本发明属于智能电网领域，特别涉及一种直流微电网混合储能系统分层控制方法。
背景技术
近年来，随着能源需求和环境问题的日益凸显，以清洁能源为主的分布式发电得到了广泛重视，微电网也因此产生。微电网多以交流为主，但直流微电网系统结构简单，能量转换小，供电质量高，相比交流微电网更有优势。随着配电系统的发展，越来越受到人们的重视。由于可再生能源输出功率的间歇性和随机性，储能系统已经成为直流微电网的重要环节具有重要的研究意义。蓄电池能量密度大，在储能设备中得到广泛应用。为了维持微电网内部瞬时功率平衡，稳定直流母线电压，储能系统往往需要频繁地吸收或发出较大功率，频繁的大功率充放电会严重影响蓄电池的使用寿命。超级电容器因具有功率密度高、循环寿命长等优点，研究蓄电池、超级电容混合储能的控制方法，稳定直流母线电压的学者也越来越多。
直流微电网系统为了保持正常稳定运行，直流微电网系统需要协调各组成单元的功率流向，因此完善的控制策略必不可少，其主要可以分为2类：集中式控制和分布式控制，当前对于无通信条件下直流微电网分布式控制策略的研究中，系统中的各组成单元需要根据电压区间在电压和功率2种控制结构间来回切换，容易引起母线电压波动，储能单元在正常运行时存在部分被闲置的充放电功率。为此要对系统层级协调控制策略，且需对含有多能互补的微网各类变换器的配合与控制进行深入探讨，从而确保系统可靠稳定运行。但是现有技术中尚无相关描述。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种直流微电网的混合储能系统分层控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种直流微电网混合储能系统分层控制策略，包括以下步骤：
步骤一、直流微电网系统结构组成，包括分布式发电单元光伏阵列、混合储能单元、直流负荷以及并网变换器；
步骤二、为了提高微网储能系统的动态特性和运行寿命，利用超级电容和锂电池组成混合储能系统(hess)，并且在相应层区进行协调配合。此外，通过下垂控制实现了自动响应，无需依赖相互通信；
超级电容虽然储能受限，但其功率密度大、响应速度快、循环寿命长，能够在短时间提供或吸收较大功率。因此，当系统运行状态发生变化、需要投入hess时，超级电容储能最先启动，通过快速充放电来平衡系统功率，调整直流母线电压。锂电池在储能方面能量密度大，但功率密度低、循环寿命受限、动态响应慢。因此，随着超级电容储能持续工作，当锂电池储能达到动作条件时，也承担起调整直流母线电压的任务，并可在较长时间内进行充放电控制，平衡系统功率，保证供电可靠性。
步骤三、根据直流微网系统的功率方程、母线电容储能变化以及电压变化方程导出直流母线电压变化与系统功率流向之间的关系；直流电网母线电压的稳定与系统的功率流向有关，考虑光伏发电单元、储能单元、直流负荷以及直流母线充电电容的功率平衡关系，再进一步导出直流母线电压的变化与系统功率流向的关系，为下分层控制打下基础。
步骤四、根据直流母线电压波动大小将系统运行控制分为五个层区，不同的运行层区都有作为平衡点的变换器来调整直流母线电压，确保系统功率平衡。
直流母线电压的稳定是系统功率平衡的关键，依据直流母线电压波动大小将系统运行控制分为五个层区。系统进入不同层区时会使得光伏变换器、超级电容变换器、锂电池变换器的启动条件和工作状况发生变化。通过光伏变换器mppt、cv控制和hess电压下垂控制及系统减载的协调配合，自动调节母线电压，平滑层区之间的切换，实现微网在各类工况下的稳定运行。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用蓄电池-超级电容级联的方式构成混合储能系统，提出一种基于电压下垂法的直流微电网混合储能控制策略。利用超级电容电压不能突变的特点，实现对蓄电池电流的平滑控制，利用对电压的分段控制，减少蓄电池充放电次数，延长其使用寿命；2)直流微电网中的各组成单元采用分布式控制结构，不仅能够主动参与直流母线电压调节，还能保证多个单元之间的功率合理分配，实现变流器“即插即用”的功能；3)本发明提出系统在不同层区下的协调运行控制策略，无需相互通信，实现了各层区运行的自动和平滑切换，保证各工况下直流微网系统能够稳定运行；4)本发明采用的分层协调控制策略合理使用分布式电源产生的清洁能源以及储能装置，提高了能源的利用效率；5)本发明在含光伏发电的直流微网中引入混合储能，并提出一种改进的储能控制策略；通过详细分析各类变换器对直流母线电压的调节作用及控制思路，提出了系统在不同层区下的协调运行策略，无需相互通信，实现了各层区运行的自动和平滑切换，保证各工况下系统能够稳定运行。
附图说明
图1是直流微电网混合储能系统分层控制策略的流程图。
图2是直流微电网体系结构图。
图3是超级电容储能下垂特性。
图4是锂电池储能下垂特性。
图5是系统运行及控制流程图。
图中编号代表的含义为：1为直流微电网系统结构组成，2为改进型混合储能控制策略，3为直流母线电压与系统功率流向的关系，4为根据直流母线电压变化划分的直流微网5个运行层区，设计变换器具体策略。
具体实施方式
结合附图，本发明的一种直流微电网的混合储能系统分层控制方法，包括以下步骤：
步骤1、构建直流微电网系统，该系统包括分布式发电单元光伏阵列、混合储能单元、直流负荷以及并网变换器；分布式单元采用光伏发电单元，混合储能装置由超级电容器和锂电池组成，各组成单元通过相应的变换器并入直流微网中。
步骤2、利用超级电容和锂电池组成混合储能系统hess，并且在相应层区进行协调配合；同时通过下垂控制实现自动响应，无需依赖相互通信；所述的超级电容，其端电压可表征自身能量，设定最小和最大工作电压分别为usc1、usc4；锂电池的运行区间根据其剩余量sb来确定，设定其剩余容量的最小值和最大值分别为sbmin、sbmax；当运行达到相应限值时，超级电容和锂电池停止工作。
步骤3、根据直流微网系统的功率模型、母线电容储能变化以及电压变化模型导出直流母线电压变化与系统功率流向之间的关系；
直流微网系统功率的关系为：
ppvo＝pbo+psco+pl+pdc
式中：ppvo、pbo、psco分别为光伏变换器、锂电池变换器、超级电容变换器出口侧功率；pl为直流负荷消耗功率；pdc为直流母线电容充电功率；
直流母线电压变化时，直流母线电容储存的能量变化量δedc为：
δedc＝t(ppvo-pbo-psco-pl)
式中t为运行时间；
直流母线电压与系统功率流动之间的关系为：
步骤4、根据直流母线电压波动大小将系统运行控制分为五个层区，不同的运行层区都具备作为平衡点的变换器来调整直流母线电压，确保系统功率平衡。
将系统运行划分为5个层区，通过光伏变换器mppt、cv控制和hess电压下垂控制及系统减载的协调配合，自动调节母线电压，平滑层区之间的切换，实现微网在各类工况下的稳定运行，具体为：
(1)当a1udcr<δudc<b1udcr时，系统进入第1层区运行；光伏发电单元运行于mppt控制模式，并且设置该层区为hess不工作区；
(2)当b1udcr≤δudc<b2udcr时，系统进入第2层区运行，该层区下，光伏发电单元继续进行mppt控制，hess开始投入工作；根据hess控制策略，超级电容储能最先动作，工作在充电模式；随着超级电容不断充电、其端电压上升到usc3时，锂电池储能也开始进行充电；
(3)当δudc≥b2udcr时，系统进入第3层区运行；光伏发电单元输出功率大于负荷消耗功率，直流母线电压偏高；为平衡系统功率，光伏发电单元需减少功率输出，从mppt控制转为恒压控制，光伏发电电源不再以最大功率输出，而是通过减少功率输出保持直流母线电压恒定；
(4)当a2udcr<δudc≤a1udcr时，系统进入第4层区运行；该层区下，光伏发电单元进行mppt控制，hess将投入工作，根据下垂特性调整直流母线电压；该层区的系统功率不足，直流母线电压偏低，hess需通过放电补充系统稳定运行所需功率；超级电容储能最先动作，通过放电为系统补偿功率；当超级电容端电压下降到usc2时，锂电池储能开始动作，工作在放电模式；
(5)当δudc<a2udcr时，系统进入第5层区运行；光伏发电单元输出功率小于负荷消耗功率，直流母线电压偏低；为达到功率平衡、保证系统稳定运行，进行减载操作，按照其重要性依次切除负荷，直到系统稳定运行。
本发明采用蓄电池-超级电容级联的方式构成混合储能系统，提出一种基于电压下垂法的直流微电网混合储能控制策略。利用超级电容电压不能突变的特点，实现对蓄电池电流的平滑控制，利用对电压的分段控制，减少蓄电池充放电次数，延长其使用寿命。
下面进行更详细的描述。
本发明提出一种直流微电网混合储能系统分层控制策略，包括以下步骤：
步骤一、直流微电网系统结构组成，包括分布式发电单元光伏阵列、混合储能单元、直流负荷以及并网变换器，如图2所示。
步骤二、基于混合储能装置下垂特性的分析和工作区间的划分，提出改进型混合储能控制策略。超级电容和锂电池的下垂特性如图3、图4所示。
步骤三、由直流微网系统的功率方程、母线电容储能变化以及电压变化方程导出直流母线电压变化与系统功率流向之间的关系。
步骤四、通过检测直流母线电压的变化量来决定系统的运行层区及光伏、超级电容和锂电池功率变换器的工作方式。以此保证各层区都有相应变换器来调整直流母线电压、平衡系统功率，实现直流微网电压稳定的控制目标。
进一步，步骤一中，系统包含了由光伏发电单元、超级电容器和锂电池组成的混合蓄电池单元、直流负载和并网变换器等。其中光伏阵列经dc/dc变换器并入直流母线，
采用最大功率跟踪(mppt)控制实现光能的高效利用，也可根据运行需要切换为恒压(cv)控制；由锂电池和超级电容各自经双向dc/dc变换器并入直流母线构成hess混合储能装置，起着调节直流母线电压、维持系统功率平衡的作用；led灯、电动汽车充电桩等直流负荷直接或经dc/dc变换器并入直流母线，交流符合则经ac/dc变换器并入直流母线。需要减载时，负荷的切除顺序根据负荷重要性确定。
进一步，步骤二中，当系统运行状态发生变化、需要投入hess时超级电容储能最先启动，通过快速充放电来平衡系统功率，调整直流母线电压。由图3所示的超级电容下垂特性，其中，iscmax为超级电容器充放电电流限值；msc为超级电容器下垂系数；ul2、ul1、uh1、uh2分别为超级电容器储能工作的临界值。通过检测直流母线电压可计算得到超级电容器充放电电流参考值。当ul1<udc<uh1时，超级电容无需充放电；当uh1≤udc<uh2时，超级电容充电；当ul2<udc≤ul1时，超级电容器放电。
进一步，步骤二中，随着超级电容储能持续工作，当锂电池储能达到动作条件时，也承担起调整直流母线电压的任务，并可在较长时间内进行充放电控制，平衡系统功率，保证供电可靠性。锂电池的下垂曲线如图4所示，其中uscl(l为变量，l＝1,2,3,4)为超级电容器端电压设定值，即锂电池储能工作临界值；ibmax为锂电池充放电电流限值；mb为锂电池下垂系数。通过采集超级电容端电压可计算得到锂电池输出电流参考值。当usc2<usc<usc3时，锂电池输出电流为0，即不动作；当usc3≤udc<usc4时，锂电池储能开始充电；当usc1<udc≤usc2时，锂电池储能开始放电。
进一步，步骤二中，对于超级电容，其端电压即可表征自身能量，设定最小和最大工作电压分别为usc1、usc4；而锂电池的运行区间需要根据其剩余量sb来确定，设定其剩余容量的最小值和最大值分别为sbmin、sbmax。当运行达到相应限值时，超级电容和锂电池停止工作。
进一步，步骤三中，该直流微网系统功率的关系为：
ppvo＝pbo+psco+pl+pdc(1)
式中：ppvo、pbo、psco分别为光伏变换器、锂电池变换器、超级电容变换器出口侧功率；pl为直流负荷消耗功率；pdc为直流母线电容充电功率。
直流母线电压变化时，直流母线电容储存的能量变化量δedc为：
δedc＝t(ppvo-pbo-psco-pl)(3)
式中t为运行时间。
直流母线电压与系统功率流动之间的关系为：
联立式(2)和(3)可得
由此可知，光照条件变化引起的光伏输出功率变化及负荷消耗功率变换都会引起直流母线电压的波动。为保证各种条件下直流微网电压稳定，必须根据电压变化情况对光伏发电单元及储能系统进行调整和控制。
进一步，步骤四中，根据直流母线电压的变化将系统运行控制分为5个层区，各层区的运行控制如图5所示。其中δudc为实际母线电压与参考电压的差值；a1、a2、b1、b2为运行模式判断系数。下面就每个层区运行信息进行介绍：
(1)当a1udcr<δudc<b1udcr时，系统进入第1层区运行。光伏发电单元运行于mppt控制模式，并且设置该层区为hess不工作区。由于没有稳压单元控制，直流母线电压可在允许范围内发生较小波动。
(2)当b1udcr≤δudc<b2udcr时，系统进入第2层区运行。该层区下，光伏发电单元继续进行mppt控制，hess开始投入工作。由于直流母线电压偏高，系统功率剩余，因此hess需通过吸收功率来调整直流母线电压，保证系统功率平衡。根据hess控制策略，超级电容储能最先动作，工作在充电模式。随着超级电容不断充电、其端电压上升到usc3时，锂电池储能也开始进行充电。
(3)当δudc≥b2udcr时，系统进入第3层区运行。光伏发电单元输出功率大于负荷消耗功率，直流母线电压偏高。为平衡系统功率，光伏发电单元需减少功率输出，从mppt控制转为恒压控制，光伏发电电源不再以最大功率输出，而是通过减少功率输出保持直流母线电压恒定。
(4)当a2udcr<δudc≤a1udcr时，系统进入第4层区运行。该层区下，光伏发电单元进行mppt控制，hess将投入工作，根据下垂特性调整直流母线电压。该层区的系统功率不足，直流母线电压偏低，hess需通过放电补充系统稳定运行所需功率。同样，超级电容储能最先动作，通过放电为系统补偿功率。当超级电容端电压下降到usc2时，锂电池储能开始动作，工作在放电模式。
(5)当δudc<a2udcr时，系统进入第5层区运行。此时，光伏发电单元输出功率小于负荷消耗功率，直流母线电压偏低。为达到功率平衡、保证系统稳定运行，必须进行减载操作，按照其重要性依次切除负荷，直到系统稳定运行。
本发明采用蓄电池-超级电容级联的方式构成混合储能系统，提出一种基于电压下垂法的直流微电网混合储能控制策略。利用超级电容电压不能突变的特点，实现对蓄电池电流的平滑控制，利用对电压的分段控制，减少蓄电池充放电次数，延长其使用寿命。