氢电耦合直流微网系统燃储协调控制方法及系统与流程

本发明属于电力微电网控制，具体涉及氢电耦合直流微网系统燃储协调控制方法及系统。

背景技术：

1、随着环境污染、温室效应等问题的发展和氢燃料电池相关技术不断成熟，近年来氢能作为一种新兴清洁能源广泛应用于电力电网领域。含有氢能并网的直流微网系统受到了广泛关注。其中氢燃料电池是一种使用氢气、氧气以电化学反应的形式产出电能的装置，其电池单体电压一般为0.6v至0.7v，多个单体串并联后的大功率燃料电池模组具有低电压、大电流的工作特点。

2、与其他传统电能形式相比，燃料电池受其结构、供气系统、反应机理、寿命等因素制约，动态响应速度相对较慢。实际工程中往往为氢能发电系统配置适量的储能单元，从而借助储能的高动态响应性能提升能源系统总体的电压控制能力，实现功率冲击下直流系统的电压稳定控制。因此，研究氢燃料电池、储能系统中的燃-储功率协调控制技术显得尤为重要。

3、多端口直流变压器(multiport dc transformer，dct)能够同时将氢燃料电池与储能接入直流微网，减少了转换环节、提高了能量变换效率。并且实际工程中dct往往采用多个子模块串并联的形式，又能够有效适配燃料电池低电压、大电流的特点，解决了燃储系统接入直流微网时大功率、多电压等级变换问题与器件耐压之间的矛盾。同时，dct有能力同时调控接入的氢燃料电池、储能功率。综合以上各方面原因，dct在直流微网系统的燃储接入、功率协调控制方面均为一种优秀的技术方案。

4、然而由于dct属高频磁耦合多端口变换器，端口间的功率耦合问题会增加端口功率协调控制的难度。现有技术中采用硬件解耦和软件解耦，其中硬件解耦还需要增加额外的解耦电路，并改变直流变压器的功率传输特性与工作模式。此外，由于氢燃料电池在不同功率区间内发电效率不同，还需要解决燃料电池出力优化问题；由于燃料电池动态响应速度较慢，还需要解决燃料电池、储能不同时间尺度下的协同控制问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种氢电耦合直流微网系统燃储协调控制方法及系统，使用dct将燃料电池和储能接入直流微网，并综合管理调控二者的功率出力，从而解决燃料电池动态响应速度慢、储能soc综合管理、氢能发电占比优化等问题。

2、本发明采用如下的技术方案。本发明的第一方面提供了一种氢电耦合直流微网系统燃储协调控制方法，所述氢电耦合直流微网系统包括dct，所述dct包括至少三个端口，第一端口连接至中压直流母线，第二端口连接至低压直流母线，并与储能装置相连接，第三端口连接至氢燃料电池；所述方法包括：

3、当中压直流母线正常供电、低压直流母线正常供电时，采用第一模式控制dct，第一端口和第三端口实施功率控制，第二端口自动平衡功率；

4、当中压直流母线未正常供电且低压直流母线正常供电时，采用第二模式控制dct，第一端口实施电压控制，第三端口实施功率控制，第二端口自动平衡功率；

5、当中压直流母线正常供电且低压直流母线未正常供电时，采用第三模式控制dct，第二端口实施电压控制，第三端口实施功率控制，第一端口自动平衡功率；

6、当中压直流母线未正常供电且低压直流母线未正常供电时，dct停机。

7、优选地，在第一模式下，保障储能装置充放电安全，根据储能装置soc，进行充放电限制，在充放电限制之下，满足第一端口功率指令，将燃料电池提升至最大出力；

8、在第二模式下，控制第一端口母线电压，保障储能装置充放电安全，根据上级控制器给出的燃料电池发电功率指令p3ref给出燃料电池发电功率最佳值p3；

9、在第三模式下，控制第二端口母线电压，保障储能装置充放电安全，根据上级控制器给出的燃料电池发电功率指令p3ref给出燃料电池发电功率最佳值p3。

10、优选地，在第一模式下，保障储能装置充放电安全，根据储能装置soc，计算第二端口允许的功率方向与上下限p2max、p2min；

11、根据第三端口的容量、第二端口功率上下限p2max、p2min和第三端口dct的功率平衡关系，计算得到第一端口的功率上下限p1max、p1min；

12、根据第一端口的功率上下限p1max、p1min，对上级微网控制器下发的第一端口功率指令pref进行限幅，得到第一端口实际功率指令值p1ref。

13、优选地，第一端口实际功率指令值p1ref与实际采样计算得到的第一端口功率p1相减后通过pi调节器；实际采样计算得到的第三端口功率p3经过一个比例环节，作为前馈解耦量与前述pi调节器的输出相加，得到第二端口与第一端口之间的移相比d2。

14、优选地，以如下公式表示使氢燃料电池出力最大化的氢燃料电池功率指令值，

15、p3ref＝min(p1ref-p2min，p3max)

16、式中：

17、p3ref表示氢燃料电池功率指令值，

18、p3max表示第三端口的功率上限。

19、优选地，将第三端口功率指令值p3ref经过斜率限幅、一阶低通滤波后，再按照燃料电池发电功率上下限p3max、p3min进行限幅，并与实际采样计算得到的第三端口功率p3相减，通过pi调节器闭环控制第三端口与第一端口之间的移相比d3。

20、优选地，第二模式下，dct将上级微网控制器给出的第一端口电压指令值u1ref与实际采样得到的第一端口电压u1相减后，通过pi调节器；实际采样计算得到的第三端口功率p3经过一个比例环节，作为前馈解耦量与前述pi调节器的输出相加，得到第二端口与第一端口之间的移相比d2；

21、将上级微网控制器给出的第三端口功率指令值p3ref经过斜率限幅、一阶低通滤波后，再按照燃料电池发电功率上下限p3max、p3min进行限幅，并与实际采样计算得到的第三端口功率p3相减，通过pi调节器闭环控制第三端口与第一端口之间的移相比d3。

22、优选地，第三模式下，dct将上级微网控制器给出的第二端口电压指令值u2ref与实际采样得到的第二端口电压u2相减后通过pi调节器，得到第二端口与第一端口之间的移相比d2；

23、将上级微网控制器给出的第三端口功率指令值p3ref经过斜率限幅、一阶低通滤波后，再按照燃料电池发电功率上下限p3max、p3min进行限幅，并与实际采样计算得到的第三端口功率p3相减，通过pi调节器闭环控制第三端口与第一端口之间的移相比d3。

24、本发明的第二方面提供了一种氢电耦合直流微网系统燃储协调控制系统，运行所述的一种氢电耦合直流微网系统燃储协调控制方法，其特征在于，包括：微网控制器和协调控制器；

25、在第一模式下，微网控制器下发第一端口的功率指令pref至协调控制器；在第二模式下，微网控制器下发第一端口的电压指令u1ref和第三端口的功率指令值p3ref至协调控制器；在第三模式下，微网控制器下发第二端口的电压指令u2ref和至协调控制器和第三端口的功率指令值p3ref。

26、优选地，在第一模式下，协调控制器生成第一端口的实际功率指令p1ref和第三端口功率指令值；在第二模式下，协调控制器生成第三端口功率指令值，依据微网控制器下发的第一端口的电压指令u1ref和第三端口功率指令值控制dct；在第三模式下，协调控制器生成第三端口功率指令值，依据微网控制器下发的第二端口的电压指令u2ref和第三端口功率指令值控制dct。

27、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，

28、1、本发明提出的协调控制方法是基于多端口直流变压器实现的，能在一个电力电子变换器中同时、同步调节燃料电池与储能系统的功率，减少通信延时，并保证氢电耦合直流微网系统的协调运行。

29、2、本发明提出的基于多端口直流变压器的燃料电池储能系统协调控制方法综合考虑了储能系统的充放电安全与燃料电池出力优化，能在确保微网系统安全稳定的前提下给出燃料电池最优运行功率。

30、3、本发明提出的基于多端口直流变压器的燃料电池储能系统协调控制方法考虑了燃料电池功率响应较慢的特性，实现了燃料电池、储能、直流微网不同时间常数下的稳定控制。

31、4、本发明提出的基于功率前馈的软件解耦控制策略，具有功率前馈计算支路，能预估dct各端口功率变化对移相比的影响并在控制系统中进行补偿，提高端口功率突变时控制系统的动态响应速度

32、本专利将面对上述实际问题，将兼顾储能单元荷电状态、燃料电池最高效率运行区间等因素对燃料电池出力进行优化；并采用低通滤波与功率变化率斜率限幅的方法，进一步降低燃料电池出力的变化速率，对系统总负荷按照变化快慢程度进行灵活分配，从而最大化氢电耦合直流微网系统的氢能发电占比，实现氢电耦合直流微网系统中的燃储协调控制。