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CN109866643B - 一种光储充直流微网控制方法 - Google Patents

一种光储充直流微网控制方法 Download PDF

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CN109866643B CN201910248232.1A CN201910248232A CN109866643B CN 109866643 B CN109866643 B CN 109866643B CN 201910248232 A CN201910248232 A CN 201910248232A CN 109866643 B CN109866643 B CN 109866643B
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马克西姆
张宝迪
欧阳明高
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Abstract

本发明提出了一种光储充直流微网控制方法，属于直流微网控制领域。该方法首先对直流母线电压进行判定，选择直流微网所处的控制模式；其中，模式1中，光伏电池采用最大功率跟踪输出模式，储能电池采用恒压模式控制母线电压，电动汽车采用超级快充/快充模式；模式2中，光伏电池采用恒压模式控制母线电压，储能电池采用限流充电模式，电动汽车充电采用超级快充/快充模式；模式3中，光伏电池采用最大功率跟踪输出模式，储能电池采用限流的恒压模式控制母线电压，电动汽车充电采用慢充模式；模式4中，光伏电池和储能电池状态与模式3相同，电动汽车充电采用阻断模式。本发明可在各种情景下控制母线电压，保证光储充直流微网的稳定运行。

Description

一种光储充直流微网控制方法
技术领域
本发明属于直流微网控制领域，特别涉及一种光储充直流微网控制方法。
背景技术
2030年我国新能源汽车的销量将达到我国汽车总销量的40％-50％，同时保有量达到8千万-1亿辆车，而这8千万-1亿辆电动汽车电池的能量将达到50亿度电左右，因此大规模电动汽车大功率充电势必会对电网带来巨大的冲击，影响电网的峰谷平衡，威胁电网的稳定运行。微电网作为新型分布式配电组织形式与能源结构，既可以缓解大规模电动汽车充电对大电网的影响，又适应电动汽车充电随机性与分散性的特点，是城市间电动汽车充电基础设施建设的重要解决方案与发展趋势。
2030年中国非化石能源发电占比将达到50％，而2018年中国新增非化石能源装机总量将达7000万千瓦，但大规模分布式可再生能源接入电网又会带来能量损耗、电能质量等问题，可再生能源微电网的技术又可以解决以上的问题，因此发展具有协同增效功能的“光储充”可再生能源微电网用于电动汽车充电，既是我国交通电气化与能源低碳化的发展交叉点，又是大规模电动汽车充电与大规模可再生能源并网问题的共同解决方案。
直流微网相对于交流微网主要有以下三个方面的优势：在微网系统效率方面，光伏电池、储能电池、电动汽车均为直流充放电设备，直流微网系统相比于交流网可减少电力电子设备在电能转换过程中带来的能量损失，提升能量利用率并减少设备投资；在微网可靠运行方面，直流微网相比于交流微网更便于实现多个分布式电源同时并网的问题，无需考虑各个电源之间的频率和相位的同步问题，只需控制直流微网电压即可保证系统的稳定可靠运行；在微网电能质量方面，由于直流微网不存在无功、谐波等对电能质量造成影响的因素，直流微网更适合应对波动性和间歇性较大的可再生能源发电以及敏感负荷突变的应用场景，可提供更高质量的电能供给。因此，直流微网更适合作为面向电动汽车充电的光储充系统的解决方案。
为了应对微网系统中复杂多变的工况环境，保证微网系统内各个部件之间的协调稳定运行与向微网内负荷的可靠电能供给，直流微网系统需要制定相应合理有效的控制策略，维持直流微网母线电压的稳定与电源负荷之间的能量平衡，保证不同模式之间的平滑切换。由此可见，直流微网的控制技术既是直流微网系统中的一项重要技术，更是直流微网稳定运行的基本保障。目前直流微网控制领域的专利较少，尤其面向电动汽车充电的直流微网控制领域的专利更加有限。专利201611073301.2采用自适应下垂控制的方法，通过本地的分布式算法迭代评估全网平均电压，并动态寻找满足均流及调压要求的目标虚拟电阻，这种方法对DC/DC控制器的要求过高，而目前的设备难以满足实时迭代的要求。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种光储充直流微网控制方法。本发明面向大规模电动汽车超级快充的电动汽车充电站，在不同模式设置特定的参考电压，更加简单可靠，无需实时更改控制器的设定参数，适合现有的控制器产品，可以在所有情景下维持光储充直流微网的稳定运行。
本发明提出一种光储充直流微网控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对直流母线电压进行判定，选择直流微网所处的控制模式：
若直流母线电压大于600V小于700V，则进入步骤2)的控制模式1；
若直流母线电压大于等于700V，则进入步骤3)的控制模式2；
若直流母线电压大于550V小于等于600V，则进入步骤4)的控制模式3；
若直流母线电压小于等于550V，则进入步骤5)的控制模式4；
2)在控制模式1中，母线参考电压为650V，光伏电池采用最大功率跟踪输出模式，储能电池采用恒压模式控制母线电压，电动汽车采用超级快充或快充模式；
其中，光伏电池采用最大功率跟踪输出MPPT模式，光伏电池DC/DC控制器采集光伏电池的输出电压及电流信号，通过最大功率跟踪输出MPPT算法计算得到光伏电池输出参考电压，将得到的光伏电池输出参考电压与光伏电池实际输出电压的差值传递给光伏电池DC/DC控制器内第一PI控制器，计算得到光伏电池的输出参考电流，并将光伏电池的输出参考电流与光伏电池实际输出电流的差值传递给光伏电池DC/DC控制器内第二PI控制器，最后通过光伏电池限流环节作为光伏电池DC/DC的脉冲宽度调制PWM波的输入，从而控制光伏电池采用MPPT模式输出；
储能电池采用恒压模式控制母线电压，储能电池DC/DC控制器采集母线电压，并将采集到的母线电压与母线电压参考值的差值传递给储能电池DC/DC控制器内的第一PI控制器，计算得到储能电池的输出参考电流，并将储能电池的输出参考电流与储能电池实际输出电流的差值传递给储能电池DC/DC控制器内第二PI控制器，最后通过储能电池限流环节作为储能电池DC/DC的PWM波的输入，从而控制储能电池采用恒压模式输出控制母线电压；
3)在控制模式2中，母线参考电压为700V，光伏电池采用恒压模式控制母线电压，储能电池采用限流充电模式，电动汽车充电采用超级快充或快充模式；
其中，光伏电池采用恒压模式控制母线电压，光伏电池DC/DC控制器采集母线电压，并将采集到的母线电压与母线电压参考值的差值传递给光伏电池的DC/DC控制器内的第一PI控制器，计算得到光伏电池的输出参考电流，并将光伏电池的输出参考电流与光伏电池实际输出电流的差值传递给光伏电池DC/DC控制器内第二PI控制器，最后通过光伏电池限流环节作为光伏电池DC/DC的PWM波的输入，从而控制光伏电池采用恒压模式输出控制母线电压；
储能电池采用限流充电模式，储能电池DC/DC控制器采集储能电池的电池管理系统估计得到的储能电池荷电状态SOC，通过储能电池充电参考电流与储能电池SOC之间的一维函数计算储能电池的充电参考电流，将储能电池的充电参考电流与储能电池实际充电电流的差值传递给储能电池DC/DC控制器第二PI控制器，再通过储能电池限流环节作为储能电池DC/DC的PWM波的输入，从而控制储能电池采用限流充电模式；
4)在控制模式3中，母线参考电压为600V，光伏电池采用最大功率跟踪输出模式，储能电池采用限流的恒压模式控制母线电压，电动汽车充电采用慢充模式；
其中，光伏电池采用最大功率跟踪输出MPPT模式，储能电池采用限流的恒压模式控制母线电压，利用母线电压与母线电压参考值的差值然后通过储能电池第一PI控制器计算得到的储能电池输出参考电流，然后利用储能电池输出参考电流与储能电池SOC之间的一维函数计算得到储能电池输出参考电流，选取两个输出参考电流值中的最小值，将该最小值与储能电池实际输出电流的差值传递给储能电池DC/DC控制器内第二PI控制器，再通过储能电池限流环节作为储能电池DC/DC的PWM波的输入，从而控制储能电池采用限流的恒压模式控制母线电压；
5)在控制模式4中，母线参考电压为550V，光伏电池采用最大功率跟踪输出模式，储能电池采用限流的恒压模式控制母线电压，电动汽车充电采用阻断模式；
其中，光伏电池和储能电池的工作模式与控制模式3相同，电动汽车充电采用阻断模式，充电桩DC/DC控制器采集母线电压，当母线电压降至550V时，电动汽车充电参考电流从慢充参考电流转换为0A，阻断电动汽车的充电负荷从而阻止母线电压进一步下降。
本发明的特点及有益效果在于：
本发明既可以满足所有情况下电动汽车的快充需求，又可以维持直流微网系统的稳定运行，基于母线电压信号切换控制模式无需中央控制器，满足“即插即用”的工作条件，既提高了系统的可靠性与鲁棒性，保证光储充直流微网的稳定可靠运行，又能够适应目前市场上DC/DC控制器的控制精度和能力要求。
本发明的光储充直流微网控制方法主要应用于电动汽车充电站，也可应用于光储充直流微网的其他场景。
附图说明
图1是本发明方法中四种模式的示意图。
图2是本发明方法在模式1情景下的控制策略示意图。
图3是本发明方法在模式2情景下的控制策略示意图。
图4是本发明方法在模式3情景下的控制策略示意图。；
图5是本发明方法在模式4情景下的控制策略示意图。
图6是本发明实施例中由模式1变换到模式2的仿真结果图。
图7是本发明的实施例中由模式1变换到模式3的仿真结果图。
图8是本发明的实施例中由模式3变换到模式4的仿真结果图。
具体实施方式
本发明提出一种光储充直流微网控制方法，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。应当理解，此处所描述的具体实例仅用于解释本发明并非限定本发明。
本发明提出一种光储充直流微网控制方法，包括以下步骤：
1)对直流母线电压进行判定，选择直流微网所处的控制模式：
若直流母线电压大于600V小于700V，则进入步骤2)的控制模式1；
若直流母线电压大于等于700V，则进入步骤3)的控制模式2；
若直流母线电压大于550V小于等于600V，则进入步骤4)的控制模式3；
若直流母线电压小于等于550V，则进入步骤5)的控制模式4。
如图1所示，本发明基于直流母线电压信号进行控制模式的切换，Ubus即为直流母线电压信号；本发明的控制模式包括模式1、模式2、模式3、模式4四个模式；所述控制模式1中，母线参考电压为650V，光伏电池采用最大功率跟踪输出模式，储能电池采用恒压模式控制母线电压，电动汽车采用超级快充/快充模式；所述控制模式2中，母线参考电压为700V，光伏电池采用恒压模式控制母线电压，储能电池采用限流充电模式，电动汽车充电采用超级快充/快充模式；所述控制模式3中，母线参考电压为600V，光伏电池采用最大功率跟踪输出模式，储能电池采用限流的恒压模式控制母线电压，电动汽车充电采用慢充模式；所述控制模式4中，母线参考电压为550V，光伏电池采用最大功率跟踪输出模式，储能电池采用限流的恒压模式控制母线电压，电动汽车充电采用阻断模式；上述超级快充模式、快充模式与慢充模式均根据光储充系统充电桩的充电功率确定，无固定充电功率值，一般情况超级快充模式充电功率大于120kW，快充模式大于60kW，慢充模式低于30kW，阻断模式的充电功率为0kW。
2)如图2所示，本发明的控制模式1中，光伏电池采用最大功率跟踪输出(MPPT)模式，光伏电池DC/DC(直流电源转直流电源变换器)控制器采集光伏电池的输出电压及电流信号，通过内置的MPPT算法(最大功率跟踪输出算法)计算得到光伏电池的输出参考电压，本实例中采用的MPPT算法为变步长的扰动观察法，将利用扰动观察法得到的光伏电池输出参考电压与光伏电池实际输出电压的差值传递给光伏电池DC/DC控制器内置的第一PI控制器，计算得到光伏电池的输出参考电流，并将光伏电池的输出参考电流与光伏电池实际输出电流的差值传递给光伏电池DC/DC控制器内第二PI控制器，第一PI控制器和第二PI控制器的比例系数与积分系数分别为1和50(第一PI控制器为电压控制环节，第二PI控制器为电流控制环节)。最后通过一限流环节作为光伏电池DC/DC的PWM(脉冲宽度调制)波的输入(PWM波的输入为0-1之间的一个数，限流环节就是把输入限制在0-1之间)，从而控制光伏电池采用MPPT模式输出。本发明的模式1中，储能电池(光储充包含光伏电池和储能电池，储能电池与光伏电池共同属于光储充系统)采用恒压模式控制母线电压，储能电池DC/DC控制器采集母线电压，并将采集到的母线电压与母线电压参考值的差值传递给储能电池DC/DC控制器内置的第一PI控制器，计算得到储能电池的输出参考电流，并将储能电池的输出参考电流与储能电池实际输出电流的差值传递给储能电池DC/DC控制器内第二PI控制器，第一PI控制器和第二PI控制器的比例系数与积分系数分别为1和50(第一PI控制器为电压控制环节，第二PI控制器为电流控制环节)。最后通过一限流环节作为储能电池DC/DC的PWM波的输入，从而控制储能电池采用恒压模式输出控制母线电压。
本发明的电动汽车充电流程为(该电动汽车充电流程为所有模式下的充电流程)，电动汽车充电的过程分为预充过程和正式充电过程，当电动汽车的充电接口与充电桩连接时，充电桩控制器首先采集电动汽车电池电压和充电桩DC/DC电容电压的数据，并开始对充电桩DC/DC的电容进行预充，通过充电桩DC/DC内置的PI控制环节控制充电桩的预充电流，预充电流设为1A，当充电桩DC/DC电容的电压与电动车电池电压的差值小于设定的电压阈值后，电压阈值设为2V，预充开关关闭预充电路被断开，充电桩开始以设定的电流开始向电动车进行充电，在正式充电的过程中，电动汽车充电电流从0A开始以某一特定的速率(0A/s-100A/s)逐渐增加直到达到最大允许的充电电流，当充电电流达到最大值之后，开始以最大功率持续充电，直到电动汽车电池的电压达到预设上限，结束本次充电过程。本实例中超级快充的最大充电电流为288A，电流增长速率为72A/s,快充的最大充电电流为96A，电流增长速率为24A/s。
3)如图3所示，本发明的控制模式2中，光伏电池采用恒压模式控制母线电压，母线电压参考值为700V，光伏电池DC/DC控制器采集母线电压，并将采集到的母线电压与母线电压参考值的差值传递给光伏电池的DC/DC控制器内置的第一PI控制器，计算得到光伏电池的输出参考电流，并将光伏电池的输出参考电流与光伏电池实际输出电流的差值传递给光伏电池DC/DC控制器内第二PI控制器，所述第二PI控制器的比例系数与积分系数分别为1和50。最后通过限流环节作为光伏电池DC/DC的PWM波的输入(PWM波的输入为0-1之间的一个数，限流环节就是把输入限制在0-1之间)，从而控制光伏电池采用恒压模式输出控制母线电压。本发明的控制模式2中，储能电池采用限流充电模式，储能电池DC/DC控制器采集储能电池的电池管理系统(BMS)所估计得到的储能电池SOC(荷电状态)，通过查表函数计算获得储能电池的充电参考电流，所述查表函数为人为设定的储能电池充电参考电流与储能电池SOC之间的一维函数，本实例中，当储能电池SOC低于70％，储能电池充电参考电流为最大允许的充电电流，本实例中为410A，当储能电池SOC达到70％时开始对储能电池的充电电流进行限制，当储能电池SOC达到90％时，阻断储能电池进行充电，在70％-90％的SOC区间，储能电池充电参考电流随SOC线性减小直至减少至0A。将所获得储能电池的充电参考电流与储能电池实际充电电流的差值传递给储能电池DC/DC控制器第二PI控制器，所述PI控制器的比例系数与积分系数分别为1和50。再通过一限流环节作为储能电池DC/DC的PWM波的输入，从而控制储能电池采用限流充电模式。
4)如图4所示，本发明的控制模式3中，光伏电池采用最大功率跟踪输出(MPPT)模式，储能电池采用限流的恒压模式控制母线电压，储能电池的输出参考电流为母线电压与母线电压参考值的差值通过第一PI控制器计算得到的储能电池输出参考电流值与从储能电池SOC通过查表函数获得的储能电池输出参考电流两者之间的最小值，所述查表函数为人为设定的储能电池输出参考电流与储能电池SOC之间的一维函数，本实例中，当储能电池SOC高于40％时，储能电池输出参考电流为最大允许的输出参考电流，本实例中为410A，当储能电池SOC低于40％时开始对其放电电流进行限制，当储能电池SOC达到20％时阻断其向外放电，在40％-20％的SOC区间，储能电池输出参考电流线性减少直至减少至0A。将该最小值与储能电池实际输出电流的差值传递给储能电池DC/DC控制器内第二PI控制器，所述PI控制器的比例系数与积分系数分别为1和50再通过一限流环节作为储能电池DC/DC的PWM波的输入，从而控制储能电池采用限流的恒压模式控制母线电压。本发明的控制模式3中，电动汽车充电采用慢充模式，充电桩DC/DC采集母线电压，当母线电压降至600V时，电动汽车充电参考电流从超级快充参考电流转换为慢充参考电流，本实例中慢充参考电流为32A，再通过PI控制环节与限流环节获得DC/DC的PWM波的输入，从而控制电动汽车以慢充模式充电。
5)如图5所示，本发明的控制模式4中，光伏电池和储能电池的工作模式与控制模式3相同，电动汽车充电采用阻断模式，充电桩DC/DC采集母线电压，当母线电压降至550V时，电动汽车充电参考电流从慢充参考电流转换为0A，阻断电动汽车的充电负荷从而阻止母线电压进一步下降。
为了验证本发明的控制方法的有效性，我们基于Matlab/Simulink平台进行了控制方法的仿真分析，仿真模型中涉及的参数均为实例中的参数。
图6所示为本实施例直流微网由模式1变换到模式2的仿真结果图，从仿真结果可以发现，当储能电池的最大充电电流无法满足光伏电池的最大功率输出时，母线电压会因微网源荷两侧的功率不平衡而上升，在2s的时间内由650V上升至700V，当母线电压达到700V时，系统会进入模式2的控制模式，光伏电池由MPPT的模式转换为恒压模式控制母线电压，可以发现光伏电池通过增大电流来降低其输入功率，来实现与储能电池功率之间的协调，从仿真结果可以发现在模式2的控制策略下，本发明所设计的控制策略可以将母线电压稳定在700V附近，维持在高光伏输出情景下的微网系统的稳定运行。
图7所示为系统由模式1变换到模式3的仿真结果图，从仿真结果可以看出，当储能电池的输出功率满足充电负荷需求时，系统可以满足电动汽车超级快充的需要，但当储能电池的最大输出功率无法满足充电需求时，母线电压会在0.2s内从650V突降到600V，当母线电压达到600V时，系统会进入模式3的控制模式，电动汽车充电模式将从超级快充转换为慢充，从而保证微网系统内的功率平衡，使母线电压稳定在600V防止其继续下降，在功率切换的瞬间母线电压及储能电池的输出电流会产生一个突变，但变化幅度处于母线及部件可以承受的范围之内。在模式3下，通过同时对储能电池与电动汽车充电的协调控制，系统可以实现电动汽车从超级快充到慢充的平滑过渡与系统的稳定运行。
图8所示系统由模式3变换到模式4的仿真结果图，从仿真结果可以看出，当储能电池SOC继续降低导致可输出的功率不足以维持系统慢充的需求时，母线电压会在3s内从600V下降到550V，当母线电压下降到550V时，系统会切断所有电动汽车的充电负荷，避免储能电池的进一步放电与母线电压的继续下降。

Claims (1)

1.一种光储充直流微网控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对直流母线电压进行判定，选择直流微网所处的控制模式：
若直流母线电压大于600V小于700V，则进入步骤2)的控制模式1；
若直流母线电压大于等于700V，则进入步骤3)的控制模式2；
若直流母线电压大于550V小于等于600V，则进入步骤4)的控制模式3；
若直流母线电压小于等于550V，则进入步骤5)的控制模式4；
2)在控制模式1中，母线参考电压为650V，光伏电池采用最大功率跟踪输出模式，储能电池采用恒压模式控制母线电压；
其中，光伏电池采用最大功率跟踪输出MPPT模式，光伏电池DC/DC控制器采集光伏电池的输出电压及电流信号，通过最大功率跟踪输出MPPT算法计算得到光伏电池输出参考电压，将得到的光伏电池输出参考电压与光伏电池实际输出电压的差值传递给光伏电池DC/DC控制器内第一PI控制器，计算得到光伏电池的输出参考电流，并将光伏电池的输出参考电流与光伏电池实际输出电流的差值传递给光伏电池DC/DC控制器内第二PI控制器，最后通过光伏电池限流环节作为光伏电池DC/DC的脉冲宽度调制PWM波的输入，从而控制光伏电池采用MPPT模式输出；
储能电池采用恒压模式控制母线电压，储能电池DC/DC控制器采集母线电压，并将采集到的母线电压与母线电压参考值的差值传递给储能电池DC/DC控制器内的第一PI控制器，计算得到储能电池的输出参考电流，并将储能电池的输出参考电流与储能电池实际输出电流的差值传递给储能电池DC/DC控制器内第二PI控制器，最后通过储能电池限流环节作为储能电池DC/DC的PWM波的输入，从而控制储能电池采用恒压模式输出控制母线电压；
3)在控制模式2中，母线参考电压为700V，光伏电池采用恒压模式控制母线电压，储能电池采用限流充电模式；
其中，光伏电池采用恒压模式控制母线电压，光伏电池DC/DC控制器采集母线电压，并将采集到的母线电压与母线电压参考值的差值传递给光伏电池的DC/DC控制器内的第一PI控制器，计算得到光伏电池的输出参考电流，并将光伏电池的输出参考电流与光伏电池实际输出电流的差值传递给光伏电池DC/DC控制器内第二PI控制器，最后通过光伏电池限流环节作为光伏电池DC/DC的PWM波的输入，从而控制光伏电池采用恒压模式输出控制母线电压；
储能电池采用限流充电模式，储能电池DC/DC控制器采集储能电池的电池管理系统估计得到的储能电池荷电状态SOC，通过储能电池充电参考电流与储能电池SOC之间的一维函数计算储能电池的充电参考电流，将储能电池的充电参考电流与储能电池实际充电电流的差值传递给储能电池DC/DC控制器第二PI控制器，再通过储能电池限流环节作为储能电池DC/DC的PWM波的输入，从而控制储能电池采用限流充电模式；
4)在控制模式3中，母线参考电压为600V，光伏电池采用最大功率跟踪输出模式，储能电池采用限流的恒压模式控制母线电压；
其中，光伏电池采用最大功率跟踪输出MPPT模式，储能电池采用限流的恒压模式控制母线电压，利用母线电压与母线电压参考值的差值然后通过储能电池第一PI控制器计算得到的储能电池输出参考电流，然后利用储能电池输出参考电流与储能电池SOC之间的一维函数计算得到储能电池输出参考电流，选取两个输出参考电流值中的最小值，将该最小值与储能电池实际输出电流的差值传递给储能电池DC/DC控制器内第二PI控制器，再通过储能电池限流环节作为储能电池DC/DC的PWM波的输入，从而控制储能电池采用限流的恒压模式控制母线电压；
5)在控制模式4中，母线参考电压为550V，光伏电池采用最大功率跟踪输出模式，储能电池采用限流的恒压模式控制母线电压，电动汽车充电采用阻断模式；
其中，光伏电池和储能电池的工作模式与控制模式3相同，电动汽车充电采用阻断模式，充电桩DC/DC控制器采集母线电压，当母线电压降至550V时，电动汽车充电参考电流转换为0A，阻断电动汽车的充电负荷从而阻止母线电压进一步下降。
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