一種基於混合儲能vsi平抑微網功率波動的控制方法

2023-11-07 17:19:12 3

一種基於混合儲能vsi平抑微網功率波動的控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於混合儲能VSI平抑微網功率波動的控制方法，設計了混合儲能系統兩級能量管理方法，該方法充分發揮超級電容功率密度大、充放電循環壽命長的優點，將其作為系統一級緩衝儲能優先平抑微網功率波動；併網運行時配電網作為二級儲能，通過控制聯絡線功率，使超級電容端電壓穩定在充放電限值以內，同時維持PCC點母線電壓在允許範圍內變化；孤島運行時蓄電池作為二級儲能，通過超級電容的緩衝作用減少蓄電池充放電次數，延長蓄電池使用壽命，當超級電容達到充放電警戒值時，精確控制蓄電池以恆功率輸出，以調節超級電容端電壓恢復到正常值。仿真結果驗證了本文所述方法的有效性。
【專利說明】-種基於混合儲能VSI平抑微網功率波動的控制方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基於混合儲能VSI (voltage source inverter,電壓源逆變器）平 抑微網功率波動的控制方法，屬於微電網儲能技術。

【背景技術】
[0002] 將分布式電源、負荷、儲能裝置連接在一起，W微電網的方式運行能夠充分發揮分 布式電源的效能，提高電網接納可再生能源的能力。受自然條件影響，風電、光伏等可再生 能源的輸出具有較大的間歇性和隨機性，對微網的電能質量和穩定運行產生不利影響。微 網併網運行時，間隙性微電源的功率波動會引起公共連接點電壓波動，嚴重時威脅負荷和 各個併網逆變器的正常工作。微網孤島運行時，間隙性微電源的功率波動會使蓄電池儲能 裝置處於頻繁的充放電狀態，大大減少蓄電池的使用壽命，增加微網運行的成本。


【發明內容】

[0003] 發明目的：為平抑間歇性微電源引起的功率波動，本發明提出了一種基於超級電 容和蓄電池的混合儲能VSI控制策略，設計了混合儲能系統兩級能量管理方法。該方法充 分發揮超級電容功率密度大、充放電循環壽命長的優點，將其作為系統一級緩衝儲能優先 平抑微網功率波動。併網運行時配電網作為二級儲能，通過控制聯絡線功率，使超級電容端 電壓穩定在充放電限值W內，同時維持PCC(point of common coupling,公共連接點）點母 線電壓在允許範圍內變化。孤島運行時蓄電池作為二級儲能，通過超級電容的緩衝作用減 少蓄電池充放電次數，延長蓄電池使用壽命，當超級電容達到充放電警戒值時，精確控制蓄 電池W恆功率輸出，W調節超級電容端電壓恢復到正常值。
[0004] 技術方案：為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：
[0005] -種基於混合儲能VSI平抑微網功率波動的控制方法，將間歇性微源、負荷和混 合儲能VSI與微網交流母線相連，整個微網通過PCC點靜態開關與配電網相連，其中混合儲 能VSI包括超級電容和蓄電池，為穩定混合儲能VSI的直流母線電壓，超級電容和蓄電池 分別通過DC/DC變換器連接在混合儲能VSI的直流母線上，混合儲能VSI的直流母線通過 DC/AC變換器連接到微網交流母線上；將超級電容作為一級緩衝儲能優先平抑間歇性微源 的功率波動；微網併網運行時，配電網作為二級儲能，通過控制PCC點聯絡線功率，使超級 電容端電壓穩定在充放電限值W內，同時維持PCC點母線電壓在允許範圍內變化；微網孤 島運行時，蓄電池作為二級儲能，通過超級電容的緩衝作用減少蓄電池充放電次數，延長蓄 電池使用壽命，當超級電容達到充放電限值時，精確控制蓄電池W恆功率輸出，W調節超級 電容端電壓恢復到正常值。
[000引 （1)混合儲能VSI交流側DC/AC變換器控制策略；微網併網運行時，PCC點靜態開 關閉合，配電網提供電壓和頻率支撐，混合儲能VSI交流側DC/AC變換器採用PQ控制（P為 有功功率，Q為無功功率），根據兩級能量管理方法調節DC/AC變換器的輸出功率，W抑制微 網功率波動、維持輸出電壓恆定，採用功率外環、電流內環的雙環控制策略；微網孤島運行 時，PCC點靜態開關斷開，混合儲能VSI提供電壓和頻率支撐，混合儲能VSI交流側DC/AC變 換器採用V/f控制，根據兩級能量管理方法調節DC/AC變換器的輸出功率，W抑制微網功率 波動、維持輸出電壓恆定，採用電壓外環、電流內環的雙環控制策略；
[0007] (2)混合儲能VSI直流側DC/DC變換器控制策略：
[000引超級電容用DC/DC變換器採用直流母線電壓外環、超級電容輸出電流內環的雙環 控制策略；直流母線電壓外環用W穩定直流母線電壓，確保交流側DC/AC變換器正常工作 W平抑微網功率波動，維持微網功率平衡；超級電容輸出電流內環控制超級電容輸入電流， 使超級電容輸出功率不越限；超級電容通過超級電容用DC/DC變換器與直流母線進行功率 交換，充電時超級電容用DC/DC變換器處於降壓模式，放電時超級電容用DC/DC變換器處於 升壓模式；
[0009] 蓄電池用DC/DC變換器與蓄電池相連，超級電容作為一級緩衝儲能；當超級電容 端電壓在充放電限值（超級電容正常工作）W內時，蓄電池不工作；當超級電容端電壓在充 放電限值（超級電容非正常工作）W外時，蓄電池W恆定功率控制，調節超級電容端電壓， 使其恢復到充放電限值W內；
[0010] (3)微網併網運行兩級能量管理方法；超級電容作為一級緩衝儲能優先平抑間歇 性微源的功率波動，W維持PCC點母線電壓在允許範圍內變化；為防止超級電容過度充放 電，將配電網作為後備儲能，當超級電容端電壓在充放電限值（超級電容非正常工作）W外 時，維持控制PCC點聯絡線功率在設定範圍內變化，同時調節超級電容端電壓，使其恢復到 充放電限值W內；
[0011] (4)微網孤島運行兩級能量管理方法；超級電容作為一級緩衝儲能優先平抑間歇 性微源的功率波動，W維持PCC點母線電壓在允許範圍內變化；為防止超級電容過度充放 電，將蓄電池作為後備儲能，當超級電容端電壓在充放電限值（超級電容非正常工作）W外 時，通過控制蓄電池W恆功率輸出方式保障微網運行，同時調節超級電容端電壓，使其恢復 到充放電限值W內。
[0012] 本發明中，微網併網運行時時混合儲能VSI交流側DC/AC變換器採用PQ控制，超 級電容作為一級緩衝儲能優先平抑間歇性微源的功率波動，W維持PCC點母線電壓在允許 範圍內變化。由於超級電容能量密度小，其端電壓很容易超出充放電限值W外，超級電容端 電壓過大會減少其使用壽命，甚至擊穿電容，超級電容端電壓過小會使超級電容輸出相同 功率時電流越限，導致超級電容發熱嚴重。為防止超級電容過度充放電：在微網併網運行 時，由配電網作為超級電容的後備儲能，當超級電容端電壓超過充放電警戒值（充放電限 值）時，維持控制PCC點聯絡線功率在設定範圍內變化，同時對超級電容進行充放電，W調 節其端電壓恢復到正常值；在微網孤島運行時，由蓄電池作為超級電容的後備儲能，當超級 電容端電壓超過充放電警戒值（充放電限值）時，通過控制蓄電池W恆功率輸出方式保障 微網運行，同時調節超級電容端電壓，使其恢復到充放電警戒值W內。
[0013] 有益效果；本發明提供的基於混合儲能VSI平抑微網功率波動的控制方法，採用 了超級電容和蓄電池組成的混合儲能VSI，使用兩級能量管理方法，對在微網不同運行方式 下的混合儲能VSI交流側DC/AC變換器和直流側DC/DC變換器進行控制；該兩級能量管理 方法能夠有效平抑微網功率波動，平滑PCC點聯絡線功率，並維持併網運行PCC點母線電壓 在允許範圍內變化；通過兩級能量管理方法，能夠有效控制超級電容端電壓在充放電限值 W內，同時優化孤島運行時蓄電池充放電過程，延長蓄電池的使用壽命，提高微網運行的經 濟性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為本發明的微電網網結構框圖；
[001引圖2為交流側DC/AC控制策略框圖；
[0016] 圖3為超級電容用DC/DC控制框圖；
[0017] 圖4為蓄電池用DC/DC控制框圖；
[0018] 圖5為併網運行時兩級能量管理方法框圖；
[0019] 圖6為系統波動功率的平滑部分；
[0020] 圖7為孤島運行時兩級能量管理方法框圖；
[00川 圖8 (a)為併網運行DG出力曲線；
[0022] 圖8(b)為併網運行負載功率曲線；
[0023] 圖9(a)為PCC點母線電壓在未投入混合儲能VSI的標麼值曲線；
[0024] 圖9化）為PCC點母線電壓在投入混合儲能VSI後的標麼值曲線；
[002引圖10(a)為併網運行引入兩級能量管理系統後混合儲能VSI出力曲線；
[002引圖10(b)為併網運行引入兩級能量管理系統後超級電容端電壓曲線；
[0027] 圖10(c)為併網運行引入兩級能量管理系統後聯絡線功率曲線；
[002引圖11 (a)為孤島運行電壓標麼值曲線；
[002引圖11化）為孤島運行系統頻率曲線；
[0030] 圖12(a)為孤島運行引入兩級能量管理系統後的負載功率曲線；
[003。 圖12(b)為孤島運行引入兩級能量管理系統後的混合儲能VSI出力曲線；
[0032] 圖12(c)為孤島運行引入兩級能量管理系統後的超級電容端電壓曲線；
[0033] 圖12(d)為孤島運行引入兩級能量管理系統後的蓄電池充放電曲線；
[0034] 圖13為本發明方法流程圖。

【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0036] 如圖1所示為一種含有混合儲能VSI的微網結構，間歇性DG值iStributed Generation,分布式發電機）、負荷和混合儲能VSI與微網交流母線相連，整個微網通過PCC 點靜態開關與配電網相連，其中混合儲能VSI包括超級電容和蓄電池，超級電容功率密度 大，動態性能好，蓄電池儲能容量大，將兩者結合可有效提高儲能系統的整體性能。為穩定 混合儲能VSI的直流母線電壓，超級電容和蓄電池分別通過DC/DC變換器連接在混合儲能 VSI的直流母線上，混合儲能VSI的直流母線通過DC/AC變換器連接到微網交流母線上。P, 為PCC點聯絡線功率，Pg為間歇性DG輸出功率，Pi為負荷吸收功率，Ph為混合儲能VSI與 微網交流母線之間交換的總功率。
[0037] 微網併網運行時，PCC點靜態開關閉合，配電網提供電壓和頻率支撐，混合儲能 VSI交流側DC/AC變換器採用PQ控制（P為有功功率，Q為無功功率），根據兩級能量管理 方法調節DC/AC變換器的輸出功率，W抑制微網功率波動、維持輸出電壓恆定；微網孤島運 行時，PCC點靜態開關斷開，混合儲能VSI提供電壓和頻率支撐，混合儲能VSI交流側DC/AC 變換器採用V/f控制，根據兩級能量管理方法調節DC/AC變換器的輸出功率，W抑制微網功 率波動、維持輸出電壓恆定。混合儲能VSI交流側DC/AC變換器的控制策略如圖2所示。
[0038] 混合儲能VSI交流側DC/AC變換器在微網併網運行時，採用功率外環、電流內環的 雙環控制策略，W輸出指令功率Phuf、QhUf為控制目標；混合儲能VSI交流側DC/AC變換器 在微網孤島運行時，採用電壓外環、電流內環的雙環控制策略，W維持輸出電壓恆定。通過 採集交流側DC/AC變換器H相交流母線電壓電流，經過PA服變換，得到dqO坐標下的瞬時 值Ud、u。、id、i。，進而計算出混合儲能VSI實際輸出有功功率P和無功功率Q。微網併網運 行時，根據兩級能量管理方法給定指令功率Phuf、QhW,分別與實際輸出功率P、Q相減後經 PI調節得出併網條件下電流內環的參考值ih。,、iquf;微網孤島運行時，給定dqO坐標下的 參考電壓Uduf、Uquf，分別與實際電壓Ud、u。相減後經PI調節得出孤島條件下電流內環的參 考值idaf、iqaf;將電流內環的參考值i&rf、iqtrf分別與實際輸出電流id、iq做差後進入PI 調節，通過前饋解禪控制，對d軸、q軸電流單獨控制，再經PA服反變換和PWM(Pulse WWth Mo化lation，脈衝寬度調製）調製，驅動DC/AC變換器工作。
[0039] 超級電容用DC/DC變換器值C/DCQ))採用直流母線電壓叫。外環、超級電容輸出 電流iw內環的雙環控制策略，如圖3所示；直流母線電壓Ud。外環用W穩定直流母線電壓， 確保交流側DC/AC變換器正常工作W平抑微網功率波動，維持微網功率平衡；超級電容輸 出電流內環控制超級電容輸入電流，使超級電容輸出功率不越限；超級電容通過超級電 容用DC/DC變換器與直流母線進行功率交換，充電時超級電容用DC/DC變換器處於降壓模 式，放電時超級電容用DC/DC變換器處於升壓模式。
[0040] 蓄電池用DC/DC變換器值C/DC (2))與蓄電池相連，控制策略如圖4所示，超級電 容作為一級緩衝儲能：當超級電容端電壓在充放電限值（超級電容正常工作）W內時，蓄電 池不工作，驅動控制信號g為0,封鎖蓄電池用DC/DC變換器驅動；當超級電容端電壓在充 放電限值（超級電容非正常工作）W外時，驅動控制信號g為1，蓄電池W恆定功率控制，調 節超級電容端電壓，使其恢復到充放電限值W內。
[0041] 微網併網運行兩級能量管理方法如圖1所示，經降壓變壓器後電網側電壓&，線 路阻抗女，PCC點電壓Um, P,、Q,分別為PCC點聯絡線有功和無功功率，根據線路電壓降落公 式：
[0042]

【權利要求】
1. 一種基於混合儲能VSI平抑微網功率波動的控制方法，其特徵在於：將間歇性微源、 負荷和混合儲能VSI與微網交流母線相連，整個微網通過PCC點靜態開關與配電網相連，其 中混合儲能VSI包括超級電容和蓄電池，為穩定混合儲能VSI的直流母線電壓，超級電容和 蓄電池分別通過DC/DC變換器連接在混合儲能VSI的直流母線上，混合儲能VSI的直流母 線通過DC/AC變換器連接到微網交流母線上；將超級電容作為一級緩衝儲能優先平抑間歇 性微源的功率波動；微網併網運行時，配電網作為二級儲能，通過控制PCC點聯絡線功率， 使超級電容端電壓穩定在充放電限值以內，同時維持PCC點母線電壓在允許範圍內變化； 微網孤島運行時，蓄電池作為二級儲能，通過超級電容的緩衝作用減少蓄電池充放電次數， 延長蓄電池使用壽命，當超級電容達到充放電限值時，精確控制蓄電池以恆功率輸出，以調 節超級電容端電壓恢復到正常值。
2. 根據權利要求1所述的基於混合儲能VSI平抑微網功率波動的控制方法，其特徵在 於：包括如下部分： (1) 混合儲能VSI交流側DC/AC變換器控制策略：微網併網運行時，PCC點靜態開關閉 合，配電網提供電壓和頻率支撐，混合儲能VSI交流側DC/AC變換器採用PQ控制，根據兩級 能量管理方法調節DC/AC變換器的輸出功率，以抑制微網功率波動、維持輸出電壓恆定，採 用功率外環、電流內環的雙環控制策略；微網孤島運行時，PCC點靜態開關斷開，混合儲能 VSI提供電壓和頻率支撐，混合儲能VSI交流側DC/AC變換器採用V/f?控制，根據兩級能量 管理方法調節DC/AC變換器的輸出功率，以抑制微網功率波動、維持輸出電壓恆定，採用電 壓外環、電流內環的雙環控制策略； (2) 混合儲能VSI直流側DC/DC變換器控制策略： 超級電容用DC/DC變換器採用直流母線電壓外環、超級電容輸出電流內環的雙環控制 策略：直流母線電壓外環用以穩定直流母線電壓，確保交流側DC/AC變換器正常工作以平 抑微網功率波動，維持微網功率平衡；超級電容輸出電流內環控制超級電容輸入電流，使超 級電容輸出功率不越限；超級電容通過超級電容用DC/DC變換器與直流母線進行功率交 換，充電時超級電容用DC/DC變換器處於降壓模式，放電時超級電容用DC/DC變換器處於升 壓模式； 蓄電池用DC/DC變換器與蓄電池相連，超級電容作為一級緩衝儲能：當超級電容端電 壓在充放電限值以內時，蓄電池不工作；當超級電容端電壓在充放電限值以外時，蓄電池以 恆定功率控制，調節超級電容端電壓，使其恢復到充放電限值以內； (3) 微網併網運行兩級能量管理方法：超級電容作為一級緩衝儲能優先平抑間歇性微 源的功率波動，以維持PCC點母線電壓在允許範圍內變化；為防止超級電容過度充放電，將 配電網作為後備儲能，當超級電容端電壓在充放電限值以外時，維持控制PCC點聯絡線功 率在設定範圍內變化，同時調節超級電容端電壓，使其恢復到充放電限值以內； (4) 微網孤島運行兩級能量管理方法：超級電容作為一級緩衝儲能優先平抑間歇性微 源的功率波動，以維持PCC點母線電壓在允許範圍內變化；為防止超級電容過度充放電，將 蓄電池作為後備儲能，當超級電容端電壓在充放電限值以外時，通過控制蓄電池以恆功率 輸出方式保障微網運行，同時調節超級電容端電壓，使其恢復到充放電限值以內。
【文檔編號】H02J3/32GK104362656SQ201410579897
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】鄭建勇, 梅軍, 張宸宇, 胡洛瑄, 周福舉, 鄧凱 申請人:東南大學