《一種光伏直流微電網能量協調控制方法》是國網河南省電力公司南陽供電公司於2013年10月11日申請的專利，該專利的申請號為2013104721974，公布號為CN103545905A，授權公布日為2014年1月29日，發明人是張富洲、陳莎、張雪煜、王修龐、郭旭、李吉浩、於晶榮、李冬雪、羅道軍、薛冰。
《一種光伏直流微電網能量協調控制方法》公開了一種光伏直流微電網能量協調控制方法，該方法採用主從並聯法與直流母線電壓下垂法相結合的控制方法，在併網模式下採用主從並聯法，由大電網接口電路維持微電網中的能量平衡，並穩定微電網中直流母線電壓；在孤島模式下，採用直流母線電壓下垂法控制，針對直流母線電壓不同的狀態由接口電路進行實時調節光伏陣列和蓄電池組的運行模式。由此實現輸出電流的有效控制，維持微電網的能量平衡，從而保證直流母線電壓穩定在恆壓狀態，實現系統的均流輸出，使直流微電網與大電網有機地結合，不僅使供能系統與負載很好的匹配，保證系統的可靠運行，而且能有效地減少能量損失，節約能耗。
2018年12月20日，《一種光伏直流微電網能量協調控制方法》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種光伏直流微電網能量協調控制方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種光伏直流微電網能量協調控制方法
- 公布號：CN103545905A
- 授權日：2014年1月29日
- 申請號：2013104721974
- 申請日：2013年10月11日
- 申請人：國網河南省電力公司南陽供電公司
- 地址：河南省南陽市人民北路268號
- 發明人：張富洲、陳莎、張雪煜、王修龐、郭旭、李吉浩、於晶榮、李冬雪、羅道軍、薛冰
- Int.Cl.：H02J7/34(2006.01)I
- 代理機構：鄭州紅元帥專利代理事務所（普通合夥）
- 代理人：季發軍
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在環境污染和能源危機的雙重壓力下，太陽能發電技術已經成為電力電子行業的研究熱點。在電力電子技術和儲能技術的推動下，直流微電網將得到快速發展。直流微電網以其便於控制、可靠性高、損耗小等優點將成為偏遠山村和未來家庭的主要供電結構。
直流微電網的特點是分散式電源、儲能裝置和負載之間的協調控制。而現有的協調控制技術多採用主從並聯法或母線電壓下垂法。主從並聯法須包含主單元和從單元，主單元負責穩定直流母線電壓，採用恆壓控制，從單元採用恆流控制，但各單元之間需要實現快速通信。母線電壓下垂法利用各單元的輸出電流，改變各單元的等效輸出電阻，實現均流控制。截至2013年10月，對光伏直流微電網尚無較為理想的控制方法，既能保證直流母線電壓穩定在恆壓狀態，又能實現系統的均流輸出，使供能系統與負載很好的匹配，節約能耗，且運行可靠。
發明內容
專利目的
《一種光伏直流微電網能量協調控制方法》的目的在於提供一種光伏直流微電網能量協調控制方法，該方法既能保證直流母線電壓穩定在恆壓狀態，又能實現系統的均流輸出，使直流微電網與大電網有機地結合，不僅使供能系統與負載很好的匹配，運行可靠，而且能有效地節約能耗。
技術方案
《一種光伏直流微電網能量協調控制方法》採取的技術方案是：一種光伏直流微電網能量協調控制方法，包括併網模式的控制和直流微電網孤島模式的控制：
A．併網模式的控制：
當大電網正常運行時，直流微電網工作在併網模式下，採用主從並聯法，大電網接口電路作為主單元，蓄電池單元等效為負載的一部分，並與直流負載和光伏陣列作為從單元，光伏陣列接口電路工作在MPPT模式；當光伏陣列產生的能量大於直流負載所需能量時，大電網接口電路工作在逆變模式，把微電網內剩餘能量以單位功率因數輸送到大電網；當光伏陣列產生的能量不足時，大電網接口電路工作在整流模式，並以單位功率因數從大電網內獲取電能；由大電網接口電路維持微電網中的能量平衡，並穩定微電網中直流母線電壓；
B．孤島模式的控制：
當大電網發生故障時，直流微電網工作在孤島模式下，採用直流母線電壓。
下垂控制方法：當直流母線電壓在設定的穩定控制值以上時，光伏陣列接口電路運行在電壓下垂模式，根據直流母線電壓調節輸出電流；當直流母線電壓在設定的穩定控制值以下時，光伏陣列接口電路運行在MPPT模式，實現光伏陣列電能的最大輸出；當直流母線電壓低於設定的直流母線電壓控制下限值時，光伏陣列輸出電流達到限制電流，光伏陣列接口電路控制恆流輸出，如果直流母線電壓繼續跌落時，光伏陣列接口電路停止工作；蓄電池組中各蓄電池單元分別在蓄電池接口電路的控制下實現充放電，其充放電的門檻電壓設定為所述穩定控制值，直流微電網的功率缺額由蓄電池組提供，當直流母線電壓在較佳控制範圍內時，蓄電池接口電路運行在電壓下垂控制模式，基於直流母線電壓和蓄電池的SOC，選擇相應的充放電電流；當直流母線電壓在較佳控制範圍以外時，蓄電池組以極限電流進行充放電，以協調直流微電網的能量平衡；直流負載通過負載接口電路控制，負載接口電路採用電壓電流雙閉環控制結構，通過改變負載電壓的大小，調節負載功率。
所述大電網接口電路設定三相全橋逆變器，所述光伏陣列接口電路設定。
Boost變換器，所述蓄電池接口電路設定雙向Boost/Buck變換器，所述負載接口電路設定Buck變換器。
所述三相全橋逆變器對直流母線電壓採用PI控制器控制，對併網電流採用比。
例諧振控制器控制，併網時控制直流母線電壓恆為穩定控制值。
所述Boost變換器有MPPT控制和電壓下垂控制兩種模式，併網模式時，
Boost變換器工作在MPPT模式，採用的MPPT算法為基於PI控制器的變步長擾動觀察法；孤島模式時，直流母線電壓高於穩定控制值時，採用下垂控制模式，當直流母線電壓低於穩定控制值時，採用MPPT控制模式，輸出最大功率，穩定母線電壓。
所述雙向Boost/Buck變換器，併網模式時作為負載，只有充電和不工作兩種
模式，SOC算法根據蓄電池組輸出電壓得到合適的充電電流，充電方法採用三階段充電法，電流控制環節採用PI控制器；孤島模式時，所述雙向Boost/Buck變換器運行在電壓下垂控制模式，直流母線電壓在較佳控制範圍以內時，採用下垂控制模式。
所述直流母線電壓穩定控制值設定為350伏；所述直流母線電壓較佳控制範圍設定為340伏≤直流母線電壓≥360伏；所述直流母線電壓控制下限值設定為330伏。
改善效果
《一種光伏直流微電網能量協調控制方法》的光伏直流微電網能量協調控制方法，採用主從並聯法和母線電壓下垂法相結合的控制方法，在併網模式下，採用主從並聯法，以大電網接口電路為主單元，控制直流母線電壓恆定；在孤島模式下，採用母線電壓下垂法，各單元根據下垂特性，控制輸出電流，維持微電網的能量平衡。從而既能保證直流母線電壓穩定在恆壓狀態，又能實現系統的均流輸出，使直流微電網與大電網有機地結合，不僅使供能系統與負載很好的匹配，保證系統運行可靠，而且能有效地減少能量損失，節約能耗。
附圖說明
圖1是《一種光伏直流微電網能量協調控制方法》中光伏直流微電網系統的結構示意圖。
技術領域
《一種光伏直流微電網能量協調控制方法》涉及光伏電力技術領域，尤其涉及一種光伏直流微電網能量協調控制方法。
權利要求
1.一種光伏直流微電網能量協調控制方法，其特徵在於：它包括併網模式的控制和直流微電網孤島模式的控制：
A．併網模式的控制：
當大電網正常運行時，直流微電網工作在併網模式下，採用主從並聯法，大電網接口電路作為主單元，蓄電池單元等效為負載的一部分，並與直流負載和光伏陣列作為從單元，光伏陣列接口電路工作在MPPT模式；當光伏陣列產生的能量大於直流負載所需能量時，大電網接口電路工作在逆變模式，把微電網內剩餘能量以單位功率因數輸送到大電網；當光伏陣列產生的能量不足時，大電網接口電路工作在整流模式，並以單位功率因數從大電網內獲取電能；由大電網接口電路維持微電網中的能量平衡，並穩定微電網中直流母線電壓；
B．孤島模式的控制：
當大電網發生故障時，直流微電網工作在孤島模式下，採用直流母線電壓下垂控制方法：當直流母線電壓在設定的穩定控制值以上時，光伏陣列接口電路運行在電壓下垂模式，根據直流母線電壓調節輸出電流；當直流母線電壓在設定的穩定控制值以下時，光伏陣列接口電路運行在MPPT模式，實現光伏陣列電能的最大輸出；當直流母線電壓低於設定的直流母線電壓控制下限值時，光伏陣列輸出電流達到限制電流，光伏陣列接口電路控制恆流輸出，如果直流母線電壓繼續跌落時，光伏陣列接口電路停止工作；蓄電池組中各蓄電池單元分別在蓄電池接口電路的控制下實現充放電，其充放電的門檻電壓設定為所述穩定控制值，直流微電網的功率缺額由蓄電池組提供，當直流母線電壓在較佳控制範圍內時，蓄電池接口電路運行在電壓下垂控制模式，基於直流母線電壓和蓄電池的SOC，選擇相應的充放電電流；當直流母線電壓在較佳控制範圍以外時，蓄電池組以極限電流進行充放電，以協調直流微電網的能量平衡；直流負載通過負載接口電路控制，負載接口電路採用電壓電流雙閉環控制結構，通過改變負載電壓的大小，調節負載功率。
2.如權利要求1所述的光伏直流微電網能量協調控制方法，其特徵在於：所述大電網接口電路設定三相全橋逆變器，所述光伏陣列接口電路設定Boost變換器，所述蓄電池接口電路設定雙向Boost/Buck變換器，所述負載接口電路設定Buck變換器。
3.如權利要求2所述的光伏直流微電網能量協調控制方法，其特徵在於：所述三相全橋逆變器對直流母線電壓採用PI控制器控制，對併網電流採用比例諧振控制器控制，併網時控制直流母線電壓恆為穩定控制值。
4.如權利要求2所述的光伏直流微電網能量協調控制方法，其特徵在於：所述Boost變換器有MPPT控制和電壓下垂控制兩種模式，併網模式時，Boost變換器工作在MPPT模式，採用的MPPT算法為基於PI控制器的變步長擾動觀察法；孤島模式時，直流母線電壓高於穩定控制值時，採用下垂控制模式，當直流母線電壓低於穩定控制值時，採用MPPT控制模式，輸出最大功率，穩定母線電壓。
5.如權利要求2所述的光伏直流微電網能量協調控制方法，其特徵在於：所述雙向Boost/Buck變換器，併網模式時作為負載，只有充電和不工作兩種模式，SOC算法根據蓄電池組輸出電壓得到充電電流，充電方法採用三階段充電法，電流控制環節採用PI控制器；孤島模式時，直流母線電壓在較佳控制範圍以內時，採用下垂控制模式，所述雙向Boost/Buck變換器運行在電壓下垂控制模式。
6.如權利要求1所述的光伏直流微電網能量協調控制方法，其特徵在於：所述直流母線電壓穩定控制值設定為350伏；所述直流母線電壓較佳控制範圍設定為直流母線電壓≥340伏；所述直流母線電壓控制下限值設定為330伏。
實施方式
如圖1所示，《一種光伏直流微電網能量協調控制方法》所使用的光伏直流微電網系統，由光伏陣列1、蓄電池組2、直流負載3、直流母線5和併網接口系統組成，所述直流母線5通過大電網接口電路與大電網4連線。所述併網接口系統包括所述大電網接口電路、光伏陣列接口電路、蓄電池接口電路和負載接口電路。光伏陣列1通過光伏陣列接口電路向直流母線5輸入電能，所述光伏陣列接口電路設定Boost變換器6，所述Boost變換器6有MPPT控制和電壓下垂控制兩種模式，當大電網4運行正常，光伏直流微電網處於併網模式運行時，Boost變換器6工作在MPPT模式，採用的MPPT算法為基於PI控制器的變步長擾動觀察法。當大電網4發生故障，光伏直流微電網處於孤島模式運行，此時若直流母線電壓高於穩定控制值時，採用下垂控制模式；當直流母線電壓低於穩定控制值時，採用MPPT控制模式，輸出最大功率，穩定母線電壓，其中，所述穩定控制值一般設定為350伏。蓄電池組2中各蓄電池分別蓄電池接口電路與直流母線5相連，所述蓄電池接口電路設定雙向Boost/Buck變換器7、8實現充放電的功能，所述雙向Boost/Buck變換器7、8，併網模式時作為負載，只有充電和不工作兩種模式，SOC算法根據蓄電池組2輸出電壓得到合適的充電電流，充電方法採用三階段充電法，電流控制環節採用PI控制器；孤島模式時，所述雙向Boost/Buck變換器7、8運行在電壓下垂控制模式，直流母線電壓在較佳控制範圍以內時，採用下垂控制模式。所述大電網接口電路設定三相全橋逆變器10，為光伏直流微電網能量協調控制的關鍵模組。所述三相全橋逆變器10對直流母線電壓採用PI控制器，對併網電流採用比例諧振控制器，併網時控制直流母線電壓恆為穩定控制值。所述直流負載3通過直流負載接口電路與所述直流母線5連線，所述直流負載接口電路設定Buck變換器9，所述直流負載3通過Buck變換器9從直流母線吸收電能。所述Buck變換器9採用電壓電流雙閉環控制結構，通過改變負載電壓Ul的大小，調節負載功率，電壓和電流環均採用PI控制器。
《一種光伏直流微電網能量協調控制方法》的光伏直流微電網能量協調控制方法，包括併網模式的控制和直流微電網孤島模式的控制兩種模式：當大電網正常運行時，直流微電網工作在併網模式下，採用主從並聯法，大電網接口電路作為主單元，蓄電池單元等效為負載的一部分，並與直流負載3和光伏陣列1作為從單元，光伏陣列接口電路工作在MPPT模式；當光伏陣列1產生的能量大於直流負載3所需能量時（不接大電網時，直流母線電壓為350伏-370伏），大電網接口電路中的三相全橋逆變器10工作在逆變模式，把微電網內剩餘能量以單位功率因數輸送到大電網4；當光伏陣列1產生的能量不足時（不接大電網4時，直流母線電壓為330伏-350伏），大電網接口電路中的三相全橋逆變器10工作在整流模式，並以單位功率因數從大電網4內獲取電能；大電網接口電路中的三相全橋逆變器10不但要維持微電網中的能量平衡，而且還必須穩定微電網中直流母線電壓Udc=350伏。
當大電網發生故障時，光伏直流微電網工作在孤島模式下，採用直流母線電。
壓下垂控制方法：當直流母線電壓在設定的穩定控制值以上（350伏<Udc<370伏）時，光伏陣列接口電路中的Boost變換器6運行在電壓下垂模式，根據直流母線電壓調節輸出電流；當直流母線電壓在設定的穩定控制值以下（330伏<Udc<350伏）時，光伏陣列接口電路中的Boost變換器6運行在MPPT模式，實現最大太陽能的輸出。當直流母線電壓低於設定的直流母線電壓控制下限值（Udc<330伏）時，光伏陣列1輸出電流Ip達到限制電流，光伏陣列接口電路恆流輸出，如果母線電壓繼續跌落時，光伏陣列接口電路則停止工作。蓄電池組2中各蓄電池單元分別在蓄電池接口電路的控制下實現充放電，其充放電的門檻電壓設定為所述穩定控制值（350伏），光伏直流微電網的功率缺額由蓄電池組2提供；當直流母線電壓（Udc）在較佳控制範圍內（340伏<Udc<360伏）時，蓄電池接口電路中的雙向Boost/Buck變換器7、8運行在電壓下垂控制模式，否則，充放電電流為0.2安。基於直流母線電壓（Udc）和蓄電池的SOC，選擇相應的充放電電流；當直流母線電壓在較佳控制範圍以外（Udc<340伏或者360伏<Udc）時，蓄電池組2以極限電流進行充放電，以協調直流微電網的能量平衡。直流負載3通過負載接口電路中的Buck變換器9控制，負載接口電路中的Buck變換器9採用電壓電流雙閉環控制結構，通過改變負載電壓的大小，調節負載功率。在上述光伏直流微電網能量協調控制方法中，一般將所述直流母線電壓穩定控制值設定為350伏；所述直流母線電壓較佳控制範圍設定為340伏≤直流母線電壓≥360伏；所述直流母線電壓控制下限值設定為30伏。
直流微電網根據大電網是否正常運行和直流母線電壓值，系統中各單元的6種可能工作模式如表1所示。其中，模式一、模式二和模式三為併網運行時的三種可能工作模式；模式四、模式五和模式六為孤島運行時的三種可能工作模式。
表1直流微電網控制系統可能的工作狀態。
表1
- 實驗例：
基於《一種光伏直流微電網能量協調控制方法》的光伏直流微電網能量協調控制方法，發明人搭建了系統實驗平台，其實驗情況如下：
1）併網模式實驗
系統啟動時，光伏陣列1不工作，所述雙向Boost/Buck變換器7、8工作在整流模式，穩定母線電壓，並向直流負載3供能，所述三相全橋逆變器10工作在整流模式，直流電壓Udc的穩定值為350伏，負載電壓Ul的穩態值為150伏，變壓器二次側A相電流Ias峰值約為3.9安，且大電網側功率因數接近單位功率因數，符合預想效果；
2）孤島模式實驗
斷開三相全橋逆變器10，光伏直流微電網運行在孤島模式。此時，光伏陣列1工作在母線電壓下垂控制模式下，負載電壓Ul為100伏，負載功率約為400瓦。直流母線電壓被控制在360伏，Boost變換器6輸出電流Ip約為1.2安，雙向Boost/Buck變換器7、8不工作，蓄電池組2輸出電流Ib=0，波形參數值與以上分析基本一致，驗證了孤島模式啟動階段的穩態性能；
隨著直流負載3消耗功率的增加，光伏陣列1在電壓下垂控制方式下不能提供足夠的能量，轉為MPPT控制模式，此時，直流負載電壓Ul為200伏，負載功率增加到1600瓦，此時母線電壓約為348伏，Boost變換器輸出電流Ip約為3.5安，蓄電池輸出電流Ib約為3.3安。
榮譽表彰
2018年12月20日，《一種光伏直流微電網能量協調控制方法》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
