本發(fā)明涉及一種直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制方法。

背景技術(shù)：

能源危機和環(huán)境污染等問題已經(jīng)引起了世界各國的廣泛關(guān)注，加快開發(fā)和利用可再生能源發(fā)電調(diào)整能源結(jié)構(gòu)是解決上述問題的有效措施之一。風能和太陽能是可再生能源的重要組成部分，然而其輸出功率具有隨機性和間歇性特點，并且分布式發(fā)電單元具有單機接入成本高、容量低、缺少靈活可控等缺點，因此將其與蓄電池儲能系統(tǒng)、負載單元以及并網(wǎng)接口變換器構(gòu)成微電網(wǎng)，以微電網(wǎng)的形式并入大電網(wǎng)是一種有效的接入方式。

由于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)為交流電網(wǎng)，因此以往過多的研究也主要集中于交流微電網(wǎng)。隨著直流負荷以及直流分布式發(fā)電單元的增加，直流微電網(wǎng)得到的快速的發(fā)展，與交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)具有能量轉(zhuǎn)換次數(shù)少、效率高、成本低、控制結(jié)構(gòu)簡單、無需考慮頻率和相位以及無功補償設(shè)備等優(yōu)勢。直流微電網(wǎng)中通常含有并網(wǎng)接口變換器以及多個分布式發(fā)電單元、儲能單元和負載單元，如何根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)來調(diào)整其各個單元的控制策略是保證直流微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的主要關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前現(xiàn)有的方法主要利用直流母線電壓信號進行直流微電網(wǎng)運行模式的劃分，而直流微電網(wǎng)運行模式僅通過直流母線電壓進行劃分并不合理，尤其在孤島運行時，蓄電池儲能系統(tǒng)作為平衡節(jié)點，控制直流母線電壓維持著輸入和輸出有功功率平衡，當蓄電池荷電狀態(tài)達到上限或者下限閾值時需要過度到下一個運行模式，避免蓄電池深度充電和放電現(xiàn)象。另一方面，在底層控制中，各單元接口變換器閉環(huán)控制均采用線性比例積分(PI)調(diào)節(jié)器，而電力電子變換器具有非線性的特征，因此采用線性PI調(diào)節(jié)器難以獲得更好的動態(tài)性能，進而會影響整個直流微電網(wǎng)的運行性能?；谏鲜鰞牲c缺陷可以得知，現(xiàn)有的方法并沒有完全解決直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的問題，有必要探索一種新型協(xié)調(diào)控制策略。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的采用直流母線電壓單一變量對運行模式劃分以及各個變換器的控制性能動態(tài)響應速度慢，抗擾動性能差的缺點，提出一種直流微電網(wǎng)分層模糊協(xié)調(diào)控制方法。

本發(fā)明將模糊控制理論應用到直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制中。本發(fā)明協(xié)調(diào)控制方法分為上下兩層，上層控制方法為模糊能量管理方法，底層控制方法為各單元接口變換器根據(jù)上層的模糊能量管理方法采取的控制策略。上層模糊能量管理方法通過直流母線電壓和蓄電池荷電狀態(tài)的不同確定直流微電網(wǎng)的運行模式，根據(jù)運行模式確定各單元接口變換器的控制策略，并且下發(fā)給底層各單元。底層各單元接口變換器接收到指令后執(zhí)行上層策略，切換自身的控制方法。本發(fā)明能夠協(xié)調(diào)風力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元、蓄電池儲能系統(tǒng)、直流負載單元、交流負載單元以及并網(wǎng)接口單元的穩(wěn)定運行。

應用本發(fā)明的直流微電網(wǎng)含有風力發(fā)電單元、蓄電池儲能系統(tǒng)、光伏發(fā)電單元、并網(wǎng)變換器接口單元、直流負載，以及交流負載。所述的風力發(fā)電單元、蓄電池儲能系統(tǒng)、光伏發(fā)電單元、并網(wǎng)變換器接口單元、直流負載以及交流負載通過電力電子變換器接入共同的直流母線。

本發(fā)明對直流微電網(wǎng)采用的兩層控制方法具體如下。

本發(fā)明對上層采用的模糊能量管理方法控制整個直流微電網(wǎng)運行。本發(fā)明根據(jù)直流母線電壓和蓄電池荷電狀態(tài)劃分直流微電網(wǎng)的運行模式，將直流母線電壓和蓄電池荷電狀態(tài)模糊化后送入模糊控制器，然后將模糊控制器的輸出進行解模糊后確定直流微電網(wǎng)的運行模式，再根據(jù)運行模式確定各單元接口變換器的控制策略，并且通過低帶寬通信方式傳遞下發(fā)指令至各單元接口變換器。

底層控制方法是指直流微電網(wǎng)中各單元接口變換器的控制策略。各單元接口變換器均采用模糊自適應PI調(diào)節(jié)器。當各單元接收到上層模糊能量管理發(fā)出指令后，各單元接口變換器按照指令執(zhí)行：當上層模糊能量管理下發(fā)的控制指令與當前變換器控制策略一致時，該變換器無需動作，保持當前控制策略；當上層模糊能量管理下發(fā)控制指令與當前變換器控制策略不一致時，該變換器切換控制策略，按照上層模糊能量管理下發(fā)的指令執(zhí)行。

本發(fā)明的主要優(yōu)勢優(yōu)點在于：

(1)上層能量管理策略運用模糊理論，以直流母線電壓和蓄電池荷電狀態(tài)劃分直流微電網(wǎng)的運行模式，克服了傳統(tǒng)方法僅以直流母線電壓單一變量確定直流微電網(wǎng)運行模式的缺陷，此外在直流微電網(wǎng)運行模式中，加入蓄電池荷電狀態(tài)的劃分，有利于對蓄電池的能量進行分區(qū)管理，提升蓄電池的運行壽命周期。

(2)底層各單元接口變換器的控制策略中均采用模糊自適應PI調(diào)節(jié)器，能夠有效克服線性PI控制器存在的大誤差大增益的缺陷，在提升每一個單元變換器控制性能的基礎(chǔ)上，進而整體提升直流微電網(wǎng)的動態(tài)響應速度和抗擾動性能，減小風速、光照強度以及負載投切變化對直流微電網(wǎng)的沖擊。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方法示意圖；

圖2是本發(fā)明的直流微電網(wǎng)的上層模糊能量管理框圖；

圖3是本發(fā)明的直流微電網(wǎng)的底層各單元模糊自適應PI控制策略示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明對直流微電網(wǎng)采用上下兩層控制方法，其中上層控制方法為模糊能量管理方法，底層為各單元接口變換器自身的控制策略，各單元接口變換器均采用模糊自適應PI調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)對直流微電網(wǎng)各單元接口變換器自身的控制。

本發(fā)明所述的協(xié)調(diào)控制方法的具體步驟如下：

(1)基于直流微電網(wǎng)內(nèi)部包含的單元，根據(jù)直流母線電壓約束和蓄電池荷電狀態(tài)約束劃分直流微電網(wǎng)的運行模式，制定不同運行模式下各單元接口變換器的控制策略，如表1所示。

表1不同運行模式下各單元接口變換器的控制策略

模式1：并網(wǎng)接口變換器采用恒壓控制維持直流母線電壓恒定，光伏接口變換器和風機接口變換器采用最大功率跟蹤控制策略，蓄電池接口變換器根據(jù)荷電狀態(tài)的不同工作在充電或者放電控制，此時直流母線電壓處于額定值，直流負載接口變換器和交流負載接口變換器分別采用恒壓控制和恒壓恒頻控制維持其輸出電壓恒定；

模式2：當光伏發(fā)電單元輸出功率大于負載吸收功率時，并且兩者的功率差值大于并網(wǎng)接口變換器的額定容量，并網(wǎng)接口變換器由恒壓控制切換到恒功率控制策略，蓄電池接口變換器的控制方式由充放電控制切換至直流下垂控制，蓄電池接口變換器維持直流母線電壓穩(wěn)定在額定值的1.05p.u附近；

模式3：在模式2長期運行時，如果蓄電池荷電狀態(tài)等于最大允許荷電狀態(tài)時，蓄電池接口變換器將會由直流下垂控制切換至停止工作，光伏接口變換器由最大功率跟蹤控制切換至直流下垂控制，光伏接口變換器維持直流母線電壓穩(wěn)定在額定值的1.10p.u附近；

模式4：當光伏發(fā)電單元輸出功率小于負載吸收功率時，并且兩者的功率差值大于并網(wǎng)接口變換器的額定容量，此時并網(wǎng)接口變換器由恒壓控制切換至恒功率控制，蓄電池接口變換器由充放電控制切換至直流下垂控制，蓄電池接口變換器維持直流母線電壓穩(wěn)定在額定值的0.95p.u附近；

模式5：在模式4長期運行時，如果蓄電池荷電狀態(tài)等于最小允許荷電狀態(tài)時，按照負載重要優(yōu)先級啟動卸載程序，此時蓄電池接口變換器維持直流母線電壓穩(wěn)定在0.9p.u附近。

(2)在步驟(1)的基礎(chǔ)上確定直流微電網(wǎng)運行模式下各單元接口變換器的控制方法，運用模糊控制理論對各單元接口變換器控制方法中采用的調(diào)節(jié)器進行改進，如圖3所示。由于各單元接口變換器工作在不同控制策略時其控制對象不同，不失一般性，假設(shè)通用控制對象為y，而控制對象的參考值為y_ref，在此采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)，首先將控制對象參考值y_ref與控制對象實際值y相減得到誤差信號y_e，將誤差信號y_e乘以比例系數(shù)k₂得到模糊控制器的比例輸入量，然后將誤差信號y_e進行微分后乘以比例系數(shù)k₁得到模糊控制器微分輸入量，將兩個輸入變量輸入到模糊控制器，根據(jù)模糊規(guī)則調(diào)整后將會得到兩個輸出變量，將這兩個輸出變量分別乘以比例系數(shù)k₃和k₄進行解模糊，再將解模糊后的輸出變量分別與比例積分控制中的比例系數(shù)k_p和積分系數(shù)k_i進行疊加，得到經(jīng)過模糊調(diào)整過的比例積分參數(shù)，最后將比例控制器和積分控制器的輸出疊加得到調(diào)制指令控制被控對象，將模糊自適應PI調(diào)節(jié)器運用到各單元接口變換器的不同閉環(huán)控制策略中，提升各變換器的動態(tài)響應速度和抗擾動性能。

(3)在步驟(1)的基礎(chǔ)上設(shè)計上層模糊管理策略，制定模糊規(guī)則，首先定義直流母線電壓、蓄電池荷電狀態(tài)和直流微電網(wǎng)運行模式的論域，設(shè)置直流母線電壓論域為{0.9，1.1}，設(shè)置蓄電池荷電狀態(tài)論域為{0.4，0.8}，設(shè)置直流微電網(wǎng)運行模式的論域為{-1，1}，設(shè)置直流母線電壓和蓄電池荷電狀態(tài)的子集個數(shù)為5，分別為很大(PB)、較大(PM)、中等(Z)、較小(NM)以及很小(NB)。設(shè)置直流微電網(wǎng)運行模式的子集個數(shù)為5，模式1(Z)、模式2(PM)、模式3(PB)、模式4(NM)和模式5(NB)，根據(jù)直流母線電壓狀態(tài)和蓄電池荷電狀態(tài)為輸入變量，確定對應的輸出變量，進而能夠得到模糊規(guī)則如表2所示。

表2上層模糊能量管理策略的模糊規(guī)則

表2中，橫坐標為蓄電池荷電狀態(tài)SOC，縱坐標為直流母線電壓，中間部分為運行模式的模糊規(guī)則，比如當蓄電池荷電狀態(tài)SOC和直流母線電壓都是PB時，運行模式也是PB，其他情況依次類推。

(4)在步驟(3)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)上層模糊能量管理策略，其框圖如圖2所示，首先通過傳感器采集直流母線電壓和蓄電池荷電狀態(tài)，將直流母線電壓和蓄電池荷電狀態(tài)分別乘以比例系數(shù)k₅和k₆，對實際值進行模糊化，然后將模糊化之后的輸出變量送入模糊控制器，根據(jù)模糊規(guī)則調(diào)整后，將模糊控制器的輸出變量進行解模糊確定直流微電網(wǎng)的運行模式。根據(jù)直流微電網(wǎng)的運行模式確定蓄電池接口變換器、光伏接口變換器、風機接口變換器、直流負載接口變換器、交流負載接口變換器以及并網(wǎng)接口變換器的控制策略，通過低帶寬通信將控制指令下發(fā)到各單元接口變換器的控制器。

(5)各單元接口變換器接收到上層模糊能量管理策略下發(fā)的控制指令后，各單元接口變換器開始按照控制指令執(zhí)行，當各單元接口變換器當前控制策略與下發(fā)的控制指令一致時，無需動作，保持當前運行狀態(tài)即可；當各單元接口變換器當前控制策略與下發(fā)控制指令不一致時，根據(jù)下發(fā)控制指令切換當前的控制策略。