一种面向家用电能路由器的直流微网功率控制策略转让专利
申请号 : CN202111251920.7
文献号 : CN113690947B
文献日 : 2022-03-11
发明人 : 王文彬 , 郑蜀江 , 陈文 , 魏杰
申请人 : 国网江西省电力有限公司电力科学研究院 , 国家电网有限公司
摘要 :
权利要求 :
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,设计家庭能量管理系统总体架构,涵盖电网接口、光伏系统、混合储能系统、交流负荷和直流负荷,作为家庭用户的家庭能量管理系统,家用电能路由器连接到电网、光伏系统、混合储能系统、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系统进行控制;
S3:基于锂电池与超级电容器构建混合储能系统,通过转换器将混合储能系统并联到直流母线,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;
混合储能系统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PSC‑Udc、锂电池充放电功率‑超级电容器电压PBat‑USC的下垂特性的数学表达式如下:
式中,PSC表示超级电容器功率、PSC_disc_Limit表示超级电容器放电功率限制、PSC_char_Limit表示超级电容器充电功率限制、PBat表示锂电池功率、PBat_disc_Limit锂电池放电功率限制、PBat_char_Limit表示锂电池充电功率限制;Udc表示直流母线电压、Udc_low表示直流母线电压下限、Udc_high表示直流母线电压上限、USC表示超级电容器电压、USC‑low 表示超级电容器电压下限以及USC_high表示超级电容器电压上限;k1代表PSC‑Udc下垂特性曲线的下垂系数和k2代表PBat‑USC下垂特性曲线的下垂系数、C1代表PSC‑Udc下垂特性曲线的截距,为常数、C2代表PBat‑USC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;
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;
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PGCC‑Udc下垂特性的数学表达式为:式中,PGCC表示并网变流器功率、PGCC_rect_Limit表示并网变流器最大整流功率、PGCC_inv_Limit表示并网变流器最大逆变功率;Udc_low1表示直流母线电压一级下限、Udc_low2表示直流母线电压二级下限、Udc_high1表示直流母线电压一级上限、Udc_high2表示直流母线电压二级上限、k3表示PGCC‑Udc下垂特性曲线的下垂系数、C3表示PGCC‑Udc下垂特性曲线的截距一、C4表示PGCC‑Udc下垂特性曲线的截距二,C3和C4为常数;
S5:根据家庭能量管理的特点和直流微网控制要求,家庭能量管理系统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,家庭能量管理系统共计六种运行模式,提出家用电能路由器相应的功率控制策略;
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:式中,PC表示直流母线等效电容功率、PPV表示光伏系统发电功率、PG表示电网功率、PHES表示混合储能系统功率、PL表示负载功率;
直流母线电压Udc和直流母线等效电容功率PC关系为:式中C表示等效电容,如需维持电压稳定,则有:式中,IHES表示混合储能系统电流;
在并网模式下,光伏系统通常采用MPPT控制策略;当Udc≥Udc_high或Udc≤Udc_low时,并网变流器采用下垂控制策略;当Udc_low≤Udc≤Udc_high,混合储能系统用作主控制单元,采用下垂控制策略;
在离网模式下,并网变流器不工作;当Udc≥Udc_high,光伏系统从MPPT控制策略运行转换为降功率控制;当Udc_low≤Udc≤Udc_high时,混合储能系统为主控单元,采用下垂控制;当Udc≤Udc_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。
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,当家庭能量管理系统有足够的电能时,可以确保负载正常运行,当家庭能量管理系统电能不足时,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系统功率平衡。
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,此时光伏系统将继续运行;否则将根据步长中给出的公式为参考电压指定一个新值。
说明书 :
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
背景技术
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。
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。电力系统也正朝着“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,电力系统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、对等和共享的系统,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。
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系统稳定性差,
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
为家庭用户的家庭能量管理系统,家用电能路由器连接到电网、光伏系统、混合储能系统、
交流负荷和直流负荷,并设置电表;
种运行模式,提出家用电能路由器相应的功率控制策略。
庭能量管理系统功率平衡。
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,此时光伏系统将继续运
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。
容器电压(PBat‑USC)的下垂特性的数学表达式如下:
率限制、PBat_char_Limit表示锂电池充电功率限制;Udc表示直流母线电压、Udc_low表示直流母线
电压下限、Udc_high表示直流母线电压上限、USC表示超级电容器电压、USC‑low 表示超级电容器
电压下限以及USC_high表示超级电容器电压上限;k1代表PSC‑Udc下垂特性曲线的下垂系数和
k2代表PBat‑USC下垂特性曲线的下垂系数、C1代表PSC‑Udc下垂特性曲线的截距,为常数、C2代
表PBat‑USC下垂特性曲线的截距,为常数;
为:
直流母线电压二级下限、Udc_high1表示直流母线电压一级上限、Udc_high2表示直流母线电压二
级上限、k3表示PGCC‑Udc下垂特性曲线的下垂系数、C3表示PGCC‑Udc下垂特性曲线的截距一、C4
表示PGCC‑Udc下垂特性曲线的截距二,C3和C4为常数。
用下垂控制策略;
Udc≤Udc_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。
了效率,减少了占用空间,提升了使用的灵活性。
附图说明
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;ω
L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;ua、ub、uc
分别表示三相电压;ia、ib、ic分别表示三相电流;ud、uq分别表示dq坐标轴的电压分量;id、iq
分别表示dq坐标轴的电流分量;Udc_high、Udc_rate、Udc_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
明。
交流负荷和直流负荷2等;
种运行模式,提出家用电能路由器相应的功率控制策略。
流负荷和直流负荷2主要包括供热、照明等冷热电气设备。当家庭能量管理系统有足够的电
能时,可以确保负载正常运行,当家庭能量管理系统电能不足时,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系统功率平衡。
光伏电池是否在最大工作功率点附近运行;如果是,此时光伏系统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。
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系统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。
率限制、PBat_char_Limit表示锂电池充电功率限制;Udc表示直流母线电压、Udc_low表示直流母线
电压下限、Udc_high表示直流母线电压上限、USC表示超级电容器电压、USC‑low 表示超级电容器
电压下限以及USC_high表示超级电容器电压上限;k1代表PSC‑Udc下垂特性曲线的下垂系数和
k2代表PBat‑USC下垂特性曲线的下垂系数、C1代表PSC‑Udc下垂特性曲线的截距,为常数、C2代
表PBat‑USC下垂特性曲线的截距,为常数。
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。
直流母线电压二级下限、Udc_high1表示直流母线电压一级上限、Udc_high2表示直流母线电压二
级上限、k3表示PGCC‑Udc下垂特性曲线的下垂系数、C3表示PGCC‑Udc下垂特性曲线的截距一、C4
表示PGCC‑Udc下垂特性曲线的截距二,C3和C4为常数。
反馈,系统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。
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:
能系统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。
行模式,提出家用电能路由器相应的功率控制策略。
用下垂控制策略。
制;当Udc≤Udc_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。
载,剩余功率用于为混合储能系统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)混合储能系统6达到最大充放电功率,光伏系统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。
率,电网向负荷供电。
载所需的功率,混合储能系统6和光伏系统1一起向负载供电。
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。