一种含混合储能的光伏直流微电网协调控制方法与流程

技术特征：
1.一种含混合储能的光伏直流微电网协调控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：搭建光伏发电系统的控制策略，使其运行在最大功率跟踪控制mppt模式和恒压控制cvc模式；步骤二：根据蓄电池与超级电容特点，将直流微电网的运行模式划分为多个工作模式；步骤三：建立低通滤波器模型，通过低通滤波器实现混合储能系统所承担的功率分配；步骤四：通过超级电容与蓄电池各自承担的功率与端电压，计算出二者的工作电流；并通过储能装置的充放电电流参考值与实际工作电流进行比较，设计双向dc/dc变换器的控制方式；步骤五：当直流微电网内光伏发电系统和储能装置不足以平抑系统中的功率波动、或储能装置故障无法参与调节时，通过双向dc/dc变换器将直流微电网并入大电网，由大电网为直流微电网平抑系统中的功率波动。2.根据权利要求1所述一种含混合储能的光伏直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤一中，在光伏发电系统接入boost变换器，使其运行在最大功率跟踪控制mppt模式和恒压控制cvc模式，最大功率跟踪控制mppt模式用于寻求光伏电池的最优工作状态，用增量电导法来实现：由光伏电池p
‑
u特性曲线可知，当光照强度与温度恒定时，电池的输出p
‑
u函数仅有一个极值，即dp/du＝0时，光伏电池工作在最大功率点，且在最大功率点两侧dp/du符号相反，对光伏电池的输出功率p求导，可得：令dp/du＝0，代入式(1)，得：整理式(2)得光伏电池处于最大功率点时，电压u和电流i,满足：当di/du>
‑
i/u时，u小于光伏电池的最大功率点电压u
m
，向电压增大方向进行扰动；当di/du<
‑
i/u时，u大于光伏电池的最大功率点电压u
m
，向电压减小方向进行扰动；当di/du＝
‑
i/u时，实现了最大功率点跟踪，光伏电池输出功率处在最大功率点处；当系统正常运行时，光伏发电系统接入的boost变换器工作在最大功率跟踪控制mppt模式，以最大效率将太阳能转化为电能；当系统在孤岛运行状况下，储能装置故障或无法参与调节直流母线电压时，或者在并网运行状态无法向直流微电网输送剩余功率时，boost变换器采用恒压控制cvc模式，将采集到的直流母线电压u
dc
与其给定值u
dc_ref
进行比较，产生误差送入pi控制器，输出值经过pwm电路产生脉冲，通过控制igbt的通断，来达到恒压控制的目的。3.根据权利要求1所述一种含混合储能的光伏直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤二中，定义δp为光伏发电系统输出功率与负荷所需功率之差，即δp＝p
pv
‑
p
load
，p
pv
与p
load
分别表示光伏发电系统输出功率与负荷所需功率，利用功率分层点δp
lay
作为蓄
电池与超级电容的工作模式切换点，当|δp|≥|δp
lay
|时，由超级电容承担系统中的功率波动，当|δp|<|δp
lay
|时，由蓄电池承担系统中的功率波动，根据各模块之间的控制要求不同，考虑到超级电容的容量一般较低，设置其端电压u
sc
在正常上下限u
sc_max
，u
sc_min
内工作；考虑到蓄电池不能频繁充放电的特点，设置其soc在正常的上下限soc
max
、soc
min
范围内工作。4.根据权利要求3所述一种含混合储能的光伏直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤二中，将直流微电网的运行模式划分为8个工作模式：模式1：当δp>0时，此时光伏发电系统输出功率大于负载所需功率，若δp>δp
lay
，且u
sc
≤u
sc_max
，则光伏发电系统发电不仅可以满足负载的需求，而且功率盈余较多，能够为超级电容提供一定的能量，此时超级电容进入充电状态，当超级电容的端电压大于其限充最大值时，切换到模式2；模式2：在模式1的状态下，若u
sc
>u
sc_max
，此时超级电容停止运行，系统中的功率波动由蓄电池承担，此时光伏发电系统发电不仅可以满足负载的需求，还能够为蓄电池提供一定的能量，蓄电池进入充电状态，当蓄电池的soc达到其限充最大值时，混合储能装置退出运行，此时将直流微电网并入大电网，将系统中多余的功率传送到大电网；模式3：当δp>0时，此时光伏发电系统输出功率大于负载所需功率，若δp≤δp
lay
,且soc
bat
≤soc
max
，则光伏发电系统发电虽然可以满足负载的需求，但功率盈余较少，能够为蓄电池提供一定的能量，此时蓄电池进入充电状态，当蓄电池的soc达到其限充最大值时，切换到模式4；模式4：在模式3的状态下，此时soc
bat
>soc
max
，蓄电池停止运行，系统中的功率波动由超级电容承担，此时光伏发电系统发电不仅可以满足负载的需求，还能够为超级电容提供一定的能量，超级电容进入充电状态，当超级电容的端电压达到其限充最大值时，混合储能装置退出运行，此时将直流微电网并入大电网，将系统中多余的功率传送到大电网；模式5：当δp<0时，此时光伏发电系统输出功率小于负载所需功率，若δp≤
‑
δp
lay
,且u
sc
≥u
sc_min
，则光伏发电系统发电不足以满足负载的需求，而且功率缺额较大，此时由超级电容提供一定的能量支撑，超级电容进入放电状态，当超级电容的端电压下降至其限放最小值时，切换到模式6；模式6，在模式5的状态下，若u
sc
<u
sc_min
，此时超级电容停止运行，系统中的功率波动由蓄电池承担，此时光伏发电系统发电不足以满足负载需求，由蓄电池提供一定的能量支撑，蓄电池进入放电状态，当蓄电池的soc小于其限放最小值时，混合储能装置退出运行，此时将直流微电网并入大电网，由大电网为系统中的功率缺额提供支撑；模式7：当δp<0时，此时光伏发电系统输出功率小于负载所需功率，若δp>
‑
δp
lay
,且soc
bat
≥soc
min
，则光伏发电系统发电不足以满足负载的需求，而且功率缺额较小，此时由蓄电池提供一定的能量支撑，蓄电池进入放电状态；当蓄电池的soc下降至其限放最小值时，切换至模式8；模式8：在模式7的状态下，若soc
bat
<soc
min
，此时蓄电池停止运行，系统中的功率波动由超级电容承担，光伏发电系统发电不足以满足负载的需求，此时由超级电容提供一定的能量支撑，超级电容进入放电状态，当超级电容的端电压小于其限放最小值时，混合储能装置退出运行，此时将直流微电网并入大电网，由大电网为系统中的功率缺额提供支撑。
5.根据权利要求1所述一种含混合储能的光伏直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤三中，蓄电池与超级电容所承担的功率分配，通过低通滤波器来实现，根据蓄电池与超级电容各自的特性，让蓄电池承担功率变化低频的部分，超级电容承担高频功率波动，一阶低通滤波器的传递函数为：式(4)中，t为滤波器时间常数；s为微分算子；将s＝jω代入式(4)，得到一阶低通滤波器的传递函数和幅频特性函数分别如式(5)和式(6)所示：式(6)所示：由一阶低通滤波器的幅频特性可以看出，一阶低通滤波器对高频信号的通过有很强的抑制作用，低频信号更容易通过，其中，ω
c
＝1/t是一阶低通滤波器的的截止频率；当滤波时间常数t越大，截止频率越低，即允许通过该滤波器信号频率越低，更多信号能通过低通滤波器来滤波，得到的信号越平滑；根据直流微电网各单元功率关系与低通滤波器的原理，可得孤岛运行状态下混合储能装置所承担的功率为：p
hess
＝p
bat
p
sc
＝p
dc
p
load
‑
p
pv (7)其中，p
hess
表示混合储能装置承担的功率，p
bat
表示蓄电池所承担的功率，p
sc
表示超级电容承担的功率，p
dc
表示直流母线电压上的功率，p
load
表示负荷所需功率，p
pv
表示光伏所发功率，将混合储能装置承担的功率p
hess
经过一阶低通滤波器后得到平滑的部分，作为蓄电池承担的参考功率:式(8)中，滤波时间常数t，可根据蓄电池需要平抑功率波动的频带确定，混合储能装置承担功率p
hess
中的剩余波动部分由超级电容承担：6.根据权利要求1所述一种含混合储能的光伏直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤四中，通过步骤三中得到的的蓄电池与超级电容承担功率参考值p
bat_ref
、p
sc_ref
分别与其端电压u
bat
、u
sc
相除，得到蓄电池与超级电容器充放电电流的参考值i
bat_ref
、i
sc_ref
，然后对双向dc/dc变换器进行控制，从而实现储能装置对系统功率的吸收或释放。7.根据权利要求6所述一种含混合储能的光伏直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤四中，双向dc/dc变换器控制原理为：在双向dc/dc变换器控制电路中，储能装置充放电参考电流i
ref
与其实际工作电流i进行比较，产生的误差送入pi控制器，同时对pi控制器的输出进行限幅，限制储能装置工作电
流，以免损坏开关管；pi控制器输出值经脉宽调制pwm电路产生驱动脉冲，控制双向dc/dc变换器中开关管t1、t2的通断，在控制过程中，通过比较器判断储能装置给定工作电流的大小，来决定双向dc/dc变换器的工作模式；采用比较器来确定储能装置的工作方式，其中，i
up
、i
down
为储能装置启动电流上下阈值；双向dc/dc变换器工作模式选择方式与比较器之间逻辑关系为：当i
ref
<i
down
时，要求储能装置吸收功率，比较器二输出逻辑值0，闭锁开关管t2触发脉冲，比较器一输出逻辑值1，通过脉宽调制pwm电路控制开关管t1使双向dc/dc变换器工作在buck模式；当i
down
≤i
ref
≤i
up
时，系统波动功率很小，对系统稳定影响不大，为了避免储能装置频繁在充放电模式之间来回切换，此时让储能装置处于空闲状态，比较器一和比较器二的逻辑值都为0，闭锁脉冲信号，此时让电网和光伏发电系统共同为负载提供功率；当i
ref
>i
up
时，要求储能装置发出功率，比较器一输出逻辑值0，闭锁开关管t1触发脉冲，比较器二输出逻辑值1，控制开关管t2使双向dc/dc变换器工作在boost模式。8.根据权利要求1所述一种含混合储能的光伏直流微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤五中，在直流微电网孤岛运行时，双向dc/dc变换器处于停机状态，直流微电网与大电网之间没有能量的交换；在直流微电网运行时，首先判断光伏发电系统发电功率是否能满足负荷的需求，当微电网内能量不足且储能装置小于限放最小值时，双向dc/ac变换器工作在整流模式，大电网向直流微电网内输送电能，储能装置处在空闲状态；若光伏发电系统发电功率大于负载功率，系统优先为储能装置充电，当储能装置充满后，直流微电网内剩余电能送入大电网，此时双向dc/ac变换器工作在逆变状态；在并网运行时，系统内功率关系如下：p
dc
＝p
pv
p
bat
p
sc
‑
p
load
p
g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)式中，p
g
为双向dc/ac变换器并网有功功率，系统并网运行过程中，当系统内电能有剩余时优先为储能装置充电，由储能装置维持系统稳态平衡；当储能装置充满后，剩余电能再并入配电网，由双向dc/ac变换器维持系统的稳态平衡；当系统内电能不足时优先由储能装置向直流微电网内输送电能，当储能装置放完电后，由配电网为微电网提供能量，系统并网时蓄电池承担功率p
bat_ref
与电网承担功率p
g_ref
分配如下：分配如下：式中，p
hess
为混合储能系统所需承担的功率；λ为并网运行时功率分配系数；当光伏输出功率不足以满足负载功率，即p
pv
<p
load
时，则分别判断蓄电池的soc和超级电容的端电压是否大于限放最小值，若储能装置满足大于限放最小值的条件，则p
g
＝0，储能装置放电以弥补系统中负荷需求的不足；
若储能装置已达到限放最小值，则储能装置不再放电，由电网和光伏发电系统共同为负载提供功率；当光伏发电系统输出功率大于负载功率，即p
pv
>p
load
时，则分别判断蓄电池的soc和超级电容的端电压是否小于限充最大值，若储能装置满足小于限充最大值的条件，则p
g
＝0，系统内剩余能量为储能装置充电；若储能装置已达到限充最大值，则储能装置不再充电，剩余电能逆变后送入电网。9.含混合储能的光伏直流微电网，其特征在于：包括混合储能系统，双向dc/dc控制系统、光伏发电系统，其中，光伏发电系统通过boost变换器与直流母线相连，实现光伏发电系统输出的最大功率跟踪控制mppt和直流母线电压恒压控制cvc功能；直流母线分别通过双向dc/dc变换器和双向ac/dc变换器与直流负荷、交流负荷相连，为负荷提供所需能量；混合储能系统通过双向dc/dc变换器实现蓄电池和超级电容与直流母线侧能量的互送，直流系统经过双向dc/ac变换器与电网相连，工作在并网或孤岛运行状态。

技术总结
一种含混合储能的光伏直流微电网协调控制方法，包括搭建光伏发电系统的控制策略，使其运行在MPPT模式和CVC模式；将直流微电网的运行模式划分多个工作模式；建立低通滤波器模型，实现混合储能系统所承担的功率分配；通过超级电容与蓄电池各自承担的功率与端电压，计算出二者的工作电流；并通过储能装置的充放电电流参考值与实际工作电流进行比较，设计双向DC/DC变换器的控制方式；当直流微电网内光伏发电系统和储能装置不足以平抑系统中的功率波动、或储能装置故障无法参与调节时，通过双向DC/DC变换器将直流微电网并入大电网。本发明方法能够避免复杂的参数设定以及大量计算，控制灵活的同时考虑到了储能装置的使用寿命，提高了运行的经济性。提高了运行的经济性。提高了运行的经济性。


技术研发人员：刘道兵 鲍志阳
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2021.08.16
技术公布日：2021/11/24