一种直流微网分布式自主协调控制方法及控制系统

摘要

本发明涉及一种直流微网分布式自主协调控制方法及控制系统，旨在提高直流微网分布式自主协调控制系统的抗扰能力和工作的可靠性，具体涉及多个母线微源单元并联时运行状态和负荷投切的控制方法及控制系统，通过构建电压+电流的多变量滞环，解决了单变量DBS协调控制在电压分段点处出现电压扰动导致模式误切换的问题。

权利要求

1.一种直流微网分布式自主协调控制方法，其特征在于：

根据母线电压Vbus滞环输入及母线电流Ibus滞环输入的变化进行条件判断来进行状态切换，具体如下：当母线电压Vbus从原第n电压区间增大至大于Vleveln+Dv时且母线电流Ibus从原第n电流区间增大至大于Ileveln+Di时，使直流微网由第n运行状态切换至第n+1运行状态；

当母线电压Vbus从原第n电压区间减小至小于Vleveln-1-Dv时且母线电流Ibus从原第n电流区间减小至小于Ileveln-1-Di时，使直流微网由第n运行状态切换至第n-1运行状态；

所述Dv为电压滞环输入环宽，所述Di为电流滞环输入环宽；

上述电压区间按如下方式划分：根据母线电压Vbus的大小将母线电压划分为N个区间，N为不小于2的正整数，区间1到区间N的电压值递增，整个区间包含N-1个电压分段点，用Vleveln表示区间n与区间n+1的分段电压值，n为小于N的正整数；

上述电流区间按如下方式划分：根据母线电流Ibus的大小将母线电流划分为N个区间，N为不小于2的正整数，区间1到区间N的电流值递增，整个区间包含N-1个电流分段点，用Ileveln表示区间n与区间n+1的分段电流值，n为小于N的正整数；

所述第n运行状态对应于直流微网的母线电压位于第n电压区间且母线电流位于第n电流区间的状态。

2.根据权利要求1所述的直流微网分布式自主协调控制方法，其特征在于:所述电压滞环输入环宽Dv满足Dv＝0.01 Vdc_normal，Vdc_normal为母线额定电压；

所述电流滞环输入环宽Di满足Di＝0.01 Idc_normal，Idc_normal为母线额定电流。

3.一种直流微网分布式自主协调控制系统，其特征在于：包括母线电压采集器、母线电流采集器以及能量管理控制器；

所述母线电压采集器用于采集母线电压并传递给能量管理控制器；

所述母线电流采集器用于采集母线电流并传递给能量管理控制器；

所述能量管理控制器内预设有如下控制程序：

当母线电压Vbus从原第n电压区间增大至大于Vleveln+Dv时且母线电流Ibus从原第n电流区间增大至大于Ileveln+Di时，产生直流微网由第n运行状态切换至第n+1运行状态的切换信号；

当母线电压Vbus从原第n电压区间减小至小于Vleveln-1-Dv时且母线电流Ibus从原第n电流区间减小至小于Ileveln-1-Di时，产生直流微网由第n运行状态切换至第n-1运行状态的切换信号；

上述电压区间按如下方式划分：根据母线电压Vbus的大小将母线电压划分为N个区间，N为不小于2的正整数，区间1到区间N的电压值递增，整个区间包含N-1个电压分段点，用Vleveln表示区间n与区间n+1的分段电压值，n为小于N的正整数；

上述电流区间按如下方式划分：根据母线电流Ibus的大小将母线电流划分为N个区间，N为不小于2的正整数，区间1到区间N的电流值递增，整个区间包含N-1个电流分段点，用Ileveln表示区间n与区间n+1的分段电流值，n为小于N的正整数；

所述第n运行状态对应于直流微网的母线电压位于第n电压区间且母线电流位于第n电流区间的状态。

4.根据权利要求3所述的直流微网分布式自主协调控制系统，所述直流微网包括发电单元、储能单元及负荷单元；其特征在于：所述发电单元、储能单元及负荷单元均设有各自的母线电压采集器、母线电流采集器以及能量管理控制器；

各单元母线电压采集器及母线电流采集器用于采集母线电压、电流并传递给本单元能量管理控制器；

本单元能量管理控制器根据预设的控制程序产生直流微网中对应于本单元的运行状态切换信号。

说明书

一种直流微网分布式自主协调控制方法及控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种直流微网分布式自主协调控制方法及控制系统，旨在提高直流微网分布式自主协调控制系统的抗扰能力和工作的可靠性，具体涉及多个母线微源单元并联时运行状态和负荷投切的控制方法及控制系统。

背景技术

[0002] 随着国民经济快速发展，电力系统规模不断扩大，大型电网的弊端也日益凸显，难以满足用于对于多样化和高可靠性的电力需求。微电网作为智能电网的重要组成单元，具备灵活可控的优点，为分布式能源的整合利用提供了有效的解决方案。直流微网易于集成光伏和储能单元，简化了网络架构，具备高效率和低成本优势，且系统控制无需考虑无功和频率调节，其首要控制目标是维持源荷两侧的功率平衡以稳定母线电压，确保较高电能质量。

[0003] 以直流母线电压作为控制信号管理策略，各个接口变换器分段参与直流总线电压控制。然而当系统受外界到干扰，母线电压产生波动时，会导致各单元运行模式发生误切换，比如已公开的文献《A Distributed Control Strategy Based on DC Bus Signaling for Modular Photovoltaic Generation Systems With Battery Energy Storage》，IEEE Trans.Power Electron.,2011,26,(10),pp.3032-3045，文中划分了不同电压等级信号下微源运行状态，加入电压滞环控制电压消除分段状态误切换问题，此方法只能保证在电压滞环环宽内消除电压扰动，并不能消除超出电压环宽外扰动带来的影响。

[0004] 又比如已经公开的文献《Coordinated Control Based on Bus-Signaling and Virtual Inertia for Islanded DC Microgrids》，IEEE Trans.Smart Grid,vol.6,no.6,pp.2627–2638,Nov.2015，文中对低压孤岛直流微网提出总线信号控制策略，通过总线信号来控制各单元的运行状态来达到分布式直流微网自主协调控制的目标。

[0005] 基于DBS的直流微网协调控制方法，虽然可以协调系统中各个单元稳定运行，但没有考虑系统在电压分段点处抗干扰能力。为了解决基于DBS协调控制系统既能实现各个接口变换器分段参与直流总线电压控制，提高系统可靠性、动态响应速度的前提下，同时还能提高系统的稳定性和解决抗干扰能力不足的问题，提出了一种基于“电压”+“电流”滞环的直流微网分布式自主协调控制方法。通过采集母线电压信号和母线电流信号，以多个变量作为输入构建滞环控制器，电压滞环消除分段点电压扰动而导致系统状态的误切换，电流滞环的加入弥补电压扰动过大而导致的状态误切换。多变量滞环操作简单，易于实现，只需增加一定的控制算法就能提高系统的抗干扰能力，有效地解决了传统基于母线电压单变量控制在电压分段点处抗扰动能力不强、发生模式误切换的问题。

发明内容

[0006] 本发明目的在于提供一种直流微网分布式自主协调控制方法及控制系统，有效地解决了传统基于母线电压单变量协调控制在电压分段点处抗扰动能力不强、发生模式误切换的问题。

[0007] 为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：

[0008] 一种直流微网分布式自主协调控制方法，本方法根据母线电压Vbus滞环输入及母线电流Ibus滞环输入的变化进行条件判断来进行状态切换，具体如下：

[0009] 当母线电压Vbus从原第n电压区间增大至大于Vleveln+Dv时且母线电流Ibus从原第n电流区间增大至大于Ileveln+Di时，使直流微网由第n运行状态切换至第n+1运行状态；

[0010] 当母线电压Vbus从原第n电压区间减小至小于Vleveln-1-Dv时且母线电流Ibus从原第n电流区间减小至小于Ileveln-1-Di时，使直流微网由第n运行状态切换至第n-1运行状态；

[0011] 所述Dv为电压滞环输入环宽，所述Di为电流滞环输入环宽；

[0012] 所述第n运行状态对应于直流微网的母线电压位于第n电压区间且母线电流位于第n电流区间的状态。

[0013] 上述电压区间按如下方式划分：根据母线电压Vbus的大小将母线电压划分为N个区间，N为不小于2的正整数，区间1到区间N的电压值递增，整个区间包含N-1个电压分段点，用Vleveln表示区间n与区间n+1的分段电压值，n为小于N的正整数；

[0014] 上述电流区间按如下方式划分：根据母线电流Ibus的大小将母线电流划分为N个区间，N为不小于2的正整数，区间1到区间N的电流值递增，整个区间包含N-1个电流分段点，用Ileveln表示区间n与区间n+1的分段电流值，n为小于N的正整数。

[0015] 进一步的，在本发明中，所述电压滞环输入环宽Dv取0.01倍的母线额定电压Vdc_normal，即Dv＝0.01Vdc_normal；所述电流滞环输入环宽Di取0.01倍的母线额定电流Idc_normal，即Di＝0.01Idc_normal；

[0016] 与此同时，本发明还提供一种直流微网分布式自主协调控制系统，包括母线电压采集器、母线电流采集器以及能量管理控制器；

[0017] 所述母线电压采集器用于采集母线电压并传递给能量管理控制器；

[0018] 所述母线电流采集器用于采集母线电流并传递给能量管理控制器；

[0019] 所述能量管理控制器内预设有如下控制程序：

[0020] 当母线电压Vbus从原第n电压区间增大至大于Vleveln+Dv时且母线电流Ibus从原第n电流区间增大至大于Ileveln+Di时，产生直流微网由第n运行状态切换至第n+1运行状态的切换信号；

[0021] 当母线电压Vbus从原第n电压区间减小至小于Vleveln-1-Dv时且母线电流Ibus从原第n电流区间减小至小于Ileveln-1-Di时，产生直流微网由第n运行状态切换至第n-1运行状态的切换信号；

[0022] 上述电压区间按如下方式划分：根据母线电压Vbus的大小将母线电压划分为N个区间，N为不小于2的正整数，区间1到区间N的电压值递增，整个区间包含N-1个电压分段点，用Vleveln表示区间n与区间n+1的分段电压值，n为小于N的正整数；

[0023] 上述电流区间按如下方式划分：根据母线电流Ibus的大小将母线电流划分为N个区间，N为不小于2的正整数，区间1到区间N的电流值递增，整个区间包含N-1个电流分段点，用Ileveln表示区间n与区间n+1的分段电流值，n为小于N的正整数。

[0024] 进一步的，所述直流微网包括发电单元、储能单元及负荷单元；所述发电单元、储能单元及负荷单元均设有各自的母线电压采集器、母线电流采集器以及能量管理控制器；

[0025] 各单元母线电压采集器及母线电流采集器用于采集母线电压、电流并传递给本单元能量管理控制器，本单元能量管理控制器根据预设的控制程序产生直流微网中对应于本单元的运行状态切换信号。

[0026] 有益效果：

[0027] 由以上技术方案可知，本发明的技术方案提供了一种直流微网分布式自主协调控制方法及控制系统，通过以电压滞环输入及电流滞环输入同时作为判断条件，电压滞环消除分段点电压扰动而导致系统状态的误切换，电流滞环的加入弥补电压扰动过大而导致的状态误切换；本方法操作简单，易于实现，能显著提高系统的抗干扰能力，有效地解决了传统基于母线电压单变量协调控制在电压分段点处抗扰动能力不强、发生模式误切换的问题；

[0028] 对电压滞环输入的环宽取适当的值如0.01倍的母线电压额定值，对电流滞环输入的环宽取适当的值如0.01倍的母线电流额定值，可以使系统获得良好的抗扰动性，也使微网系统电压偏差得以减小；

[0029] 通过在各发电单元、储能单元及负荷单元均设置各自的母线电压采集器、母线电流采集器以及能量管理控制器，实现本地采集、本地运算、本地控制，省略了各单元间的通信环节，操作简单易于实现,提高了直流微网分布式自主协调控制系统的抗干扰性能。

[0030] 应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。

[0031] 结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

[0032] 附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

[0033] 图1为本发明中电压和电流滞环曲线；

[0034] 图2为本发明中电压和电流滞环控制在信号轴上的投影；

[0035] 图3为本发明中微网各单元控制示意图；

[0036] 图4为本发明中能量管理控制器算法流程图；

[0037] 图5为本发明的模拟结果图。

[0038] 图中，各附图标记的含义如下：

[0039] 光伏控制器1，负荷控制器2，储能控制器3。

具体实施方式

[0040] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

[0041] 在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

[0042] 在本实施例中按如下方式将母线电压、电流划分区间：

[0043] 根据母线电压Vbus的大小将母线电压划分为N个区间，N为不小于2的正整数，区间1到区间N的电压值递增，整个区间包含N-1个电压分段点，用Vleveln表示区间n与区间n+1的分段电压值，n为小于N的正整数。

[0044] 根据母线电流Ibus的大小将母线电流划分为N个区间，N为不小于2的正整数，区间1到区间N的电流值递增，整个区间包含N-1个电流分段点，用Ileveln表示区间n与区间n+1的分段电流值，n为小于N的正整数。

[0045] 结合图1和图2所示，取N＝3，即将电压电流分为3个区间，图1中以母线电压、电流及开关信号为坐标轴，两个电压分段点的电压值分别为Vlevel1＝98V、Vlevel2＝102V,两个电流分段点的电流值分别为Ilevel1＝3.5A、Ilevel2＝5.5A。

[0046] 电压滞环输入环宽Dv取0.01倍的母线额定电压Vdc_normal，即Dv＝0.01Vdc_normal；电流滞环输入环宽Di取0.01倍的母线额定电流Idc_normal，即Di＝0.01Idc_normal。

[0047] 开关信号-1对应运行状态1，其母线电压满足Vbus≤Vlevel1+Dv,且母线电流满足Ibus≤Ilevel1+Di；

[0048] 开关信号0对应运行状态2，其母线电压满足Vlevel1-Dv≤Vbus≤Vlevel2+Dv,且母线电流满足Ilevel1-Di≤Ibus≤Ilevel2+Di；

[0049] 开关信号1对应运行状态3，其母线电压满足Vlevel2-Dv≤Vbus,且母线电流满足Ilevel2-Di≤Ibus。

[0050] 如图1中所示，当母线电压、电流沿坐标轴正方向增加，并突破其对应运行状态的边界值时，开关信号会改变，对应的运行状态也随之改变：

[0051] 当原本处于运行状态1时，此时Vbus≤Vlevel1+Dv、Ibus≤Ilevel1+Di，随着Vbus与Ibus的增大，到Vbus>Vlevel1+Dv且Ibus>Ilevel1+Di时，开关信号变为0，切换到运行状态2；

[0052] 随着Vbus与Ibus的继续增大，突破运行状态2对应的母线电压、电流边界值时，即Vbus>Vlevel2+Dv且Ibus>Ilevel2+Di时，开关信号变为1，切换到运行状态3。

[0053] 反之，当母线电压、电流沿坐标轴正方向减小，并突破其对应运行状态的边界值时，开关信号会改变，对应的运行状态也随之改变：

[0054] 当原本处于运行状态3时，此时Vbus≥Vlevel2-Dv、Ibus≥Ilevel2-Di，随着Vbus与Ibus的减小，到Vbus

[0055] 随着Vbus与Ibus的继续减小，突破运行状态2对应的母线电压、电流边界值时，即Vbus

[0056] 能量管理控制器按上述方法产生运行状态切换信号，具体流程如下：

[0057] 母线电压采集器、母线电流采集器将所采集的母线电压、电流值传递给能量管理控制器。

[0058] 如图4能量管理控制器算法流程图所示，能量管理控制器首先判断当前的运行状态：

[0059] 如当前状态为状态1，检测当前接收到的母线电压Vbus和母线电流Ibus值，并将其与预设的状态1切换到状态2的切换阈值Vth12、Ith12进行比较，其中Vth12＝Vlevel1+Dv、Ith12＝Ilevel1+Di，取Dv＝0.01Vdc_normal、Di＝0.01Idc_normal，若Vbus≥Vth12且Ibus≥Ith12，则产生状态1切换到状态2的切换信号，系统进入状态2，程序返回，否则系统状态不改变，程序返回。

[0060] 如当前状态为状态2，检测当前接收到的母线电压Vbus和母线电流Ibus值，并首先将其与预设的状态2切换到状态1的切换阈值Vth21、Ith21进行比较，其中Vth21＝Vlevel1-Dv、Ith21＝Ilevel1-Di，取Dv＝0.01Vdc_normal、Di＝0.01Idc_normal，若Vbus≤Vth21且Ibus≤Ith21，则产生状态2切换到状态1的切换信号，系统进入状态1，程序返回，否则系统进入下一个条件判别，即将母线电压Vbus和母线电流Ibus与预设的状态2切换到状态3的切换阈值Vth23、Ith23进行比较，其中Vth23＝Vlevel2+Dv、Ith23＝Ilevel2+Di，取Dv＝0.01Vdc_normal、Di＝0.01Idc_normal，若Vbus≥Vth23且Ibus≥Ith23，则产生状态2切换到状态3的切换信号，系统进入状态3，程序返回，否则系统状态不改变，程序返回。

[0061] 如当前状态为状态3，检测当前接收到的母线电压Vbus和母线电流Ibus值，并将其与预设的状态3切换到状态2的切换阈值Vth32、Ith32进行比较，其中Vth32＝Vlevel2-Dv、Ith32＝Ilevel2-Di，取Dv＝0.01Vdc_normal、Di＝0.01Idc_normal，若Vbus≤Vth32且Ibus≤Ith32，则产生状态3切换到状态2的切换信号，系统进入状态2，程序返回，否则系统状态不改变，程序返回。

[0062] 在本实施例中，上述能量管理控制器是通过TI公司生产的数字信号处理器(DSP)来实现控制算法，所述母线电压采集器、母线电流采集器均与数字信号处理器电连接并向其传递相应的电压和电流信号。本领域技术人员可根据需要选择其他设备实现上述功能。

[0063] 如图3微网各单元控制示意图所示，微网包括发电单元，储能单元及负荷单元，在本实施例中，发电单元为光伏发电单元。

[0064] 标记1所指的虚线框内为光伏控制器，光伏控制器接收由能量管理控制器产生的状态切换信号Switching signal并结合光伏控制器所采集的母线电压Vbus、光伏电池输出电压Vpv、光伏电池输出电流Ipv等信号对光伏发电单元的出力进行调节。

[0065] 标记2所指的虚线框内为负荷控制器，负荷控制器接收由能量管理控制器产生的状态切换信号Switching signal对负荷进行调节。

[0066] 标记3所指的虚线框内为储能控制器，储能控制器接收由能量管理控制器产生的状态切换信号Switching signal并结合光伏控制器所采集的母线电压Vbus、储能系统荷电状态SoC、储能系统输入或输出电流Ibat等信号对储能单元进行调节。

[0067] 上述用于产生的状态切换信号的能量管理控制器可以分散设置于每个单元对应的控制器处，就地采集、运算、控制，省去了各单元之间的通讯环节。

[0068] 图5中为模拟结果，其中直流微电网在100V的标称总线电压下工作。工作条件是：在0.45s之前使系统维持3.5A电流，0.45s-0.6s期间使系统维持10A电流，0.6s使系统维持
14A电流。同时，在0.6s-0.71s期间将随机干扰注入母线电压，以验证系统的抗干扰性能。可以看出，本实施例所提供的策略在正常条件下即0.6s之前以及0.71s之后，没有随机干扰注入母线电压的情形下，其调节效果与传统DBS效果相同，但在0.6s～0.71s随机干扰注入间隔期间,本实施例所提供的策略实现了明显更好的电压调节，本方案使得在0.6s～0.71s随机干扰注入间隔期间的电压与0.71s后无干扰的情形下的电压基本一致，而传统DBS在0.6s～0.71s随机干扰注入间隔期间，电压受干扰影响较大，偏差达12V。

[0069] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。