一种基于混合储能vsi平抑微网功率波动的控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于混合储能VSI平抑微网功率波动的控制方法，设计了混合储能系统两级能量管理方法，该方法充分发挥超级电容功率密度大、充放电循环寿命长的优点，将其作为系统一级缓冲储能优先平抑微网功率波动；并网运行时配电网作为二级储能，通过控制联络线功率，使超级电容端电压稳定在充放电限值以内，同时维持PCC点母线电压在允许范围内变化；孤岛运行时蓄电池作为二级储能，通过超级电容的缓冲作用减少蓄电池充放电次数，延长蓄电池使用寿命，当超级电容达到充放电警戒值时，精确控制蓄电池以恒功率输出，以调节超级电容端电压恢复到正常值。仿真结果验证了本文所述方法的有效性。
【专利说明】-种基于混合储能VSI平抑微网功率波动的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于混合储能VSI (voltage source inverter,电压源逆变器）平 抑微网功率波动的控制方法，属于微电网储能技术。
【背景技术】
[0002] 将分布式电源、负荷、储能装置连接在一起，W微电网的方式运行能够充分发挥分 布式电源的效能，提高电网接纳可再生能源的能力。受自然条件影响，风电、光伏等可再生 能源的输出具有较大的间歇性和随机性，对微网的电能质量和稳定运行产生不利影响。微 网并网运行时，间隙性微电源的功率波动会引起公共连接点电压波动，严重时威胁负荷和 各个并网逆变器的正常工作。微网孤岛运行时，间隙性微电源的功率波动会使蓄电池储能 装置处于频繁的充放电状态，大大减少蓄电池的使用寿命，增加微网运行的成本。
【发明内容】
[0003] 发明目的：为平抑间歇性微电源引起的功率波动，本发明提出了一种基于超级电 容和蓄电池的混合储能VSI控制策略，设计了混合储能系统两级能量管理方法。该方法充 分发挥超级电容功率密度大、充放电循环寿命长的优点，将其作为系统一级缓冲储能优先 平抑微网功率波动。并网运行时配电网作为二级储能，通过控制联络线功率，使超级电容端 电压稳定在充放电限值W内，同时维持PCC(point of common coupling,公共连接点）点母 线电压在允许范围内变化。孤岛运行时蓄电池作为二级储能，通过超级电容的缓冲作用减 少蓄电池充放电次数，延长蓄电池使用寿命，当超级电容达到充放电警戒值时，精确控制蓄 电池W恒功率输出，W调节超级电容端电压恢复到正常值。
[0004] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0005] -种基于混合储能VSI平抑微网功率波动的控制方法，将间歇性微源、负荷和混 合储能VSI与微网交流母线相连，整个微网通过PCC点静态开关与配电网相连，其中混合储 能VSI包括超级电容和蓄电池，为稳定混合储能VSI的直流母线电压，超级电容和蓄电池 分别通过DC/DC变换器连接在混合储能VSI的直流母线上，混合储能VSI的直流母线通过 DC/AC变换器连接到微网交流母线上；将超级电容作为一级缓冲储能优先平抑间歇性微源 的功率波动；微网并网运行时，配电网作为二级储能，通过控制PCC点联络线功率，使超级 电容端电压稳定在充放电限值W内，同时维持PCC点母线电压在允许范围内变化；微网孤 岛运行时，蓄电池作为二级储能，通过超级电容的缓冲作用减少蓄电池充放电次数，延长蓄 电池使用寿命，当超级电容达到充放电限值时，精确控制蓄电池W恒功率输出，W调节超级 电容端电压恢复到正常值。
[000引 （1)混合储能VSI交流侧DC/AC变换器控制策略；微网并网运行时，PCC点静态开 关闭合，配电网提供电压和频率支撑，混合储能VSI交流侧DC/AC变换器采用PQ控制（P为 有功功率，Q为无功功率），根据两级能量管理方法调节DC/AC变换器的输出功率，W抑制微 网功率波动、维持输出电压恒定，采用功率外环、电流内环的双环控制策略；微网孤岛运行 时，PCC点静态开关断开，混合储能VSI提供电压和频率支撑，混合储能VSI交流侧DC/AC变 换器采用V/f控制，根据两级能量管理方法调节DC/AC变换器的输出功率，W抑制微网功率 波动、维持输出电压恒定，采用电压外环、电流内环的双环控制策略；
[0007] (2)混合储能VSI直流侧DC/DC变换器控制策略：
[000引超级电容用DC/DC变换器采用直流母线电压外环、超级电容输出电流内环的双环 控制策略；直流母线电压外环用W稳定直流母线电压，确保交流侧DC/AC变换器正常工作 W平抑微网功率波动，维持微网功率平衡；超级电容输出电流内环控制超级电容输入电流， 使超级电容输出功率不越限；超级电容通过超级电容用DC/DC变换器与直流母线进行功率 交换，充电时超级电容用DC/DC变换器处于降压模式，放电时超级电容用DC/DC变换器处于 升压模式；
[0009] 蓄电池用DC/DC变换器与蓄电池相连，超级电容作为一级缓冲储能；当超级电容 端电压在充放电限值（超级电容正常工作）W内时，蓄电池不工作；当超级电容端电压在充 放电限值（超级电容非正常工作）W外时，蓄电池W恒定功率控制，调节超级电容端电压， 使其恢复到充放电限值W内；
[0010] (3)微网并网运行两级能量管理方法；超级电容作为一级缓冲储能优先平抑间歇 性微源的功率波动，W维持PCC点母线电压在允许范围内变化；为防止超级电容过度充放 电，将配电网作为后备储能，当超级电容端电压在充放电限值（超级电容非正常工作）W外 时，维持控制PCC点联络线功率在设定范围内变化，同时调节超级电容端电压，使其恢复到 充放电限值W内；
[0011] (4)微网孤岛运行两级能量管理方法；超级电容作为一级缓冲储能优先平抑间歇 性微源的功率波动，W维持PCC点母线电压在允许范围内变化；为防止超级电容过度充放 电，将蓄电池作为后备储能，当超级电容端电压在充放电限值（超级电容非正常工作）W外 时，通过控制蓄电池W恒功率输出方式保障微网运行，同时调节超级电容端电压，使其恢复 到充放电限值W内。
[0012] 本发明中，微网并网运行时时混合储能VSI交流侧DC/AC变换器采用PQ控制，超 级电容作为一级缓冲储能优先平抑间歇性微源的功率波动，W维持PCC点母线电压在允许 范围内变化。由于超级电容能量密度小，其端电压很容易超出充放电限值W外，超级电容端 电压过大会减少其使用寿命，甚至击穿电容，超级电容端电压过小会使超级电容输出相同 功率时电流越限，导致超级电容发热严重。为防止超级电容过度充放电：在微网并网运行 时，由配电网作为超级电容的后备储能，当超级电容端电压超过充放电警戒值（充放电限 值）时，维持控制PCC点联络线功率在设定范围内变化，同时对超级电容进行充放电，W调 节其端电压恢复到正常值；在微网孤岛运行时，由蓄电池作为超级电容的后备储能，当超级 电容端电压超过充放电警戒值（充放电限值）时，通过控制蓄电池W恒功率输出方式保障 微网运行，同时调节超级电容端电压，使其恢复到充放电警戒值W内。
[0013] 有益效果；本发明提供的基于混合储能VSI平抑微网功率波动的控制方法，采用 了超级电容和蓄电池组成的混合储能VSI，使用两级能量管理方法，对在微网不同运行方式 下的混合储能VSI交流侧DC/AC变换器和直流侧DC/DC变换器进行控制；该两级能量管理 方法能够有效平抑微网功率波动，平滑PCC点联络线功率，并维持并网运行PCC点母线电压 在允许范围内变化；通过两级能量管理方法，能够有效控制超级电容端电压在充放电限值 W内，同时优化孤岛运行时蓄电池充放电过程，延长蓄电池的使用寿命，提高微网运行的经 济性。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为本发明的微电网网结构框图；
[001引图2为交流侧DC/AC控制策略框图；
[0016] 图3为超级电容用DC/DC控制框图；
[0017] 图4为蓄电池用DC/DC控制框图；
[0018] 图5为并网运行时两级能量管理方法框图；
[0019] 图6为系统波动功率的平滑部分；
[0020] 图7为孤岛运行时两级能量管理方法框图；
[00川 图8 (a)为并网运行DG出力曲线；
[0022] 图8(b)为并网运行负载功率曲线；
[0023] 图9(a)为PCC点母线电压在未投入混合储能VSI的标么值曲线；
[0024] 图9化）为PCC点母线电压在投入混合储能VSI后的标么值曲线；
[002引图10(a)为并网运行引入两级能量管理系统后混合储能VSI出力曲线；
[002引图10(b)为并网运行引入两级能量管理系统后超级电容端电压曲线；
[0027] 图10(c)为并网运行引入两级能量管理系统后联络线功率曲线；
[002引图11 (a)为孤岛运行电压标么值曲线；
[002引图11化）为孤岛运行系统频率曲线；
[0030] 图12(a)为孤岛运行引入两级能量管理系统后的负载功率曲线；
[003。 图12(b)为孤岛运行引入两级能量管理系统后的混合储能VSI出力曲线；
[0032] 图12(c)为孤岛运行引入两级能量管理系统后的超级电容端电压曲线；
[0033] 图12(d)为孤岛运行引入两级能量管理系统后的蓄电池充放电曲线；
[0034] 图13为本发明方法流程图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0036] 如图1所示为一种含有混合储能VSI的微网结构，间歇性DG值iStributed Generation,分布式发电机）、负荷和混合储能VSI与微网交流母线相连，整个微网通过PCC 点静态开关与配电网相连，其中混合储能VSI包括超级电容和蓄电池，超级电容功率密度 大，动态性能好，蓄电池储能容量大，将两者结合可有效提高储能系统的整体性能。为稳定 混合储能VSI的直流母线电压，超级电容和蓄电池分别通过DC/DC变换器连接在混合储能 VSI的直流母线上，混合储能VSI的直流母线通过DC/AC变换器连接到微网交流母线上。P, 为PCC点联络线功率，Pg为间歇性DG输出功率，Pi为负荷吸收功率，Ph为混合储能VSI与 微网交流母线之间交换的总功率。
[0037] 微网并网运行时，PCC点静态开关闭合，配电网提供电压和频率支撑，混合储能 VSI交流侧DC/AC变换器采用PQ控制（P为有功功率，Q为无功功率），根据两级能量管理 方法调节DC/AC变换器的输出功率，W抑制微网功率波动、维持输出电压恒定；微网孤岛运 行时，PCC点静态开关断开，混合储能VSI提供电压和频率支撑，混合储能VSI交流侧DC/AC 变换器采用V/f控制，根据两级能量管理方法调节DC/AC变换器的输出功率，W抑制微网功 率波动、维持输出电压恒定。混合储能VSI交流侧DC/AC变换器的控制策略如图2所示。
[0038] 混合储能VSI交流侧DC/AC变换器在微网并网运行时，采用功率外环、电流内环的 双环控制策略，W输出指令功率Phuf、QhUf为控制目标；混合储能VSI交流侧DC/AC变换器 在微网孤岛运行时，采用电压外环、电流内环的双环控制策略，W维持输出电压恒定。通过 采集交流侧DC/AC变换器H相交流母线电压电流，经过PA服变换，得到dqO坐标下的瞬时 值Ud、u。、id、i。，进而计算出混合储能VSI实际输出有功功率P和无功功率Q。微网并网运 行时，根据两级能量管理方法给定指令功率Phuf、QhW,分别与实际输出功率P、Q相减后经 PI调节得出并网条件下电流内环的参考值ih。,、iquf;微网孤岛运行时，给定dqO坐标下的 参考电压Uduf、Uquf，分别与实际电压Ud、u。相减后经PI调节得出孤岛条件下电流内环的参 考值idaf、iqaf;将电流内环的参考值i&rf、iqtrf分别与实际输出电流id、iq做差后进入PI 调节，通过前馈解禪控制，对d轴、q轴电流单独控制，再经PA服反变换和PWM(Pulse WWth Mo化lation，脉冲宽度调制）调制，驱动DC/AC变换器工作。
[0039] 超级电容用DC/DC变换器值C/DCQ))采用直流母线电压叫。外环、超级电容输出 电流iw内环的双环控制策略，如图3所示；直流母线电压Ud。外环用W稳定直流母线电压， 确保交流侧DC/AC变换器正常工作W平抑微网功率波动，维持微网功率平衡；超级电容输 出电流内环控制超级电容输入电流，使超级电容输出功率不越限；超级电容通过超级电 容用DC/DC变换器与直流母线进行功率交换，充电时超级电容用DC/DC变换器处于降压模 式，放电时超级电容用DC/DC变换器处于升压模式。
[0040] 蓄电池用DC/DC变换器值C/DC (2))与蓄电池相连，控制策略如图4所示，超级电 容作为一级缓冲储能：当超级电容端电压在充放电限值（超级电容正常工作）W内时，蓄电 池不工作，驱动控制信号g为0,封锁蓄电池用DC/DC变换器驱动；当超级电容端电压在充 放电限值（超级电容非正常工作）W外时，驱动控制信号g为1，蓄电池W恒定功率控制，调 节超级电容端电压，使其恢复到充放电限值W内。
[0041] 微网并网运行两级能量管理方法如图1所示，经降压变压器后电网侧电压&，线 路阻抗女，PCC点电压Um, P,、Q,分别为PCC点联络线有功和无功功率，根据线路电压降落公 式：
[0042]
【权利要求】
1. 一种基于混合储能VSI平抑微网功率波动的控制方法，其特征在于：将间歇性微源、 负荷和混合储能VSI与微网交流母线相连，整个微网通过PCC点静态开关与配电网相连，其 中混合储能VSI包括超级电容和蓄电池，为稳定混合储能VSI的直流母线电压，超级电容和 蓄电池分别通过DC/DC变换器连接在混合储能VSI的直流母线上，混合储能VSI的直流母 线通过DC/AC变换器连接到微网交流母线上；将超级电容作为一级缓冲储能优先平抑间歇 性微源的功率波动；微网并网运行时，配电网作为二级储能，通过控制PCC点联络线功率， 使超级电容端电压稳定在充放电限值以内，同时维持PCC点母线电压在允许范围内变化； 微网孤岛运行时，蓄电池作为二级储能，通过超级电容的缓冲作用减少蓄电池充放电次数， 延长蓄电池使用寿命，当超级电容达到充放电限值时，精确控制蓄电池以恒功率输出，以调 节超级电容端电压恢复到正常值。
2. 根据权利要求1所述的基于混合储能VSI平抑微网功率波动的控制方法，其特征在 于：包括如下部分： (1) 混合储能VSI交流侧DC/AC变换器控制策略：微网并网运行时，PCC点静态开关闭 合，配电网提供电压和频率支撑，混合储能VSI交流侧DC/AC变换器采用PQ控制，根据两级 能量管理方法调节DC/AC变换器的输出功率，以抑制微网功率波动、维持输出电压恒定，采 用功率外环、电流内环的双环控制策略；微网孤岛运行时，PCC点静态开关断开，混合储能 VSI提供电压和频率支撑，混合储能VSI交流侧DC/AC变换器采用V/f?控制，根据两级能量 管理方法调节DC/AC变换器的输出功率，以抑制微网功率波动、维持输出电压恒定，采用电 压外环、电流内环的双环控制策略； (2) 混合储能VSI直流侧DC/DC变换器控制策略： 超级电容用DC/DC变换器采用直流母线电压外环、超级电容输出电流内环的双环控制 策略：直流母线电压外环用以稳定直流母线电压，确保交流侧DC/AC变换器正常工作以平 抑微网功率波动，维持微网功率平衡；超级电容输出电流内环控制超级电容输入电流，使超 级电容输出功率不越限；超级电容通过超级电容用DC/DC变换器与直流母线进行功率交 换，充电时超级电容用DC/DC变换器处于降压模式，放电时超级电容用DC/DC变换器处于升 压模式； 蓄电池用DC/DC变换器与蓄电池相连，超级电容作为一级缓冲储能：当超级电容端电 压在充放电限值以内时，蓄电池不工作；当超级电容端电压在充放电限值以外时，蓄电池以 恒定功率控制，调节超级电容端电压，使其恢复到充放电限值以内； (3) 微网并网运行两级能量管理方法：超级电容作为一级缓冲储能优先平抑间歇性微 源的功率波动，以维持PCC点母线电压在允许范围内变化；为防止超级电容过度充放电，将 配电网作为后备储能，当超级电容端电压在充放电限值以外时，维持控制PCC点联络线功 率在设定范围内变化，同时调节超级电容端电压，使其恢复到充放电限值以内； (4) 微网孤岛运行两级能量管理方法：超级电容作为一级缓冲储能优先平抑间歇性微 源的功率波动，以维持PCC点母线电压在允许范围内变化；为防止超级电容过度充放电，将 蓄电池作为后备储能，当超级电容端电压在充放电限值以外时，通过控制蓄电池以恒功率 输出方式保障微网运行，同时调节超级电容端电压，使其恢复到充放电限值以内。
【文档编号】H02J3/32GK104362656SQ201410579897
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】郑建勇, 梅军, 张宸宇, 胡洛瑄, 周福举, 邓凯 申请人:东南大学