直流母线微电网系统的制作方法

本发明涉及微电网结构设计
技术领域：
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背景技术：
借鉴internet中数据交换设备“路由器”的设计理念，“能量路由器”的概念也被提了出来，能源互联网在能源接入、能源控制和能量传输方面的研发开始活跃起来，以能够实现能源网络互联、调度和控制。能量路由器是能源互联网的关键技术，是一种在现有电网基础上，基于先进的电力电子技术和信息网络技术，提供灵活多样的电气接口，实现大量分布式可再生能源发电设备、储能设备、各种用电负载接入电网，并且具有通讯和智能决策能力，实现对电力网络能量流、信息流主动管理的智能电力设备。未来能源互联网将呈现交流电网、直流电网和交直流混合电网并存的形态，能量路由器在不同的电网组网中，要实现交流电、直流电的并网。路由器进行研究探索，还没有统一的实施标准。对比文件检索及评析：中国专利cn101436778a公开了一种微型电网组网方法，该方法采用直流母线结构，采用分散式结构，分别通过dc/dc、ac/dc、dc/ac变换器将发电、用电、储能设备接入直流母线。中国专利cn102315645a公开了用于分布式发电的能量路由器，采用交流母线结构，分布式发电需要经过多级的变换才能并入交流网。中国专利cn102780267a公开了一种采用开关阵列组成能量流动通道的电能路由器，控制复杂，如果单一开关出现故障，将对全局造成影响。中国专利cn103248068a公开了具备多种供电方式的电能路由器，采用了交直流混合母线组成交直流混合微网，同样采用了开关阵列来形成能量通道。中国专利cn104682430a公开了一种应用于能源互联网的能源路由器装置，属于中压范围，对dc/dc变换、dc/ac作了大量的说明。可再生发电设备所发出的电能为直流电或者经过整流后变成直流电，将直流电直接并入直流微网可节省大量的换流环节。很多负载本质上采用直流供电或者具备直流环节，如led照明灯、电动车、计算机、手机、变频器等，因此更易接入直流微网，省去交流配电网中的ac/dc转换环节，节约了成本，也降低了损耗。另外，储能设备多为直流形式，也更易接入直流微网。在直流配电网中，为了充分发挥分布式能源设备的效能，直流微电网将是最主要的运行方式。然而，由于大多分布式可再生能源地理上分散、生产不连续、随机性、波动性和间歇不稳定等特点，导致接入直流配电网的端口分散，电压等级多样、没有标准化等问题。较为接近的现有技术，即：将多个电力电子装置使用一条直流母线连接，通过对多个电力电子装置的控制实现多个端口的能量交互。该方法的缺点是当大功率时源节点和负载节点的距离较大，会产生较大的电流损耗和增加制造成本。另外单一直流母线只能支持与之相应电压等级的设备，设备兼容性差。目前对于直流母线的平抑方法主要有：(1)使用超级电容系统接入直流母线，对直流母线的波动进行控制。该方法在同时平抑两条母线时存在问题，难以同时实现对两条母线的相等值平抑。(2)三相四线制交流转直流技术，该方案是将直流母线的中线与交流变压器中线连接，控制系统同时对直流母线中线进行控制，以实现两条直流母线的电压均压。但是此方法在纯直流母线系统上不能应用。技术实现要素：本发明目的在于公开一种直流母线微电网系统，通过隔离直流变换器与储能设备协调运行，实现自动快速平抑系统两条直流母线功能，提高系统供电质量；通过对隔离直流变换器的两个端口功率控制，可以实现两条直流母线的电能交互，保持两条直流母线在不同负载下仍能够维持在375v和750v。需要保护的技术方案表征为：本发明系统包括两直流母线、能量管理控制器，其特征在于，所述两直流母线的电压分别设置为750v、375v，呈两倍关系；所述能量管理控制器用于检测所述两直流母线的实时电压，维持两者电压两倍关系；还包括隔离直流变换器，该变换器包括前级部分的cl-llc变换器电路、后级部分的多路dcdc变换器电路、控制器，所述控制器包括pi控制器、pwm模块1、pwm模块2，其中，所述前级的cl-llc变换器电路，其输入端与储能设备连接，其输出端与所述后级的多路dcdc变换器连接，为后级提供稳定的直流电压；所述后级的多路dcdc变换器电路设计有桥结构、两个电感和两个电容，其通过电感与所述端口电路连接；全桥电路的第一个桥臂中点与一组电感串联组成一个输出端口，另外一个桥臂中点与另外一组电感电容串联组成另外一个输出端口，两组电容的负端与桥臂负端相连，形成公共接口；左边桥臂和与之连接的电感电容组成一组回路，通过对桥臂的开关管控制，实现输出电压、电流控制；右边桥臂和与之相连的电感电容组成另一组回路，通过对桥臂开关管的控制，实现输出电压、电流控制，两组回路独立运行，相互不产生影响；所述控制器包括母线电压自动恒压控制模块，母线电压自动恒压控制模块用于实现当母线电压大于允许值时隔离直流变换器转为充电运行，当检测到母线电压小于允许值时隔离直流变换器转换为放电运行；所述能量管理控制器检测到两条母线电压发生倍数偏离，即750v母线或者375v母线出现电压偏离时，控制器通过闭环控制发送不同的控制指令给后级的多路dcdc变换器电路，将两个输出接口强制设置为750v、375v，以维持两条母线的倍数关系。母线电压自动恒压控制模块的算法过程具体为：当母线电压大于充电状态下垂算法低压边界值、并且小于母线高压待机阈值、同时电池侧电压小于电池高压待机阈值时，变换器工作在充电状态，能量从高压母线流向低压电池，充电电流为下垂算法所得(该算法为本领域已有技术)。当母线电压大于充电状态下垂算法高压边界值时，充电电流为设置的最大充电电流。当母线电压小于放电状态下垂算法高压边界值、并且大于母线低压待机阈值、同时电池侧电压大于电池低压待机阈值时，变换器工作在放电状态，能量从低压电池流向高压母线，放电电流为下垂算法所得。当母线电压小于放电状态下垂算法低压边界值时，放电电流为设置的最大放电电流。当母线电压大于高压保护阈值，或者母线电压小于低压保护阈值，或者电池电压大于高压保护阈值，或者电池电压小于低压保护阈值时，变换器保护停机。当母线电压在高压保护阈值与高压待机阈值之间，或者母线电压在充电状态下垂电压下边界与放电状态下垂电压上边界之间，或者母线电压在低压待机阈值与低压保护阈值之间，或者电池电压在高压保护阈值与高压待机阈值之间，或者电池电压在低压待机阈值与低压保护阈值之间时，变换器处于待机状态，储能设备的电池与母线之间没有能量交换。变换器控制器通过负序电流控制软件，将负序电流控制为0，以保持两条环网的电压倍数稳定，所述负序电流控制软件为：v750为“750v”母线实时电压，v375为“375v”母线实时电压，ip3为“共用”接口3的负序电流。控制器将“375v”母线电压值乘以2与“750v”母线电压求差，将差值再与负序电流求和。将这个差值经过pi控制器以后发给pwm模块1用于控制直流变换器“750v”接口1的电流。将这个差值经过以下公式计算后发给pwm模块2用于控制“3750v”接口2的电流。其中icmd为发送给pwm模块2的控制指令，δi为pi控制器输出。本发明通过隔离直流变换器与储能设备协调运行，实现自动快速平抑系统直流母线功能，提高系统供电质量。本发明技术方案应用于微电网可获得有益效果：1.稳定直流母线，提升电能质量，保护用电设备；2.防止母线突变出运行区间，造成产品故障停机；3.维持375v和750v母线保持1：2的倍数关系，提升产品的带不平衡负载能力；4.实现两条母线之间的能量交互，提升母线利用率和产品电能转换效率。附图说明图1为本发明系统中隔离直流变换器结构拓扑图图2为本发明控制策略原理图图3为本发明软件实现算法流程图图4为本发明负序电流控制软件原理图图5为名称解释用示意图具体实施方式本发明在介绍技术方案前，先给出如下解释。如图5所示，在母线0v和母线750v之间串接两个电容，两个电容的中心连接点作为母线的中性点，该中性点对母线0v为-375v，对母线750v为+375v，由此获得所谓的375v和750v两条母线。所谓750v，是指接口1、接口2之间的压差。所谓375v，是指接口3、接口2之间的压差。以下结合附图对本发明做进一步介绍。本发明系统包括两直流母线、能量管理控制器，其特征在于，所述两直流母线的电压分别设置为750v、375v，呈两倍关系，可用于与各类灵活多样的电气接口或者电力电子装置连接，实现大量分布式可再生能源发电设备、储能设备、各种用电负载接入电网或者多个端口能量的交互；所述能量管理控制器用于检测所述两直流母线的实时电压，维持两者电压两倍关系；本发明还包括隔离直流变换器，该变换器包括前级部分的cl-llc变换器电路、后级部分的多路dcdc变换器电路、控制器，所述控制器包括pi控制器、pwm模块1、pwm模块2，其中，所述前级的cl-llc变换器电路(为一种双向隔离直流变换器设备，该类设备已为本领域已知成熟结构)，其输入端与储能设备连接，其输出端与所述后级的多路dcdc变换器连接，为后级提供稳定的直流电压。所述后级的多路dcdc变换器电路设计有桥结构、两个电感和两个电容，其通过电感与所述端口电路连接；全桥电路的第一个桥臂中点与一组电感串联组成一个输出端口(本实施例可以命名为：“750v”接口1)，另外一个桥臂中点与另外一组电感电容串联组成另外一个输出端口(本实施例可以命名为：“375v”接口2)，两组电容的负端与桥臂负端相连，形成公共接口。左边桥臂和与之连接的电感电容组成一组回路，通过对桥臂的开关管控制，实现输出电压、电流控制。右边桥臂和与之相连的电感电容组成另一组回路，通过对桥臂开关管的控制，实现输出电压、电流控制；两组回路独立运行，相互不产生影响。所述控制器包括恒压模式控制模块、恒流模式控制模块、母线电压自动恒压控制模块，所述恒压模式控制模块、恒流模式控制模块为本领域常规的恒压、恒流模式控制技术，说明书中不再赘述。所述母线电压自动恒压控制模块用于实现当母线电压大于允许值时隔离直流变换器转为充电运行，当检测到母线电压小于允许值时隔离直流变换器转换为放电运行。算法过程具体为：当变换器工作在自动双向模式(母线电压升高时控制器充电运行，反之放电运行)时，变换器根据母线电压判断变换器工作状态:当母线电压大于充电状态下垂算法低压边界值、并且小于母线高压待机阈值、同时电池侧电压小于电池高压待机阈值时，变换器工作在充电状态，能量从高压母线流向低压电池，充电电流为下垂算法所得(该算法为本领域已有技术)。当母线电压大于充电状态下垂算法高压边界值时，充电电流为设置的最大充电电流。当母线电压小于放电状态下垂算法高压边界值、并且大于母线低压待机阈值、同时电池侧电压大于电池低压待机阈值时，变换器工作在放电状态，能量从低压电池流向高压母线，放电电流为下垂算法所得。当母线电压小于放电状态下垂算法低压边界值时，放电电流为设置的最大放电电流。当母线电压大于高压保护阈值，或者母线电压小于低压保护阈值，或者电池电压大于高压保护阈值，或者电池电压小于低压保护阈值时，变换器保护停机。当母线电压在高压保护阈值与高压待机阈值之间，或者母线电压在充电状态下垂电压下边界与放电状态下垂电压上边界之间，或者母线电压在低压待机阈值与低压保护阈值之间，或者电池电压在高压保护阈值与高压待机阈值之间，或者电池电压在低压待机阈值与低压保护阈值之间时，变换器处于待机状态，储能设备的电池与母线之间没有能量交换。软件控制算法，是基于控制策略原理如图2所示，其中图3中，充电下垂关系式为：i_bat＝(u_bus-bus_v_hl_droop)*bat_i_max/(bus_v_hh_droop-bus_v_hl_droop)；放电下垂关系式为:i_bus＝(bus_v_lh_droop-u_bus)*bus_i_max/(bus_v_lh_droop-bus_v_ll_droop)其中i_bat电池电流u_bus母线电压bus_v_hh_droop母线电压充电下垂高端bus_v_hi_droop母线电压充电下垂低端bus_v_lh_droop母线电压放电下垂高端bus_v_lh_droop母线电压放电下垂低端bat_i_max电池最大电流bus_i_max母线最大电流以上母线电压自动恒压控制模块算法关键在于：1.实时监测直流母线电压，并根据母线电压状态自动选择相应的运行模式；2.实时监测电池电压，并根据电池电压限定充放电电流，保持电池设备安全稳定运行；3.设定直流母线滞回区间，在滞回区间内产品自动进入待机模式，减小对直流母线的干扰。同时在母线波动至运行区间时，产品自动激活并进入相应的运行模式。所述能量管理控制器检测到两条母线电压发生倍数偏离，即750v母线或者375v母线出现较大的电压偏离时，控制器通过图4所示的闭环控制发送不同的控制指令给后级的多路dcdc变换器电路，将两个输出接口强制设置为750v、375v，以维持两条母线的倍数关系。具体的实现方法如下：如图1所示在本发明的隔离直流变换器的输出端连接了一个全桥电路，将全桥两个桥臂的中性点分别与电感连接构成两个输出端口。两个端口共用一条直流母线，且两个端口双向独立运行，多路dcdc变换器电路可以对两个端口(“750v”接口1、“3750v”接口2)电流和电流方向独立控制，实现两条环网母线之间的电流交互。直流变换器的“共用”接口3与两个环网母线电容的中性点连接，当两条母线电压不再呈两倍数关系时，将在此中性点产生负序电流，本发明控制器检测到中性点的负序电流时，变换器控制器通过负序电流控制软件，将负序电流控制为0，以保持两条环网的电压倍数稳定。所述负序电流控制软件的原理图4所示：v750为“750v”母线实时电压，v375为“375v”母线实时电压，ip3为“共用”接口3的负序电流。控制器将“375v”母线电压值乘以2与“750v”母线电压求差，将差值再与负序电流求和。将这个差值经过pi控制器以后发给pwm模块1用于控制直流变换器“750v”接口1的电流。将这个差值经过以下公式计算后发给pwm模块2用于控制“3750v”接口2的电流。其中icmd为发送给pwm模块2的控制指令，δi为pi控制器输出。当前第1页12