一种基于数字储能的直流微电网系统的控制方法与流程

1.本发明涉及微电网智能控制技术领域，具体涉及一种基于数字储能的直流微电网系统的控制方法。


背景技术：

2.微电网是一种由微电源、负荷、储能系统和控制装置等构成的系统单元，传统的微电网通常包括交流微电网和直流微电网系统。与交流微电网相比，直流微电网具备独特性、多样性、可控性和交互性，并以连接形式简单、无需考虑电压频率相位、成本和损耗小等特点占据相对优势，然而直流微电网涉及储能、发电等直流负荷系统等，系统的智能化控制和稳定运行是一个非常严峻的课题。
3.直流微网孤岛运行时，网内功率平衡与否严重影响系统的供电质量，严重时甚至导致系统失稳。如果电压波动较大，网内各系统的控制效果和稳定性就会降低，同时对负荷端的供电影响很大，如何协调控制直流微电网系统功率稳定和电压稳定成为当务之急。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种基于数字储能的直流微电网系统的控制方法，其目的是：通过设置合理的功率响应机制及充放电控制策略，实现微电网系统的功率稳定和电压稳定，保证微电网的稳定运行。
5.本发明技术方案如下：
6.一种基于数字储能的直流微电网系统的控制方法，所述直流微电网系统包括储能管理平台、ems、pcs、储能系统、光伏系统和直流负荷，所述pcs连接于交流变压器和直流母线之间，所述储能系统、光伏系统和直流负荷分别连接于所述直流母线，所述储能管理平台通过ems采集pcs、储能系统、光伏系统和直流负荷的信号并下发控制命令，所述pcs包括并行的pcs1和pcs2。系统正常运行时，pcs1的输出功率为功率设定值，pcs2的输出功率为系统功率不平衡量pi与所述功率设定值的差值；直流负荷发生突变时，pcs1的输出功率进行自动调节，瞬间输出响应功率用于补给直流负荷突变导致的功率不平衡，实现瞬时系统功率平衡，ems计算功率不平衡量pi并下发控制命令调节pcs2的输出功率，pcs1的输出功率自动恢复为功率设定值，实现稳态系统功率平衡。
7.进一步地，所述直流微电网系统的控制方法还包括储能系统的充放电控制方法，所述储能系统的充放电控制方法包括如下步骤：
8.第一，利用下式计算第i个电池单元soc与所有电池单元平均soc的比率ηi：
[0009][0010]
其中，n为储能系统内电池单元的个数，soci为第i个电池单元的荷电状态。
[0011]
第二，利用下式计算第i个电池单元的修正下垂系数k’ai
：
[0012][0013]
其中，k
ai
为第i个电池单元的初始下垂系数，ia(i)为母线侧电流。
[0014]
第三，利用下式计算第i个电池单元的输出电压u
dc
(i)：
[0015][0016]
其中，u
h1
为下垂充电的电压阈值，i
amin
为系统功率严重过剩时的电压阈值，u
l1
为下垂放电的电压阈值，i
amax
为系统功率严重不足时的电流阈值。
[0017]
第四，储能系统根据电池的soc动态调整下垂系数，通过ems设定u
h1
、u
h2
、i
amin
、u
l1
、u
l2
、i
amax
相应的阈值参数，将每个电池单元的充电直流电压控制在u
h1
和u
h2
之间，放电电压控制在u
l1
和u
l2
之间。其中，u
h2
为系统进入功率严重过剩控制的电压阈值，u
l2
为系统进入功率严重不足控制的电压阈值。
[0018]
进一步地，所述功率设定值大于0，且小于pcs1的额定功率。
[0019]
进一步地，系统运行过程中，储能系统的放电功率设定为：pcs1的设定功率值、储能系统bms上传给ems的支撑微电网系统的最大放电值、直流微电网系统总交换功率限值与光伏系统发电功率值的差值三者之中的最小值。
[0020]
进一步地，所述功率设定值为充电功率设定值p
xzc
或放电功率设定值p
xzf
。
[0021]
ems计算功率不平衡量pi的方法为：
[0022]
pi＝p
cn
+p
gf
+pf[0023]
系统处于充电状态时，ems通过控制命令下发给pcs2的充电功率值p
out1
为：
[0024]
p
out1
＝p
i-p
xzc
[0025]
系统处于放电状态时，ems通过控制命令下发给pcs2的放电功率值p
out2
为：
[0026]
p
out2
＝p
i-p
xzf
[0027]
其中，p
cn
为储能系统的输出功率，p
gf
为光伏系统的输出功率，pf为直流负荷。
[0028]
进一步地，将一天之内的24个小时划分为若干个时间段，在不同的时间段分别控制储能系统的充放电状态，ems计算系统功率不平衡量，判断系统当前处于充电状态还是放电状态。
[0029]
当系统处于放电状态时，ems给pcs1下发放电功率设定值p
xzf
，给pcs2下发放电功率值p
out2
；当系统处于充电状态时，ems给pcs1下发充电功率设定值p
xzc
，给pcs2下发充电功率值p
out1
。
[0030]
进一步地，所述直流微电网系统的控制方法还包括空调智能化控制方法，所述空调智能化控制方法包括：
[0031]
当电池单体最高温度高于制冷开始温度时，空调开始制冷。
[0032]
当电池单体最高温度低于制冷停止温度时，空调停止制冷。
[0033]
充电状态下，当电池单体最低温度低于第一制热开始温度时，空调开始制热，当电
池单体最低温度高于第一制热停止温度时，空调停止制热。
[0034]
待机或放电状态下，当电池单体最低温度低于第二制热开始温度时，空调开始制热，当电池单体最低温度高于第二制热停止温度时，空调停止制热。
[0035]
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0036]
(1)采用合理的功率响应机制，系统直流负荷发生突变时，pcs1能够跟踪瞬时功率的变化进行输出功率的自动调节，从而达到直流系统功率平衡；ems根据系统的功率设定值及运行状态计算功率不平衡量并调节pcs2的输出功率，实现直流系统的功率平衡。
[0037]
(2)储能系统的充放电控制策略利用电池的下垂特性，通过电池的soc动态调整下垂系数，严格把控单个电池的充放电直流电压，进一步抑制了母线电压波动，从而保证了整个直流微网系统母线电压的稳定；
[0038]
(3)pcs1的功率设定值取值范围保证了直流负荷发生突变时，pcs1的瞬间输出响应功率能够有效补给直流负荷突变导致的功率不平衡，且避免了电网环流的出现，保证了微电网系统的稳定运行；
[0039]
(4)对储能系统实施分时充放电控制策略，实现了系统能量协调管控；
[0040]
(5)储能系统充放电功率值的设定，保证了系统实时交换功率不超过系统总交换功率限值；
[0041]
(6)空调智能化控制实现了无人化管理，并起到了降低电池损耗、提高电池寿命的作用。
附图说明
[0042]
图1为微电网系统的电气连接示意图；
[0043]
图2为微电网系统的拓扑图；
[0044]
图3为功率计算及控制方法流程图；
[0045]
图4为pcs功率变化过程示意图；
[0046]
图5为分时控制策略示意图；
[0047]
图6为电池充放电控制下垂特性示意图；
[0048]
图7为空调智能控制示意图。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图详细说明本发明的技术方案：
[0050]
如图1及图2所示，直流微电网系统包括储能管理平台、ems、pcs、储能系统、光伏系统和直流负荷，所述pcs连接于交流变压器和直流母线之间，所述储能系统、光伏系统和直流负荷分别连接于所述直流母线，pcs、储能系统、光伏系统和直流负荷等均通过串口服务器及交换机以特定的规约协议与能量管理系统ems进行数据交互，所述储能管理平台通过ems采集pcs、储能系统、光伏系统和直流负荷的信号并下发控制命令。所述pcs包括并行的pcs1和pcs2，本实施例中，所述直流负荷包括3台60kw的直流充电桩和5g基站系统。所述储能系统为分布式数字储能系统，采用退役动力电池的梯级利用原理，并实时读取电池的电池健康状况soh和荷电状态soc，监测退役电池的可用性。
[0051]
储能变流器pcs在直流微网系统中起到双向变流的作用，其运行状态影响到整个
系统的运转，是电网与电能存储设备之间的纽带，它肩负着充电和电能回馈作用，是储能系统的关键设备之一，为分布式发电系统的大力发展提供了先决条件。同时，pcs作为微网中一个可控的储能电源，解决了大电网与分布式电源间的矛盾，使微电网既可与大电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行，提高了电力系统的安全性、稳定性、经济性。
[0052]
能源管理系统ems是整个系统的调控中心，系统按照既定策略运行，同时保护微网，采用充放电控制策略，控制整体系统的充放电运行。
[0053]
如图3，一种基于数字储能的直流微电网系统的控制方法，系统正常运行时，pcs1的输出功率为功率设定值，pcs2的输出功率为系统功率不平衡量与所述功率设定值的差值。
[0054]
所述功率设定值根据系统总体配置容量及现场测试经验进行设置，主要依据系统负荷的变化幅度来确定参数设置范围。系统处于充电状态时，所述功率设定值为充电功率设定值p
xzc
；系统处于放电状态时，所述功率设定值为放电功率设定值p
xzf
。
[0055]
直流负荷发生突变时，pcs1根据自身功率值以及整个直流系统的状态进行自动调节，瞬间输出响应功率用于补给直流负荷突变导致的功率不平衡，实现瞬时系统功率平衡。
[0056]
ems实时采集光伏功率、储能功率、直流负荷充电功率，计算功率不平衡量pi并下发控制命令(整流/逆变)及相应的功率值，调节pcs2的输出功率，以实现补给直流负荷突变导致的功率不平衡的目的。具体地，
[0057]
pi＝p
cn
+p
gf
+pf[0058]
其中，p
cn
为储能系统的输出功率，p
gf
为光伏系统的输出功率，pf为直流负荷。
[0059]
系统处于充电状态时，ems通过控制命令下发给pcs2的充电功率值p
out1
为：
[0060]
p
out1
＝p
i-p
xzc
[0061]
系统处于放电状态时，ems通过控制命令下发给pcs2的放电功率值p
out2
为：
[0062]
p
out2
＝p
i-p
xzf
[0063]
此时，pcs1的输出功率自动恢复为功率设定值，从而实现稳态系统功率平衡。
[0064]
进一步地，pcs1的功率设定值大于0，且小于pcs1的额定功率。
[0065]
所述功率设定值不为0，以系统处于放电状态为例进行说明：假设功率设定值为0，那么所有的放电功率由pcs2来输出，当系统放电增加时，pcs1可以适应瞬间的变化，经过计算周期后，因pcs1不受控，pcs2受控，所以ems依然会控制pcs2增加放电功率继续输出，但是当系统放电减少或者瞬间的负荷增加导致系统总功率变小时，因pcs2不适应瞬间变化依然进行大功率的放电输出，此时pcs1就会输出反向的功率，变为充电运行，这样pcs1和pcs2输出反向的功率就会在pcs1和pcs2之间形成环流。
[0066]
若功率设定值为额定功率，对于放电或者充电突然增大，pcs1由于已经运行在满负荷状态，无法进行增加的调节，失去了适应瞬时变化的能力，所以不能设置为额定功率值。
[0067]
pcs1瞬间可以进行交换的最大功率值为pcs1额定功率与所述功率设定值之差，此差值不小于直流负荷的变化幅度。系统负荷突变时，pcs1瞬间输出响应功率(即直流负荷突变量)，当到达ems计算周期后，此输出量会在毫秒级的时间全部转移至pcs2，通过pcs2进行功率交换。如图4，本实施例中，负荷突变之前，系统功率不平衡量为65kw，pcs1的功率设定
值为15kw，当负荷突然增加30kw，pcs1不受ems控制，输出功率瞬间增加30kw，到达ems计算周期后，计算出系统总的功率需求为95kw，此时ems下发给pcs2的功率值为80kw，pcs1的输出功率恢复为功率设定值15kw，即：系统负荷突变时的功率补给由pcs1转移至pcs2。在此工况下继续运行，系统功率不平衡量突然减小10kw时，同样pcs2不能响应瞬间变化，此时pcs1的输出功率会瞬间减少10kw,变为5kw输出，经过运算周期后，ems计算出系统功率需求为85kw，此时下发给pc2的功率值为70kw，pcs1的输出功率依然稳定在15kw。
[0068]
在整个调节过程中，ems不对pcs1进行控制，仅对pcs2进行频繁的控制操作。不控pcs1的目的是防止因系统能量瞬间变化造成微网系统瞬间波动：当负荷突变时导致电流突变，pcs1内部的电力电子器件动作，在不被ems控制的前提下能够及时跟踪系统负荷的变化来补给功率，以保证微网系统的瞬间稳定。
[0069]
pcs1的响应时间可以达到毫秒级，而ems的计算周期在秒级范围，所以pcs比能量管理系统ems的响应时间快，ems完成功率计算后下发控制命令改变pcs2的输出功率，此时因负荷突变导致的功率交换由pcs1转移至pcs2，从而实现微网系统的功率稳定调节。
[0070]
当储能系统或者光伏系统处于放电/发电状态时，储能系统或光伏系统的输出功率为负值，但网侧功率可能不是负值，这取决于系统直流负荷与发电的配合程度。当系统处于放电状态时，ems给pcs1下发放电功率设定值p
xzf
，给pcs2下发放电功率值p
out2
；当系统处于充电状态时，ems给pcs1下发充电功率设定值p
xzc
，给pcs2下发充电功率值p
out1
。
[0071]
本方法对储能系统和光伏系统进行分时充放电控制策略，以实现系统能量协调管控。如图5，储能系统的充放电系统接入直流750v母线上，对充放电实施如下控制策略，每日循环两次。第一次循环为：低谷电充电(23:00-7:00)、上午电价高峰放电(10:00-15:00)，第二次循环为：下午平时电价充电(15:00-18:00)，晚上电价高峰放电(18:00-21:00)，21:00-23:00考虑经济性原因不进行储能的充放电操作。
[0072]
分布式光伏发电在上午平时电价时段(7:00-10:00)和上午电价高峰电价时段(10:00-15:00)，优先给电动汽车充电，余电上网，此时间段禁止分布式储能系统充电；下午平时电价时段(15:00-18:00)，优先对电动汽车进行充电，如果电动汽车无法完全消耗，则对储能系统进行充电，余电上网。
[0073]
不同时间段内pcs的工作状态不同，具体如下：
[0074]
第一时间段：23:00-7:00，此时间段内允许储能系统充电，储能系统和电动汽车直流充电桩合并成为一个直流负荷，光伏系统发电功率肯定为0，此时的不平衡功率肯定大于等于0，此时需要给pcs2下发充电功率，从电网获得电能。
[0075]
第二时间段：7:00-10:00，此时间段内一般光伏系统处于发电状态，此时禁止储能系统充放电，优先满足电动车充电及负荷用电。若光伏系统发电电量有剩余，可进行余电上网，此时功率不平衡量为负值，需pcs向电网放电，系统下发放电功率，由pcs2进行放电操作；若光伏系统发电电量不满足负荷用电，参考第一时间段的操作，给pcs下发充电功率，满足负荷用电。
[0076]
第三时间段：10:00-15:00，本时间段为用电高峰期，电价较高，允许储能系统放电，此时间段内一般储能系统放电和光伏系统发电会同时存在。根据功率不平衡量的计算方式，若功率不平衡量为负，代表负荷用电小于整体放电，系统需要向pcs2下发放电功率控制，从而达到余电上网的方式；若功率不平衡量为正，说明光伏系统和储能系统放电不能满
足负荷用电，需要给pcs2下发充电功率，来满足负荷用电。
[0077]
第四时间段：15:00-18:00，本阶段非用电高峰期，是平价时间段，此时光伏系统一般还会发电，可以用光伏系统发电来满足电动车和储能系统的充电。若功率不平衡量为负，代表光伏系统发电满足储能系统和电动车充电的情况下还可以进行余电上网，此时给pcs下发放电功率；若功率不平衡量为正，说明光伏系统发电不能满足负荷用电，需要从电网侧取电来满足储能系统和电动车的用电，此时需要给pcs2下发充电功率。
[0078]
第五时间段：18:00-21:00，本阶段为用电高峰期，是峰值电价时间段，此时一般区域无光伏系统发电，允许储能系统放电，系统用电基本由储能系统放电来供给。若功率不平衡量为正，说明储能系统放电和光伏系统发电不能满足电动车用电，需要从大电网侧取电，向pcs2下发充电功率；若功率不平衡量为负，说明储能系统放电和光伏系统发电除了满足电动车用电外还可以进行余电上网，此时向pcs2下发放电功率。
[0079]
第六时间段：21:00-23:00，本阶段储能系统既不充电也不放电，光伏系统也不发电，功率不平衡量肯定大于等于0，本阶段只给pcs下发充电功率，从电网取电。
[0080]
本实施例中，系统运行过程中pcs1和pcs2的输出功率之和最大值为200kw，所以系统总交换功率不大于200kw，此功能通过ems下发指令给储能系统的电池管理系统bms设置储能系统的放电功率来实现。储能系统的放电功率设定为：pcs1的功率设定值、储能系统bms上传给ems的支撑微电网系统的最大放电值、直流微电网系统总交换功率限值与光伏系统发电功率值的差值，三者之中的最小值。
[0081]
电池组和电池组管理系统是系统中最重要部分，重点关注电池的一致性，单体电压压差、单体温度及温差、电池能量网卡及电池温度的保护控制。系统通过ems下发电压电流阈值参数，以实现根据电池soc等相关参数动态控制充放电过程,有效抑制母线电压波动。
[0082]
具体地，如图6，本方法还包括储能系统的充放电控制方法，包括如下步骤：
[0083]
第一，充放电过程中，电池soc(荷电状态代表电池剩余电量的百分比)不断变化，因此各单元充放电能力的实时调节必不可少。通过单元间的均衡充放电，有效平衡各蓄电池soc，第i个电池单元soc与所有电池单元平均soc的比率ηi为：
[0084][0085]
其中，n为储能系统内电池单元的个数，soci为第i个电池单元的荷电状态。
[0086]
第二，利用下式计算第i个电池单元的修正下垂系数：
[0087][0088]
k’ai
为第i个电池单元修正后的下垂系数，下垂系数的变化和电池soc密切相关，放电过程soc不断减小，下垂系数随之增大，放电电流逐步缩小；相反，充电过程中soc不断增大，下垂系数随之增大，充电电流逐渐减小。k
ai
为第i个电池单元的初始下垂系数，ia(i)为母线侧电流。
[0089]
第三，利用下式计算第i个电池单元的输出电压u
dc
(i)：
[0090][0091]
其中，u
h1
为下垂充电的电压阈值，i
amin
为系统功率严重过剩时的电压阈值，u
l1
为下垂放电的电压阈值，i
amax
为系统功率严重不足时的电流阈值。电池单元充电时，ia(i)＜0，母线电压越大ia(i)绝对值越大，电流和电压呈下垂特性。电池单元放电电时，ia(i)＞0，母线电压越小ia(i)绝对值越大，电流和电压呈现与充电时相反的下垂特性。
[0092]
根据下垂系数因soc的变化，充电时u
dc
(i)的最大值为u
h2
，放电时u
dc
(i)的最小值为u
l2
，即：u
h2
为系统进入功率严重过剩控制的电压阈值，u
l2
为系统进入功率严重不足控制的电压阈值。
[0093]
第四，利用电池单元的下垂特性进行充放电控制。储能系统根据电池的soc动态调整下垂系数，通过ems设定u
h1
、u
h2
、i
amin
、u
l1
、u
l2
、i
amax
相应的阈值参数，严格将每个电池单元的充电直流电压控制在u
h1
和u
h2
之间，放电电压控制在u
l1
和u
l2
之间。
[0094]
当母线电压进入下垂特性控制策略预设电压区间时，利用电池单元的功率缓冲能力，以电池单元作为内网平衡点，电池单元变换器根据母线电压变化自主切换至下垂充电控制和下垂放电控制状态，使网内功率重新达到平衡，从而实现母线电压的稳定控制。
[0095]
进一步地，所述微电网系统还包括空调智能控制系统，所述空调智能控制系统通过采集环境温度并进行温度智能控制，实现空调的智能启停。如图7，本方法还包括对空调的智能化控制，包括：
[0096]
电池单体最高温度高于制冷开始温度时，空调开始制冷。
[0097]
电池单体最高温度低于制冷停止温度时，空调停止制冷。
[0098]
充电状态下，电池单体最低温度低于第一制热开始温度时，空调开始制热，电池单体最低温度高于第一制热停止温度时，空调停止制热。
[0099]
待机或放电状态下，电池单体最低温度低于第二制热开始温度时，空调开始制热，电池单体最低温度高于第二制热停止温度时，空调停止制热。
[0100]
本方法响应国家号召，绿色低碳，节能降耗，将分布式能源、电动汽车充电和基于退役电池分布式数字储能系统通过直流微网控制的方式协调运行，发挥了直流微网系统供电容量大、损耗小的优势。