一种基于功率预测的直流微电网系统级控制方法与流程

本发明涉及直流微电网控制技术领域。更具体地，涉及一种基于功率预测的直流微电网系统级控制方法。

背景技术：

随着能源危机和环境保护需求的日益增加，分布式发电技术获得了越来越多的重视和应用。但是分布式电源单机接入成本高，容量小，运行不确定性强，受制于自然条件，缺少灵活可控的特点，对主网而言是一个不可控源。为了解决以上问题，分布式电源可通过微电网形式并入主网。微电网包括直流微电网和交流微电网，当前国内外已经投建的微电网主要为交流微电网，而直流微电网的投建正处于试运行状态，相关技术的研究正逐步趋于成熟。

直流微电网设计主要包括拓扑结构的设计、控制系统的设计以及保护系统的设计。在控制系统上，近年来很多学者提出了很多控制方法。中国专利公开号CN104682376A公开了一种直流微电网控制系统，能够向不同电压等级的负荷提供电能，供电系统稳定可靠，节约能源，实用性强。中国专利公开号CN105305480A公开一种混合储能直流微电网分层控制方法，能够实现根据直流母线电压与电池的荷电系数，各换流器根据直流微电网运行状态的不同调节自身控制方式。但在对储能单元荷电系数SOC的研究上研究尚不深入，且考虑能源的高效利用以及直流微电网的经济性上，该种控制方法仍需优化。

深度充、放电会影响储能单元的使用寿命，不同材料的电池组成的储能单元的SOC工作区间的电化学性能存在差异，但通常来说储能单元的最佳SOC工作区间为0.4-0.8，所以通常认为储能单元在SOC≤0.4时储能单元处于低电量状态、在SOC≥0.8时储能单元处于高电量状态。

现有的直流微电网控制方法是以储能单元为核心，以控制功率稳定为基础的集中式能量管理模式协调控制方法，由于SOC可以反映储能单元的运行状态，分布式电源输出功率P_DG与负荷功率P_Load的大小关系表示了直流微电网内部的能量平衡关系，因此直流微电网的系统级控制方法的控制策略中，通过分布式电源的输出功率总和与负荷所需功率总和比较，以及储能单元的SOC作为双判据，控制直流微电网在不同状态时进入如图1所示的6种基本工作模式，具体如下：

当满足0.4<SOC<0.8时，控制直流微电网进入工作模式Mode_1：检测得到的储能单元的SOC满足0.4<SOC<0.8，储能单元处于一个既能充电又能放电的状态，由储能单元作为微电网的主控制单元控制直流母线电压的稳定，并网逆变器停止工作，分布式电源工作在MPPT模式，储能单元工作在稳压模式，即如果P_DG>P_Load则分布式电源在保证满足负荷功率的前提下利用剩余的功率为储能单元充电，如果P_DG＝P_Load则分布式电源提供负荷需要的功率而储能单元既不充电也不放电，如果P_DG<P_Load则储能单元放电以填补分布式电源输出功率不足以满足负荷功率的部分。

当满足SOC≥0.8且P_DG>P_Load时，控制直流微电网进入工作模式Mode_2：检测得到的储能单元的SOC满足SOC≥0.8说明储能单元处于高电量状态，此时储能单元只能放电，而P_DG>P_Load说明直流微电网内部能量增加不平衡，只能做放弃分布式电源部分输出功率的处理，分布式电源进入稳压限流模式。

当满足SOC≥0.8且P_DG<P_Load时，控制直流微电网进入工作模式Mode_3：检测得到的储能单元的SOC满足SOC≥0.8说明储能单元处于高电量状态，此时储能单元只能放电，而P_DG<P_Load说明分布式电源提供的功率不能满足负荷功率，储能单元放电以填补分布式电源输出功率不足以满足负荷功率的部分，储能单元处于放电稳压模式。

当满足SOC≤0.4、P_DG<P_Load且直流微电网处于并网状态时，控制直流微电网进入工作模式Mode_4：检测得到的储能单元的SOC满足SOC≤0.4说明储能单元处于低电量状态，此时储能只能充电，而P_DG<P_Load说明分布式电源提供的功率不能满足负荷功率，由于直流微电网处于并网状态，由直流微电网通过并网逆变器给负荷提供分布式电源输出功率不足以满足负荷功率的部分，并网逆变器处于稳压状态。

当满足SOC≤0.4且P_DG>P_Load时，控制直流微电网进入工作模式Mode_5：检测得到的储能单元的SOC满足SOC≤0.4说明储能单元处于低电量状态，此时储能只能充电，而P_DG>P_Load说明分布式电源提供的功率超过负荷功率，分布式电源在保证满足负荷功率的前提下利用剩余的功率为储能单元充电，储能单元处于充电稳压模式。

当满足SOC≤0.4、P_DG<P_Load且直流微电网处于孤岛状态时，控制直流微电网进入工作模式Mode_6：检测得到的储能单元的SOC满足SOC≤0.4说明储能单元处于低电量状态，此时储能只能充电，而P_DG<P_Load说明分布式电源提供的功率不能满足负荷功率，由于直流微电网处于孤岛状态，控制负荷开启后备线直接连接大电网。

但考虑在SOC≤0.4时储能单元依然可以放电以及SOC≥0.8时储能单元依然可以充电的实际情况，需要提供一种提高储能单元利用率且尽量不影响储能单元的使用寿命的基于功率预测的直流微电网系统级控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于功率预测的直流微电网系统级控制方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于功率预测的直流微电网系统级控制方法，包括如下步骤：

S1、对直流微电网参数进行实时同步采样，所述直流微电网参数包括储能单元的荷电系数SOC、分布式电源输出功率P_DG和负荷功率P_Load；

S2、在采样时刻T，若SOC≤0.4且P_DG<P_Load则转入步骤S3，若SOC≥0.8且P_DG>P_Load则转入步骤S4；

S3、从直流微电网的功率历史数据中调取直流微电网在采样日期之前N天中每天的T时刻至T+△T时刻中以1分钟为间隔的各采样时刻的分布式电源输出功率和负荷功率△T为60分钟，k＝1,2,…,60，i＝1,2,…,N；计算直流微电网在采样日期之前N天中每天的T时刻至T+△T时刻内的分布式电源输出功率之和与负荷功率之和若满足且则自T时刻起至T+△T时刻止，控制储能单元进行放电，以填补分布式电源输出功率不足以满足负荷功率的部分，其中Q_N为储能单元的标称容量；

S4、从直流微电网的功率历史数据中调取直流微电网在采样日期之前N天中每天的T时刻至T+△T时刻中以1分钟为间隔的各采样时刻的分布式电源输出功率和负荷功率计算直流微电网在采样日期之前N天中每天的T时刻至T+△T时刻内的分布式电源输出功率之和与负荷功率之和若满足且则自T时刻起至T+△T时刻止，在保证满足负荷功率的前提下，控制分布式电源利用剩余的功率为储能单元充电。

优选地，N＝7。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案可提高直流微电网中储能单元的利用率，且对储能单元的使用寿命的影响很小，可保证直流微电网稳定运行。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有的直流微电网控制方法的微电网工作模式示意图。

图2示出基于功率预测的直流微电网系统级控制方法的流程图。

图3示出应用基于功率预测的直流微电网系统级控制方法的直流微电网的拓扑结构图。

图4示出应用基于功率预测的直流微电网系统级控制方法的直流微电网的8种工作模式示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图2所示，本发明公开的一种基于功率预测的直流微电网系统级控制方法，包括如下步骤：

S1、对直流微电网参数进行实时同步采样，直流微电网参数包括储能单元的荷电系数SOC、分布式电源输出功率P_DG和负荷功率P_Load；

S2、在采样时刻T，若SOC≤0.4且P_DG<P_Load，则说明直流微电网进入低电量状态且可能进入短时能量透支状态，转入步骤S3进行功率预测；若SOC≥0.8且P_DG>P_Load，则说明直流微电网进入高电量状态且可能进入短时能量过剩状态，转入步骤S4进行功率预测；

S3、从直流微电网的功率历史数据中调取直流微电网在采样日期之前N天中每天的T时刻至T+△T时刻中以1分钟为间隔的各采样时刻的分布式电源输出功率和负荷功率△T为60分钟，k＝1,2,…,60，i＝1,2,…,N，N优选为7，即调取采样日期的过去7天的数据；计算直流微电网在采样日期之前N天中每天的T时刻至T+△T时刻内的分布式电源输出功率之和与负荷功率之和若满足进入短时能量透支状态的条件：且则控制直流微电网进入短时能量透支状态，自T时刻起至T+△T时刻止，控制储能单元进行放电，以填补分布式电源输出功率不足以满足负荷功率的部分；若不满足进入短时能量透支状态的条件，则控制直流微网进入现有的工作模式Mode_4或工作模式Mode_6，工作模式Mode_4或工作模式Mode_6中直流微电网的工作状态参见背景技术中关于直流微电网在不同状态时进入的6种基本工作模式的说明，其中Q_N为储能单元的标称容量；

S4、从直流微电网的功率历史数据中调取直流微电网在采样日期之前N天中每天的T时刻至T+△T时刻中以1分钟为间隔的各采样时刻的分布式电源输出功率和负荷功率△T为60分钟，k＝1,2,…,60，i＝1,2,…,N，N优选为7，即调取采样日期的过去7天的数据；计算直流微电网在采样日期之前N天中每天的T时刻至T+△T时刻内的分布式电源输出功率之和与负荷功率之和若满足进入短时能量过剩状态的条件：且则控制直流微电网进入短时能量透支状态，自T时刻起至T+△T时刻止，在保证满足负荷功率的前提下，控制分布式电源利用其提供给负荷的之外的剩余的功率为储能单元充电；若不满足进入短时能量过剩状态的条件，则控制直流微网进入现有的工作模式Mode_2，工作模式Mode_2中直流微电网的工作状态参见背景技术中关于直流微电网在不同状态时进入的6种基本工作模式的说明，其中Q_N为储能单元的标称容量。

其中，

是对采样日期之前N天内每天的T+△T时刻的负荷功率取平均值，作为采样当天的T+△T时刻的负荷功率的预测值；

是对采样日期之前N天内每天的T+△T时刻的分布式电源输出功率取平均值，作为采样当天的T+△T时刻的分布式电源输出功率的预测值；

是对采样日期之前N天内每天的T时刻至T+△T时刻中以1分钟为间隔的各采样时刻的负荷功率之和取平均值，作为采样当天的T时刻至T+△T时刻的负荷功率总和的预测值；

是对采样日期之前N天内每天的T时刻至T+△T时刻中以1分钟为间隔的各采样时刻的分布式电源输出功率之和取平均值，作为采样当天的T时刻至T+△T时刻的分布式电源输出功率总和的预测值；

在步骤S3中，直流微电网进入短时能量透支状态的条件中：

说明在采样当天的T+△T时刻，负荷功率的预测值小于分布式电源输出功率的预测值，即，在采样当天的T+△T时刻，分布式电源可以在保证满足负荷功率的前提下利用剩余的功率为储能单元充电；

说明在采样当天的T时刻至T+△T时刻中，负荷功率总和的预测值大于分布式电源输出功率总和的预测值的部分小于等于储能单元的标称容量的1/10，储能单元的标称容量的1/10也就是0.1SOC，即，如果自T时刻起至T+△T时刻止，控制储能单元进行放电，以填补分布式电源输出功率不足以满足负荷功率的部分，T时刻至T+△T时刻消耗的储能单元功率不会超过储能单元的标称容量的1/10；

且说明：在采样当天的T+△T时刻，分布式电源可以在保证满足负荷功率的前提下利用剩余的功率为储能单元充电，且，如果自T时刻起至T+△T时刻止，控制储能单元进行放电，以填补分布式电源输出功率不足以满足负荷功率的部分，T时刻至T+△T时刻消耗的储能单元功率不会超过储能单元的标称容量的1/10。因此，在满足进入短时能量透支状态的条件时控制直流微电网进入短时能量透支状态，自T时刻起至T+△T时刻止，控制储能单元进行放电，以填补分布式电源输出功率不足以满足负荷功率的部分，可提高直流微电网中储能单元的利用率，且对储能单元的使用寿命的影响很小。

在步骤S4中，直流微电网进入短时能量过剩状态的条件中：

说明在采样当天的T+△T时刻，分布式电源输出功率的预测值小于负荷功率的预测值，即，在采样当天的T+△T时刻，储能单元需要放电以填补分布式电源输出功率不足以满足负荷功率的部分；

说明在采样当天的T时刻至T+△T时刻中，分布式电源输出功率总和的预测值大于负荷功率总和的预测值的部分小于等于储能单元的标称容量的1/10，储能单元的标称容量的1/10也就是0.1SOC，即，如果自T时刻起至T+△T时刻止，在保证满足负荷功率的前提下，控制分布式电源利用剩余的功率为储能单元充电，T时刻至T+△T时刻为储能单元充电的功率不会超过储能单元的标称容量的1/10；

且说明：在采样当天的T+△T时刻，储能单元需要放电以填补分布式电源输出功率不足以满足负荷功率的部分，且，如果自T时刻起至T+△T时刻止，在保证满足负荷功率的前提下，控制分布式电源利用剩余的功率为储能单元充电，T时刻至T+△T时刻为储能单元充电的功率不会超过储能单元的标称容量的1/10。因此，在满足进入短时能量过剩状态的条件时控制直流微电网进入短时能量透支状态，自T时刻起至T+△T时刻止，在保证满足负荷功率的前提下，控制分布式电源利用剩余的功率为储能单元充电，可提高直流微电网中储能单元的利用率，且对储能单元的使用寿命的影响很小。

图3所示的直流微电网以储能单元DC/DC变流器为主控制单元，以并网变流器为后备控制单元。由于考虑到用户电费计量的实际情况，虽然并网变流器为双向的AC/DC，但实际按照单向模式，即能量仅可能由电网流向微电网。于是，某些工作状态下(比如储能单元不能接受能量且直流母线电压上升)，分布式电源(光伏)不能工作在MPPT模式下，需切换到稳压(所谓“稳压”为稳定直流母线电压，处于稳压模式的变流器用来控制母线电压)模式。

将本发明公开的一种基于功率预测的直流微电网系统级控制方法应用于如图3所示的100kW直流微电网时，该直流微电网在不同状态时进入如图4所示的8种工作模式，具体如下：

对直流微电网参数进行实时同步采样，直流微电网参数包括储能单元的荷电系数SOC、分布式电源输出功率P_DG和负荷功率P_Load；

在采样时刻T：

当满足0.4<SOC<0.8时，控制直流微电网进入工作模式Mode_1：如果P_DG>P_Load则分布式电源在保证满足负荷功率的前提下利用剩余的功率为储能单元充电，如果P_DG＝P_Load则分布式电源提供负荷需要的功率而储能单元既不充电也不放电，如果P_DG<P_Load则储能单元放电以填补分布式电源输出功率不足以满足负荷功率的部分。

当满足SOC≥0.8且P_DG>P_Load，但不满足进入短时能量过剩状态的条件：且时，控制直流微电网进入工作模式Mode_2：放弃分布式电源部分输出功率。

当满足SOC≥0.8且P_DG<P_Load时，控制直流微电网进入工作模式Mode_3：储能单元放电以填补分布式电源输出功率不足以满足负荷功率的部分。

当满足SOC≤0.4、P_DG<P_Load且直流微电网处于并网状态，但不满足进入短时能量透支状态的条件：且时，控制直流微电网进入工作模式Mode_4：由直流微电网通过并网逆变器给负荷提供分布式电源输出功率不足以满足负荷功率的部分。

当满足SOC≤0.4且P_DG>P_Load时，控制直流微电网进入工作模式Mode_5：分布式电源在保证满足负荷功率的前提下利用剩余的功率为储能单元充电。

当满足SOC≤0.4、P_DG<P_Load且直流微电网处于孤岛状态，但不满足进入短时能量透支状态的条件：且时，控制直流微电网进入工作模式Mode_6：控制负荷开启后备线直接连接大电网。

当满足SOC≤0.4且P_DG<P_Load，并满足进入短时能量透支状态的条件：且时，控制直流微电网进入工作模式Mode_7：自T时刻起至T+△T时刻止，控制储能单元进行放电，以填补分布式电源输出功率不足以满足负荷功率的部分。

当满足SOC≥0.8且P_DG>P_Load，并满足进入短时能量过剩状态的条件：且时，控制直流微电网进入工作模式Mode_8：自T时刻起至T+△T时刻止，在保证满足负荷功率的前提下，控制分布式电源利用其提供给负荷的之外的剩余的功率为储能单元充电。

最后，利用PSCAD/EMTDC软件对该100kW直流微电网进行了电磁暂态仿真，在仿真中通过设置不同的SOC、P_DG和P_Load，仿真上述8种工作模式，验证了本发明提出方法的正确性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。