一種直流微電網混合型鬆弛終端的穩壓協調控制方法與流程
2023-05-15 19:45:11 1
本發明涉及直流微電網的穩定運行，具體是一種直流微電網混合型鬆弛終端的穩壓協調控制方法。
背景技術：
直流微電網作為傳統微電網的有益補充，不僅高效地融合了直流形式輸出的分布式微電源，而且無需考慮電壓相位和頻率等複雜電能參量，減少了自然功率的限制，運行可靠性較高。以分布式電源構建的直流微電網研究起步比較晚，但直流配電形式早已在工業及通信領域得到應用。隨著微電網的網架結構多樣化，直流微電網電能輸送的優越性愈加明顯。隨著微網群的發展，直流微電網的結網形式開始多樣化，從比較單一的、小型的體系結構開始向複雜的、大型的微電網發展演化。未來的微電網將是模塊化以及多級的微電網架構。多級微電網中，每個微電網都可以是獨立運行的，也可以自身及連帶下級微電網一起孤網運行，又可以與上級微電網或大電網併網運行。這些積木式的結構使得微電網具有良好的可擴充性。
以分布式電源構建的微電網能夠很好地彌補大型集中電網的許多不足，但是分布式發電存在不可預測性和間歇性；再加上微電網中存在大量波動性負荷，使得微電網供電質量下降，甚至造成嚴重的功率不平衡。近年來，為了充分利用可再生能源及適應智能電網運行等需求，儲能系統作為提高分布式電源接入容量的重要手段和實現能量雙向互動的輔助裝置，在微電網中發揮著越來越重要的作用。作為能量型儲能元件的鋰電池能量密度高，但功率密度低；而超級電容作為功率型儲能元件，功率密度高，但能量密度低。根據兩者在輸出特性上互補的優勢，鋰電池-超級電容混合儲能系統不僅延長了儲能單元的壽命，而且提高了儲能系統響應速度。針對鋰電池循環壽命短的問題，有關學者確定出鋰電池在壽命周期內的最佳運行充放電循環深度，並使用充放電任務分開的雙電池結構，提高了電池儲能的使用壽命，但是忽略了電池的有效功率密度，在實際應用中增加了儲能系統的體積。
在直流微電網中，所接終端按功能可劃分為鬆弛終端和功率終端。其中儲能系統主要作為鬆弛終端來維持微電網中的功率平衡和平抑母線電壓波動，其他分布式電源和負荷作為功率終端來提供和消耗能量。在多級直流微電網中，上級母線又可以作為下級的鬆弛終來調節子母線上電壓波動。因此不同的鬆弛終端在微電網中協調配合運行對提高微電網和儲能系統的可靠性有著重要的研究意義。
技術實現要素：
本發明解決在兩級直流微電網中多個鬆弛終端協調控制來穩定本地直流母線電壓的問題，提供一種直流微電網混合型鬆弛終端的穩壓協調控制方法。
本發明將兩組鋰電池和一組超級電容構成混合儲能系統，設計雙鋰電池在超級電容協調下合理轉換運行狀態。並將直流微電網中上級主母線作為後背支撐，形成完備的混合型鬆弛終端系統。根據超級電容電壓信號設計本地直流母線上鬆弛終端合理的工作模式，實現不同優先級工作模式的平滑高效切換。
一種直流微電網混合型鬆弛終端的穩壓協調控制方法，包括由雙鋰電池，超級電容和上級主母線構成的混合型鬆弛終端系統，混合型鬆弛終端系統對本地直流母線電壓穩定性進行調節。
所述超級電容通過dc/dc變換器i連接於本地直流母線上；鋰電池通過雙埠dc/dc變換器ii與超級電容相連，形成級聯結構；而主母線作為後背支撐電源，通過雙向dc/dc變換器iii接於本地直流母線上，與超級電容形成並聯結構。
所述dc/dc變換器i、dc/dc變換器iii均採用雙向boost-buck電路結構，雙埠dc/dc變換器ii由兩組雙向boost-buck電路結構組成。
一種直流微電網混合型鬆弛終端的穩壓協調控制方法是採用如下方案實現的：
(1)超級電容器的dc/dc變換器i的控制
超級電容功率密度大，dc/dc變換器i採用恆壓雙閉環控制方式優先動作並調節本地直流母線電壓維持在允許波動範圍內。
(2)雙鋰電池的雙向dc/dc變換器ii的控制
為平滑控制鋰電池充放電電流和與主母線協調控制，雙埠dc/dc變換器ii採用下垂控制。通過檢測超級電容電壓信息usc來控制雙鋰電池輸出。根據超級電容電壓進行層次劃分，雙鋰電池協調配合運行於分別承擔充放電任務和同時承擔充放電任務兩個層級。
(3)上級主母線的雙向dc/dc變換器iii的控制
雙鋰電池無法滿足本地直流母線上負荷需求時，由上級主母線作為後背支撐電源。雙埠dc/dc變換器iii同樣採用下垂控制，與雙鋰電池協調分層運行。通過檢測超級電容電壓信息usc來控制上級母線對本地母線的電壓調節。
本發明具有如下優點：
(1)本發明將雙鋰電池的運行狀態在超級電容協調下進行合理轉換，提高了鋰電池的使用壽命和有效功率密度。
(2)利用超級電容的緩衝作用，平滑了能量型鬆弛終端的工作電流，且實現了鬆弛終端不同優先級的工作模式在母線電壓失穩前平滑切換，對直流母線電壓影響甚小。
(3)本方法優化了直流微網結網方式，並為微電網群的擴展提供了良好的思路；有效解決了多級直流微電網中不同鬆弛終端協調控制來穩定直流母線電壓的問題。
附圖說明
圖1是本發明中混合型鬆弛終端的架構和控制原理框圖。
圖2是本發明中雙埠dc/dc變換器ii和雙向dc/dc變換器iii運行下垂曲線。
圖3是本發明中混合鬆弛終端分層工作模式示意圖。
圖4是本發明中雙鋰電池單元運行狀態轉換示意圖。
具體實施方式
圖1中：udc和udc-ref分別為直流母線電壓的實際值和參考值，isc和isc-ref為超級電容實際電流值和參考值。為平滑控制鋰電池充放電電流和與主母線協調控制，雙埠dc/dc變換器ii和雙向dc/dc變換器iii均採用下垂控制。其根據超級電容電壓信息來控制雙鋰電池和主母線的充放電，usc為超級電容電壓的實際值,ua-ref、ub-ref、ubus-ref為超級電容分別對應於雙鋰電池a、b和主母線的電壓參考值，根據下垂特性關係分別給出各個能量型鬆弛終端的電流參考值ia-ref、ib-ref和ibus-ref，然後由電流內環控制各自的實際電流值ia,ib和ibus。udc和udc-ref分別為直流母線電壓的實際值和參考值，isc和isc-ref為超級電容實際電流值和參考值。usc為超級電容電壓的實際值,ua-ref、ub-ref、ubus-ref為超級電容分別對應於雙鋰電池a、b和主母線的電壓參考值。根據下垂特性關係分別給出各個能量型鬆弛終端的電流參考值ia-ref、ib-ref和ibus-ref，然後由電流內環控制各自的實際電流值ia,ib和ibus。
圖2中：usc和uscr為超級電容實際電壓和儲能中間電壓值，a、b、c、d為偏離係數；ibm和ibusm為鋰電池和主母線最大充放電電流。kb1、kb2為雙鋰電池分開協調控制運行的下垂係數，兩組鋰電池a、b單元在各自的運行狀態下採取相應的下垂曲線。kbus為主母線運行的下垂係數。
圖3中：δusc為超級電容實際電壓usc和儲能中間電壓uscr的偏差值。圖中根據超級電容電壓劃分層區並設計了4種工作模式，其中+、-表示同一工作模式下鬆弛終端充放電兩種狀態。
圖4中：鋰電池充放電循環深度δsoc＝soch-socl。式中soch為鋰電池單元充電截止時的荷電狀態，取值0.9；socl為鋰電池單元放電截止時的荷電狀態，取值為0.1。
具體實施方式
一種直流微電網混合型鬆弛終端的穩壓協調控制方法，包括由雙鋰電池，超級電容和上級主母線構成混合型鬆弛終端系統。
所述超級電容通過dc/dc變換器i連接於本地直流母線上；鋰電池通過雙埠dc/dc變換器ii與超級電容相連，形成級聯結構；而主母線作為後背支撐電源，通過雙向dc/dc變換器iii接於本地直流母線上，與超級電容形成並聯結構。
所述dc/dc變換器i、dc/dc變換器iii均採用雙向boost-buck電路結構，雙埠dc/dc變換器ii由兩組雙向boost-buck電路結構組成。
步驟1：設定udch，udcl為本地直流母線電壓允許波動的上下臨界值，也為超級電容動作閾值。超級電容功率密度大，dc/dc變換器i採用恆壓雙閉環控制方式調節本地直流母線電壓維持在允許波動範圍內。
當udcl≤udc≤udch時，dc/dc變換器i不工作；當udc＜udcl時，dc/dc變換器i運行於boost模式，使超級電容放電；當udch＜udc時，dc/dc變換器i運行於buck模式，使超級電容充電。
步驟2：雙埠dc/dc變換器ii和雙向dc/dc變換器iii均採用下垂控制。通過檢測超級電容電壓信息usc，並根據運行下垂曲線(圖2所示)來控制雙鋰電池和上級主母線的充放電。
步驟3：設定umax和umin為超級電容工作電壓的最大值和最小值，計算其儲能中間電壓值為：uscr＝(umax+umin)/2；設定δusc為超級電容實際電壓usc和儲能中間電壓uscr的偏差值；a、b、c、d為偏離係數(其中:a＝15％(umax-uscr)/uscr,b＝50％(umax-uscr)/uscr,c＝85％(umax-uscr)/uscr,d＝95％(umax-uscr)/uscr)。根據超級電容電壓劃分層區並使混合鬆弛終端運行於相應的工作模式。
(1)工作模式1
|δusc|≤auscr,該層區下由超級電容單獨平抑電壓波動。
(2)工作模式2
當直流母線電壓波動的低頻分量增大，直至auscr＜|δusc|≤buscr時，系統運行於模式2。該模式下雙鋰電池配合超級電容調節直流母線電壓低頻分量，且一組鋰電池承擔充電任務，另一組鋰電池承擔放電任務，從而減少充放電循環次數，使其運行在最佳充放電循環深度。
(3)工作模式3
當進入層區buscr＜|δusc|≤cuscr時，雙鋰電池分別承擔任務已經無法滿足微網功率需求，為充分利用雙鋰電池單元的有效功率密度，此時將另一個鋰電池組切換為相同的充放電狀態，以增加整個鋰電池儲能單元的功率。
(4)工作模式4
當雙鋰電池無法滿足本地直流母線功率需求，超級電容電壓進入第4層區：cuscr＜|δusc|≤duscr，此時雙鋰電池停止運行，上級主母線代替鋰電池配合超級電容運行。為防止鋰電池與主母線運行狀態頻繁切換，雙向dc/dc變換器iii啟動後將可以運行於第2，3，4層區，直至超級電容電壓進入第1層區後，主母線不再支撐本地直流母線電壓。