一种含虚拟电容器的直流微网的荷电状态分区控制方法与流程

本发明涉及直流电网技术领域，特别是涉及一种含虚拟电容器的直流微网的荷电状态分区控制方法。

背景技术：

在接入高渗透率多类型分布式能源的直流电网系统中，功率波动是威胁其安全稳定运行的一个重要因素。储能单元作为微电网中的一种特殊微电源，起着存储能量的作用，储能技术也是近年来被用作平抑功率波动最常用的方式。主动负荷作为一种新的可变负荷，它能够改变负荷大小以配合电力运营商的需求响应策略以获得经济效益，目前已被大量接直流电网，该类负荷可通过调节某些时刻的用户需求并与储能元件配合，达到削峰填谷、平抑功率波动的目的，因此，主动负荷具有类似储能元件的“虚拟储能”能力：能够依据系统需求改变充放电功率，实现存储及释放能量的目的。荷电状态是评估储能元件的重要参数，能够反映储能元件的充放电功率变化和实时剩余容量，过高或过低荷电状态的储能元件，其调节能力往往不足；频繁充放电致使荷电状态变化较大的储能元件损耗成本较大。因此加入虚拟电容器分担传统储能元件充放电功率，合理依据虚拟电容器荷电状态及传统储能元件荷电状态的不同，使系统运行于不同的控制区，是最大化利用主动负荷优势的关键点，同时也是保证系统经济可靠运行的重要技术。

技术实现要素：

本发明提供一种含虚拟电容器的直流微网的荷电状态分区控制方法，不仅能够提高系统经济性，还能够保证系统的安全稳定运行。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种含虚拟电容器的直流微网的荷电状态分区控制方法，包括以下步骤：

步骤1：将所述直流微网的荷电状态划分为超级电容器自由充放电区、虚拟电容器充电区、虚拟电容器放电区、蓄电池充电区和蓄电池放电区；

步骤2：采集超级电容器的荷电状态、蓄电池的荷电状态和虚拟电容器的荷电状态；

步骤3：判断所述超级电容器的荷电状态是否处于所述超级电容器自由充放电区内，如果是，转向步骤9，如果否，转向步骤4；

步骤4：判断所述超级电容器的荷电状态是否≤所述虚拟电容器放电区的下限值且所述虚拟电容器荷电状态达到下限值，如果是，转向步骤6，如果否，转向步骤5；

步骤5：判断所述超级电容器的荷电状态是否≥所述虚拟电容器充电区的上限值且所述虚拟电容器荷电状态达到100％，如果是，转向步骤6，如果否，转向步骤10；

步骤6：判断蓄电池的荷电状态是否处于所述蓄电池充放电区内，如果是，转向步骤11，如果否，转向步骤7；

步骤7：判断所述蓄电池的荷电状态是否小于所述蓄电池放电区的下限值，如果是，转向步骤12，如果否，转向步骤8；

步骤8：分布式能源降功率运行，转向步骤6；

步骤9：直流电网中的超级电容器正常工作，所述蓄电池、虚拟电容器不参与系统功率调节，并转向步骤3；

步骤10：投入虚拟电容器的虚拟储能，用于吸收冗余功率或弥补欠缺功率，从而分担所述超级电容器的充放电功率，所述蓄电池不参与系统功率调节，转向步骤3；

步骤11：投入所述蓄电池参与系统功率调节，所述超级电容器和虚拟电容器不参与系统功率调节，转向步骤3；

步骤12：按顺序切除负荷，转向步骤6。

可选的，所述步骤1中所述超级电容器自由充放电区的上限值和下限值分别为socr_max和socr_min；所述虚拟电容器充电区的上限值为socc_max，所述虚拟电容器放电区的下限值为socc_min；所述蓄电池充电区的上限值为socb_max，所述蓄电池放电区的下限值为socb_min。

可选的，所述步骤10：投入虚拟电容器的虚拟储能，用于吸收冗余功率或弥补欠缺功率，具体包括：

根据虚拟电容器的虚拟储能分担能量值确定虚拟电容器的虚拟电容值；

根据虚拟电容器的虚拟电容值确定虚拟电容器的电角度速度参考值。

可选的，根据虚拟电容器的虚拟储能分担能量值确定虚拟电容器的虚拟电容值，具体包括：

根据能量守恒定律，得出虚拟电容器的虚拟电容值式中，vc-t为越限后某一时刻t的超级电容器端电压值；vc-set为超级电容器的荷电状态达到设定值时的超级电容器端电压，vc-res为超级电容器的荷电状态达到限制值时的超级电容器端电压，c为超级电容器的电容值，cvir为虚拟电容器的虚拟电容值。

可选的，根据虚拟电容器的虚拟电容值确定虚拟电容器的电角度速度参考值，具体包括：

根据公式计算超级电容器端电压反映的荷电状态；

将和带入得出虚拟电容器的电角速度参考值为：

式中，k＝vc_max-vc_min；wr^*为虚拟电容器的电角速度参考值，wrn为虚拟电容器的最大电角速度,wr为虚拟电容器的电角速度，socc_set和socc_res分别为超级电容器的荷电状态的系统设定目标值与限制值，socc为超级电容器的荷电状态，socc_t为t时刻的超级电容器荷电状态，vc、vc_max、vc_min分别为超级电容器的端电压、工作电压上限、工作电压下限，δt为系统设定虚拟电容器的虚拟储能投入时间段,cvir为虚拟电容器的虚拟电容值,ecvir为虚拟电容器的虚拟能量,ecnvir为虚拟电容器的初始虚拟能量,uc为超级电容器的端电压。

一种含虚拟电容器的直流微网的荷电状态分区控制系统，包括功率型混合储能模块、风力发电模块和虚拟电容器，所述功率型混合储能模块用于平抑系统产生的功率波动，所述虚拟电容器用于分担所述混合型储能模块的充放电功率，所述功率型混合储能模块包括超级电容器和蓄电池，所述蓄电池通过第一双向dc/dc换流器连接到用于输电的直流母线上，所述超级电容器通过第二双向dc/dc换流器连接到用于输电的直流母线上，所述风力发电模块通过单向ac/dc换流器连接到用于输电的直流母线上，所述虚拟电容器与变压器相串联，所述变压器通过单向dc/ac换流器连接到用于输电的直流母线上。

可选的，所述风力发电模块为永磁直驱风机，所述虚拟电容器为异步电动机。

可选的，所述第一双向dc/dc换流器采用的型号为bvsc，所述第二双向dc/dc换流器采用的型号为cvsc，所述单向ac/dc换流器采用的型号为wvsc，所述单向dc/ac换流器采用的型号为lvsc。

可选的，所述变压器为升压变压器。

该技术与现有技术相比，具有如下有益效果：

一种含虚拟电容器的直流微网的荷电状态分区控制系统，将超级电容器、蓄电池、虚拟电容器的时实荷电状态进行分区，对不同区的各换流器采用不同的控制策略，并且每区控制下有一端换流器采用下垂控制，保证系统的安全稳定运行的同时最大化利用三者的优势：超级电容器响应快，优先动作；虚拟电容器为可控负荷，次之投入；最后投入蓄电池，减少其充放电频率，提高系统运行经济性。将异步电动机等效为虚拟电容器，间接增加了系统的储存能量的能力，且可根据系统的需求改变异步电动机的虚拟电容值和虚拟荷电状态，进而控制异步电动机的转速，定量改变虚拟电容器功率。系统功率波动较大，致使传统超级电容器荷电状态达到限制值而其调节能力不足时，异步电动机迅速参与调节，配合传统超级电容器共同协调系统功率平衡，保持系统安全稳定运行。在超级电容器不能完全平抑功率波动时，异步电动机增加或降低转速，吸收冗余功率或弥补欠缺功率。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例含虚拟电容器的直流微网的荷电状态分区控制方法的工作流程图；

图2为本发明实施例直流微网拓扑结构图；

图3为本发明实施例超级电容器荷电状态分区图；

图4为本发明实施例每区控制投换条件图；

图5为本发明实施例每区控制下各换流器控制图；

图6为本发明实施例案例1风功率波动图；

图7为本发明实施例案例1负荷功率变化图；

图8为本发明实施例案例1超级电容器荷电状态变化图；

图9为本发明实施例案例1异步电机转速变化图；

图10为本发明实施例案例1虚拟荷电状态变化图；

图11为本发明实施例案例1直流母线电压变化图；

图12为本发明实施例案例2风功率波动图；

图13为本发明实施例案例2超级电容器荷电状态变化图；

图14为本发明实施例案例2蓄电池荷电状态变化图；

图15为本发明实施例案例2直流母线电压变化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种含虚拟电容器的直流微网的荷电状态分区控制方法，不仅能够提高系统经济性，还能够保证系统的安全稳定运行。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例含虚拟电容器的直流微网的荷电状态分区控制方法的工作流程图，如图1所示，一种含虚拟电容器的直流微网的荷电状态分区控制方法，包括以下步骤：

步骤1：将所述直流微网的荷电状态划分为超级电容器自由充放电区、虚拟电容器充放电区和蓄电池充放电区；

步骤2：采集超级电容器的荷电状态socc、蓄电池的荷电状态socb和虚拟电容器的荷电状态socvir；

步骤3：判断所述超级电容器的荷电状态是否处于socr_max和socr_min之间，如果是，转向步骤9，如果否，转向步骤4；

步骤4：判断所述超级电容器的荷电状态是否≤所述虚拟电容器放电区的下限值socc_min且所述虚拟电容器荷电状态达到下限值socvir_min，如果是，转向步骤6，如果否，转向步骤5；

步骤5：判断所述超级电容器的荷电状态是否≥所述虚拟电容器充电区的上限值socc_max且所述虚拟电容器荷电状态达到100％，如果是，转向步骤6，如果否，转向步骤10；

步骤6：判断蓄电池的荷电状态是否处于socb_max和socb_min之间，如果是，转向步骤11，如果否，转向步骤7；

步骤7：判断所述蓄电池的荷电状态是否小于所述蓄电池放电区的下限值socb_min，如果是，转向步骤12，如果否，转向步骤8；

步骤8：分布式能源降功率运行，转向步骤6；

步骤9：超级电容器侧换流器作为系统的平衡节点保持系统功率平衡，维持系统电压稳定；蓄电池不参与系统功率调节，充放电电流ib＝0；主动负荷满足用户需求，不参与系统功率调节，并转向步骤3；

步骤10：超级电容器侧换流器作为系统的平衡节点保持系统功率平衡，维持系统电压稳定；虚拟电容器参与系统功率调节，分担超级电容器充放电功率；蓄电池不参与系统功率调节，充放电电流ib＝0，转向步骤3；

步骤11：蓄电池侧换流器作为系统的平衡节点保持系统功率平衡，维持系统电压稳定；超级电容器不参与系统功率调节，充放电电流ic＝0；主动负荷不参与系统功率调节，转向步骤3；

步骤12：按顺序切除负荷，转向步骤6。

图2为本发明实施例直流微网拓扑结构图，如图2所示，一种含虚拟电容器的直流微网的荷电状态分区控制系统，包括功率型混合储能模块11、风力发电模块6和虚拟电容器8，所述功率型混合储能模块11用于平抑系统产生的功率波动，所述虚拟电容器用于分担所述混合型储能模块的充放电功率，所述功率型混合储能模块11包括超级电容器1和蓄电池9，所述蓄电池9通过第一双向dc/dc换流器10连接到用于输电的直流母线3上，所述超级电容器1通过第二双向dc/dc换流器2连接到用于输电的直流母线3上，所述风力发电模块6通过单向ac/dc换流器4连接到用于输电的直流母线上，所述虚拟电容器8与变压器7相串联，所述变压器7通过单向dc/ac换流器5连接到用于输电的直流母线3上。所述风力发电模块6为永磁直驱风机，所述虚拟电容器8为异步电动机。所述第一双向dc/dc换流器10采用的型号为bvsc，所述第二双向dc/dc换流器2采用的型号为cvsc，所述单向ac/dc换流器4采用的型号为wvsc，所述单向dc/ac换流器5采用的型号为lvsc。所述变压器7为升压变压器。

为了说明所提荷电状态分区策略的有效性，对图2所示直流电网模型进行仿真，其中，异机电动机额定转速1500r/min，最低转速700r/min。案例1：初始条件下，风功率以13.7kw稳定运行，负荷功率为8.5kw，超级电容器的荷电状态从69％开始升高，如图8所示，此时系统运行于超级电容器自由充放电区，超级电容器的荷电状态在7.6s上升到70％，此时若不对超级电容器充放电功率进行控制，荷电状态将持续上升，并在18s上升到74.2％。若采用分区控制策略，在超级电容器荷电状态达到70％时，此时投入虚拟电容器，系统运行于虚拟电容器充电区，超级电容器荷电状态增幅明显减小，虚拟电容器分担超级电容器充电功率，异步电动机转速从915r/min开始上升，虚拟电容器充电，并在3.2s达到上限1500r/min,如图9所示，负荷功率达到11.1kw，此时虚拟电容器已满充，超级电容器的荷电状态继续升高。5s时，风功率降至9.5kw，小于此时的负荷功率，超级电容器的荷电状态开始下降并在12s降至70％，系统运行再次运行于超级电容器自由充放电区，异步电机转速下降，在12.8s下降至1140r/min，将超级电容器的荷电状态维持在70％，此期间虚拟电容器放电。15s时风功率升至15.2kw，虚拟电容器再次充电，并于15.4s满充，超级电容器的荷电状态继续上升，整个过程直流母线电压如图11所示，从图中可以看出，投入虚拟电容器能明显减小系统电压波动，保证系统安全稳定运行。

由图8和图9可知，若风功率过高且持续时间较长，则异步电动机会在长时间内以1500r/min运行，超级电容器的荷电状态持续升高直至80％，下面对此情形进行仿真分析。案例2：如图12所示，初始条件下，风功率为16.25kw，若不投入虚拟电容器，异步电动机保持915r/min稳定运行，负荷功率为8.5kw，超级电容器的荷电状态从初始值78％开始上升，如图13所示，3.6s达到上限值80％，为保证超级电容器有足够的调节能力，此时停止对超级电容器充放电，ic＝0，投入蓄电池，蓄电池的荷电状态从初始值60％开始逐渐上升，如图14所示。13s时，风功率降低到7.85kw，检测到负荷功率大于风功率，蓄电池侧换流器闭锁，ib＝0，再次投入超级电容器，超级电容器的荷电状态开始下降。若投入虚拟电容器，由上分析可知，异步电机转速为1500r/min，负荷功率为11.1kw，超级电容器的荷电状态上升速率减慢，5.4s达到上限值80％，此时闭锁超级电容器换流器，投入蓄电池，蓄电池荷电状态升高，系统进入蓄电池充电区，13s时，蓄电池停止充电，并再次投入超级电容器，系统回到虚拟电容器充电区。整个过程中蓄电池动作时间减少1.8s，直流母线电压变化如图14所示，从图中可以看出，投入虚拟电容器能明显减小电压波动。

综上，该分区控制加入虚拟电容器可以在明显减小电压波动的同时减少蓄电池的充放电时间，能够兼顾系统运行的稳定性与经济性。并结合图3、4和图5可知，根据系统需求设定不同的控制区及切换条件，可实现虚拟电容器对系统经济稳定运行的不同增益效果。

荷电状态分区控制策略

根据定义，soc反映储能元件剩余容量，为防止其容量盈余或匮乏，增加其调节能力，同时减少蓄电池频繁充放电，降低系统成本。本发明提出的荷电状态分区控制策略根据各储能单元soc值的不同将系统分为不同的控制区，对处于不同控制区的直流微网采用不同的控制方式，每区控制下至少有一端换流器采用下垂控制维持系统电压。

图3为本发明实施例超级电容器荷电状态分区图，如图3所示，根据超级电容器的荷电状态的不同将系统分为5个区，分别为蓄电池充电区、虚拟电容器充电区、超级电容器自由充放电区、虚拟电容器放电区和蓄电池放电区，其中socr_max和socr_min分别定义为超级电容器自由充放电区的上限值和下限值；socc_max和socc_min分别定义为虚拟电容器充电区的上限值和虚拟电容器放电区的下限值；socb_max和socb_min分别定义为蓄电池充电区的上限值和蓄电池放电区的下限值。

图5为本发明实施例每区控制投换条件图，如图5所示，此时socr_min≤socc≤socr_max。风电机组运行于最大功率跟踪状态，可变负荷满足用户需求，不参与调节；蓄电池不参与调节，ib＝0。超级电容器有足够的调节能力，作为系统的功率平衡节点，其充放电功率为pc＝-pwt+pl，式中：pwt为风功率；pl为负荷功率；pc分别为超级电容器放电功率，充电时为负值。对cvsc采用下垂控制维持系统电压稳定，下垂特性表示为式中：uc、ic分别换流器cvsc直流侧的电压值、电压参考值及电流值；kg为下垂系数。

虚拟电容器充放电区控制策略

当socc_min≤socc≤socr_min，且socvir_min≤socvir≤100％时，系统运行于虚拟电容器放电区；当socr_max≤socc≤socc_max，且socvir_min≤socvir≤100％时，系统运行于虚拟电容器充电区。风电机组仍运行于最大功率跟踪状态，蓄电池不参与调节，ib＝0，对超级电容器采用下垂控制稳定系统电压，防止超级电容器容量盈余或匮乏，此时应限制超级电容器充放电，虚拟电容器参与功率调节，分担超级电容器充放电功率，虚拟电容器分担的功率分析如下。

所述步骤7：投入虚拟电容器的虚拟储能，用于吸收冗余功率或弥补欠缺功率，具体包括：

基于虚拟电容器的动能推导所述虚拟电容器作为虚拟储能所具备的两个参数：虚拟电容和虚拟荷电状态，具体包括：

根据能量守恒定律可知，异步电动机转子的功率变化量与异步电动机的虚拟储能的充放电功率相等，得到同时根据公式因此得到：

根据异步电动机的虚拟能量得出ecvir＝∫uccvirduc,可得同理，

荷电状态(stateofcharge，soc)是标称储能单元当前容量的状态参数，定义为超级电容器中剩余的容量与初始容量之比，类比传统超级电容器的荷电状态，从能量角度定义异步电机的虚拟荷电状态因为和所以得到

将荷电状态带入中，得到

计算δt时间步长内异步电动机的虚拟电容值为：

式中，js为转子转动惯量,wr为异步电动机的当前电角速度，为异步电动机的极对数，uc为超级电容器的端电压，cvir为异步电动机的虚拟电容值，ecvir为异步电动机的虚拟能量,ecnvir为异步电动机的初始虚拟能量，wr为异步电动机的电角速度，wrn为异步电动机的最大电角速度，socvir为异步电动机的虚拟荷电状态，为异步电动机的虚拟荷电状态参考值，为异步电动机的电角速度参考值，δt为系统设定虚拟电容器的虚拟储能投入时间段。

根据虚拟电容器的虚拟储能分担能量值确定虚拟电容器的虚拟电容值，具体包括：

根据定义，超级电容器荷电状态越过限制值后，吸收的能量δec为

因此若要在某一时刻t让超级电容器socc重新达到超级电容器的设定值socset，虚拟超级电容器需要吸收的能量δevir为

根据能量守恒，超级电容器荷电状态越过限制值后吸收的能量δec与要在某一时刻t让超级电容器的荷电状态socc重新达到超级电容器的设定值socset时，异步电动机作为虚拟超级电容器需要吸收的虚拟能量δevir相等，得出异步电动机的虚拟电容值为：

式中，vc-t为越限后某一时刻t的超级电容器端电压值；vc-set为超级电容器荷电状态达到设定值时的超级电容器端电压，vc-res为超级电容器荷电状态达到限制值时的超级电容器端电压，uc为超级电容器的端电压，c为超级电容器的电容值，当设定值socc_set等于限制值socc_res时，cvir＝c。

根据虚拟电容值确定异步电动机的电角度速度参考值，具体包括：

在容值保持恒定和忽略内阻影响的条件下，超级电容器端电压反映其荷电状态，有如下关系：

将参数vc_t，vc_res，vc_set带入公式得到

vc_t＝socc_t(vc_max-vc_min)+vc_min

vc_res＝socc_res(vc_max-vc_min)+vc_min

vc_set＝socc_set(vc_max-vc_min)+vc_min

将vc_t＝socc_t(vc_max-vc_min)+vc_min，vc_res＝socc_res(vc_max-vc_min)+vc_min和vc_set＝socc_set(vc_max-vc_min)+vc_min带入得到

将带入得出异步电动机的电角速度参考值为：

式中，k＝vc_max-vc_min；为异步电机电角速度参考值，socc_set和socc_res分别为超级电容器荷电状态的系统设定目标值与限制值，socc为超级电容器的荷电状态，socc_t为t时刻的超级电容器荷电状态，vc-t为越限后某一时刻t的超级电容器端电压值，vc_max、vc_min分别为超级电容器的工作电压上限、工作电压下限，δt为系统设定虚拟电容器的虚拟储能投入时间段，由式异步电动机角速度参考值公式可知，给定超级电容器荷电状态的系统设定目标值socc_set与限制值socc_res，并采集异步电动机的电角速度wr和超级电容器的端电压uc,得出异步电动机的虚拟电容值与电角速度参考值，从而控制虚拟电容器功率，达到虚拟储能的目的。

在socc越过超级电容器充放电区上限值socr_max或下限值socr_min后，定量控制异步电机的电角速度参考值，即可实现虚拟电容器投入并参与系统功率调节的目的。根据异步电机转速信号，可计算虚拟电容器荷电状态，判断直流微网是否进入蓄电池充放电区。

蓄电池充放电区控制策略

当socc_max≤socc且socvir＝100％时，系统运行于蓄电池充电区，当socc≤socc_min且socvir＝socvir_min时，系统运行于蓄电池放电区。由于此时的超级电容器几乎已无调节能力，不再让其参与功率调节，充放电电流ic＝0；异步电机以额定转速或最低转速运行，同样不具备调节能力。此时投入蓄电池，蓄电池采用下垂控制维持系统电压，若蓄电池荷电状态达到上限socb_max时仍无法消纳过剩风功率或达到下限socb_min时无法提供功率，则相应采用降功率运行或切除负荷。

综上，当系统运行于超级电容器自由充放电区和虚拟电容器充放电区时，超级电容器采用下垂控制，其余时刻内环电流参考值为零；当系统运行于虚拟电容器充放电区时，负荷参与功率调节，发挥虚拟电容器功能；当系统运行于蓄电池充放电区时，蓄电池采用下垂控制，其余时刻内环电流参考值为零。

一种含虚拟电容器的直流微网的荷电状态分区控制系统，将超级电容器、蓄电池、虚拟电容器的时实荷电状态进行分区，对不同区的各换流器采用不同的控制策略，并且每区控制下有一端换流器采用下垂控制，保证系统的安全稳定运行的同时最大化利用三者的优势：超级电容器响应快，优先动作；虚拟电容器为可控负荷，次之投入；最后投入蓄电池，减少其充放电频率，提高系统运行经济性。将异步电动机等效为虚拟电容器，间接增加了系统的储存能量的能力，且可根据系统的需求改变异步电动机的虚拟电容值和虚拟荷电状态，进而控制异步电动机的转速，定量改变虚拟电容器功率。系统功率波动较大，致使传统超级电容器荷电状态达到限制值而其调节能力不足时，异步电动机迅速参与调节，配合传统超级电容器共同协调系统功率平衡，保持系统安全稳定运行。在超级电容器不能完全平抑功率波动时，异步电动机增加或降低转速，吸收冗余功率或弥补欠缺功率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。