微电网中的超级电容的控制方法和设备与流程

本发明涉及微电网控制领域，具体地，涉及一种微电网中的超级电容的控制方法和设备。

背景技术：

目前国内外都致力于微电网的建设，并改善和解决微电网并网过程中产生的电能质量问题。超级电容器作为一种功率型储能技术，可以平抑暂态波动、提高电能质量、提供短时能量，对稳定微电网起着十分重要的作用。

超级电容是一种电化学元件，储能过程并不发生化学反应，且储能过程是可逆的，因此超级电容器反复充放电可以达到数十万次，寿命达10年以上，且不会造成环境污染。另外，它具有非常高的功率密度，为电池的10～100倍，适用于短时间高功率输出，充电速度快、模式简单，可以采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电。充放电过程中发生的电化学反应具有良好的可逆性，低温性能优越，超级电容充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，容量随温度的衰减非常小。

目前应用于超级电容的控制策略在改善电能质量方面所起的作用并不理想。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种微电网中的超级电容的控制方法和设备，以解决现有的控制策略在改善电能质量方面所起的作用并不理想的技术问题。

根据本发明的第一个方面提供一种微电网中的超级电容的控制方法，所述超级电容的控制方法包括：检测单元检测微电网母线的实时电压和实时电流；实时功率计算单元基于所述实时电压和所述实时电流计算有功功率和无功功率；放电控制单元根据所述有功功率和所述无功功率控制超级电容放电，以调节微电网母线的电压。

可选地，控制超级电容放电的步骤包括：相角计算单元根据所述有功功率、给定的有功功率、微电网的额定频率计算超级电容输出电压的相角；电压幅值计算单元根据所述无功功率、给定的无功功率、微电网的额定电压计算超级电容输出电压的幅值；放电控制单元根据计算的超级电容输出电压的相角和幅值来控制超级电容放电，以调节微电网母线的电压。

可选地，计算超级电容输出电压的相角的步骤包括：相角计算单元根据所述有功功率、给定的有功功率和微电网的额定频率计算频率下垂系数，并根据计算的频率下垂系数和微电网的额定频率计算超级电容输出电压的相角。

可选地，计算超级电容输出电压的幅值的步骤包括：电压幅值计算单元根据所述无功功率、给定的无功功率和微电网的额定电压计算电压下垂系数，并根据计算的电压下垂系数和微电网的额定电压计算超级电容输出电压的幅值。

可选地，根据计算的超级电容输出电压的相角和幅值来控制超级电容放电，以调节微电网母线的电压的步骤包括：电压参考值计算单元基于超级电容输出电压的相角和幅值计算d轴参考电压和q轴参考电压；放电控制单元根据所述d轴参考电压和d轴正序电压反馈以及所述q轴参考电压和q轴正序电压反馈计算空间矢量脉宽调制的正序分量，以使微电网母线的电压的正序分量在额定范围之内，所述d轴正序电压反馈和所述q轴正序电压反馈是将所述实时电压进行正负序提取而得到的正序分量；放电控制单元根据d轴负序电压反馈和q轴负序电压反馈计算空间矢量脉宽调制的负序分量，以用于补偿微电网母线的电压并消除微电网母线的电压的负序分量，所述d轴负序电压反馈和所述q轴负序电压反馈是将所述实时电压进行正负序提取而得到的负序分量。

可选地，计算有功功率和无功功率的步骤包括：实时功率计算单元将所述实时电压和所述实时电流进行克拉克坐标轴转换和帕克坐标轴转换，并根据克拉克坐标轴转换和帕克坐标轴转换后的实时电压和实时电流计算所述有功功率和所述无功功率。

可选地，所述超级电容的控制方法还包括：检测单元检测超级电容的储存的电荷量是否小于预定值；当超级电容储存的电荷量小于所述预定值时，控制单元控制超级电容停止放电；当超级电容储存的电荷量大于所述预定值时，返回检测单元执行检测微电网母线的实时电压和实时电流的步骤。

根据本发明的另一方面提供一种超级电容的控制设备，该超级电容的控制设备包括包括：检测单元，检测微电网母线的实时电压和实时电流；实时功率计算单元，基于所述实时电压和所述实时电流计算有功功率和无功功率；放电控制单元，根据所述有功功率和所述无功功率控制超级电容放电，以调节微电网母线的电压。

可选地，放电控制单元包括：相角计算单元，根据所述有功功率、给定的有功功率、微电网的额定频率计算超级电容输出电压的相角；电压幅值计算单元，根据所述无功功率、给定的无功功率、微电网的额定电压计算超级电容输出电压的幅值；其中，放电控制单元根据计算的超级电容输出电压的相角和幅值来控制超级电容放电，以调节微电网母线的电压。

可选地，相角计算单元根据所述有功功率、给定的有功功率和微电网的额定频率计算频率下垂系数，并根据计算的频率下垂系数和微电网的额定频率计算超级电容输出电压的相角。

可选地，电压幅值计算单元根据所述无功功率、给定的无功功率和微电网的额定电压计算电压下垂系数，并根据计算的电压下垂系数和微电网的额定电压计算超级电容输出电压的幅值。

可选地，放电控制单元还包括：电压参考值计算单元，基于超级电容输出电压的相角和幅值计算d轴参考电压和q轴参考电压；其中，放电控制单元根据所述d轴参考电压和d轴正序电压反馈以及所述q轴参考电压和q轴正序电压反馈计算空间矢量脉宽调制的正序分量，以使微电网母线的电压的正序分量在额定范围之内，所述d轴正序电压反馈和所述q轴正序电压反馈是将所述实时电压进行正负序提取而得到的正序分量；放电控制单元根据d轴负序电压反馈和q轴负序电压反馈计算空间矢量脉宽调制的负序分量，以用于补偿微电网母线的电压并消除微电网母线的电压的负序分量，所述d轴负序电压反馈和所述q轴负序电压反馈是将所述实时电压进行正负序提取而得到的负序分量。

可选地，实时功率计算单元将所述实时电压和所述实时电流进行克拉克坐标轴转换和帕克坐标轴转换，并根据克拉克坐标轴转换和帕克坐标轴转换后的实时电压和实时电流计算所述有功功率和所述无功功率。

可选地，检测单元还检测超级电容的储存的电荷量是否小于预定值；当超级电容储存的电荷量小于所述预定值时，控制单元控制超级电容停止放电；当超级电容储存的电荷量大于所述预定值时，检测单元继续检测微电网母线的实时电压和实时电流。

采用根据本发明示例性实施例的微电网中的超级电容的控制方法来控制超级电容，能充分发挥超级电容快速启动优点，在微电网发生波动时，可使母线电压快速地恢复正常，可较好地改善电能质量。

此外，根据本发明的示例性实施例的微电网中的超级电容的控制方法来控制超级电容，超级电容控制器具有即插即用的功能，只需要根据母线上电压和频率的变化改变超级电容自身的功率输出，以稳定母线的电压和频率。

此外，根据本发明的示例性实施例的微电网中的超级电容的控制方法来控制超级电容，因为超级电容没有和其余的分布式电源进行通讯，省去了通讯时间，没有采集其余主电源的功率输出，省去了近1个周波的采集计算时间，能够比目前超级电容控制方式速度更快。

此外，根据本发明的示例性实施例的微电网中的超级电容的控制方法来控制超级电容，能够通过设置合理的下垂系数，让超级电容进入线性运行区域。

将在接下来的描述中部分阐述本发明另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明的实施而得知。

附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是根据本发明的示例性实施例的微电网的超级电容的控制设备的框图；

图2是根据本发明的示例性实施例的微电网中的超级电容的控制方法的流程图；

图3是根据本发明的示例性实施例的超级电容的控制设备的实时功率计算单元的框图；

图4是根据本发明的示例性实施例的电压下垂控制的示意性曲线图；

图5是根据本发明的示例性实施例的频率下垂控制的示意性曲线图；

图6是根据本发明的示例性实施例的超级电容的控制设备的相角计算单元的框图；

图7是根据本发明的示例性实施例的超级电容的控制设备的电压幅值计算单元的框图；

图8是根据本发明的示例性实施例的超级电容的控制设备的电压参考值计算单元的框图；

图9是根据本发明的示例性实施例的正序电压外环与电流内环双环控制策略的框图；

图10是根据本发明的示例性实施例的负序电压外环与电流内环双环控制策略的框图；

图11是根据本发明的示例性实施例的微电网的结构框图；

图12是根据本发明的示例性实施例的敏感负荷切入过程中的电流暂态曲线图；

图13是根据本发明的示例性实施例的敏感负荷切入过程中的电压暂态曲线图。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，将理解的是，所公开的实施例仅是本发明的示例，其中，本发明可以以各种替代形式来实现。附图无需按比例绘制；一些特征可被夸大或最小化以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。

图1示出根据本发明的示例性实施例的微电网中的超级电容的控制设备的框图。如图1所述，根据本发明的示例性实施例的微电网中的超级电容的控制设备包括检测单元101、实时功率计算单元102、放电控制单元103。

检测单元101检测微电网母线的实时电压和实时电流。实时功率计算单元102基于所述实时电压和所述实时电流计算有功功率和无功功率。放电控制单元103根据所述有功功率和所述无功功率控制超级电容放电，以调节微电网母线的电压。放电控制单元103可包括相角计算单元、电压幅值计算单元和参考电压值计算单元。

以下将参照图2至图10来详细描述根据本发明的示例性实施例的微电网中的超级电容的控制设备包括的各个单元。

图2是根据本发明的示例性实施例的微电网中的超级电容的控制方法的流程图。

如图2所示，在步骤S201，检测单元101检测微电网母线的实时电压和实时电流。

在步骤S202，实时功率计算单元102基于所述实时电压和所述实时电流计算有功功率和无功功率。

图3是根据本发明的示例性实施例的实时功率计算单元102的框图。在步骤S202，实时功率计算单元102对实时电压值和实时电流值分别进行Clark坐标轴转换和Park坐标轴转换，随后根据坐标轴转换后的实时电压值和实时电流值计算微电网母线上的有功功率和无功功率。

在步骤S203，放电控制单元103根据所述有功功率和所述无功功率控制超级电容放电，以调节微电网母线的电压。

在步骤S203中，可采用下垂控制来控制超级电容，从而补偿微电网母线的电压。

图4是根据本发明的示例性实施例的电压下垂控制的示意性曲线图。图5是根据本发明的示例性实施例的频率下垂控制的示意性曲线图。

如图4所示，当母线电压高于标准值(即，额定电压)V0时，超级电容可吸收无功功率，从而使电压降低至标准值V0。当母线电压低于标准值V0时，超级电容可发出无功功率，从而使电压升高至标准值V0。

如果微电网系统发生故障，电压瞬间跌落到V1，系统的运行状态将由A点滑落到B点，此时将会发出更多的无功功率支撑母线电压。下垂控制通过发出无功功率补偿母线电压，并保持电压平衡。以下将参照附图详细描述通过下垂控制来控制超级电容以补偿母线电压的方式。

图6是根据本发明的示例性实施例的相角计算单元的框图。图7是根据本发明的示例性实施例的电压幅值计算单元的框图。

图6示出相角计算单元计算相角的框图。相角计算单元可根据所述有功功率、给定的有功功率、微电网的额定频率计算超级电容输出电压的相角。参照图6，给定的有功功率值如图5中的状态A所对应的有功功率值。频率下垂系数为图5所示的频率下垂控制的示意性曲线图的斜率，即为Δf/ΔP。接下来，可根据所述有功功率、给定的有功功率和微电网的额定频率计算频率下垂系数。随后，2π×(50-频率下垂系数)经由积分环节输出相角。所述下垂控制的相角计算没有锁相环环节，在计算相角时不会被母线的频率信号影响，而是使用给定的频率(例如50Hz)通过积分环节输出标准相角。

图7示出了电压幅值计算单元计算电压幅值的框图。电压幅值计算单元可根据所述无功功率、给定的无功功率、微电网的额定电压计算超级电容输出电压的幅值。参照图7，给定的无功功率值如图4中的状态A所对应的无功功率值。电压下垂系数为图4所示的电压下垂控制的示意性曲线图的斜率，即为ΔV/ΔQ。接下来，可根据所述无功功率、预先给定的无功功率和微电网的额定电压计算电压下垂系数。电压幅值主要根据额定电压V0来确定，即电压下垂控制输出的电压幅值在额定电压附近上下波动。

因此，在步骤S203中，放电控制单元103可根据计算的超级电容输出电压的相角和幅值来控制超级电容放电，以调节微电网母线的电压。

图8是根据本发明的示例性实施例的电压参考值计算单元的框图。电压参考值计算单元根据所述输出相角，分别计算输出相角、输出相角+2/3π、输出相角-2/3π的余弦值，并分别与所述输出电压幅值相乘，将乘积进行克拉克(Clark)坐标轴转换和帕克(Park)坐标轴转换后分别得出d轴参考电压和q轴参考电压。

图9是根据本发明的示例性实施例的正序电压外环与电流内环双环控制策略的框图。在所述控制策略中，对检测的实时电压进行正序提取，得到d轴正序电压反馈Vpd和q轴正序电压反馈Vpq，并通过双环控制策略和反Park坐标轴转换得出用于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的正序两相旋转坐标分量。

图10是根据本发明的示例性实施例的负序电压外环与电流内环双环控制策略的框图。在所述控制策略中，对检测的实时电压进行负序提取，得到d轴正序电压反馈Vnd和q轴正序电压反馈Vnq，并通过双环控制策略和反Park坐标轴转换得出用于空间矢量脉宽调制(SVPWM)的负序两相旋转坐标分量。

换言之，参照图9和图10，放电控制单元可根据d轴参考电压和d轴正序电压以及q轴参考电压和q轴正序电压反馈计算空间矢量脉宽调制的正序分量，以使微电网母线的电压的正序分量在额定范围之内。这里，d轴正序电压反馈和q轴正序电压反馈是将实时电压进行正负序提取而得到的正序分量。此外，放电控制单元可根据d轴负序电压反馈和q轴负序电压反馈计算空间矢量脉宽调制的负序分量，以用于补偿微电网母线的电压并消除微电网母线的电压的负序分量。这里，d轴负序电压反馈和q轴负序电压反馈是将实时电压进行正负序提取而得到的负序分量。

用于SVPWM的正序两相旋转坐标分量与负序两相旋转坐标分量能够对电压不平衡进行补偿，使系统电压的正序分量在预定范围之内，并抵消系统电压的负序分量。

可选择地，为了防止超级电容过度放电，提高超级电容的寿命，所述超级电容的控制方法还可包括以下步骤：检测单元101检测超级电容的储存的电荷量是否小于预定值；当超级电容储存的电荷量小于所述预定值时，控制单元控制超级电容停止放电；当超级电容储存的电荷量大于所述预定值时，返回检测单元101执行检测微电网母线的实时电压和实时电流的步骤。

如上所述，在微电网运行的过程中，实时监测母线的电压和电流，同时根据图2至图10所描述的控制方法控制超级电容放电，对母线的电压进行补偿。

以下将结合图11至图13来描述本发明的技术效果。

图11是根据本发明的示例性实施例的微电网的框图。根据本发明的示例性实施例的微电网可包括超级电容10、超级电容变流器11、超级电容变压器12、超级电容开关13、液流电池20、液流电池变流器21、液流电池变压器22、液流电池开关23、重要负载30、光伏电站40、光伏电站变流器41、光伏电站变压器42、光伏电站开关43、敏感负载50、敏感负载开关51。

图11所示的微电网选用200KW/4h的液流电池，200KW/10s的超级电容，150KW的光伏电站。负载选用75KW的重要负载，12KW的敏感负载。

对图11中的超级电容分别采用根据本发明示例性实施例的控制方法以及现有的控制方法来控制，分别采集当图11中的12KW的敏感负载51突然启动时母线的电压和电流。

图12和图13分别示出敏感负载51切入过程中的电流暂态曲线图和电压暂态曲线图。在图12中，实线曲线表示采用根据本发明示例性实施例的控制方法来控制超级电容的电流暂态曲线图，虚线曲线表示采用现有的控制方法来控制超级电容的电流暂态曲线图，从图12可以看出，采用根据本发明示例性实施例的控制方法来控制超级电容，经过两个周波母线电流即可恢复正常，而采用的控制方法来控制超级电容，需要经过六个周波母线电流才可恢复正常。在图13中，实线曲线表示采用根据本发明示例性实施例的控制方法来控制超级电容的电压暂态曲线图，虚线曲线表示采用现有的控制方法来控制超级电容的电压暂态曲线图，从图13可以看出，采用根据本发明示例性实施例的控制方法来控制超级电容，经过一个周波母线电压即可恢复正常，而采用的控制方法来控制超级电容，需要经过九个周波母线电压才可恢复正常。

从图12和图13可以看出，在负载突变时，采用根据本发明示例性实施例的控制方法来控制超级电容，比采用现有的控制方法，更能充分发挥超级电容快速启动优点，可使母线电压更快地恢复正常，可更好地改善电能质量。

此外，根据本发明的示例性实施例的微电网中的超级电容的控制方法来控制超级电容，超级电容控制器具有即插即用的功能，只需要根据母线上电压和频率的变化改变超级电容自身的功率输出，以稳定母线的电压和频率。

此外，根据本发明的示例性实施例的微电网中的超级电容的控制方法来控制超级电容，因为超级电容没有和其余的分布式电源进行通讯，省去了通讯时间，没有采集其余主电源的功率输出，省去了近一个周波的采集计算时间，能够比目前超级电容控制方式速度更快。

此外，根据本发明的示例性实施例的微电网中的超级电容的控制方法来控制超级电容，能够通过设置合理的下垂系数，让超级电容进入线性运行区域。

虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述本发明的所有可能形式。更确切地说，说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。此外，可将各种实现的实施例的特征进行组合以形成本发明的进一步的实施例。