳定。
进一步，当所述直流微电网母线电压大于或等于所述额定电压的第一百分比，小于或等于所述额定电压的第二百分比时，确定所述母线电压位于所述四个层级中的所述第一层级。
进一步，当所述直流微电网母线电压大于所述额定电压的第二百分比，小于或等于所述额定电压的第三百分比时，确定所述母线电压位于所述四个层级中的所述第二层级。进一步，当所述直流微电网母线电压小于所述额定电压的第一百分比，大于或等于所述额定电压的第四百分比时，确定所述母线电压位于所述四个层级中的所述第三层级。
进一步，当所述直流微电网母线电压小于所述额定电压的第四百分比，大于所述额定电压的第三百分比时，确定所述母线电压位于所述四个层级中的所述第四层级。
作为举例，所述第一百分比可为95%，所述第二百分比可为105%，所述第三百分比可为108%，所述第四百分比可为92%。也即，具体实现中，当0.95U dcn<U dc<1.05U dcn时，母线电压偏离额定值较小，母线电压可由储能电池维持稳定，其中U dc为直流微电网运行时母线的实际电压，U dcn为母线额定电压；当1.05U dcn<U dc<1.08U dcn时，负荷功率小于系统的供给功率，母线电压持续上升，母线电压由光伏单元维持；当0.92U dcn<U dc<0.95U dcn时，燃气轮机启动短时维持直流母线电压稳定；当U dc>1.08U dcn或U dc<0.92U dcn时，直流母线电压波动范围较大，分布式电源输出功率和负荷需求功率不平衡，直流微电网与交流配电网互联，网测变换器启用，维持直流母线电压稳定。需要说明的是，上述的百分比的划分仅为举例，具体实现中，各种百分比可以根据实际需求进行更改，这些更改的百分比同样属于本发明保护的范畴。
此外，当母线电压由储能电池40维持稳定时，为防止储能电池40频繁充放电对电池性能的损害，电压在0.98 Udcn（Udcn指母线额定电压）~1.02Udcn之间时，储能单元可处于静止不工作状态（如图3中的曲线a所示），允许母线电压Udc在此范围内自由波动。若母线电压超出该范围后，储能电池40则通过吸收或输出功率以维持电源荷功率平衡。与储能电池40连接的双向DC/DC变换器41采用自适应下垂控制。Ibmax和Ibmin分别是储能电池40最大放电电流和最小充电电流。UH2、UH1是指在母线电压Udc高于额定值Udcn时储能电池40自适应下垂控制的上限值和下限值，此时储能电池40进入充电工作状态（如图3中的下垂曲线b所示）；UL1、UL2指的是在母线电压Udc低于额定值Udcn时储能电池40自适应下垂控的上限值和下限值，此时储能电池40进入放电工作状态（如图3中的下垂曲线c所示）。本具体实施例中UH2、UH1、UL1、UL2分别设定为1.05Udcn、1.02Udcn、0.98Udcn、0.95Udcn。储能电池变换器41采用双PI控制，将自适应下垂控制引入变换器的电压外环控制中，其控制过程如附图4所示。
进一步，当母线电压位于第二层级时，分布式发电输出功率大于负荷需求功率，光伏单元30采用母线电压控制（例如双PI控制）模式维持母线电压稳定。母线电压控制环节依据下垂特性计算得到电压外环的参考电压。此外，当分布式发电输出功率小于负荷侧需求功率，光伏单元30采用最大功率追踪控制模式（MPPT）控制输出最大功率，母线电压由其他维持（例如，当母线电压位于第三层级时，母线电压由燃气轮机20控制其稳定）。MPPT控制也采用双PI控制。最大功率追踪控制采用增量电导法计算得到电压外环的参考电压，光伏单元变换器的控制过程如附图5所示，其中的IL为光伏变换器的输出电流。
进一步，当母线电压位于第三层级时，电压下降较大时启用燃气轮机20对直流母线电压进行控制，以提高直流微电网的清洁能源利用率。直流微电网中的燃气轮机20可在恒压和空闲两种模式之间切换。燃气轮机20亦采用双PI控制，电压外环的参考电压Uref取值为0.94Udcn。燃气轮机控制系统控制过程如附图6所示。其中的IL为燃气轮机变换器的输出电流。
进一步，当母线电压位于第四层级时，配电网通过AC/DC变换器61接入直流母线上，此时直流微电网系统功率波动范围很大，网测变换器则启用维持直流母线电压恒定。如图7所示，AC-DC变换器61采用双闭环解耦控制，其中外环为电压控制和无功功率控制，内环为电流环控制。根据直流母线电压所在的控制层确定直流母线电压的参考值。当直流母线电压Udc>1.08Udcn时，设定母线电压参考值为1.09Udcn；当Udc<0.92Udcn时，设定直流母线参考电压为0.91Udcn。无功功率参考值Qref由AC-DC变换器60输出无功功率的控制目标获得。
此外，在本发明实施例中，直流微电网系统中的每个分布式电源均存在两种工作模式：恒压控制模式和功率控制模式。恒压控制模式实现对母线电压的控制，功率控制模式则控制电源输出或输入的功率。
针对上述具体实施方案，可得母线电压的一种仿真波形如附图8所示。其中，0≤t＜2s时，母线电压在第一控制层，储能电池50作为电压控制单元，母线电压被维持在额定值400V；2s≤t＜4s时，光伏单元30从最大功率追踪控制切换到恒压控制模式，母线电压维持在424V；4s≤t＜6s时，网侧变换器70投入工作，调整母线电压，母线电压控制在436V，光伏单元30切换到MPPT工作模式； 6s≤t＜8s时，储能电池50工作在放电模式下调节母线电压，网侧变换器60停止工作；8s≤t＜10s时，储能电池50的SOC小于10%，为防止储能电池50深度放电对电池造成的损伤，储能电池50停止工作。光伏的输出功率小于本地负载需求功率，燃气轮机20开始输出功率，母线电压控制在376V。为提高微电网供电可靠性，储能电池50进行充电储能；10s≤t＜12s时，此时系统功率波动较大，网侧变换器60投入工作，网侧变换器60维持母线电压在364V，储能电池50和燃气轮机20不工作；12s≤t＜14s时，切除直流微电网中的所有负荷，此时直流微电网不带负荷。网侧变换器60停止工作，母线电压由储能电池50维持在400V。由于负荷需求功率为0，并且储能电池50的SOC大于90%，所以微电网的各个分布式电源停止工作，其输出功率为0W。
综上所述，本发明的实施例通过一种控制直流微电网母线电压稳定的方法，一方面，有效提高了直流微电网系统的稳定性，同时提升了直流微电网的运作独立性；另一方面，提升了直流微电网的使用范畴，从而实现清洁能源的最大化利用。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (1)
1.一种控制直流微电网母线电压稳定的方法，其特征在于，包括：
步骤S1，预先根据所述直流微电网母线电压相较于额定电压的波动范围，将所述直流微电网母线电压划分为四个层级，所述四个层级包括第一层级、第二层级、第三层级和第四层级；
步骤S2，根据所述直流微电网的母线电压相较于所述额定电压的实际波动情况，确定所述直流微电网母线电压位于所述四个层级中的哪一个层级；
其中：
当所述直流微电网母线电压大于或等于所述额定电压的95％，小于或等于所述额定电压的105％时，确定所述母线电压位于所述四个层级中的所述第一层级；
当所述直流微电网母线电压大于所述额定电压的105％，小于或等于所述额定电压的108％时，确定所述母线电压位于所述四个层级中的所述第二层级；
当所述直流微电网母线电压小于所述额定电压的95％，大于或等于所述额定电压的92％时，确定所述母线电压位于所述四个层级中的所述第三层级；
当所述直流微电网母线电压小于所述额定电压的92％，大于所述额定电压的108％时，确定所述母线电压位于所述四个层级中的所述第四层级；
步骤S3，根据所确定出的所述母线电压的层级，采用直流微电网系统中与所述层级相对应的分布式电源维持所述母线电压的稳定，所述相对应的分布式电源工作在恒压控制模式，其他的分布式电源工作在功率控制模式；
其中：
当确定出所述母线电压位于所述四个层级中的第一层级时，采用所述直流微电网系统中的储能电池对所述直流微电网母线电压维持稳定；若母线电压在0.98Udcn～1.02Udcn之间范围，则储能单元处于静止不工作状态，允许母线电压Udc在该范围内自由波动；若母线电压超出该范围后，则储能电池通过吸收或输出功率以维持电源荷功率平衡，与储能电池连接的双向DC/DC变换器采用自适应下垂控制；Udcn为母线额定电压；储能电池变换器采用双PI控制，将自适应下垂控制引入变换器的电压外环控制中；
当确定出所述母线电压位于所述四个层级中的第二层级时，采用所述直流微电网系统中的光伏单元对所述直流微电网母线电压维持稳定；若分布式发电输出功率大于负荷需求功率，光伏单元采用双PI控制方式维持母线电压稳定，且母线电压控制环节依据下垂特性计算得到电压外环的参考电压；当分布式发电输出功率小于负荷侧需求功率，光伏单元采用最大功率追踪控制模式控制输出最大功率，母线电压由其他维持；最大功率追踪控制模式控制采用双PI控制，最大功率追踪控制采用增量电导法计算得到电压外环的参考电压；
当确定出所述母线电压位于所述四个层级中的第三层级时，采用所述直流微电网系统中的燃气轮机对所述直流微电网母线电压维持稳定；若电压下降较大时，启用燃气轮机对直流母线电压进行控制，以提高直流微电网的清洁能源利用率；直流微电网中的燃气轮机在恒压和空闲两种模式之间切换，燃气轮机采用双PI控制，电压外环的参考电压Uref取值为0.94Udcn；
当确定出所述母线电压位于所述四个层级中的第四层级时，采用所述直流微电网系统外接的交流电网对所述直流微电网母线电压维持稳定；配电网通过AC/DC变换器接入直流母线上，此时直流微电网系统功率波动范围很大，网测变换器则启用维持直流母线电压恒定；AC/DC变换器采用双闭环解耦控制，其中外环为电压控制和无功功率控制，内环为电流环控制；根据直流母线电压所在的控制层确定直流母线电压的参考值；当直流母线电压Udc>1.08Udcn时，设定母线电压参考值为1.09Udcn；当直流母线电压Udc<0.92Udcn时，设定直流母线参考电压为0.91Udcn；无功功率参考值Qref由AC/DC变换器输出无功功率的控制目标获得。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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Effective date of registration: 20191122 Address after: Luohu District Shenzhen Shennan Road 518000 No. 4020 Guangdong provincial power dispatching center building Applicant after: Shenzhen Power Supply Co.,Ltd. Address before: Luohu District Shenzhen Shennan Road 518000 No. 4020 Guangdong provincial power dispatching center building Applicant before: Shenzhen Power Supply Co.,Ltd. Applicant before: Shandong University of Technology |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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