一种直流住宅微电网系统及电压补偿控制方法与流程

本发明涉及一种户用型直流分布式发电系统，具体说是涉及一种直流住宅微电网系统及电压补偿控制方法。

背景技术：

随着常规能源紧缺及环境污染问题逐渐凸显，可再生清洁能源发电在总发电量中所占比重逐步增加。由于可再生能源诸如光伏电池产生的是直流电，在交流电网中应用这类能源时，需要将直流电转换成交流电，在DC/AC变换过程中，会出现诸如需要DC/AC变换器，能量损耗及无功功率等问题。同时由于许多家用电器趋向使用直流电或者含有直流环节的变换器，比如LED照明设备、手机电脑等电子设备使用直流电工作，洗衣机、空调和冰箱等设备使用含有直流环节的变频器驱动，因此使用直流电为家用电器提供电能已经成为当前的发展趋势，因此很有必要在家庭住宅中推广使用直流供电系统。

直流微电网系统无需考虑无功功率流，直流母线电压稳定是衡量系统功率平衡的主要指标。为了保证直流住宅微电网内家用电器正常运行，需要选择合适的协调控制策略，将直流母线电压控制在允许范围内。目前直流微电网系统大多采用电压下垂控制，每个微电源具有独立的下垂关系，通过设置合适的下垂系数，实现系统功率快速分配，维持系统为稳定运行，无需通信线路或者使用低速通信即可完成控制。但下垂控制会影响电压控制精度，使得直流母线电压下降，属于有差调节，不利于直流住宅微电网系统内负载稳定运行。

技术实现要素：

本发明是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种家庭住宅的直流微电网系统及电压补偿方法，实现直流住宅微电网系统微源和家庭负荷稳定运行。控制对象是直流住宅微电网系统各变换器单元，利用低宽带通讯系统采集负载电流信息，对变换器进行二次调节，抵消下垂控制带来的直流母线电压波动，维持直流住宅微电网系统稳定运行。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明直流住宅微电网系统的特点是：所述直流住宅微电网系统包含高压直流母线B_H、中压直流母线B_M、低压直流母线B_L、储能单元、并网单元、可再生能源发电单元和家用电器负荷；

所述高压直流母线B_H通过Buck变换器Con1与中压直流母线B_M连接；所述中压直流母线B_M通过Buck变换器Con2与低压直流母线B_L连接；所述储能单元包括蓄电池组，所述蓄电池组通过双向Buck/Boost变换器Con3与高压直流母线B_H连接；所述并网单元包括双向DC/AC变换器Con4和变压器，所述并网单元与高压直流母线B_H连接；所述可再生能源发电单元包括n组光伏阵列，n为正整数，所述n组光伏阵列分别通过各自支路中的Boost变换器与高压直流母线连接B_H；所述家用电器负荷包括与高压直流母线B_H相连接的高压直流负荷、与中压直流母线B_M相连接的直流照明负荷，以及与低压直流母线B_L相连接的电子类负荷。

本发明直流住宅微电网系统的特点也在于：所述直流住宅微电网系统按如下方式在离网运行和并网运行之间自动切换：

对于离网运行的直流住宅微电网系统，可再生能源发电单元与家用电器负荷的功率差额由储能单元存储或者补偿，在储能单元储能已满或出力受限时，切换为并网运行，所述功率差额由并网单元吸收或者补偿，实现所述直流住宅微电网系统内功率平衡；

对于并网运行的直流住宅微电网系统，可再生能源发电单元和家用电器负荷的功率差额优先由储能单元吸收或者补偿，在储能单元吸收或者补偿能力不足时，剩余功率由并网单元吸收或者补偿，若并网单元出力受限或故障，则切换为离网运行，所述功率差额由储能单元补偿，实现所述直流住宅微电网系统内功率平衡。

本发明用于直流住宅微电网系统的电压补偿控制方法的特点是：所述Buck/Boost变换器Con3、双向DC/AC变换器Con4，以及n组光伏阵列各支路中的Boost变换器均采用下垂控制方法，将直流住宅微电网系统的负载总电流I_lt通过电压补偿环节叠加到各变换器下垂控制的参考电压V_bi中，实现直流母线电压补偿控制。

本发明电压补偿控制方法的特点也在于：所述下垂控制方法是按如下过程进行：

令：n组光伏阵列各支路中的Boost变换器分别为Con5,Con6,…,Con(4+n)；

对变换器Coni应用下垂控制，i＝3,4,…，4+n；

变换器Coni下垂控制的参考电压V_bi由式(1)计算获得：

V_bi＝V_o-I_i(R_di+R_i) (1)

式(1)中，I_i为变换器Coni的输出电流，V_o为与变换器Coni所连接的高压直流母线B_H的电压参考值，R_di为下垂控制应用于变换器Coni时的下垂虚拟电阻，R_i为变换器Coni与所连接的高压直流母线B_H之间的线路等效电阻；

所述直流住宅微电网系统的电压补偿方法，是通过一个电压补偿环节后将补偿电压ΔV叠加到变换器Coni下垂控制的参考电压V_bi上，获得变换器Coni的补偿参考电压V^*_bi：

补偿电压ΔV为：ΔV＝I_ltK_t

其中，I_lt为所述直流住宅微电网系统的负载总电流，K_t为电压补偿环节的比例系数；

所述直流住宅微电网系统的负载总电流I_lt按如下方式获得：

采样获得所述直流住宅微电网系统各变换器Coni的输出电流I_i，利用低带宽通信系统传输到中央控制器，在中央控制器中按式(3)计算获得负载总电流I_lt：

所述比例系数K_t按式(4)计算获得：

由式(1)、式(2)和式(4)获得变换器Coni的补偿后参考电压V^*_bi如式(5)：

以变换器Coni的补偿后参考电压V^*_bi作为变换器内环G_Vi(s)的输入参考信号，通过PWM调制得到变换器开关管驱动脉冲。

本发明电压补偿控制方法的特点也在于：

若有R_di>>R_i，则忽略线路电阻对下垂特性的影响，所述比例系数K_t简化为按式(6)计算获得：

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明直流住宅微电网系统采用分层结构，三个电压等级应用灵活，能够给不同电压等级家用电器负荷提供电能，控制方法简便。

2、本发明直流住宅微电网系统将太阳能作为系统主要电能来源，以光伏发电功率与负荷功率的大小关系作为系统并网运行和离网运行的自动切换条件，运行方式灵活，可靠性高，结合优化调度方法可以提高系统经济性。

3、本发明直流住宅微电网的电压补偿控制方法，能够补偿下垂控制引起的直流母线电压偏差，提高直流母线电压控制精度，有利于直流住宅微电网系统稳定运行。

4、本发明采用电压补偿方法用于实现直流母线电压补偿属于上层控制，下垂控制用于实现变换器输出电压控制属于底层控制；上层控制与底层控制相结合的控制方法，可以提高系统控制精度和可靠性。同时采用低带宽通信系统可降低对系统内通信质量的要求，有利于节约成本。

5、本发明在线路等效电阻小下垂虚拟电阻十倍以上时，利用化简的电压补偿环节的比例系数，能够简化电压补偿的控制过程。

附图说明

图1为本发明中直流住宅微电网系统拓扑图；

图2为本发明中电压补偿控制方法框图；

图3本发明中系统电压补偿环比例系数与单个变换器下垂虚拟电阻关系图；

图4为本发明中电压补偿方法原理图；

图5a、图5b和图5c分别为本发明直流住宅微电网系统并网运行时各微源及负载功率，直流母线电压，以及逆变器输出电压电流实施效果示意图；

图6a、图6b和图6c分别为本发明直流住宅微电网系统并网转离网运行时各微源及负载功率，直流母线电压逆变器输出电压电流实施效果示意图；

具体实施方式

参见图1，本实施例中直流住宅微电网系统包含高压直流母线B_H、中压直流母线B_M、低压直流母线B_L、储能单元、并网单元、可再生能源发电单元和家用电器负荷。

本实施例中，高压直流母线电压V_H为380V，中压直流母线电压V_M为48V，低压直流母线电压V_L为24V；高压直流母线B_H通过Buck变换器Con1与中压直流母线B_M连接；中压直流母线B_M通过Buck变换器Con2与低压直流母线B_L连接；储能单元包括蓄电池组，蓄电池组通过双向Buck/Boost变换器Con3与高压直流母线B_H连接；并网单元包括双向DC/AC变换器Con4和变压器，并网单元与高压直流母线B_H连接；可再生能源发电单元包括n组光伏阵列，图1所示光伏阵列1…光伏阵列n，n为正整数，n组光伏阵列分别通过各自支路中的Boost变换器与高压直流母线连接B_H；家用电器负荷包括与高压直流母线B_H相连接的高压直流负荷1、与中压直流母线B_M相连接的直流照明负荷2，以及与低压直流母线B_L相连接的电子类负荷，图1所示电子类负荷有电子类负荷3和电子类负荷4。

本实施例中直流住宅微电网系统按如下方式在离网运行和并网运行之间自动切换：

对于离网运行的直流住宅微电网系统，可再生能源发电单元与家用电器负荷的功率差额由储能单元存储或者补偿，在储能单元储能已满或出力受限时，切换为并网运行，功率差额由并网单元吸收或者补偿，实现直流住宅微电网系统内功率平衡。

对于并网运行的直流住宅微电网系统，可再生能源发电单元和家用电器负荷的功率差额优先由储能单元吸收或者补偿，在储能单元吸收或者补偿能力不足时，剩余功率由并网单元吸收或者补偿，若并网单元出力受限或故障，则切换为离网运行，功率差额由储能单元补偿，实现直流住宅微电网系统内功率平衡。

本实施例中用于直流住宅微电网系统的电压补偿控制方法是：Buck/Boost变换器Con3、双向DC/AC变换器Con4，以及n组光伏阵列各支路中的Boost变换器均采用下垂控制方法，将直流住宅微电网系统的负载总电流I_lt通过电压补偿环节叠加到各变换器下垂控制的参考电压V_bi中，实现直流母线电压补偿控制。

本实施例中下垂控制方法按如下过程进行：

令：n组光伏阵列各支路中的Boost变换器分别为Con5,Con6,…,Con(4+n)；

对变换器Coni应用下垂控制，i＝3,4,…，4+n；

变换器Coni下垂控制的参考电压V_bi由式(1)计算获得：

V_bi＝V_o-I_i(R_di+R_i) (1)

式(1)中，I_i为变换器Coni的输出电流，V_o为与变换器Coni所连接的高压直流母线B_H的电压参考值，R_di为下垂控制应用于变换器Coni时的下垂虚拟电阻，R_i为变换器Coni与所连接的高压直流母线B_H之间的线路等效电阻。

直流住宅微电网系统的电压补偿方法，是通过一个电压补偿环节后将补偿电压ΔV叠加到变换器Coni下垂控制的参考电压V_bi上，获得变换器Coni的补偿参考电压V^*_bi：

补偿电压ΔV为：ΔV＝I_ltK_t

其中，I_lt为直流住宅微电网系统的负载总电流，K_t为电压补偿环节的比例系数；

直流住宅微电网系统的负载总电流I_lt按如下方式获得：

采样获得直流住宅微电网系统各变换器Coni的输出电流I_i，利用低带宽通信系统传输到中央控制器，在中央控制器中按式(3)计算获得负载总电流I_lt：

比例系数K_t按式(4)计算获得：

由式(1)、式(2)和式(4)获得变换器Coni的补偿后参考电压V^*_bi如式(5)：

以变换器Coni的补偿后参考电压V^*_bi作为变换器内环G_Vi(s)的输入参考信号，通过PWM调制得到变换器开关管驱动脉冲。

若有R_di>>R_i，则忽略线路电阻对下垂特性的影响，比例系数K_t简化为按式(6)计算获得：

具体实施中，直流住宅微电网中央控制器通过通信线路与系统各个变换器相连，为降低成本，低带宽通信系统可以采用总线形式，如R485、CAN总线，各变换器采用同时存储运行信息，再逐一上传的通信方式。

本实施例中电压补偿控制方法如图2所示，通过一个前馈通道采集直流住宅微电网系统负载总电流I_lt，通过一个电压补偿环节后叠加到下垂控制的参考电压V_bi上，补偿因下垂控制引起的电压偏差，实现直流母线电压稳定控制。

图4所示为电压补偿原理，加入电压补偿控制前，系统工作运行点为op0，加入补偿后，系统内负载工作运行点变为op1，op2和op3，以恒功率负载CPL补偿前后的工作运行点op0和op1为例，加入补偿后直流电流小于补偿前直流电流，即直流住宅微电网系统电压补偿控制方法能够减小直流负载电流，使直流母线电压恢复为参考值。

图3所示为系统电压补偿环节比例系数与单个变换器下垂虚拟电阻关系图，其中K₁和K₂为含有两台变换器的系统中每一台变换器的下垂虚拟电阻，K_t为电压补偿后这个系统的电压补偿环节比例系数，系统电压补偿环比例系数总是小于单个变换器下垂虚拟电阻，微源并联运行时的台数越多，直流母线电压降会减少。

仿真验证：

对图1所示的直流住宅微电网系统进行了原理仿真验证，仿真结果分别如图5a，图5b，图5c，图6a，图6b，图6c所示。

图5a、图5b和图5c分别为直流住宅微电网并网运行时，改变光伏输出功率和负载功率，系统功率波形，直流母线电压波形和逆变器输出电压电流波形；假设初始状态下，直流住宅微电网系统各单元初始功率为：负载功率为10kw，光伏总功率为12.1kw，光伏功率大于负载功率，蓄电池充电吸收光伏多余功率；t＝0.2s时，光伏输出总功率下降为7.8kW，光伏输出无法满足负载需求，蓄电池放电补充负载缺额功率；t＝0.35s时，负载功率由10kW上升为15.5kW，蓄电池以最大能力放电仍然无法满足负载需求，启动并网单元，由大电网补充余下缺少的功率；这整个过程中直流微电网系统内功率发生动态变化，系统功率维持平衡，直流母线电压能够维持在380V。

图6a、图6b和图6c分别为直流微电网系统由并网运行转为孤岛运行时，系统各单元功率波形，直流母线电压波形和逆变器输出电流波形；t＝0.55s时，直流微电网系统由并网状态转为孤岛运行，从前述第一种运行状态分析可知，光伏和蓄电池共同工作都无法满足负载所需功率，此时需要对负载采取合适控制策略，令负载降功率运行，从功率波形图可以看出，此时负载功率降低，系统总功率仍然维持平衡。

本发明一种直流住宅微电网系统及电压补偿方法，基于电压差额平移思想，通过一个前馈通道，将负载总电流通过一个电压补偿环节叠加到本地变换器下垂控制，具体就是利用低宽带通讯系统采集负载电流信息，对变换器进行二次调节，抵消下垂控制带来的直流母线电压波动，维持直流住宅微电网系统稳定运行。