一种微网变流储能装置及其能量管理方法与流程
本发明涉及新能源发电及其能量管理领域，具体涉及一种微网变流储能装置及其能量管理方法。
背景技术：
随着近年来国家政策的大力支持，越来越多的家庭光伏发电、小区光伏发电、企业办公大楼光伏发电等分布式发电并入公用电网。这些新能源的使用虽然有利于低碳减排、增加经济效益，但是受环境条件限制，具有明显的间歇性和不稳定性，大规模的分布式光伏发电系统的接入，给电网稳定运行带来冲击和干扰。微电网技术是解决上述矛盾的一种比较理想的手段，微电网是一种能够实现自我控制和管理的小型发配电系统，通常包含分布式电源、储能装置、变流装置、相关负荷和能量管理装置。其中起能量变换作用的变流器结构以及能量管理方法微电网研究的重要方向。针对目前小功率光伏系统大多采用非隔离型逆变结构，例如单相全桥型逆变器，这类非隔离型逆变器存在输出共模电压特性差、对地泄露电流高等缺点，输出电平数低，向电网侧注入谐波，滤波装置体积大。另外，大规模分布式光伏发电系统的接入，也给电网能量管理带来了挑战，间歇式的分布式电源对局部微电网的电压稳定性造成影响，为实现能量的优化调度，达到分布式电源削峰填谷的作用，需要在微电网中布置储能装置。现有中小功率并网系统的储能装置大多设置在直流母线侧，容量小、存在多级能量转换，效率低，同时分散式布置不利于能量统一管理。本发明提供一种微网变流储能装置及其能量管理方法，该装置的储能部分采用直连微网交流侧形式，降低了能量转换损耗，同时不受限于微电源的地理位置，可在微电网适当位置进行布置，便于统一能量管理。储能部分采用两个双向电流型BOOST变换器组成的DC/AC变换器，相比传统变流器，具有开关器件少，电压输出范围宽，SPWM调制简单等优点。装置的并网逆变部分采用六开关七电平单相逆变器，是由六个功率开关器件两两反并联分三组串联，在每两组之间并联一个电容，通过PWM调制控制，可以实现单相七电平交流输出。采用直流母线电压分段下垂控制，确定直流母线电压和储能装置充放电关系，由系统功率差值及储能装置自身的SOC状况确定的模糊控制策略决定蓄电池和超级电容的充放电动作。在分布式电源和微电网应用领域具有广阔的应用前景。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种微网变流储能装置及其能量管理方法，它通过六开关七电平单相逆变器将光伏阵列及其最大功率跟踪电路输出的电压逆变到交流电网。另外，根据微电网能量运行管理情况，通过与交流侧直连的储能结构，实现微电网交流侧和储能装置直流间的能量转换，采用的直流母线电压分段下垂控制和储能装置充放电模糊控制策略，达到平衡系统功率波动、削峰填谷等能量优化调度使用。装置结构简单功能丰富，相比现有技术，六开关七电平单相逆变器具有更优的输出电能质量，所需功率开关器件少，开关损耗低，控制简单。储能部分采用两个双向电流型BOOST变换器组成的DC/AC变换器，相比传统变流器，具有开关器件少，电压输出范围宽，调制简单等优点。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种微网变流储能装置及其能量管理方法，包括：六开关七电平单相逆变器单元、蓄电池用双向DC/AC变换器单元、超级电容用双向DC/AC变换器单元、微网变流器和储能装置控制及能量管理单元、光伏MPPT单元、蓄电池充放电管理单元、超级电容充放电管理单元、负荷管理单元，其特征在于：微电网中微电源由光伏阵列提供，经过BOOST型光伏MPPT单元后输入到六开关七电平单相逆变器单元。
优选的，逆变器将直流电能逆变为工频交流电输入到交流微电网中，储能装置包括蓄电池用双向DC/AC变换器单元和超级电容用双向DC/AC变换器单元。
优选的，蓄电池和超级电容均通过双向DC/AC变换器和交流侧直连，用于平衡系统功率波动。
优选的，蓄电池充放电管理单元和超级电容充放电管理单元采用系统功率差值及自身的SOC状况确定的模糊控制策略。
优选的，微网变流器和储能装置控制及能量管理单元采用直流母线电压分段下垂控制，确定直流母线电压和储能装置充放电关系，控制储能装置动作和平衡系统功率波动，负荷管理单元将微电网负荷分级投切，保证重要负荷的可靠供电。
优选的，采用的六开关七电平单相逆变器单元，由六个功率开关器件两两反并联分三组串联，在每两组之间并联一个电容，通过PWM调制控制，可以实现单相七电平交流输出。
(三)有益效果
本发明提供了一种微网变流储能装置及其能量管理方法，本装置不仅能够实现光伏转换电能并入电网，同时可根据系统能量流动情况，利用储能装置达到平衡系统功率波动、削峰填谷等作用。储能部分直接连在交流侧，无需能量中间转换环节，提高系统整体效率。采用的六开关七电平单相逆变器，所需功率开关器件少，开关损耗低，输出电能质量高。储能装置采用两个双向电流型BOOST变换器组成的双向DC/AC变换器，相比传统变流器，所用开关器件少，电压输出范围宽，SPWM调制简单等优点，在微电网应用领域具有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的控制流程图；
图2为本发明装置中六开关七电平单相逆变器的电路结构图；
图3为超级电容和蓄电池组成的混合储能电路结构原理图；
图4为储能装置电压外环控制系统框图；
图5为蓄电池组左侧BOOST变换器电感电流内环控制系统框图；
图6为能量管理模糊控制策略和储能装置整体控制结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施方式一：本实施方式中，以六开关七电平单相逆变器工作流程为例，电路结构原理图如图1所示，阐述装置将光照转换为电能逆变并网工作过程。设光伏阵列的输出电压为Vpv，经过最大功率跟踪电路后升压为Vdc，根据逆变器中功率开关器件的导通和关断状态，逆变器可运行在以下几种模式：
定义开关函数为
那么如图1中各节点电压可以用开关函数表示为
那么，逆变器输出交流侧电压可以表示为
vad＝vab+vbcvcd＝(S1-S2)V1+(S2-S3)V2 (3)
同理，各节点电流用开关函数可表示为
ic＝i3-i2＝(S3-S2)io (5)
根据电容电压电流关系，可知
由上式可知，电容C2两端的电压V2与开关函数有关，为实现逆变器七电平输出，可以通过闭环PI控制V2＝V1/3，此时，式(3)可以改写为
稳态运行时，电容C1两端电压为光伏阵列经过最大功率跟踪电路后升压Vdc，输出电压可呈±Vdc、±2/3Vdc、±1/3Vdc和0，共七种电平形式。
实施方式二：本实施方式中，分析储能装置及其boost型DC/AC变流器的控制方式。储能装置采用蓄电池组和超级电容的混合储能形式，蓄电池组充放电时间常数大，随着充放电次数的增加寿命缩减严重，负载负载变化低频部分的功率平衡。超级电容相比蓄电池充放电速率快，效率高寿命长，负责负载变化的高频部分的功率平衡。电路结构图如图2所示，蓄电池组和超级电容所接boost型DC/AC变流器的结构完全一致。以蓄电池组及其DC/AC变流器为例进行分析，功率开关器件batt_S1、batt_S3和RLbatt1构成了左侧BOOST型变流单元，功率开关器件batt_S2、batt_S4和RLbatt2构成了右侧BOOST型变流单元。这两个相同的Boost直流变流单元以差动电路形式连接，它们输出反相的低频正弦脉动直流电压的双向功率流，交流电网跨接在两个直流变换单元的输出端。当蓄电池向电网传递功率时，逆变开关batt_S1、batt_S2将输入直流电压Vbatt逆变成叠加有高频分量的低频交流电流iLbatt1、iLbatt2，经整流开关batt_S3，batt_S4和输出滤波电容后将其变成优质的低频正弦脉动直流电压vC1和vC2，当电网向蓄电池传递能量时，整流开关batt_S3，batt_S4工作在逆变状态，而逆变开关batt_S1、batt_S2工作在整流状态。设各物理量的正方向如图2中所示，装置的储能部分可以运行在以下几种模式。
模式一：当Vg>0、Ig<0、iLbatt1>0、iLbatt2<0,右侧直流变换单元流经反向电流,由微网交流电源侧向直流电源馈送能量,工作在BUCK充电模式。左侧直流变换单元则相反,由蓄电池向交流电源侧提供能量,工作在BOOST放电模式。由于交流电源侧电流为负,所以蓄电池反向传递的能量大于正向传递的能量。两者之差为交流电源侧反馈到直流电源的能量。
模式二：当Vg>0、Ig<0、iLbatt1<0、iLbatt2>0,右侧直流变换单元流经正向电流增大,由蓄电池向交流电源侧提供能量,工作在BOOST放电模式。左侧直流变换单元流经反向电流减小,由交流电源侧向直流电源馈送能量,工作在BUCK充电模式。此时交流电源侧电流逐渐增大但仍然为负,所以蓄电池反向传递的能量仍然大于正向传递的能量。交流电源仍向蓄电池回馈能量。
模式三：当Vg>0、Ig>0、iLbatt1<0、iLbatt2>0,右侧直流变换单元流经正向电流,由蓄电池向交流电源侧提供能量,工作在BOOST放电模式。左侧直流变换单元流经反向电流,由交流电源侧向蓄电池馈送能量,工作在BUCK充电模式。此时交流电源侧电流为正,蓄电池开始向交流电源侧提供能量。
模式四：当Vg<0、Ig>0、iLbatt1<0、iLbatt2>0,此时输出电压变负,但由于输出电流仍然为正,此种工作模式和模式二相同。
模式五：当Vg<0、Ig>0、iLbatt1>0、iLbatt2<0,此时输出电压变负,但由于输出电流仍然为正,此种工作模式和模式三相同。
模式六：当Vg<0、Ig<0、iLbatt1>0、iLbatt2<0,右侧直流变换单元流经反向电流，由交流电源侧向蓄电池馈送能量,工作在BUCK充电模式。左侧直流变换单元流经正向电流,向交流电源侧提供能量,此时交流电源侧电压电流均为负，蓄电池开始向微网交流电源侧提供能量。
由上述分析可知，当需要从蓄电池向交流侧输送能量时，储能变流器可工作在模式三、五、六。对于两组储能变流器，分别对他们进行单独控制，它们可以分别产生一个具有直流偏置的正弦波单极性电压输出。左侧组储能变换器驱动单元和右侧储能变换器驱动单元通过PWM调制使两个变换器输出电压相位互差180°，由于交流电源跨接在两个变换器之间，变换器分别输出的直流偏置电压在交流电源端将相互抵消,产生一个双极性的交流电压输出。当需要从交流侧向蓄电池输送能量时，储能变流器可工作在模式一、二、四。
每一个BOOST型直流变换单元是独立控制的，以左侧变换器为例，基于BOOST变换器连续时间平均模型，可以得到如下方程
Vbatt-VRLbatt1＝(1-dbatt1)Vc1 (8)
Vscap-VRLscap1＝(1-dscap1)Vc1 (9)
iC1+iO1＝(1-dbatt1)iLbatt1+(1-dscap1)iLscap1 (10)
式中、表示batt_S1和scap_S1两个功率开关器件的导通暂空比。
假设网侧电压参考值可以表示为
左侧和右侧两个直流变换器要输出两个不同的具有直流偏置的正弦波电压，可以按照下列给定参考值，通过控制C1和C2两端的电压实现。
式中为直流偏置量，可按照下式给定
Vbias≥Vbatt+Vo/2 (13)
外环以电容电压为控制目标的控制系统框图如图3所示。内环采用电感电流直接电流控制，每个Boost型变换器结构一致，以蓄电池左侧Boost型变换器为例，内环控制系统结构图如图4所示。
实施方式三：本实施方式中，分析本发明中能量控制策略和管理方法。采用直流母线电压分段下垂控制，确定直流母线电压和储能装置充放电关系，控制储能装置动作以此平衡系统功率波动。结合实际系统负荷功率、光伏阵列功率、并网逆变器额定功率、储能装置容量，对直流母线电压值设置5个分段点(对应为Vth1>Vth2>Vth3>Vth4>Vth5)，对应的将会有五种工作模式，下面进行具体分析。
系统工作模式一：当Vth1<V dc<V dcN时，V dcN代表微网中由光伏电源单独提供能量时，直流母线电压额定值，并网功率Pinv＝PI+kind(V dc-Vth1)，公式中PI代表微网中一级重要负荷功率，kind为并网功率系数，可根据实际情况进行调节，最大取值为(PinvN-PI)/(Vdc-Vth1)，PinvN为逆变器的额定并网功率；此时，光伏电源提供能量不仅满足一级重要负荷，尚有余量，负荷控制单元可控制其他负荷投入系统。如果储能装置SOC≤0.9，则储能蓄电池以额定充电电流恒流充电，超级电容组平衡高频充电电流以配合蓄电池组工作；如果SOC>0.9，则蓄电池组与超级电容组均按其最大允许端电压浮压充电或者直接进入待机状态。
系统工作模式二：当Vth2<V dc<Vth1时，逆变器并网功率Pinv＝PI+kind(Vdc-Vth2)，此时，光伏电源提供能量不仅满足一级重要负荷，尚有余量，负荷控制单元可控制其他负荷投入系统。如果SOC≤0.9，则蓄电池组以模糊功率分配单元决定的充电电流指令值进行变电流充电，超级电容器组平衡高频充电电流以配合蓄电池组工作；如果SOC>0.9，则蓄电池组与超级电容组均按其最大允许端电压浮压充电或者直接进入待机状态。
系统工作模式三：当Vth3≤V dc≤Vth2，逆变器并网功率Pinv＝PI+kind(V dc-Vth3)，系统中其他负荷可通过负荷控制单元投入，能量平衡和功率波动由储能装置承担。蓄电池组双向Boost型DC/AC变换器平衡低频功率波动，超级电容组双向Boost型DC/AC变换器以直流母线电压Vth2为控制目标平衡高频功率波动。
系统工作模式四：当Vth4≤V dc＜Vth3，逆变器并网功率Pinv＝PI+kind(V dc-Vth4)，如果SOC≥0.2，则蓄电池组按照模糊功率分配单元给定的放电电流指令值进行放点，超级电容组平衡高频放电电流以配合蓄电池组工作；如果SOC<0.2，则储能装置中变换器均处于待机状态。此时，为保证系统内重要负荷供电，其他负荷由负荷控制单元断开。
系统工作模式五：当Vth5≤V dc＜Vth4，逆变器并网功率Pinv＝PI+kind(V dc-Vth5)，光伏电源提供能量不足，系统功率缺额严重；如果SOC≥0.2，则蓄电池组以最大放电电流放电，超级电容组平衡高频放电电流以配合蓄电池组工作；当V dc≥Vth4时，可考虑按负荷等级投入负荷。如果SOC<0.2，为防止亏电，则储能子系统变换器均处于待机状态。
微网的核心作用是平衡功率波动，也就是能量平衡，直流母线电压稳定，系统功率分配和能量管理模糊控制策略示意图如图5所示。直流母线电容是能量交换的枢纽，母线电容电压的状态变化决定着系统的稳定性。由电容两端电流电压关系可以通过一个比例-积分环节得到Cdc交换功率的参考值Pdc-ref。该值和光伏阵列提供的功率PPV进行比较，可以得到光伏电源和微电网之间的功率差额，也就是储能系统的功率参考值Psto-ref。由于光伏发电固有的波动性和负载的变化性，Psto-ref是一个快速变化的量。由于储能系统中蓄电池组惯性较大，超级电容组可以跟随快速变化的量。因此在蓄电池组和超级电容组间采用低通滤波器进行功率的频率解耦来分配，结合储能装置的SOC状况，采用模糊逻辑控制，控制决策依据Pbatt-ref和SOC值的大小，模糊控制输出的Pbatt*作为储能装置PQ控制的给定功率信号，进而通过各变换单元的电压电流双闭环调节，实现储能装置的充放电，实现系统功率平衡。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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