本發(fā)明涉及直流微電網(wǎng)風(fēng)電儲能領(lǐng)域，具體為一種基于三電平dc-dc變換器的風(fēng)儲雙極性直流微電網(wǎng)及其控制方法，適用于雙極性直流微電網(wǎng)的控制。

背景技術(shù)：

近些年，國家大力實(shí)施全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略，推動清潔能源和綠色方式滿足電力需求，直流微電網(wǎng)作為新的能源結(jié)網(wǎng)形式成為研究熱點(diǎn)。以直流微網(wǎng)集成風(fēng)力、光伏等新能源發(fā)電單元，儲能單元及本地負(fù)荷，可以減少對環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)可再生能源的高效利用，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

目前關(guān)于直流微電網(wǎng)的研究大多集中于單極性的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即分布式電源和儲能裝置通過兩電平的直流變換器接入到單極性直流母線，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。傳統(tǒng)的兩電平直流變換器結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)器件少，技術(shù)已經(jīng)成熟。隨著微電網(wǎng)系統(tǒng)容量的逐漸增大，要求變換器的電壓等級有相應(yīng)的提升，兩電平結(jié)構(gòu)受到限制。單極性直流微網(wǎng)只有正和零兩條母線，只能接入單一電壓等級的電源和負(fù)荷，系統(tǒng)供電的可靠性和靈活性較差?；诖耍枰l(fā)明一種新型結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng)，以解決現(xiàn)有直流微電網(wǎng)的上述問題和改善其缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有單極性直流電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行效率低的問題，減小直流微電網(wǎng)母線對地電壓，同時(shí)滿足各種變換器和負(fù)荷對不同電壓等級的要求，使系統(tǒng)更加安全可靠，提供了一種基于三電平dc-dc變換器的風(fēng)儲雙極性直流微電網(wǎng)及其控制方法。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

一種基于三電平dc-dc變換器的風(fēng)儲雙極性直流微電網(wǎng)，包括風(fēng)電單元、儲能單元、負(fù)荷單元以及雙極性直流母線。風(fēng)電單元包括風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)機(jī)變換器；風(fēng)電機(jī)組由風(fēng)力渦輪機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)組成；風(fēng)機(jī)變換器包括二極管整流器和三電平boost變換器；風(fēng)電機(jī)組通過風(fēng)機(jī)變換器與雙極性直流母線連接。儲能單元包括超級電容器和三電平雙向dc-dc變換器；超級電容器通過三電平雙向dc-dc變換器與雙極性直流母線連接。負(fù)荷單元包括并接于雙極性直流母線上的三相dc-ac逆變器、單相dc-ac逆變器和dc-dc變換器，所述三相dc-ac逆變器連接三相負(fù)荷，所述單相dc-ac逆變器連接單相負(fù)荷，所述dc-dc變換器連接直流負(fù)荷；雙極性直流母線由正、零、負(fù)三根直流母線組成。

上述基于三電平dc-dc變換器的風(fēng)儲雙極性直流微電網(wǎng)，根據(jù)各單元運(yùn)行特性，設(shè)定vdc_n為直流母線電壓的額定值，設(shè)定vdc為直流母線電壓實(shí)際值，設(shè)定α1、α2、β1、β2為運(yùn)行區(qū)間的切換系數(shù)，并使得β2<β1<α1<α2。

設(shè)定風(fēng)電單元中vdc、idc分別為風(fēng)電機(jī)組經(jīng)二極管整流器的直流輸出電壓和電流，il為風(fēng)機(jī)三電平boost變換器的電感電流，vdcn、pdcn分別為實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速控制和恒功率控制時(shí)的直流側(cè)電壓額定值和直流側(cè)功率額定值。

設(shè)定儲能單元vsc、isc分別為其超級電容器的出口側(cè)電壓和電流，vl1、vh1、vl2、vh2是超級電容器分階段控制的直流母線電壓閾值，并使得vl2<vl1<vh1<vh2。

設(shè)定vc1、vc2為正負(fù)直流母線電壓，分別采集風(fēng)機(jī)變換器和儲能變換器的兩分裂電容電壓，實(shí)現(xiàn)對各自變換器的中點(diǎn)電位平衡控制。

上述微電網(wǎng)是通過如下控制模式實(shí)現(xiàn)的：根據(jù)直流母線電壓作為風(fēng)儲直流微電網(wǎng)運(yùn)行控制和狀態(tài)切換的判斷指標(biāo)，設(shè)定了四個運(yùn)行區(qū)間：第1區(qū)間為風(fēng)電單元風(fēng)電特性控制模式，第2區(qū)間為儲能單元充放電分離控制模式，第3區(qū)間為風(fēng)電單元下垂特性限功率控制模式，第4區(qū)間為負(fù)荷單元減載控制模式，將風(fēng)電控制模式與儲能模式結(jié)合后，雙極性母線電壓區(qū)間運(yùn)行控制方法步驟為。

第1區(qū)間，即當(dāng)β1vdc_n≤vdc≤α1vdc_n時(shí)，處于風(fēng)電單元風(fēng)電特性控制模式，風(fēng)機(jī)輸出的功率或負(fù)荷消耗的功率有微弱的波動時(shí)，為了防止頻繁充放電對超級電容器循環(huán)壽命的影響，將其設(shè)置為空閑模式。

第2區(qū)間，即處于儲能單元充放電分離控制模式，根據(jù)超級電容器的充放電，該區(qū)間又可以分為：

區(qū)間2-1：即α1vdc_n<vdc≤α2vdc_n，超級電容器充電，風(fēng)電單元繼續(xù)進(jìn)行風(fēng)電特性控制，儲能單元以充電電流限值為界分為下垂控制和恒流充電控制；

區(qū)間2-2：即β2vdc_n≤vdc<β1vdc_n，超級電容器放電，風(fēng)電單元仍處于風(fēng)電特性控制，儲能單元以放電電流限值為界分為下垂控制和恒流放電控制。

第3區(qū)間，即vdc>α2vdc_n，處于風(fēng)電單元下垂特性限功率控制模式，將風(fēng)電單元三電平boost變換器作為松弛端口來穩(wěn)定母線電壓，通過基于下垂特性的限功率控制減小輸入的功率，此時(shí)超級電容器持續(xù)充電致其端電壓達(dá)到安全限值，儲能單元停止工作并退出運(yùn)行。

第4區(qū)間，即vdc<β2vdc_n，處于負(fù)荷單元減載控制模式，將負(fù)荷接口變換器作為松弛端口，按照負(fù)荷優(yōu)先級逐級切除，保證重要負(fù)載的供電，此時(shí)超級電容器持續(xù)放電致其端電壓達(dá)到安全限值，儲能單元退出運(yùn)行。

上述區(qū)間中，其中：

（1）風(fēng)電特性控制模式為：當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電單元進(jìn)行mppt控制，通過采集vdc、idc實(shí)現(xiàn)；當(dāng)風(fēng)速增大至風(fēng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)電單元進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速控制，通過vdcn與vdc作差實(shí)現(xiàn)；當(dāng)風(fēng)速持續(xù)增大至風(fēng)機(jī)達(dá)到額定輸出功率，風(fēng)電單元進(jìn)行恒功率控制，通過pdcn與vdc作商實(shí)現(xiàn)。

（2）儲能單元充放電分離控制模式為：當(dāng)vl1≤vdc≤vh1時(shí)，超級電容器處于不動作階段；當(dāng)vh1<vdc≤vh2時(shí)，超級電容器充電，當(dāng)vl2≤vdc<vl1時(shí)，超級電容器放電，超級電容器處于下垂控制階段，通過下垂控制方式穩(wěn)定直流母線電壓；當(dāng)vdc>vh2或vdc<vl2，超級電容器電流達(dá)到限制±isc_limit，超級電容器處于恒定電流充放電階段。當(dāng)處于充電模式，即vdc升高并超過vh1時(shí)，超級電容器充電，雙向變換器開啟并處于buck模式；加入滯環(huán)控制器1，使vdc降低至vh1-δvh時(shí)，雙向變換器停止充電模式，δvh為充電滯環(huán)電壓。當(dāng)處于放電模式，即vdc降低并小于vl1時(shí)，超級電容器放電，雙向變換器開啟并處于boost模式；加入滯環(huán)控制器2，使vdc升高至vl1+δvl，雙向變換器停止放電模式，δvl為放電滯環(huán)電壓。

（3）風(fēng)電單元下垂特性限功率控制模式為：通過α2vdc_n與vdc作差，所得到的誤差信號通過風(fēng)電單元下垂控制，得到電感電流參考值il_ref，與il作差經(jīng)pi控制器得到占空比信號。

（1）~（3）的各控制模式均加入中點(diǎn)電位平衡控制，具體設(shè)定為：分別采集各單元變換器兩電容電壓vc1、vc2并作差，所得到的誤差信號通過pi控制器并限幅，得到電壓平衡誤差占空比信號，而后與各控制模式得到的占空比信號作和，得到中點(diǎn)電位平衡占空比信號。

本發(fā)明所述的一種基于三電平dc-dc變換器的風(fēng)儲雙極性直流微電網(wǎng)及其控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）本發(fā)明采用的雙極性直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以減小母線對地電壓，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，且可滿足不同變換器和負(fù)荷對各電壓等級的要求；（2）本發(fā)明提出的風(fēng)電單元風(fēng)電特性控制在額定風(fēng)速之下采用mppt控制，在額定風(fēng)速之上采用恒轉(zhuǎn)速和恒功率控制，且只需要檢測直流側(cè)輸出電壓和電流，無需對風(fēng)速和機(jī)組轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行測量，保證了風(fēng)機(jī)在各個風(fēng)速區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，提高了風(fēng)能的利用效率；（3）本發(fā)明提出的儲能單元充放電模式分離的控制方法，根據(jù)直流母線電壓波動范圍，將超級電容器的運(yùn)行分成不動作、下垂控制、恒流充放電三個階段，且在充電模式或放電模式時(shí)只需兩個開關(guān)管導(dǎo)通，提高了開關(guān)管的壽命，降低了控制的復(fù)雜性；（4）本發(fā)明提出的基于三電平dc-dc變換器儲雙極性直流微電網(wǎng)母線電壓分區(qū)間運(yùn)行方法，通過風(fēng)電單元的風(fēng)電特性控制與基于下垂特性的限功率控制、儲能單元的充放電分離控制配合負(fù)荷單元的減載控制，可以實(shí)現(xiàn)各區(qū)間的平滑切換，調(diào)節(jié)母線電壓和平衡系統(tǒng)功率，確保風(fēng)儲雙極性直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明中風(fēng)電單元的結(jié)構(gòu)示意圖及控制方法圖。

圖3是本發(fā)明中儲能單元的結(jié)構(gòu)示意圖及控制方法圖。

圖4是本發(fā)明中儲能單元超級電容器下垂特性曲線示意圖。

圖5是本發(fā)明各區(qū)間控制方法的切換流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行說明。

一種基于三電平dc-dc變換器的風(fēng)儲雙極性直流微電網(wǎng)，如圖1所示，包括風(fēng)電單元、儲能單元、負(fù)荷單元以及雙極性直流母線。風(fēng)電單元，如圖2所示，包括風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)機(jī)變換器；風(fēng)電機(jī)組由風(fēng)力渦輪機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)組成；風(fēng)機(jī)變換器包括二極管整流器和三電平boost變換器；風(fēng)電機(jī)組通過三電平boost變換器與雙極性直流母線連接。儲能單元，如圖3所示，包括超級電容器和三電平雙向dc-dc變換器；超級電容器通過三電平雙向dc-dc變換器與雙極性直流母線連接。所述負(fù)荷單元包括并接于雙極性直流母線上的三相dc-ac逆變器、單相dc-ac逆變器和dc-dc變換器，所述三相dc-ac逆變器連接三相負(fù)荷，所述單相dc-ac逆變器連接單相負(fù)荷，所述dc-dc變換器連接直流負(fù)荷。雙極性直流母線由正、零、負(fù)三根直流母線組成。

上述基于三電平dc-dc變換器的風(fēng)儲雙極性直流微電網(wǎng)，根據(jù)各單元運(yùn)行特性，設(shè)定vdc_n為直流母線電壓的額定值，設(shè)定vdc為直流母線電壓實(shí)際值，設(shè)定α1、α2、β1、β2為運(yùn)行區(qū)間的切換系數(shù)，并使得β2<β1<α1<α2。

設(shè)定風(fēng)電單元中vdc、idc分別為風(fēng)電機(jī)組經(jīng)二極管整流器的直流輸出電壓和電流，il為風(fēng)機(jī)三電平boost變換器的電感電流，vdcn、pdcn分別為實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速控制和恒功率控制時(shí)的直流側(cè)電壓額定值和直流側(cè)功率額定值。

設(shè)定儲能單元vsc、isc分別為其超級電容器的出口側(cè)電壓和電流，vl1、vh1、vl2、vh2是超級電容器分階段控制的直流母線電壓閾值，并使得vl2<vl1<vh1<vh2。

設(shè)定vc1、vc2為正負(fù)直流母線電壓，分別采集風(fēng)機(jī)變換器和儲能變換器的兩分裂電容電壓，實(shí)現(xiàn)對各自變換器的中點(diǎn)電位平衡控制。

上述微電網(wǎng)是通過如下控制模式實(shí)現(xiàn)的：根據(jù)直流母線電壓作為風(fēng)儲直流微電網(wǎng)運(yùn)行控制和狀態(tài)切換的判斷指標(biāo)，設(shè)定了四個運(yùn)行區(qū)間：第1區(qū)間為風(fēng)電單元風(fēng)電特性控制模式，第2區(qū)間為儲能單元充放電分離控制模式，第3區(qū)間為風(fēng)電單元下垂特性限功率控制模式，第4區(qū)間為負(fù)荷單元減載控制模式。將風(fēng)電控制模式與儲能模式結(jié)合后，如圖5所示，雙極性母線電壓區(qū)間運(yùn)行控制方法步驟為

第1區(qū)間，即當(dāng)β1vdc_n≤vdc≤α1vdc_n時(shí)，處于風(fēng)電單元風(fēng)電特性控制模式，風(fēng)機(jī)輸出的功率或負(fù)荷消耗的功率有微弱的波動時(shí)，為了防止頻繁充放電對超級電容器循環(huán)壽命的影響，將其設(shè)置為空閑模式。

第2區(qū)間，即處于儲能單元充放電分離控制模式，根據(jù)超級電容器的充放電，該區(qū)間又可以分為：

區(qū)間2-1：即α1vdc_n<vdc≤α2vdc_n，超級電容器充電，風(fēng)電單元繼續(xù)進(jìn)行風(fēng)電特性控制，儲能單元以充電電流限值為界分為下垂控制和恒流充電控制；

區(qū)間2-2：即β2vdc_n≤vdc<β1vdc_n，超級電容器放電，風(fēng)電單元仍處于風(fēng)電特性控制，儲能單元以放電電流限值為界分為下垂控制和恒流放電控制。

第3區(qū)間，即vdc>α2vdc_n，處于風(fēng)電單元下垂特性限功率控制模式，將風(fēng)電單元三電平boost變換器作為松弛端口來穩(wěn)定母線電壓，通過基于下垂特性的限功率控制減小輸入的功率，此時(shí)超級電容器持續(xù)充電致其端電壓達(dá)到安全限值，儲能單元停止工作并退出運(yùn)行。

第4區(qū)間，即vdc<β2vdc_n，處于負(fù)荷單元減載控制模式，將負(fù)荷接口變換器作為松弛端口，按照負(fù)荷優(yōu)先級逐級切除，保證重要負(fù)載的供電，此時(shí)超級電容器持續(xù)放電致其端電壓達(dá)到安全限值，儲能單元退出運(yùn)行。

上述區(qū)間控制方法中：

（1）風(fēng)電特性控制模式為：當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電單元進(jìn)行mppt控制，通過采集vdc、idc實(shí)現(xiàn)；當(dāng)風(fēng)速增大至風(fēng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)電單元進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速控制，通過vdcn與vdc作差實(shí)現(xiàn)；當(dāng)風(fēng)速持續(xù)增大至風(fēng)機(jī)達(dá)到額定輸出功率，風(fēng)電單元進(jìn)行恒功率控制，通過pdcn與vdc作商實(shí)現(xiàn)。

（2）儲能單元充放電分離控制模式為：超級電容器電壓與電流特性曲線如圖4所示，m為下垂系數(shù)，當(dāng)vl1≤vdc≤vh1時(shí)，超級電容器處于不動作階段；當(dāng)vh1<vdc≤vh2時(shí)，超級電容器充電，當(dāng)vl2≤vdc<vl1時(shí)，超級電容器放電，超級電容器處于下垂控制階段，通過下垂控制方式穩(wěn)定直流母線電壓；當(dāng)vdc>vh2或vdc<vl2，超級電容器電流達(dá)到限制±isc_limit，超級電容器處于恒定電流充放電階段。當(dāng)處于充電模式，即vdc升高并超過vh1時(shí)，超級電容器充電，雙向變換器開啟并處于buck模式；加入滯環(huán)控制器1，使vdc降低至vh1-δvh時(shí)，雙向變換器停止充電模式，δvh為充電滯環(huán)電壓。當(dāng)處于放電模式，即vdc降低并小于vl1時(shí)，超級電容器放電，雙向變換器開啟并處于boost模式；加入滯環(huán)控制器2，使vdc升高至vl1+δvl，雙向變換器停止放電模式，δvl為放電滯環(huán)電壓。

（3）風(fēng)電單元下垂特性限功率控制模式為：通過α2vdc_n與vdc作差，所得到的誤差信號通過風(fēng)電單元下垂控制，得到電感電流參考值il_ref，與il作差經(jīng)pi控制器得到占空比信號。

上述（1）~（3）的各控制模式均加入中點(diǎn)電位平衡控制，具體設(shè)定為：分別采集各單元變換器兩電容電壓vc1、vc2并作差，所得到的誤差信號通過pi控制器并限幅，得到電壓平衡誤差占空比信號，而后與各控制模式得到的占空比信號作和，得到中點(diǎn)電位平衡占空比信號。